袁 博，袁宇鵬，張祖?zhèn)?，?靖，黃詩田，2，柯 淋，張開盛，羅文博

(1.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,成都 611731；2.中電科技集團 重慶聲光電有限公司，重慶 401332；3.中國電子科技集團公司 第二十六研究所，重慶 400060；4.成都君凌科創(chuàng)科技有限公司，成都 610015)

0 引 言

人體呼吸的氧氣經(jīng)過血液循環(huán)運輸?shù)椒尾繀⑴c人體新陳代謝，產(chǎn)生的CO2通過呼吸運動排出到體外，作為人體代謝產(chǎn)物的呼吸CO2可以反映人體新陳代謝、循環(huán)、呼吸、氣道或通氣系統(tǒng)功能的變化[1-2]。因此，呼吸氣體中的CO2濃度已經(jīng)被認為與體溫、呼吸、脈搏、血壓、動脈血氧飽和度等同樣的基本生命體征[3-4]，在麻醉監(jiān)測、重癥監(jiān)護、急診醫(yī)學(xué)[5]等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。由于其無創(chuàng)、簡便、測量精度高等方面的優(yōu)勢，例如，CO2傳感器與O2傳感器[6]結(jié)合可以對人體新陳代謝進行定量分析，這就使得呼吸氣體檢測在運動機能、代謝功能[7]、腫瘤細胞檢測[8]等領(lǐng)域都可以發(fā)揮重要作用。

傳統(tǒng)應(yīng)用CO2氣體監(jiān)測儀體積大、成本高、響應(yīng)時間長，難以滿足CO2氣體檢測在運動機能和代謝功能檢測等方面的應(yīng)用需求。T.A. Vincent等[9]分析了不同光程長度對CO2檢測精度的影響，選用微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)光源和熱電堆傳感器，采用鎖相放大技術(shù)提高了便攜式CO2氣體傳感器的測量精度。WEIGEL等[10]通過設(shè)計特殊的氣室結(jié)構(gòu)，提高了CO2氣體在旁流式結(jié)構(gòu)中的擴散速度，提高了傳感器的響應(yīng)速度。但是現(xiàn)有的紅外傳感器都是基于主流式或旁流式呼吸末分壓檢測設(shè)備的原理，沒有考慮呼吸氣流本身所帶有的湍流對呼吸傳感器測量帶來的影響。

本論文利用MEMS光源和雙通道熱釋電傳感器分別作為紅外光源和探測器，利用電調(diào)制MEMS光源取代機械斬波器產(chǎn)生的干擾，通過測量和計算參考通道和測量通道的電壓比值構(gòu)成基于差分吸收檢測的紅外氣體傳感器，采用壓電微泵為傳感器提供穩(wěn)定的氣體流速，結(jié)合氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計，提高了基于非分散紅外(non-dispersive infrared,NDIR)紅外氣體傳感器呼吸氣體的抗干擾能力和響應(yīng)速度，可望滿足運動機能和代謝功能檢測等新興應(yīng)用對CO2氣體監(jiān)測的需求。

1 紅外檢測基本原理

朗伯比爾定律是紅外光譜法中最基本的理論，它是由朗伯定律和比爾定律結(jié)合演變而來的，它們在不同的方面對吸收定律進行了概括。朗伯在1760年描述了光的吸收程度與被測物質(zhì)厚度存在關(guān)系。1852年比爾又提出光的吸收程度與物質(zhì)濃度之間也有類似的關(guān)系。由上面2個定律合并而成的朗伯-比爾定律是吸光光度法的基礎(chǔ)理論和定量測量的依據(jù)。一束單色光在經(jīng)過某種吸收介質(zhì)時，會被介質(zhì)吸收一部分的光能，透射光強度會因此而下降。其公式表述為

I=I0e-KCL

(1)

(1)式中：I0為入射光強，紅外線經(jīng)過被測氣體前的光強；I為出射光強，紅外線經(jīng)過被測氣體后的光強；K為吸收系數(shù)，該系數(shù)取決于被測物體的吸收譜線；C為濃度，被測氣體的濃度值；L為光程長，從紅外光源到探測器之間紅外光與被測氣體之間有交互作用的長度。

