李秀茹， 齊　娜， 沈廣楠， 孫　權(quán)， 黃　剛， 錢　力

(1.中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100049)

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高穩(wěn)定性紅外吸收式CO2傳感器

李秀茹1， 齊娜1， 沈廣楠1， 孫權(quán)1， 黃剛2， 錢力2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100049)

摘要:提出了一種具有高穩(wěn)定性的紅外吸收式CO2傳感器，針對長時(shí)間運(yùn)行、無法定期校準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，著重從提高傳感器長期穩(wěn)定性方面進(jìn)行研究。該傳感器利用高精密機(jī)械加工和高精度溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)提高紅外CO2傳感器穩(wěn)定性，經(jīng)過1 000 h的實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果表明，傳感器在不需要開機(jī)自校準(zhǔn)的情況下，輸出電壓穩(wěn)定在±1.53 %FS。從而實(shí)現(xiàn)了傳感器精度高、可靠性高、長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:CO2傳感器； 穩(wěn)定性； 溫度補(bǔ)償

0引言

CO2是大氣中有毒有害氣體中的重要成分之一[1],對其進(jìn)行監(jiān)測與治理是當(dāng)今世界各國十分關(guān)注的重要研究課題，也是當(dāng)前亟待解決的環(huán)境監(jiān)測問題?；诩t外吸收原理氣體濃度分析儀自應(yīng)誕生以來得到快速的發(fā)展，在氣體檢測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[2]。經(jīng)國內(nèi)外CO2傳感器產(chǎn)品對比發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品中少有對于長期穩(wěn)定性指標(biāo)的考察，文獻(xiàn)[3]提出的《光譜吸收式氣體傳感器探測電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)》中僅有10 h穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的研究，但10 h的穩(wěn)定性研究不足以滿足特定環(huán)境下CO2濃度值穩(wěn)定性的考察。且國內(nèi)外的文獻(xiàn)中CO2傳感器的測量精度均在2 %～3 %左右[4]，有進(jìn)一步提高的空間。因此，研制和開發(fā)紅外吸收式CO2分析儀對提高CO2氣體檢測監(jiān)控水平有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

本文提出了一種高穩(wěn)定性的紅外吸收式CO2傳感器。利用高精密機(jī)械加工和高精度溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)提高紅外CO2傳感器的穩(wěn)定性。通過1 000 h的測試研究表明，傳感器在保證高精度、高可靠性的條件下，實(shí)現(xiàn)了較高的長期穩(wěn)定性。

1紅外吸收式CO2傳感器原理

紅外CO2傳感器工作的理論依據(jù)是朗伯—比爾定律[6]

I=I0e-g(λ)CL,

(1)

式中I0為入射光強(qiáng)，I為出射光強(qiáng),C為單位面積分子數(shù)的線密度,L為紅外光透射的空間長度。g(λ)為吸收系數(shù)，與環(huán)境壓力、溫度、氣體種類、入射光的光譜波長等因素有關(guān)系。本系統(tǒng)采用單束雙波檢測原理，檢測信號和參比信號的輸出電壓分別為

UCO2=KCO2I0,

(2)

Uref=KrefI0,

(3)

式中KCO2,Kref分別為兩通道的系統(tǒng)參數(shù)，該參數(shù)與濾光片的透射率和探測器的靈敏度有關(guān)。

對于確定的系統(tǒng)，在同一時(shí)間兩個(gè)通道接收到的光強(qiáng)是相同的，可以得到以下關(guān)系式

(4)

式(4)經(jīng)過變換，可得CO2氣體濃度為

(5)

對于確定的系統(tǒng)，參數(shù)KCO2，Kref與吸收系數(shù)g(λ1) 以及氣室長度L都是固定的，并且UCO2，Uref可以通過測量得到，所以,可以將式(5)作為CO2氣體濃度檢測的理論依據(jù)。

2傳感器探頭設(shè)計(jì)

傳感器探頭內(nèi)部裝有紅外光源、氣室、探測器、補(bǔ)償傳感器以及外殼組成，通過轉(zhuǎn)接電纜與調(diào)理電路連接。傳感器探頭結(jié)構(gòu)框圖見圖1。其中，光源和探測器采用壓套方式與氣室集成為一整體，并用膠密封以減小死區(qū)氣體的影響。外殼同時(shí)兼具安裝固定與散熱的作用[7]。

