李亞萍，呂運朋，汪獻忠，胡　濤

(1．鄭州大學物理工程學院，河南鄭州　450001；2．河南日立信有限公司，河南鄭州　450001)

0　引言

在許多工業(yè)環(huán)境中，通過實時監(jiān)測氧氣和二氧化碳的含量，可以預防危險的發(fā)生，確?，F(xiàn)場人員的生命安全，因此對這兩種氣體的檢測十分重要。而目前市面上所售的大多數(shù)為便攜式的，單一氣體的檢測器。只能在短時內(nèi)檢測單一氣體。有的檢測器內(nèi)使用低精度的半導體類型傳感器，甚至無法準確測量出氣體含量。為此設計出一款高精度智能化的雙氣體探測器，不僅能準確測量，而且能接入智能網(wǎng)絡中，便于遠程監(jiān)控。同時兩種氣體合二為一，降低了監(jiān)測成本。

1　系統(tǒng)測量原理

1．1氧氣測量原理

氧氣傳感器有很多種類型，根據(jù)本次應用的量程范圍(0%～30%)和測量精度需要，最優(yōu)的選擇為電化學類型的氧氣傳感器。電化學氧氣傳感器測量精度較高，成本適中。它具有良好的選擇性、可靠性和較長的預期壽命，在發(fā)生化學反應時釋放出電荷，所以本身并不消耗能源。系統(tǒng)選擇了4OX傳感器，量程0～30%，質(zhì)量在行業(yè)內(nèi)屬于領先水平，完全符合應用需要。

電化學氧氣傳感器含有兩個電極——感應電極和負電極，它們被一層電解質(zhì)薄膜分離開來。傳感器內(nèi)部充滿電解液，擴散進入傳感器的氧氣在兩電極表面分別發(fā)生氧化和還原反應，并產(chǎn)生近似正比于氧氣濃度的電荷。通過檢測兩電極之間的電流大小，或在兩電極之間并入一個負載電阻，檢測負載電阻上的電壓大小，就可以計算出粗略的氧氣濃度。

由于空氣中氧氣含量較高，使得電化學氧氣類傳感器反應劇烈，很容易產(chǎn)生較高的電動勢，抑制傳感器內(nèi)部的電荷產(chǎn)生。因此隨著氧氣濃度的增加，傳感器的輸出變成非線性的。該信號遵循式(1)：

S=Kloge[1/(1-c)]

(1)

式中：S為輸出信號；c為氧氣濃度；K為常量。

如果傳感器在空氣中進行校準，取值為20．9%(S=20．9，c=0．209)，這樣可以計算出K值為89．14。圖1反映了電化學氧氣傳感器輸出信號與氧氣濃度之間的關(guān)系。

圖1　氧氣傳感器輸出信號與濃度關(guān)系

通過校準操作，溫度補償和非線性補償?shù)人惴?，可以獲得精確的氧氣濃度值。

1．2二氧化碳測量原理

二氧化碳氣體性質(zhì)穩(wěn)定，因此能高精度檢測出二氧化碳氣體含量的方法不多。常用傳感器[1]有半導體式傳感器，熱導式傳感器和紅外式傳感器。半導體式傳感器雖然價格低廉，但穩(wěn)定性太差。熱導式傳感器只適合檢測已知氣體成分和高濃度二氧化碳含量的情況，因此也不適用。系統(tǒng)選用數(shù)字式紅外(NDIR)CO2傳感器，它具有操作簡便，可直接讀濃度，壽命長，預熱時間短，測量結(jié)果精度較高等特點，比較適合此次應用。

非色散(NDIR)紅外傳感器[2-4]原理如下：使用特定波形的脈沖(依照光源和探測器特性而定)激勵一個紅外光源，發(fā)出一寬波長范圍內(nèi)的紅外光，紅外光穿過傳感器氣室時，待測氣體將吸收特定波長的紅外光。一般使用雙波長光探測器來檢測紅外光信號。雙波長光探測器一般具有兩個一樣的光感應部分，前面加裝不同波長(特定波長和參比波長)的濾光片，只有相應波長的光能通過濾光片到達探測器并產(chǎn)生相應的電信號。

紅外光強和氣體濃度之間的精確的聯(lián)系是確定的，探測器的光強可以用比耳原理來描述：

I=I0ekp

(2)