在氣體檢測這一特殊的應(yīng)用中，有時會發(fā)現(xiàn)紅外探測器端檢測到的信號非常微弱，并且在不同的環(huán)境下會有較大的信號波動。采用雙通道構(gòu)成差分檢測技術(shù)可以起到很好的作用，有利于提高對氣體濃度的檢測精度和準確性，提高系統(tǒng)的可靠性。氣體響應(yīng)通道(Act)是指用來直接測量氣體，它反映的是氣體濃度響應(yīng)特征波長的紅外光的變化關(guān)系；另一個通道，也就是參考通道(Ref)，它是用來測量沒有被待測氣體所吸收的光強的通道，與氣體濃度的變化無關(guān)，其信號只與背景光或外界環(huán)境干擾有關(guān)。

對于測量通道，Act：U1∝I0exp(-KCL)；對于參考通道，Ref：U2∝I0?？梢钥闯觯?路信號都正比于光強，對于一個密封的氣室內(nèi)，K，L都是確定的。不妨假設(shè)兩路通道擁有比例因子K1，K2，可以得到2個關(guān)系式。

氣體測量通道

U1=K1I0e-KCL

(2)

參考通道

U2=K2I0

(3)

在實際的測試中，光強這個物理量很難被直接地準確測量，一般是通過探測器的電信號來代表光強信號，為了消除中間可能帶來的誤差，對上面2個關(guān)系式求比值得

(4)

再將濃度計算出為

(5)

對于一個確定的系統(tǒng)，-1/KL可以看做一個常數(shù)Q，而K1，K2只與當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)有關(guān)，可以設(shè)lnK2-lnK1為一個隨環(huán)境變化的值m，它可以通過標定來得到。lnU1-lnU2可以通過單片機直接計算而得到，設(shè)為X。從而(5)式可以簡化為

C=QX+Qm

(6)

根據(jù)上述推算過程，使用雙通道雙波長檢測方法可以消除來自外界的干擾，使得探測器所得到的電信號能更準確地反應(yīng)光強信號。測量通道，參考通道和信號比值之間的關(guān)系如圖1。

圖1 測量通道，參考通道和信號比值之間的關(guān)系Fig.1 Relation between measuring channel, reference channel and signal ratio

2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計

為排除光源老化、探測器噪聲、氣壓、溫度等參數(shù)對氣體傳感器測量結(jié)果的影響，本文采用單光束雙波長的差分吸收檢測方法進行非分散紅外氣體傳感器的設(shè)計，以4.26 μm波長為測量通道波長，以4.00 μm波長為參考通道波長[11]，以滿足呼吸CO2氣體檢測對氣體傳感器的需求。該傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，主要包括紅外光源及其調(diào)制電路、氣室及采樣壓電微泵、熱釋電雙元紅外探測器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K。

2.1 氣室與光路系統(tǒng)設(shè)計

CO2氣體傳感器的氣室結(jié)構(gòu)如圖3，氣室結(jié)構(gòu)由十字交叉的2個空心圓柱體構(gòu)成，分別起到氣體進出和紅外光線傳輸通道。為保證紅外光線傳輸效率，采用具有較高紅外反射率的Al作為氣室材料。氣室的左右兩側(cè)分別為紅外光源和雙通道紅外熱釋電傳感器為保證光傳輸效率，MEMS光源、氣室和雙通道外熱釋電傳感器的中心軸位于同一水平線上；為降低氣體流動對紅外光源輸出的影響，在光源端裝有全透紅外的LiF玻璃，其透射為0.105～6 μm，反射損失峰值在4 μm處，反射損失為4.4%。

圖2 基于差分吸收檢測技術(shù)的非分散紅外CO2呼吸氣體傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure of non-dispersive infrared CO2breathing gas sensor based on differential absorptiondetection technology

圖3 紅外氣體傳感器整體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of infrared gas sensor

