基于GaSb光源和InAs二极管的NDIR原理CO2浓度检测方案

2022-03-03南京信息工程大学滨江学院轨道交通学院张之然谢梦飞

内江科技 2022年2期

◇南京信息工程大学滨江学院轨道交通学院赵阳魏琛沈悦韩天张之然谢梦飞

随着国家重视程度的不断提高，碳排放现已作为一项指标进入交易市场。本文提出一种基于非分光红外（NDIR）技术，以GaSb发光二极管作为光源、光电导InAs光电二极管作为敏感元件实现CO2浓度检测方案。通过单光源双检测的测量方案，实现对温度、压强等外界干扰因素的抑制，并使用硬件搭建带通滤波电路和软件离散傅里叶变换（DFT）算法实现双重滤波，最后根据CO2浓度计算模型得到浓度结果。

CO2是大气的重要组成部分之一，在农业生产、环境监测、生物医学等领域都有非常广泛的应用[1]。从1959年到2008年，人类活动对气候的影响总体呈上升趋势，大气中二氧化碳浓度从315.98 mg·L－1升高至385.34 mg·L－1，升高了21.9%，在2019年突破415 mg·L－1，创造有史以来最高纪录，目前仍在持续升高[2]。因此，在产生CO2气体各个生产环节进行精准可控排放，对于改善气候变化、缓解全球变暖具有极为重要的意义。

当前，CO2气体浓度检测手段主要有电化学法、电子捕获法、紫外线电离法以及非色散红外吸收法等[3]。虽然非色散红外原理在气体检测领域的应用已有较长的历史，但真正达到高可靠工业应用的并不多。国内大部分的研究基本上是基于钨丝灯红外发射源，热释电传感器或者光电导作为敏感元件构成的检测系统[4-7]。热释电传感器具有很宽的接收频谱带宽，通过匹配不同的滤光片可以检测相当多的气体种类。而光电导传感器的比探测率很高，信噪比优秀，成品的检测性能比较好[8]。

本项目采用GaSb红外发光二极管作为光源，光电导InAs光电二极管作为敏感元件实现CO2浓度检测。GaSb红外发光二极管本身具有较窄的红外光谱，可以根据被测气体选择对应频段的型号，无需再配置滤光片[9]。InAs光电二极管的比探测率比热释电传感器高1倍以上，低于硒化铅传感器，而敏感光谱范围大于硒化铅，小于热释电。因此，InAs光电二极管的性能介于热释电和硒化铅传感器之间，与GaSb红外发光二极管配合可以获得性价比更高的气体检测系统。

1 CO2浓度检测基本原理

1.1 非分散性红外线技术原理

非分散性红外线技术（NDIR，Non-Dispersive InfraRed）是一种基于气体吸收理论的方法。红外光源发出的红外辐射经过一定浓度待测的气体吸收之后，与气体浓度成正比的光谱强度会发生变化，因此求出光谱光强的变化量就可以反演出待测气体的浓度。

如图1所示（吸收数据均来自于HITRAN数据库），CO2在4.26μm吸收带附近的吸收较为明显。当红外光通过待测气体时，气体分子吸收特定波长的红外光，其吸收关系服从Lambert-Beer吸收定律。如果红外辐射光谱范围包括被测气体的吸收波段，当红外辐射通过充满被测气体的气室时，相应频率红外辐射的能量被气体吸收而导致能量的衰减，且CO2气体浓度越大，能量衰减越厉害，通过分析衰减量即可计算出待测气体浓度。

图1 二氧化碳气体的红外吸收峰

1.2 CO2浓度计算模型

光谱方法定量分析气体的基本思路是选一定波长的光照射气体，计算它的吸光度，然后根据吸光度计算其浓度。比尔朗伯定律是气体分析的基本定律，其定义为当一束平行单色光垂直通过某均匀非散射物质时，其吸光度的大小与物质的厚度和吸光物质的浓度成正比。

它规定了吸光度与浓度之间的关系：

其中：A为吸光度；T为透射比即出射光强度和入射光强度的比值。K为摩尔吸光系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关；c为吸光物质的浓度，单位为mol/L；b为吸收层厚度，单位为cm。

本项目采用单红外光源以固定频率闪烁和双检测通道的方式实现对CO2浓度的测量，通过DFT（离散傅里叶变换）的方式实现数字滤波。具体实现步骤如下，将参考通道和检测通道的信号分别通过模拟数字转换，根据公式（2）分别计算DFT的实部和虚部，将离散时域信号用N个余弦波和正弦波合成。

将DFT的实部和虚部进行叠加，如公式（3）。

2 CO2传感器系统设计

考虑到CO2气体浓度本身外，其温度、压强等都会对传感器的输出电压有影响，导致传感器检测到的浓度值与真实值存在一定的偏差[10]。所以本项目采用基于CO2浓度的单光源双通道的信号处理硬件架构。除了单通道检测的发光二极管和光电二极管外，还有额外的光电二极管用于检测参考光路的信号，从而实现对无关影响信号的补偿，参考光电二极管与检测光电二极管具有相同的灵敏度，并紧靠发光二极管发光口处，几乎不受CO2浓度影响且光源信号衰减较小，具体方案如图2所示。

