裴 昱,張加宏,2,李 敏,顧 芳

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044)

1 引 言

CO2是大氣的重要組成部分之一,在精細(xì)化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用[1]。近年來(lái),社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展導(dǎo)致了全球氣候不斷的變化,對(duì)CO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的檢測(cè)也愈加重要[2]。當(dāng)前,針對(duì)CO2氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)的手段主要有電化學(xué)法、電子捕獲法、紫外線電離法以及非色散紅外吸收法等,其中,非色散紅外吸收法憑借其靈敏度高、檢測(cè)范圍廣、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在CO2氣體檢測(cè)領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用。

此外,在實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中,CO2氣體傳感器系統(tǒng)的性能易受到環(huán)境溫度的影響,當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),CO2氣體本身的光譜特性會(huì)產(chǎn)生變化,從而對(duì)紅外光的吸收效率會(huì)有所下降,并且濾光片的中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生偏移,所檢測(cè)到的CO2氣體濃度也會(huì)隨之產(chǎn)生誤差[3]。為解決環(huán)境溫度所造成的檢測(cè)誤差,絕大多數(shù)通常采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行溫度誤差修正,從而降低CO2氣體檢測(cè)過(guò)程中的溫度漂移[4]。本文著重對(duì)基于CO2氣體傳感器的電路進(jìn)行改進(jìn),在檢測(cè)系統(tǒng)中增添了恒溫控制模塊,提出了一種基于非色散紅外吸收法的恒溫CO2氣體傳感器,有效避免了因?yàn)榄h(huán)境溫度變化所造成的檢測(cè)誤差。

2 基本原理與方法

2.1 朗伯-比爾定律

大量非對(duì)稱雙原子和多原子氣體分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)譜線位于紅外波段,其對(duì)光的吸收呈現(xiàn)出明顯的頻率選擇性[5]。非色散紅外CO2氣體傳感器正是基于不同氣體分子對(duì)紅外光具有特定的吸收光譜這一特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)可知,CO2氣體對(duì)4.26 μm波段的紅外光強(qiáng)烈吸收,對(duì)4 μm波段的紅外光幾乎不吸收。

當(dāng)一束入射光強(qiáng)為I0的平行紅外光線通過(guò)待測(cè)CO2氣體介質(zhì)時(shí),CO2氣體分子對(duì)紅外光造成衰減,使得出射光強(qiáng)為I,且光強(qiáng)衰減遵循朗伯-比爾定律(Lamber-Beer law),其表達(dá)式為:

I=I0e-k(λ)CL

(1)

通過(guò)分析上式,當(dāng)紅外光光程L、CO2氣體吸收系數(shù)k(λ)為定值時(shí),通過(guò)測(cè)量紅外光的入射光強(qiáng)I0和出射光強(qiáng)I之間的關(guān)系,可間接計(jì)算出待測(cè)CO2氣體的濃度C:

(1)

其中,CO2氣體濃度單位為ppm。

2.2 PID算法

PID控制算法是結(jié)合偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的算法,它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種控制算法[6]。為解決傳統(tǒng)PID算法存在超調(diào)、積分飽和的問(wèn)題,本系統(tǒng)提出采用增量式PID算法對(duì)采樣氣室的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,用u(t)表示系統(tǒng)的輸出,e(t)表示溫度控制的差值,則基于PID算法的溫度智能控制系統(tǒng)的公式為:

(3)

其中,kp表示比例放大系數(shù);ki表示積分參數(shù);kd表示微分參數(shù);調(diào)節(jié)kp可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度;調(diào)節(jié)ki可以消除靜態(tài)誤差和加快響應(yīng)速度;調(diào)節(jié)kd可以控制系統(tǒng)的超調(diào)量[7]。在實(shí)際溫度控制過(guò)程中,只需將所設(shè)定的目標(biāo)溫度和當(dāng)前溫度作為入口參數(shù)送入增量式PID算法,由算法計(jì)算出當(dāng)前單片機(jī)輸出的PWM增量,從而達(dá)到溫度控制的目的,本系統(tǒng)所提出的增量式PID恒溫控制流程如圖1所示。