傳感器使用如表1的脈沖方波驅(qū)動MEMS光源EMIRS200，使其產(chǎn)生波長為2～16 μm的電調(diào)制紅外輻射，與通過傳統(tǒng)機械斬波器產(chǎn)生周期性紅外輻射相比，電調(diào)制光源具有結(jié)構(gòu)緊湊和輻射強度穩(wěn)定等優(yōu)點[12]。進一步，采用雙元熱釋電紅外探測器 (perkinelmer optoelectronics GmbH，PYS 3228)進行紅外輻射強度測量，其主要參數(shù)見表1。參考通道為CO2的最強吸收波長，2個通道均沒有水汽吸收峰可以降低濕度干擾。

根據(jù)上述光程長度和器件性能參數(shù)，采用朗伯比爾定律公式[13]計算不同光程長度下CO2氣體傳感器的測量曲線, 朗伯比爾定律下不同光程長與吸收率的關(guān)系如圖4。人體呼吸氣體中CO2的濃度在4%～6%，典型值為5%左右。從圖4中可以看出，光程長為10 mm的器件在該范圍內(nèi)具有較高的線性度和測量精度。

表1 MEMS光源和紅外熱釋電器件性能參數(shù)

圖4 朗伯比爾定律下不同光程長與吸收率的關(guān)系Fig.4 Relationship between different optical path lengthsand absorption rates under Lambert Beer’s law

氣室進氣孔和出氣孔分別位于圖3的氣室上部和下部，氣室進氣口連接有采用壓電陶瓷制備的壓電微泵。為了實現(xiàn)將呼吸氣體吸入氣室的目的，采用了無閥結(jié)構(gòu)制備壓電微泵。該壓電微泵的工作曲線如圖5，在標準大氣壓強下進行工作，在2 V電壓下測得其諧振頻率為2 400 Hz，在該頻率下有最大振幅，可以提供最大的流速。之后選擇電壓為3 V的交流信號驅(qū)動，可以產(chǎn)生0.384 L/min氣體流速，足夠?qū)⒑粑鼩怏w吸入氣室。

將該壓電微泵與氣室結(jié)構(gòu)結(jié)合并采用有限元方法進行仿真，仿真結(jié)果如圖6。結(jié)果表明，壓電微泵可以穩(wěn)定呼吸氣體的擴散速度，保證氣室內(nèi)部氣體流場參數(shù)的穩(wěn)定，而穩(wěn)定的氣體流場參數(shù)可以降低氣體流速和壓力變化對氣體測試精度的影響[14]。

2.2 光源驅(qū)動與信號電路設(shè)計

非分散紅外CO2呼吸氣體傳感器的電路需要實現(xiàn)MEMS光源的電調(diào)制、熱釋電紅外探測器驅(qū)動與信號處理、氣體濃度計算與傳輸?shù)裙δ堋EMS光源的電調(diào)制功能通過單片機I/O口輸出高低電平控制光源驅(qū)動模塊實現(xiàn)。采用AD8629構(gòu)成2級放大電路，整流電路將交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，進行熱釋電信號的放大、濾波。之后輸入單片機內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog converter，DAC)模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再取2路測量信號電壓峰峰值的比值輸出。采用RS232串口晶體管一晶體管邏輯(transistor-transistor logic，TTL)進行數(shù)據(jù)傳輸，在PC端顯示。

圖5 壓電微泵工作曲線Fig.5 Piezoelectric micropump working curve

3 結(jié)果與討論

3.1 CO2傳感器的標定實驗

從理論上來講，氣體的紅外吸收關(guān)系滿足朗伯比爾定律，從而可以根據(jù)朗伯比爾定律進行氣體濃度計算。但是在實際測試中，由于光源、氣體、使用環(huán)境等因素的變化也會導(dǎo)致輸出電信號的變化，從而難以直接利用朗博-比爾定律進行氣體濃度的計算。因此，對于實際的傳感器需要根據(jù)其測量的氣體濃度范圍進行標定，建立輸出電信號與氣體濃度的關(guān)系，得到修正的氣體濃度測量公式為[15]

