汪 潔，王曉榮，梁 宇

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 211816)

近些年溫室效應(yīng)越發(fā)明顯,大氣中的CO2濃度達(dá)到了歷史最高值[1],由此引發(fā)各類極端天氣的增多。在環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)CO2氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可以預(yù)防潛在的危險(xiǎn)確保生產(chǎn)安全,并為國(guó)家節(jié)能減排相關(guān)政策的制定提供第一手資料[2]。近些年,工業(yè)排放廢氣增多大量的CO2加劇全球溫室效應(yīng)；南北極冰川融化加快了海平面上升；2019 年水城威尼斯遭受了1966 年以來(lái)的最大洪水侵害。按照當(dāng)前全球氣溫上升的趨勢(shì),預(yù)測(cè)到2050年全球沿海城市絕大多數(shù)將會(huì)被淹沒(méi),包括國(guó)際大都市上海、東京、紐約等地。其次,CO2無(wú)色無(wú)味不易察覺(jué)對(duì)人體危害也比較大。當(dāng)環(huán)境中CO2含量達(dá)到一定量時(shí),人會(huì)產(chǎn)生頭痛、頭暈?zāi)酥了劳觥Ｒ虼藢?duì)環(huán)境和工業(yè)中CO2的精確檢測(cè)是十分重要的,但是目前市場(chǎng)上出售的CO2傳感器均無(wú)法同時(shí)滿足模塊化、體積小、測(cè)量范圍寬、高精度和價(jià)格便宜等要求,或多或少存在某一方面缺陷,例如國(guó)外2017年SeungHwan Yi[3]設(shè)計(jì)了一款高靈敏度CO2氣體傳感器,其最大誤差約為5%,國(guó)內(nèi)吉林大學(xué)王嘉寧等人[4]紅外CO2檢測(cè)儀檢測(cè)2×10-5～4×10-3范圍CO2濃度。因此很大程度上限制了精細(xì)化工業(yè)控制和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

紅外吸收型CO2傳感器。根據(jù)不同的光強(qiáng)吸收量檢測(cè)出待測(cè)氣體的濃度[5],相比于半導(dǎo)體型CO2傳感器、熱導(dǎo)型CO2傳感器和電化學(xué)型CO2傳感器,無(wú)需直接接觸待測(cè)氣體,具有穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確性高、抗老化和抗疲勞等特點(diǎn)。因此,設(shè)計(jì)出一款非分光紅外CO2數(shù)字傳感器,對(duì)其設(shè)定預(yù)期要求:傳感器檢測(cè)精度達(dá)到工業(yè)儀表精度并且精度控制在±1×10-4以內(nèi)、CO2濃度測(cè)量范圍為1×10-5～4.7×10-3、非分光紅外CO2數(shù)字傳感器預(yù)熱啟動(dòng)時(shí)間小于3 min、傳感器檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間小于30 s。將整體呈現(xiàn)出一套設(shè)計(jì)流程并通過(guò)數(shù)字串口與外圍設(shè)備相搭配進(jìn)行精確性實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)等諸多實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證各項(xiàng)性能指標(biāo)。

非分光紅外CO2傳感器相比于市面上同類型產(chǎn)品,在保證高精度的前提下,測(cè)量范圍更寬、穩(wěn)定性更好、特殊的氣室設(shè)計(jì)和非分光的選擇使它體積更小、實(shí)現(xiàn)模塊化和國(guó)產(chǎn)化。非分光的選擇使它能夠適用于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境。

1 數(shù)字傳感器的總體設(shè)計(jì)