圖1　傳感器探頭結(jié)構(gòu)框圖Fig 1　Structure block diagram of sensor probe

2.1紅外光源選型

紅外光源是傳感器的關(guān)鍵部件之一，其主要任務(wù)是產(chǎn)生紅外輻射。紅外光源應(yīng)具有輻射強(qiáng)度高、壽命長、輻射功率穩(wěn)定、力學(xué)性能好、可在小尺寸的面積上發(fā)光(近似點(diǎn)光源)，其峰值發(fā)光波長應(yīng)控制在CO2氣體吸收峰4.26 μm附近。本設(shè)計(jì)采用ReflectIR-P1S光源，該光源的光譜范圍為2～5.25 μm，最大輸入功率1.7 W。

2.2探測器選型

紅外探測器是完成光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件之一，它除了應(yīng)具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、體積小、重量輕等性能，還應(yīng)有較高的力學(xué)性能。另外，本設(shè)計(jì)采用雙窗探測器，選用PerkinElmer公司生產(chǎn)的TPS2534雙通道熱電堆探測器。

此探測器采用TO—5封裝，全封閉鎳金屬外殼，內(nèi)部充干燥N2。該探測器具有兩個(gè)獨(dú)立的紅外探測窗口，分別安裝有4.26，4.0 μm濾光片，用于接收CO2通道光強(qiáng)和參比通道光強(qiáng)。

此外，TPS2534內(nèi)部集成了100 kΩ NTC熱敏電阻器，其熱容低，響應(yīng)速度快，且與探測器一同集成到氣室中，能夠作為溫度補(bǔ)償傳感器對氣室內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，為溫度補(bǔ)償提供依據(jù)。

2.3氣室設(shè)計(jì)

氣室是存儲CO2氣體樣本的空間，并提供一個(gè)能夠讓光與CO2氣體相互作用的環(huán)境[8]。傳感器采用集成式(旁流式)氣室結(jié)構(gòu)，如圖2所示。氣室為圓桶形，兩端密封，與光源、探測器集成在一起，僅提供一個(gè)進(jìn)氣口和一個(gè)出氣口，所以，不易受力學(xué)環(huán)境干擾。氣體流向與紅外輻射的傳播方向一致，使入射光與氣體有充分的作用時(shí)間，增加吸收程度，提高傳感器靈敏度。要求氣室內(nèi)壁的化學(xué)穩(wěn)定性要高，不吸收紅外輻射，也不吸附氣體、塵埃和水，因此，選用黃銅材料加工氣室，加工時(shí)保證內(nèi)壁粗糙度Ra不低于0.04，且進(jìn)行鏡面加工，此外，氣室的中心軸線盡量與紅外輻射平行，以減小反射造成的能量損失。氣室內(nèi)壁鍍金，提高其化學(xué)穩(wěn)定性與反射率。

圖2　氣室結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2　Structure diagram of air chamber

3系統(tǒng)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

調(diào)理電路由光源驅(qū)動(dòng)模塊、信號前置放大與差分模塊、零點(diǎn)與靈敏度調(diào)節(jié)模塊，以及溫度補(bǔ)償模塊組成。光源驅(qū)動(dòng)模塊為光源提供恒定的電流信號，使光源輸出穩(wěn)定的光信號。信號前置放大與差分模塊將探測器輸出的微弱信號進(jìn)行放大，再通過減法運(yùn)算消除光源波動(dòng)等因素帶來的干擾。零點(diǎn)與靈敏度調(diào)節(jié)模塊將輸出電壓值調(diào)節(jié)到指定范圍內(nèi)。溫度補(bǔ)償電路是使傳感器在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的電壓值。調(diào)理電路組成見圖3。

圖3　調(diào)理電路框圖Fig 3　Block diagram of conditioning circuit

3.1光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

光源的工作狀態(tài)直接影響到傳感器的檢測精度與可靠性，光源的穩(wěn)定性容易受到溫度、電流波動(dòng)等因素的影響。溫度升高不僅使輸出的光功率下降、影響波長的穩(wěn)定，而且如果產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)掉的話會(huì)造成光源性能惡化，壽命減短。因此，本設(shè)計(jì)采用脈沖調(diào)制，可有效提高光源的發(fā)光效率，降低功耗，延長光源的使用壽命。此工作模式會(huì)減少探測器、放大器和其它元件的寄生熱，提高傳感器信噪比和穩(wěn)定性。光源驅(qū)動(dòng)電路如圖4。

