基于NDIR技术的红外CO2气体传感器研究

张雅楠,刘 灿,张 磊,谭秋林,于 可,刘瑞康

(中北大学,省部共建动态测试技术国家重点实验室,山西太原 030051)

0 引言

近年来,作为温室气体排放的重要指标,CO2气体的检测一直是不容忽视的问题,不同应用场景对其体积分数要求不同。根据研究,大气中CO2含量达到3%时,会使人心跳加快和呼吸急促;当含量超过5%时,就会出现血压升高、耳鸣等症状,因此,对CO2体积分数的监测变的越发重要[1-2]。目前,最常用的CO2传感器是基于非分光红外线技术(NDIR),根据气体分子在特定波长内对红外光吸收的原理, 不但解决了传统的电化学气体传感器易中毒、老化、寿命短的问题,同时还因其检测精度高、范围广、可靠性高、使用寿命长而被普遍认为是发展趋势[3]。2012年,美国J.Y.Wong等[4]利用MEMS发射器和探测器,将一种新型的CO2红外传感器集成到光纤中。2013年,D.Zhao等[5]设计了一种带有交叉室的呼吸CO2传感器。2016年,T.A.Vincent等[6]开发一种在0.5%～4%范围内使用的便携式NDIR呼吸分析仪。2015年,文献[7]开发一套多组分气体红外光学检测系统,为我国多组分气体传感器的研发工作提供了一条切实可行的途径。

本文提出一种基于NDIR原理的双通道红外CO2气体传感器。该传感器使用单光路双波长的折叠式气室结构、信号调理电路和数字匹配滤波器(DMF)实现信号的稳定输出。为克服环境温度引起的测量误差,采用峰峰值差比值法建立温度补偿模型,得到了CO2气体体积分数与输出信号之间的函数关系,从而降低 CO2气体探测时的温度漂移,最终实现在不同温度下,CO2气体在0～5%体积分数范围内的最大测量误差小于±0.15%,且精度可达3%的精准测量,与已有的测量方法相比,该方法具有灵敏度高、稳定性好和环境适应能力强的特点,满足了环境监测与人体健康监测等方面的需求。

1 基本检测原理

1.1 朗伯-比尔定律

由红外光谱学可知,红外光照射气体分子的过程中,当红外辐射的频率与气体分子的振动频率一致时,该气体就会吸收对应波段的红外光,从而对应波长的光强减弱[8-9],其体积分数与光强的对应关系遵循朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律[10],如式(1)所示:

I(λ)=I0(λ)e-k(λ)CL

(1)

式中:I0(λ)、I(λ)分别为入射光和出射光的强度;k(λ)为气体吸收系数;C为气体体积分数;L为有效气体吸收光程。

由式(1)化简得:

(2)

由式(2)可知,当确定了整个系统的结构时,气体吸收系数k(λ)、传播光程L均为确定已知,因此,待测气体的体积分数C可以通过测量红外光照射前后对应波长的光强来计算。

1.2 NDIR差分检测原理

在气体体积分数检测的应用中,不同环境下输出信号会产生很大的波动[11]。因此,本文选择单光路双波长的差分检测技术,可以有效减少误差。其原理是将光源发出的红外光束分为2路信号:一路是信号光,波长可被待测气体吸收,另一路是参考光,任何气体均无吸收且不受环境中其他气体的干扰,原理图如图1所示。根据红外吸收光谱可选波长为4.26 μm的光束作为CO2气体吸收波长的信号光束,并引入3.9 μm波长作为参考光束。

图1 NDIR差分检测原理图

由于实际测量中,存在粉尘和水分等干扰,将环境干扰考虑进入朗伯-比尔定律中,使得信号光束和参考光束2个通道的输出光强分别为:

I(λ1)=I0(λ)×exp[-k(λ1)C1L1+β1+δ1]

(3)

I(λ2)=I0(λ)×exp[-k(λ2)C2L2+β2+δ2]

(4)

式中:β和δ分别为与波长相关和波长无关的干扰因子;λ1为CO2气体吸收波长;λ2为参考波长。

由于2个通道在同一环境下,故L1=L2=L;因为工作波长接近参考波长,故β1=β2,δ1=δ2;在使用单光源时,两通道的初始光强差别可以忽略不计,即I0(λ1)≈I0(λ2),两式相比得待测气体的体积分数C表达式:

(5)

由于热释电探测器选用压电材料作为敏感元,其输出电压与光强成正比,即U∝I,因此,将式(5)改写为式(6):