圖1 PID恒溫控制流程圖

2.3 光學(xué)腔體設(shè)計(jì)與恒溫仿真

氣體傳感器的性能與采用的光路結(jié)構(gòu)密切相關(guān),它直接影響傳感器的測(cè)量精度[8]。為此,本系統(tǒng)在PID恒溫控制的基礎(chǔ)上采用了一種單氣室雙波長(zhǎng)的采樣氣室,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)三維實(shí)體建模軟件Pro/E建立3D模型[9],采樣氣室的內(nèi)部為新型反射式扁錐形結(jié)構(gòu),探測(cè)面直徑為10 mm,錐角設(shè)定為5°,長(zhǎng)度約為80 mm,外圍包裹了PI電熱片用于對(duì)采樣氣室進(jìn)行恒溫控制,為了減小紅外光散射對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成干擾,對(duì)采樣氣室內(nèi)壁進(jìn)行了拋光和鍍金處理。為方便待測(cè)混合氣體進(jìn)出,在采樣氣室外圍分別開(kāi)有入氣口和出氣口。采樣氣室的左側(cè)裝有直徑為3 mm的白熾燈HSL5-115-S紅外光源,其輻射波長(zhǎng)覆蓋范圍從可見(jiàn)光到5 μm,包含了CO2氣體特征吸收峰。采樣氣室的右側(cè)封裝有德國(guó)PerkinElmer公司生產(chǎn)的TPS2534雙通道熱電堆探測(cè)器,有兩路光強(qiáng)感應(yīng)窗口,分別封裝有相應(yīng)的窄帶濾光片。當(dāng)紅外光源發(fā)射的紅外光線通過(guò)采樣氣室內(nèi)待測(cè)混合氣體后,分別通過(guò)中心波長(zhǎng)為4 μm的參考濾光片和中心波長(zhǎng)4.26 μm的測(cè)量濾光片,并由雙通道熱電堆探測(cè)器進(jìn)行接收和分析。由于參考光路和測(cè)量光路處于同一檢測(cè)環(huán)境中,采用采用單氣室雙波長(zhǎng)的差分檢測(cè)模型可有效提高CO2氣體傳感器的精確性和穩(wěn)定性。

圖2 CO2氣體傳感器采樣氣室結(jié)構(gòu)圖

為直觀了解電熱膜對(duì)采樣氣室內(nèi)部恒溫控制的效果,對(duì)恒溫加熱條件下的扁錐形腔體內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真與分析。在Pro/E內(nèi)對(duì)3D模型建立一個(gè)邊長(zhǎng)為40 cm的正方體空氣域,進(jìn)而通過(guò)前處理軟件ICEM采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分[10],生成采樣氣室與空氣域的四面體網(wǎng)格如圖3(a)所示。最后,通過(guò)ANSYS FLUENT軟件對(duì)網(wǎng)格劃分好的模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及迭代計(jì)算,在仿真過(guò)程中,將采樣氣室的金屬層設(shè)置為熱源,湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型[11],采樣氣室金屬層材料選定為不銹鋼,設(shè)置金屬層導(dǎo)熱系數(shù)和密度分別為16.2 W/m·℃和7.93×103kg/m3。由于采樣氣室的金屬層體積大小約為7 cm3,而實(shí)際加熱過(guò)程中的熱功率為3 W,因此在FLUENT中設(shè)置熱源的生熱率為428571 W/m3,計(jì)算流體入口采用速度入口邊界條件,出口采用壓力出口邊界條件。設(shè)定迭代次數(shù)為300并進(jìn)行計(jì)算,得到采樣氣室內(nèi)的溫度場(chǎng)分布如圖3(b)所示,在固體熱源傳熱的作用下,采樣氣室內(nèi)的升溫可達(dá)312 K,且氣室內(nèi)部空氣溫度近乎保持均勻恒定,從理論上有效驗(yàn)證了本文恒溫CO2氣體傳感器的可行性。

圖3 光學(xué)腔體與恒溫仿真

3 硬件檢測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)所提出的CO2氣體傳感器主要由光學(xué)系統(tǒng)和外圍電路組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中,光學(xué)系統(tǒng)包括紅外光源、采樣氣室以及探測(cè)器,外圍電路包括STM32單片機(jī)、光源驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、溫度采集電路、加熱模塊、濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、無(wú)線藍(lán)牙模塊以及上位機(jī)。該系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣氣室內(nèi)溫度的控制,又可對(duì)待測(cè)CO2氣體濃度信號(hào)進(jìn)行采集處理[12]。

圖4 CO2氣體傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)選擇PI電熱片對(duì)采樣氣室進(jìn)行恒溫控制,采用以TB6612FNG芯片為核心的加熱驅(qū)動(dòng)電路,首先設(shè)定溫度控制的目標(biāo)值,STM32單片機(jī)輸出占空比可變的PWM信號(hào)給TB6612FNG芯片驅(qū)動(dòng)PI電熱片加熱,SHT11溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集采樣器室的溫度信息,將當(dāng)前溫度值與設(shè)定溫度值之間的偏差作為反饋電路輸入值,并由相應(yīng)的控制算法計(jì)算得到系統(tǒng)的控制量,再繼續(xù)驅(qū)動(dòng)PI電熱片對(duì)采樣氣室進(jìn)行加熱操作,從而逐漸地將溫度控制在目標(biāo)值附近的一定范圍內(nèi),并保持穩(wěn)定[13]。其中,SHT11溫濕度傳感器所采集到的采樣氣室內(nèi)部的溫度通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