圖4　光源脈沖驅(qū)動(dòng)電路圖Fig 4　Circuit diagram of pulse driver of light source

3.2溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際檢測過程中，環(huán)境溫度、光源輻射溫度、待測氣體壓強(qiáng)等均會(huì)發(fā)生改變，這會(huì)對檢測結(jié)果造成一定的影響。因此，必須對傳感器進(jìn)行補(bǔ)償才能解決1 000 h長期穩(wěn)定性問題。常規(guī)的溫度補(bǔ)償只將熱敏電阻器RT以電橋的方式加入到電路中，并轉(zhuǎn)換成隨溫度變化的電壓值，進(jìn)行零點(diǎn)的溫度補(bǔ)償。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳感器在此基礎(chǔ)上對靈敏度進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，即將熱敏電阻器RT以調(diào)節(jié)放大器放大倍數(shù)的方式跨接到放大器負(fù)輸入端和輸出端，如圖5所示。通過對環(huán)境溫度的補(bǔ)償處理消除了傳感器零點(diǎn)、靈敏度受環(huán)境變化帶來的影響。

圖5　溫度補(bǔ)償電路圖Fig 5　Circuit diagram of temperature compensation

4實(shí)驗(yàn)標(biāo)定與測試

在實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，分別向傳感器氣室中通入流量為(1.5±0.2)L/min的5種不同CO2濃度的氣體(包括高純N2和0.3 kPa CO2/N2氣體)，通過實(shí)驗(yàn)測量不同濃度CO2氣體的輸出電壓值，得到對應(yīng)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通入高純N2的濃度誤差為0.02 %，濃度為0.3 %的CO2/N2氣體濃度誤差為0.01 %，濃度為1.0 %的CO2/N2氣體濃度誤差為0.03 %，濃度為2.0 %的CO2/N2氣體濃度誤差為0.01 %，濃度為3.0 %的CO2/N2氣體濃度誤差為0.03 %。因此，CO2傳感器的精度可達(dá)1 %。

表1　標(biāo)定與測試結(jié)果

將傳感器置于密封壓力罐中，先將壓力罐抽氣體，使罐內(nèi)氣壓不大于20 kPa，再向罐內(nèi)充入高純N2，直到罐內(nèi)壓力達(dá)到(101.3±2.0)kPa為止，將傳感器供電，測量并記錄傳感器1 000 h(監(jiān)測頻率為1次/24 h)的輸出信號。

長期穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)經(jīng)過1 000 h測量，傳感器在高純N2環(huán)境下，得到如圖6所示的輸出電壓隨時(shí)間變化曲線。

圖6　輸出電壓隨時(shí)間變化圖Fig 6　Diagram of output voltage variation with time

傳感器在1 000 h內(nèi)輸出最大值為3.828 V，最小值為3.782 V。以滿量程3 V計(jì)算，其變化率=(3.828 V-3.782 V)/3 V×100 %≈1.53 %。實(shí)驗(yàn)表明：該傳感器具有長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

5結(jié)論

本文采用紅外吸收式方式設(shè)計(jì)了適用于長期穩(wěn)定工作環(huán)境的CO2傳感器。通過對CO2傳感器探頭光源和氣室結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高了傳感器的精度和光學(xué)穩(wěn)定性。在電路設(shè)計(jì)方面，通過光源調(diào)試，延長光源的使用壽命，并通過高精度溫度補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器長期穩(wěn)定的工作。實(shí)驗(yàn)表明：該CO2傳感器測量精度可以達(dá)到1 %，能夠準(zhǔn)確地測量CO2的濃度。1 000 h內(nèi)輸出電壓穩(wěn)定在±1.53 %，足以為長時(shí)間運(yùn)行、無法定期校準(zhǔn)的使用環(huán)境提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的測量系統(tǒng)。

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Infrared absorption CO2sensor with high stability

LI Xiu-ru1, QI Na1, SHEN Guang-nan1, SUN Quan1, HUANG Gang2, QIAN Li2

(1.49th Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China;2.China Astronaut Research and Training Center,Beijing 100049,China)

Abstract:An infrared absorption CO2 sensor with high stability is proposed,aiming at practical application characteristics of unable to calibrate on a regular basis because of long-term running,this research focuses on improving long-term stability of sensors.The stability of infrared CO2 sensor is enhanced by applying high precise machine processing and temperature compensation technology with high precision.In situation without self-calibration for starting up of sensors,experimental results show that the output voltage reaches a stable lever at ±1.53 %FS after 1 000 h experiment.So that the sensors have the characteristics of high precision,high reliability and long term stability.

Key words:CO2 sensor; stability; temperature compensation

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0067—03

收稿日期：2015—12—31

中圖分類號:TP 212.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)03—0067—03

作者簡介:

李秀茹(1974-)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士，高級工程師,主要研究方向?yàn)闄z測技術(shù)與自動(dòng)化裝置。