(6)

式中:U(λ1)、U(λ2)分别为CO2测量通道和参考通道输出电压信号。

将式(6)化简并通过泰勒公式展开得到式(7),这样就可以通过2个通道的电压信号差值直接计算出气体体积分数。

(7)

1.3 数字匹配滤波器

数字匹配滤波器(digital matched filter,DMF)技术广泛应用于图像处理和模式识别中,对微弱信号进行检测[12]。其原理是DMF的频率响应与检测到的输出信号频谱完全匹配,允许测试信号中的各个频谱分量通过,而信号中没有的频率均是该滤波器的截止频率[13]。对于一个输出信号s(t),与其匹配的是具有冲激响应的滤波器,其冲激响应为:

h(τ)=ks(Δ-τ)

(8)

式中k和Δ为任意常数。

对式(8)进行傅里叶变换得DMF的传递函数,其形式为:

(9)

式中τ′=Δ-τ。

因此,实际信号s(t)的频谱可以写成:

(10)

比较式(9)和式(10),可得DMF传递函数为

H(j2πf)=kS(-j2πf)e-j2πfΔ=kS*(-j2πf)e-j2πfΔ

(11)

式中“* ”表示复共轭。

DMF与传统的低通滤波器相比,可以使信号的波形平滑,同时更加容易检测到峰峰值波长,实现对高频小信号与大幅值尖峰脉冲的有效滤除,具有较高的信噪比。

2 气室设计与光路仿真

整个系统的精度、整体性能都与光学气室有密切的关系,根据朗伯-比尔定律可知,在测量低体积分数气体时,应尽可能增加光路,以保证气体分子能够充分吸收相应波长的光,但气室的光程太长会使红外光的损耗增大,因此,气室的光程也不宜太长[14]。本文提出一种反射式气室,通过SolidWorks 构建三维模型并将其导入TracePro中仿真。气室表面镀金,提高反射率,实现光线多次反射,增强光程的目的,气室结构及仿真如图2所示。

图2 气室结构和仿真图

在TracePro中,光源发射波长为4.26 μm和3.9 μm,气室表面反射率为95%,光源总功率为1 W,发射无规则光线为10 000条。气室辐照度结果如图3所示,由图3可知,探测器两通道的光吸收通量几乎相等,分别达到了0.106 W和0.096 W,具有很好的一致性,既保证了探测器的响应强度,又提高了探测器的灵敏度,适用于双通道NDIR红外CO2探测器中。

(a)测试通道

3 红外CO2气体传感器设计

3.1 系统总体设计

设计的红外CO2气体传感器主要由光路系统、硬件电路系统和上位机构成,其总体结构设计如图4所示。该系统以单片机为核心,并在探测器的前面放置波长为4.26 μm和3.9 μm的滤光片,实现对温度与CO2气体体积分数的实时采集。工作流程为:单片机输出PWM波控制红外光源发出红外光,经气室反射后被CO2吸收到达探测器,探测器内部实现光电转换,输出的电压信号可以直接反映红外光强的变化。但探测器输出的有效信号十分微弱,为避免信号被淹没到噪声中,设计了信号调理电路对其进行放大滤波,同时,通过温度采集电路实时采集温度信息,用于后续实现温度补偿功能。处理后的信号通过单片机内部的ADC进行采样分析,再由串口上传至上位机,最终实现直观的CO2体积分数的显示。

3.2 硬件电路设计

3.2.1 光源驱动电路

为满足气体传感器低功耗的应用需求,选用HSL5-1115型红外光源,和具有使能端的稳压芯片ADP160保证输出稳定的红外光。工作时需通过单片机输出PWM波产生1 Hz的调制信号控制红外光的亮灭,亮灭时间可以通过调节PWM波的脉宽实现。光源采用3.3 V供电,为防止光源在开启和关断的瞬间,因电源电流过大而造成短暂的大电流,从而对主电路系统产生较大干扰,因此,红外光源采用单独电源进行供电,且与系统回路隔离开,电路如图5所示。

图5 光源驱动电路

3.2.2 温度采集电路

环境温度的波动会导致CO2气体传感器测试精度受到影响,为提升测试系统在复杂环境下的自适应能力,本文选用测温范围广、采样误差小以及功耗低的SHT20数字温度传感器,其温度采样误差可以控制在0.3 ℃范围内,且功耗小于1 mW。在工作时通过I2C通讯协议与单片机进行通信,同时将获取的温度信息以温度补偿的方式耦合到气体体积分数中,以提高系统整体测试精度,温度采集电路图如图6所示。