式中：I表示照射到探測器的光強度的測量信號；I0表示濃度為0時的測量信號；k表示一個系統(tǒng)常數(shù)；p表示濃度。

如圖2所示，工作時，傳感器根據(jù)預先設定的調(diào)制頻率發(fā)出周期性的，波長范圍1～20 μm紅外光，透過測量氣室并被待測氣體吸收衰減過的紅外光由兩個不同波長的光探測器探測。光探測器輸出交流的電信號，通過其后的前置放大電路放大后經(jīng)過高精密放大整流電路，得到與被測氣體濃度對應的直流信號，送入信號采集處理系統(tǒng)處理。經(jīng)過A/D采集，數(shù)字濾波，校準，線性插值及溫度補償?shù)溶浖幚砗螅嬎愠鯟O2氣體濃度。

圖2　紅外CO2傳感器原理圖

特別注意，光源的發(fā)光強度，紅外光路徑上的灰塵和水滴，都會影響光探測器接收到的信號強度。參比光源的引入，補償了這個誤差，極大地增加了測量精度和穩(wěn)定性。

2　系統(tǒng)硬件設計

探測器采用16位低功耗單片機MSP430F2013為控制系統(tǒng)的核心，通過MSP430單片機內(nèi)置的溫度傳感器采集溫度。通過I2C總線直接讀取二氧化碳氣體的濃度。通過模擬放大電路將氧氣傳感器傳出的微弱的電信號放大，經(jīng)濾波后輸入到MSP430單片機內(nèi)部集成的16位高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊[5]。通過對氧氣濃度值的高點值和低點值校準，將A/D的數(shù)字值轉(zhuǎn)化為氧氣濃度值。并通過數(shù)字濾波、溫度補償和非線性補償減小傳感器的測量誤差。每臺儀表都具有不同的儀表地址，一旦收到相應儀表地址的請求，將通過RS485總線返回數(shù)據(jù)給上位機，以便實現(xiàn)多探測器聯(lián)網(wǎng)功能。整體框圖如圖3所示。

圖3　雙氣體探測器整體框圖

2．1氧氣測量硬件電路

電化學傳感器的輸出信號一般較弱，因此使用模擬電路對其進行放大處理。氧氣傳感器出來的微弱信號，放大至一個適合A/D采樣的電壓。經(jīng)過低通濾波電路濾除高頻干擾信號后，傳給MSP430單片機的A/D進行轉(zhuǎn)換處理。MSP430單片機內(nèi)部包含一個16位的基于二階過采樣的模數(shù)調(diào)節(jié)器和數(shù)字抽取濾波器的A/D，具有很高的轉(zhuǎn)換精度，使得A/D轉(zhuǎn)換誤差對測量結(jié)果的影響幾乎為零。

2．2二氧化碳測量電路

二氧化碳傳感器為智能傳感器，濃度值已經(jīng)經(jīng)過智能處理并通過I2C總線輸出。在設計中直接讀取使用這個濃度值，有必要時才稍稍進行溫度補償和漂移調(diào)整。

2．3RS_485通訊模塊硬件電路

RS485串行總線接口采用平衡發(fā)送和差分接收的方式進行數(shù)據(jù)通訊，較大提高了抗共模干擾能力和傳輸距離?？偩€上最多可以連接多達128個收發(fā)器，這樣可以利用單一的RS485接口方便地建立起設備網(wǎng)絡。

當總線上沒有信號傳輸時，總線處于懸浮狀態(tài)，容易受干擾信號的影響。將總線上差分信號的正端A+和正電源間接一個1～10 kΩ的電阻；負端B-和地間接一個1～10 kΩ的電阻。當總線上沒有信號傳輸時，正負電源分別通過電阻對總線灌入電流，使總線保持在空閑狀態(tài)。一般干擾信號很難改變總線的電平狀態(tài)，因此能大大提高總線的穩(wěn)定性。

如果需要，可在總線末端接一個匹配電阻，吸收總線上的反射信號，保證正常傳輸信號干凈、無毛刺。

3　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)主程序主要完成對傳感器過來的測量信號進行正確的讀取，通過一些初始化操作，協(xié)調(diào)各模塊硬件電路正常工作，對所測傳感器數(shù)值進行讀取，經(jīng)線性和溫度補償校正后，等待上位機的讀取，各個下位機設有自己唯一的地址[6]，且下位機之間不能通訊，一切通訊受上位機控制。開始時，所有下位機都處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待上位機發(fā)出指令。當上位機發(fā)出指令后，所有下位機都接收且將其中的地址幀與自己的地址比較。如果相同則將所測氣體濃度值發(fā)送給上位機，若不同則不予響應。從而實現(xiàn)多傳感器組網(wǎng)功能。