由于TPS2534雙通道熱電堆探測(cè)器對(duì)紅外光強(qiáng)變化較為敏感,在檢測(cè)過(guò)程中需對(duì)紅外光源進(jìn)行低頻率脈沖調(diào)制。因此,本文通過(guò)LM358驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)調(diào)制紅外光信號(hào),降低外界環(huán)境光照的影響,并達(dá)到延長(zhǎng)紅外光源使用壽命的目的[14]。紅外光在扁錐形采樣氣室內(nèi)通過(guò)不斷反射后到達(dá)TPS2534雙通道熱電堆探測(cè)器后,得到參考通道和測(cè)量通道兩路電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大和A/D轉(zhuǎn)換之后,被送到單片機(jī)內(nèi)部,最終通過(guò)上位機(jī)傳送到電腦上。

根據(jù)以上介紹,本系統(tǒng)的硬件檢測(cè)系統(tǒng)包括3塊PCB電路板,分別為主控電路板、光源驅(qū)動(dòng)電路板和信號(hào)處理電路板,通過(guò)固定架,將焊接的電路板與扁錐采樣氣室腔體相連,通過(guò)杜邦線實(shí)現(xiàn)主控板與其他兩塊功能板之間的通信,組裝成實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置,系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 CO2氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 恒溫測(cè)試

為了檢測(cè)PID算法控制的恒溫系統(tǒng)的實(shí)際作用,首先需對(duì)不同環(huán)境溫度下的恒溫效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在濃度檢測(cè)過(guò)程中,選用C180溫度試驗(yàn)箱對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行控制,將CO2氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng)置于溫度試驗(yàn)箱內(nèi),通過(guò)減壓閥將標(biāo)氣瓶?jī)?nèi)的待測(cè)氣體輸送到采樣氣室內(nèi)部,系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)如圖6所示。

在恒溫控制過(guò)程中,采樣氣室的溫度由SHT11溫濕度傳感器進(jìn)行采集,并通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)端,單片機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣氣室的恒溫控制[15],無(wú)線藍(lán)牙傳輸界面如圖7所示。

PID算法的設(shè)定溫度需稍微大于正常環(huán)境溫度,又因?yàn)橐话悱h(huán)境溫度低于40 ℃,所以本系統(tǒng)目標(biāo)溫度設(shè)定40 ℃。在恒溫控制過(guò)程中,設(shè)定kp=2、ki=0.01,kd=0.2,為了盡快穩(wěn)定加熱片的功率和保護(hù)各種設(shè)備,所以,本文分別設(shè)置C180溫度試驗(yàn)箱溫度為-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃,首先,設(shè)定溫度試驗(yàn)箱的溫度為-10 ℃,等待20 min箱內(nèi)溫度穩(wěn)定后,開(kāi)啟單片機(jī)讓PID算法驅(qū)動(dòng)PI電熱片,每隔5秒鐘在手機(jī)端讀取SHT11傳回的溫度值,記錄完畢后溫度箱每隔10 ℃重復(fù)上述操作記錄溫度值直到40 ℃。測(cè)得不同環(huán)境溫度下的采樣氣室溫度變化曲線如圖8所示。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

圖7 無(wú)線藍(lán)牙傳輸界面圖

圖8 PID恒溫控制的采樣氣室溫度變化曲線圖

圖9給出了540～600 s的系統(tǒng)穩(wěn)定后的變化趨勢(shì),可以看出在無(wú)論外部溫度怎么變化,當(dāng)電熱片在PID算法控制工作穩(wěn)定時(shí),采樣氣室內(nèi)溫度誤差小于0.2 ℃,與預(yù)期結(jié)果吻合,表明PID算法加熱裝置有效地對(duì)溫度誤差進(jìn)行了硬件補(bǔ)償,從而讓傳感器工作在穩(wěn)定溫度狀態(tài)環(huán)境下,消除了環(huán)境溫度對(duì)實(shí)際檢測(cè)的干擾。