图6 温度采集电路

3.2.3 信号调理电路设计

热释电探测器进行光电转换后的输出信号是一个仅有mV级别的微弱信号,且其中夹杂了大量的噪声信号,不能对其直接采集,需要进行放大和滤波。本文选用的是低噪声、低功耗且支持单电源供电的LM324运放,设计了一个两级放大电路,电路图如图7所示。前级放大电路用于预放大输出信号,消除直流偏置,并滤除杂波;后级放大电路是将前级的输出信号再次进行放大,以确保其峰峰值达到3.3 V附近,并为第一级输出增加1.65 V的偏置电压,以便于滤除气体干扰信号的同时将输出信号送至ADC中进行采样。两级放大电路的放大倍数由R22、R19与R9、R7确定,为防止工频 50 Hz的干扰,通过R19、C17与R7、C6构建低通滤波器,以滤除高频杂波。

图7 信号调理电路

3.3 软件程序设计

整个测量系统的精度不仅取决于硬件电路设计,且与软件程序是密不可分的,而环境温度对于CO2气体体积分数的测量影响较大,因此,在软件设计方面采用温度补偿的方法消除环境干扰,设计数字匹配滤波器提取数据中的有效值,进而提高整个系统的信噪比和检测精度。软件程序流程图如图8所示,主要包括输出PWM波实现光源调制、ADC数据采集、数字匹配滤波器提取峰峰值、I2C获取温度值、温度补偿、体积分数拟合计算以及串口上位机通信功能。

图8 软件程序流程图

4 传感器系统标定与测试

4.1 传感器标定实验

搭建实验测试平台,选用标准CO2气体标定法,建立测试通道与参考通道输出电压峰峰值差比值和CO2体积分数的函数关系。传感器的标定是在高低温试验箱中进行,温度的变化会影响传感器输出,因此,建立了7个温度点,即0、5、10、15、20、25、30 ℃,在每个温度条件下通入体积分数分别为0%,0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%的CO2气体,保持一段时间,待传感器输出数值稳定后,开始通气5 min,记录数据并进行拟合,得到不同温度下,不同CO2气体体积分数与两通道峰峰值差值的关系,如图9所示。

4.2 温度补偿

由图9可知,温度对两通道峰峰值差比值有影响,温度变化越大,误差就越大,且峰峰值差值与温度差值之间几乎是线性关系,符合温度对CO2吸收系数的关系[9]。为了补偿温度对测量值的影响,采用最小二乘法对偏差值进行数据拟合,得到一个带有温度补偿功能的体积分数计算方程,如式(12)所示,补偿后的差比值与体积分数之间的关系如图10所示。

图10 温度补偿后体积分数与峰峰值差值关系

FA=Fa-(-16.37+0.006 626Fa+0.742 5T)

(12)

式中:FA为补偿后的峰峰值差比值;Fa为未补偿的峰峰值差比值;T为温度。

将数据重新拟合后,得到带有温度补偿的体积分数计算公式如式(13)所示。

(13)

4.3 稳定性实验

在系统标定前,需要对整个系统的稳定性进行测试,将传感器系统放置在25 ℃的环境里,以400 mL/min的速度依次通入体积分数为0.5%和1.5%的CO2气体,每30 min记录1次,持续工作12 h,测量数据图如图11所示。结果显示,该传感器的输出信号在标准值上下浮动,且变化幅度很小,具有良好的稳定性,满足设计需求。

图11 稳定性测试数据图

4.4 重复性实验

为了验证式(13)的正确性,在不同的温度条件下,对CO2传感器进行了重复性实验,实验结果如表1所示。由表1中的数据可知,这3种体积分数的最大偏差均小于0.15%,具有良好的重复性和温度补偿功能。

表1 温度补偿后复测实验结果

5 结束语

鉴于传统的CO2气体传感器具有体积大、稳定性差以及精度低等弊端,设计了一种具有温度补偿功能的高精度红外CO2气体传感器,通过单光路双波长的反射式气室结构,以及设计DMF准确提取输出信号的峰峰值,有效克服了外部环境因素的干扰,提高了整个系统的信噪比,同时采用标准气体标定法,实现了不同温度下对CO2体积分数的实时监测。实验结果表明,在0～5%的CO2体积分数范围内,最大测量误差小于±0.15%,且检测精度为3%FS。为我国工业开采,环境监测等领域提供了技术支持,具有广阔的应用前景。