3．1氧氣數(shù)據(jù)采集程序設計

氧氣濃度值的讀取主要使用了MSP430F2013內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，設置模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的各個寄存器。

溫度變化會對傳感器的輸出有微小影響，由于傳感器存在這種溫度變化的影響和輸出的非線性，使得所測濃度出現(xiàn)一定的誤差，所以通過軟件來對傳感器溫度和非線性進行補償，使得所測氣體濃度值誤差減小，精度提高。儀表通過在氮氣中標定其零點值，在空氣中標定高點值后得到一條直線，在根據(jù)所采集的A/D值來計算并經(jīng)溫度補償和非線性修正后輸出其濃度值，使得測量結(jié)果更準確。

3．2二氧化碳數(shù)據(jù)采集程序設計

由于課題所選的二氧化碳傳感器內(nèi)部自帶有I2C總線，所以軟件設計采用MSP430F2013單片機的普通I/O口來模擬I2C協(xié)議，通過二氧化碳傳感器給出的I2C時序編寫相應的程序，讀取二氧化碳傳感器的輸出值存入數(shù)組，去掉最大值和最小值后求平均值，然后對其進行溫度補償后將結(jié)果存儲，等待上位機讀取，若上位機發(fā)送的地址與本機地址一致，則將所測濃度值發(fā)送給上位機[7-8]，數(shù)據(jù)讀取成功，若讀取數(shù)據(jù)失敗，則繼續(xù)維持上一次的濃度值。

4　儀表校準與溫度補償

由于傳感器存在這種溫度變化對輸出的影響，因此需要進行相應的溫度補償，使得測量結(jié)果更準確。通過使用恒溫箱和配氣儀，對氧氣傳感器進行了溫度實驗，得到其溫度特性曲線圖如圖4所示。

圖4　溫度特性曲線圖

通過最小二乘法擬合獲得某一濃度下溫度與采樣值的關(guān)系式為：

f(t)=23 809+617.25t+5.872t2

(3)

式中：f(t)為某一濃度下的采樣值；t為溫度。

此公式擬合相關(guān)度為0．999 37．

任意選一溫度為基準點，通過式(3)可以計算出溫度補償系數(shù)，設計中選用0 ℃為基準點，得到一定溫度范圍內(nèi)補償系數(shù)式(4)：

α(t)=f(t)/f(0)=1+0.025 925·t+(2.466 3e-4)·t2

(4)

在測量過程中，對于測量出來的任意溫度t和采樣值y，都可以將當前采樣值轉(zhuǎn)換為基準溫度下的采樣值，使用式(5):

X=y/α(t)

(5)

式中X為補償后的采樣值。

最后再通過校準值直接計算出補償過后的氧氣含量。

使用MF-5B多組分動態(tài)配氣系統(tǒng)配置背景氣為氮氣的O2和CO2混合氣體，溫度為25 ℃，濕度為65%，通過配置高低點氣體濃度值，等待A/D采樣值穩(wěn)定后，對傳感器進行標定校準。通過配置相應氣體濃度值，檢測儀表性能，實驗結(jié)果如表1所示。

表1　儀表實驗數(shù)據(jù)

從表中數(shù)據(jù)可以看出，儀表的相對誤差遠小于5%，符合國標，滿足設計要求。經(jīng)測試，該探測器的O2測量最大誤差為滿量程的3%，CO2的測量誤差為顯示值的(5%+30)ppm．

5　結(jié)束語

該設計實現(xiàn)了對氧氣和二氧化碳兩種氣體的同時測量，通過RS485通信將所測濃度值傳送給上位機，可以實現(xiàn)對兩種氣體的實時監(jiān)測，實踐證明，通過選用高精度傳感器和高精度測量電路，經(jīng)過校準操作和溫度補償，此探測器的測量性能十分優(yōu)異，同時具備的485遠傳功能可將處理好的數(shù)據(jù)上傳至遠方主機中。能廣泛用于石油，煤礦，機械車間等各種需要長期實時監(jiān)測O2/CO2的場所中。

參考文獻：

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