非分光紅外CO2傳感器主要由4 個(gè)部分組成,包括紅外光源、紅外探測(cè)器、光學(xué)氣室和驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電路。紅外光源選擇IRL715,其發(fā)出的波長(zhǎng)從可見(jiàn)光到4.4 μm,剛好包含了4.26 μm。紅外探測(cè)器選擇MTP20,其包含2 個(gè)紅外照射感應(yīng)區(qū),一路作為檢測(cè)通道,一路作為參考通路。整個(gè)非分光紅外CO2傳感器的結(jié)構(gòu)框架(圖中電源模塊未給出)如圖1 所示。非分光紅外CO2傳感器模塊接入外圍儀器接口后,通過(guò)主控制器對(duì)采用數(shù)字調(diào)制的IRL715 光源進(jìn)行控制,控制其發(fā)射出紅外光照射至待測(cè)氣體上,待測(cè)氣體吸收能量后,衰減的紅外光照射在MTP20 熱電堆探測(cè)器形成溫度梯度,將檢測(cè)到的溫差轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行雙通道系統(tǒng)測(cè)量。將獲得的電信號(hào)通過(guò)濾波放大處理后,傳至采集模擬前端進(jìn)行采集然后經(jīng)主控制器處理,最后通過(guò)數(shù)字化串口將處理好的采集信息發(fā)送給外圍設(shè)備。為了數(shù)據(jù)傳輸安全,特意設(shè)計(jì)了串口通訊數(shù)據(jù)幀格式,外圍設(shè)備比如分析儀可以安全可靠地對(duì)光源電路、采集電路和放大電路進(jìn)行控制。

圖1 數(shù)字傳感器結(jié)構(gòu)框架示意圖

2 檢測(cè)原理

分子內(nèi)部存在3 類運(yùn)動(dòng)形式:電子運(yùn)動(dòng)、分子振動(dòng)、分子轉(zhuǎn)動(dòng),它們的能量都是量子級(jí)別的,因此形成電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)[7]。由于物質(zhì)的組成成分各不相同,所以物質(zhì)內(nèi)部的分子能級(jí)躍遷所需要的能量也是不同的,這就造成了不同分子所形成的光譜也不同[8]。當(dāng)一束連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光照射在待測(cè)物品上。物質(zhì)內(nèi)分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和紅外光頻率一樣時(shí),分子就會(huì)吸收能量產(chǎn)生能級(jí)躍遷,使得對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)透射過(guò)的光強(qiáng)減弱,通過(guò)傳感器檢測(cè)出光強(qiáng)的變化就得到紅外光譜。

非分光紅外氣體傳感器[9]根據(jù)非對(duì)稱原子和多原子分子氣體對(duì)紅外有特征吸收峰的特性[10]。利用此特性只需要檢測(cè)出氣體特定波長(zhǎng)的光照強(qiáng)度,再根據(jù)紅外吸收定律即Lambert-Beer 定律[11]。

式中:I(λ)為透射光的強(qiáng)度；I0(λ)為入射光的強(qiáng)度；L為輻射通過(guò)氣體層的厚度；C為被測(cè)氣體的濃度；k(λ)為吸收截面,cm2/g。

由式(1)化簡(jiǎn)得

根據(jù)推導(dǎo)式可知,傳感器的氣室設(shè)計(jì)一旦確定,則輻射通過(guò)氣體層的厚度就確定了,紅外波長(zhǎng)在4.26 μm 和15.02 μm 處,CO2有明顯的特征吸收波峰,4.26 μm 處CO2吸收率比15.02 μm 處更高且上升趨勢(shì)更加明顯。同時(shí)考慮到空氣中含有水分子的影響,故選擇4.26 μm 的紅外波長(zhǎng)[12-13]。因此只需要確定照射前對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光強(qiáng)和照射后對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光強(qiáng)就可以計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度。

基于此原理的傳感器有二類,一類為分光型紅外傳感器,一類為非分光紅外氣體傳感器。非分光紅外氣體傳感器相比于分光型紅外氣體傳感器不需要分光系統(tǒng),所以使得傳感器整體體積進(jìn)一步縮小并且成本進(jìn)一步降低,更符合工業(yè)現(xiàn)象使用,也易于后期維護(hù)。

3 氣室設(shè)計(jì)