圖9 PID算法恒溫控制穩(wěn)定后的效果圖

4.2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

將傳感器測(cè)試系統(tǒng)置于C180溫濕度試驗(yàn)箱中,設(shè)定試驗(yàn)箱內(nèi)溫度為40 ℃。分別配置濃度為10 ppm、297 ppm、495 ppm、694 ppm、896 ppm、1100 ppm、1516 ppm、2000 ppm的CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體,分8組進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn),將8組CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體通入氣體傳感器測(cè)試系統(tǒng)內(nèi),等待輸出電壓值相對(duì)穩(wěn)定后記錄下結(jié)果,求出氣體傳感器參考通道電壓信號(hào)與測(cè)量通道電壓信號(hào)的比值f,然后求出電壓比值平均值。標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知,由于CO2濃度的增大,探測(cè)通道紅外波段的光被大量吸收,這樣就導(dǎo)致測(cè)量通道電壓下降,而參考通道幾乎保持不變,這樣就使比值隨著濃度的增加而增大,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。為了衡量本文所提出的CO2氣體傳感器的特性是否滿足朗伯-比爾定律,本文對(duì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中電壓比值平均值與CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合,指數(shù)函數(shù)擬合如圖10所示,擬合系數(shù)為0.998,擬合公式為:

f=-0.04116e-C/1227.1197+0.92544

(4)

以上擬合公式基本滿足朗伯-比爾定律,存在差異為上式多出了近似為1的常數(shù)項(xiàng),該常數(shù)項(xiàng)與傳感器自身的設(shè)計(jì)有關(guān),比如所選紅外光源為發(fā)散式光源,不是平行光入射。理論上講,該公式的反函數(shù)即為CO2氣體傳感器的標(biāo)定公式,然而在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中,CO2氣體的吸收系數(shù)易受到環(huán)境變化的影響,從而導(dǎo)致該標(biāo)定誤差增大。因此,將電壓比值平均值作為自變量,CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度作為因變量,采用多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合,多項(xiàng)式函數(shù)擬合如圖11所示,擬合系數(shù)為0.99749,所得CO2氣體濃度的標(biāo)定公式為:

C=1.32332×106f2-2.32644×106f+

1.02248×106

(5)

圖10 指數(shù)函數(shù)擬合曲線圖

圖11 多項(xiàng)式函數(shù)擬合曲線圖

4.3 恒溫效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證CO2氣體傳感器的恒溫效果,在C180溫度試驗(yàn)箱設(shè)定不同的環(huán)境溫度的條件下,對(duì)恒溫控制的CO2氣體傳感器進(jìn)行檢測(cè)誤差對(duì)比。首先設(shè)定C180溫度試驗(yàn)箱的溫度為-10 ℃,待箱內(nèi)溫度穩(wěn)定后開(kāi)啟恒溫CO2氣體傳感器系統(tǒng),PI電熱片對(duì)采樣氣室進(jìn)行恒溫控制處理,SHT11溫濕度傳感器對(duì)采樣氣室的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并傳輸?shù)绞謾C(jī)端,待采樣氣室溫度穩(wěn)定到40 ℃時(shí),依次通入標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中的八種濃度的CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行濃度測(cè)量,分別對(duì)每種濃度的氣體記錄8組輸出電壓,并求出電壓比值平均值,帶入上述標(biāo)定公式中計(jì)算出對(duì)應(yīng)的濃度值。設(shè)定箱內(nèi)溫度分別為0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃,重復(fù)上述測(cè)量步驟,并記錄所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果。繪制出不同環(huán)境溫度下恒溫CO2氣體傳感器的檢測(cè)結(jié)果,如圖12所示。

圖12 不同溫度環(huán)境下的檢測(cè)結(jié)果圖

由圖12可知,在氣體濃度一定的情況下,當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),經(jīng)過(guò)PID算法控制的恒溫CO2氣體傳感器的檢測(cè)結(jié)果基本保持不變,所測(cè)的濃度值與CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度之間的差值如圖13所示,可以看出,兩者的絕對(duì)誤差最大為±60 ppm。由此可見(jiàn),當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),本系統(tǒng)所提出的CO2氣體傳感器可有效保持恒溫效果,而恒溫控制后檢測(cè)誤差較小且保持穩(wěn)定,因此,PID恒溫控制算法基本解決了CO2氣體傳感器溫度漂移問(wèn)題。

圖13 不同溫度環(huán)境下的檢測(cè)誤差圖

5 結(jié) 論

考慮到環(huán)境溫度的變化會(huì)造成CO2氣體傳感器測(cè)量精度下降,致使其適用范圍受限,因此本文利用非色散紅外檢測(cè)技術(shù),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種帶恒溫控制的CO2氣體傳感器。系統(tǒng)采用SHT11溫濕度傳感器對(duì)采樣氣室的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙模塊將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)端,同時(shí)基于PID算法在不同環(huán)境溫度下對(duì)采樣氣室進(jìn)行恒溫控制。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)擬合出CO2氣體濃度與輸出電壓比值關(guān)系曲線,并對(duì)其恒溫效果進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。結(jié)果表明,在采樣氣室恒定40 ℃時(shí),傳感器系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出0～2000 ppm量程范圍內(nèi)的CO2氣體濃度,絕對(duì)誤差最大為±60 ppm,滿足預(yù)期效果。