(7)

圖6 壓電微泵與氣室結(jié)構(gòu)結(jié)合仿真Fig.6 Simulation of piezoelectric micropump and gas chamber

標定實驗在標準大氣壓強環(huán)境下進行，將傳感器置入恒溫箱內(nèi)，在10℃下分別通入濃度為0.5%，1%，2%，3%，4%，4.5%，5%，5.5%，6%，7%，7.5%的CO2氣體，待輸出穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)。一共進行4組實驗，試驗數(shù)據(jù)如表2。

綜合每一組實驗的結(jié)果，采用公式進行擬合，得到3個擬合值Span=0.235 15,a=0.275 79,n=0.717 60，得到擬合曲線如圖7。以擬合出的標定曲線為基準，通過在相同的條件下反復(fù)測量，并將所得到的吸收率代入擬合公式中計算，可以得到測量出的濃度值。

將這些濃度值與所通入的標準氣體的濃度值進行比較，兩者差值的絕對值為絕對誤差，絕對誤差與量程的比值為相對誤差。最終得到每個濃度下的測量值與實際之間的絕對誤差平均值為0.5%，相對誤差平均值為3%。

表2 標定測試數(shù)據(jù)

圖7 濃度標定曲線(每個標定濃度點都給出基于4組測試數(shù)據(jù)之間的標準差誤差棒)Fig.7 Concentration calibration curve (each calibration concentration point is given based on the standard deviation error bar between the four sets of test data)

3.2 氣體傳感器在不同溫度下的測試

不同溫度條件會對傳感器的輸出會造成影響，所以需要通過標定得到的數(shù)據(jù)來進行溫度補償。試驗方法傳感器的濃度標定過程相同，只是需要將傳感器置入高低溫交變濕熱試驗箱中。通過選擇-20 ℃,0 ℃,10 ℃,30 ℃和50 ℃這5個溫度點進行測試，濕度保持在25%。在每個溫度條件下通入濃度分別為0.5%，1%，2%，3%，4%，4.5%，5%，5.5%，6%，7%，7.5%的CO2氣體，等待系統(tǒng)輸出穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖8。

圖8 不同溫度下傳感器的標定曲線Fig.8 Calibration curve of sensor at different temperatures

通過對不同溫度下進行濃度擬合，可以得到多條擬合曲線，并得到這些擬合曲線的參數(shù)值，再將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入微控制單元(microcontroller unit,MCU) 中，之后在實際測試中通過查表法即可補償出準確的濃度值。

3.3 氣體傳感器的抗?jié)穸葴y試

呼吸氣體傳感器必須具備良好的抗?jié)穸雀蓴_能力以防止呼吸氣體中含有的水蒸氣對測量結(jié)果產(chǎn)生干擾，因此，本文測試不同濕度下氣體傳感器的電壓輸出變化。實驗在標準大氣壓強環(huán)境下進行，將傳感器置入高低溫交變濕熱試驗箱中，將箱體內(nèi)的溫度設(shè)定為30 ℃，濕度分別設(shè)置為25%，50%，75%，99% RH。以氮氣為背景氣體，在每個溫度測量點上向傳感器氣室內(nèi)依次通入濃度分別為0.5%，1%，2%，3%，4%，4.5%，5%，5.5%，6%，7%，7.5%的二氧化碳氣體，等待系統(tǒng)輸出穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。實驗測量結(jié)果如圖9。

圖9 濕度測試曲線圖Fig.9 Humidity test curve

由圖9觀察可以發(fā)現(xiàn)，不同濕度下的傳感器輸出值相差不大。經(jīng)過計算不同濕度下的每個濃度點所得到的吸收率之間的偏差，不同濕度下所測得的輸出之間相對偏差為3%，符合測試精度要求，可以認為濕度的變化不會對傳感器的輸出產(chǎn)生顯著影響。其原因是通過傳感器中紅外光源端設(shè)置的全透濾光片，屏蔽了氣流和濕度對紅外光源的影響。同時，基于對CO2和水蒸氣的紅外吸收譜線分析選擇傳感器濾光片(測量通道4.26 μm，參考通道4.00 μm)，而二氧化碳的吸收峰值在4.26 μm，水蒸氣在3.00 μm[16]，由此通過這種單光束雙波長的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計有效降低了濕度對傳感器輸出的影響，從而有效屏蔽呼吸氣體中水蒸氣對CO2濃度測試的干擾。