图2 单通道CO2检测方案

通过微处理器对红外光源驱动并控制固定20Hz频率的闪烁，检测通道信号与参考通道信号光电二极管的输出信号通过模数转换后进行DFT数字滤波[10]，接着通过CO2浓度计算模型得到浓度数据。

2.1 硬件设计

硬件结构主要由微处理器模块、红外光源控制模块和CO2检测模块组成，系统硬件结构框如图3所示。硬件电路系统具体是由STM32F103微处理器及其驱动电路、ADR364构成的外部参考电压电路、开放性气室[11]、Lms43LED-CG光源及其控制驱动电路、Lms43PD-03-CG series光电二极管及其控制驱动电路、放大滤波以及阻抗匹配电路6个部分组成。

图3 系统硬件结构

（1）微处理器模块。本项目采用STM32F103微处理器作为系统核心内置模拟数字转换模块，该模块由外部参考电压电路、按键、LCD显示屏和蜂鸣器构成，可实现红外光源固定频率闪烁控制、光电二极管的模拟数字转换和滤波、实时显示以及设置CO2浓度阈值及报警功能。

考虑到模拟数字转换的精度和微处理器内部参考电源的精度对检测结果影响，本项目增加外部参考电压源电路，采用ADR364参考电压源芯片，为处理器提供标准的参考电压2.048 V，以提高模拟数字转换和CO2检测精度。具体电路图4所示。同时ADR364基准电压源具有利用ADI的温度漂移曲率校正技术，在TSOT封装中可实现9 ppm/℃的低温度漂移特性。

图4 外部参考电压源电路

（2）红外光源控制模块。本项目采用Lms43LED-CG发光二极管作为系统红外光源，其为4.10～4.30 μm的中红外光源。作为典型的GaSb光源，其频谱范围较小，光源的发射带宽与CO2的吸收带宽相当，因此不需要外接滤光片。

红外光源驱动控制电路采用MOSFET FDC3601N作为开关器件，通过微处理器I/O引脚输出电压调制脉冲波控制MOSFET通断来实现红外光源以20Hz的频率进行闪烁。具体电路如图5所示。

图5 红外光源控制模块

（3）CO2检测模块。本项目采用Lms43PD-03-CG series光电二极管作为系统CO2的检测器件，其检测范围在3.6～4.6 μm内。作为InAs光电二极管，Lms43PD-03-CG series光电二极管除响应时间快、调制范围大外，还具有检测频谱范围较小的特点。此外，该型号光电二极管还增设了特殊玻璃片以增大接收光源强度。

由于光电二极管直接作为信号输出时，变化幅度较小，难以进行后续计算，所以将其进行放大滤波。考虑到输入信号变化速度快、高带宽的特点，所以本项目中第一级的放大采用AD4841构成跨阻放大电路；同时为了达到增益可调的要求，本项目采用AD5272数字变阻器配合OPA192运算放大器搭建可通过微处理器调整增益的放大电路。但由于跨阻放大器和增益可变放大器的放大范围为有限，我们增加双运算放大器以得到较为明显的变化曲线。同时，考虑到谐波的影响，通过在电路中增加电容搭建积分、微分运算电路实现针对光源20Hz闪烁的带通滤波电路，降低其他频率信号的影响。具体电路如图6所示。

图6 CO2检测模块

通过Multisim进行仿真，搭建硬件电路的方式，对实际增益及带通频率进行仿真测量。根据Lms43PD-03-CG series光电二极管提供的技术文档和实际测量情况，采用1μA 20Hz的信号作为放大电路的输入信号，检测模块的交流分析和瞬态分析图分别如图7和图8所示。

图7 检测模块仿真交流分析

图8 检测模块仿真瞬态分析

2.2 软件设计

系统程序主要实现驱动控制、数据采集、数据处理、数据显示及人机交互。检测系统通过微处理器STM32F103实现前面所述的5个功能，系统程序流程如图6所示。

程序运行开始时对微处理器模块、红外光源控制模块、CO2检测模块进行初始化操作。然后在光源驱动控制电路中，通过引脚控制光源以固定频率闪烁；在检测电路中从引脚读取采集的模拟信号，通过硬件进行模拟数字转换。接着通过数字信号处理中的DFT提取与红外光源发光频率相同的信号，去除其他频率的信号，再根据定标模型计算得到实际CO2浓度。最后实时显示到LCD屏幕，并与设定阈值进行比较，若超过阈值则通过蜂鸣器进行警示，直至CO2浓度降至阈值之下，蜂鸣器停止报警。