3.4 器件動態(tài)響應(yīng)測試

與環(huán)境中CO2氣體監(jiān)測不同，呼吸氣體中的CO2濃度隨人體呼氣-吸氣的過程快速變化[16]，這就要求氣體傳感器具有較短的響應(yīng)時間，本文使用2個電磁閥門和1個流量控制器實現(xiàn)一個模擬呼吸氣體狀態(tài)的。實驗在標準大氣壓強，室溫環(huán)境下進行。將設(shè)備的出氣口連接在氣室進氣口處，用99.99%濃度的氮氣和7.5%濃度的二氧化碳作為2種切換氣體，分別連接在2個電磁閥門上。通過1個開關(guān)來控制2個電磁閥門的開合，間歇性地通入氮氣和二氧化碳。使用流量控制器把氣體流速控制在0.3 L/min，確保流速與壓電微泵的流速一致。在100 s的時間內(nèi)以0.2 Hz的頻率切換開關(guān)并記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖10。

圖10 響應(yīng)時間測試結(jié)果Fig.10 Response time test result

從圖10觀察可以發(fā)現(xiàn)，以0.2 Hz的頻率切換開關(guān)，在100 s內(nèi)進行了10次CO2的通入。可以發(fā)現(xiàn)，這10次的測量值的準確性較好，都能保持在0.85附近，這表明了氣體傳感器在動態(tài)環(huán)境下的穩(wěn)定性。另一方面，從濃度零點到待測濃度值的時間在1.5 s左右，這表明通過壓電微泵和氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得傳感器內(nèi)部具有穩(wěn)定的氣體流速和流場，且傳感器的響應(yīng)時間可以滿足呼吸氣體傳感器的應(yīng)用需求。

3.5 人體呼吸氣體測試

最后對該傳感器在實際檢測人體呼吸二氧化碳的效果進行了測試。試驗在標準大氣壓強，室溫下進行。被試者佩戴呼吸面罩后在壓電微泵上方大約20 mm處進行正常呼吸，通過壓電微泵將人體呼吸氣體吸入氣室，在100 s內(nèi)一共進行了9次完整的呼吸循環(huán)如圖11。從圖11中可以清楚地分辨出每一次呼吸循環(huán)，所檢測到的濃度在5% 附近，符合人體呼出的二氧化碳濃度范圍。該測試結(jié)果與文獻[7]采用復(fù)雜鎖相放大電路所做的工作類似，但是在本文中所使用的紅外探測器為熱釋電探測器，與熱電堆探測器相比在進行動態(tài)測試時有更好的響應(yīng)。

圖11 人體呼吸二氧化碳測試曲線Fig.11 Human respiratory carbon dioxide test curve

4 結(jié) 論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于NDIR原理的呼吸二氧化碳傳感器。采用單光束雙波長的差分吸收檢測技術(shù)，提高了傳感器系統(tǒng)的抗干擾能力和檢測精度。利用MEMS光源和雙通道熱釋電傳感器分別作為紅外光源和探測器，利用電調(diào)制MEMS光源取代機械斬波器產(chǎn)生的干擾，采用壓電微泵提供穩(wěn)定的氣體流速和壓強，輔以氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計，提高了基于NDIR紅外氣體傳感器檢測呼吸氣體的抗干擾能力和響應(yīng)速度。測試結(jié)果表明，在室溫下，檢測量程在0%～8%，傳感器的絕對誤差小于0.5%，相對誤差為3%。系統(tǒng)響應(yīng)時間為1.5 s左右，滿足了針對人體呼吸的CO2傳感器的要求。