工業(yè)中常見(jiàn)的氣室設(shè)計(jì)主要有直射型和反射型2 類方案?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傳感器模塊化、整體體積小和裝配簡(jiǎn)易性的要求,同時(shí)還需要兼顧傳感器的氣室防塵、長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)等因素對(duì)檢測(cè)精度的影響。故特意設(shè)計(jì)了一種光程為50 mm 的帶有反射功能的直射型氣室結(jié)構(gòu),如圖2 所示。充分發(fā)揮反射型和直射型的優(yōu)點(diǎn),避開(kāi)各自的缺點(diǎn)。直射型氣室能夠使氣體均勻分布但同時(shí)也存在紅外光的衰減、反射和散射等問(wèn)題會(huì)使得紅外光強(qiáng)減弱[14]。同時(shí)傳感器氣室的長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)等因素也會(huì)降低待測(cè)氣體對(duì)紅外光的吸收率。而反射型氣室最大的優(yōu)點(diǎn)就是能減小傳感器氣室體積,但氣室內(nèi)部光潔度對(duì)檢測(cè)精度[15-16]影響較大因此無(wú)法兼顧防塵。此外,傳感器氣室內(nèi)徑尺寸越小則紅外光的散射就越少,所以氣室內(nèi)徑設(shè)計(jì)為寬10 mm、高度6 mm,并且IRL715 和MTP20 分別選擇3.17 mm 和9.85 mm 的直徑。這樣就能更好地保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和安裝簡(jiǎn)易性要求。

圖2 氣室結(jié)構(gòu)

4 硬件設(shè)計(jì)

選擇STM32F030C8T6TR 作為非分光紅外CO2傳感器的主控制器,該芯片面積僅為7 mm×7 mm 并且采用了Cortex-M0 處理器,極大地滿足了體積小和低功耗的要求。此外,該芯片還擁有豐富的片內(nèi)外設(shè),包括I2C、UART、SPI、TIMER 和ADC 等,使得它能夠更好地為系統(tǒng)控制服務(wù),主控制器最小系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 傳感器主控制器最小系統(tǒng)

4.1 光源驅(qū)動(dòng)電路

為了提高非分光紅外CO2傳感器氣體濃度的檢測(cè)精度,紅外光源需要一個(gè)恒壓源進(jìn)行恒壓驅(qū)動(dòng)。穩(wěn)壓器需要滿足低功耗、工作環(huán)境溫度范圍大、響應(yīng)速度快、紋波少等條件。在實(shí)際使用中,紅外光源最佳的紅外光發(fā)射情況是在3.3 V 恒定電壓下以2 Hz頻率進(jìn)行調(diào)制,因此設(shè)計(jì)中選用AP2112K-3.3TRG1低壓差線性穩(wěn)壓器。該芯片功耗低并且低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Droput Regulator,LDO)輸出精度控制在±1.5%,溫度范圍-40 ℃～＋80 ℃,在輸出和輸入端連接電容能更好地穩(wěn)壓。該芯片EN 引腳與主控制器相接,通過(guò)主控制器內(nèi)部定時(shí)器輸出PWM 波實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)壓器“開(kāi)”“關(guān)”控制,從而對(duì)紅外光源調(diào)制。驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路

4.2 傳感器電源電路

為了提高非分光紅外CO2傳感器的測(cè)量精度,穩(wěn)壓管需要電壓波動(dòng)小、紋波少。設(shè)計(jì)上選用XC6206P332MR 低壓穩(wěn)壓器將5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 給測(cè)量回路的主控制器和采集模擬前端提供電源,如圖5(a)所示。而基準(zhǔn)電壓選用REF3033 電壓基準(zhǔn)芯片提供,如圖5(b)所示。

圖5 測(cè)量電壓和參考電壓電路圖

4.3 信號(hào)處理電路

MTP20 輸出的電壓信號(hào)為mV 級(jí),并且微弱的電信號(hào)極易受到外界環(huán)境中光學(xué)系統(tǒng)的各種噪聲信號(hào)干擾而被淹沒(méi),導(dǎo)致主控芯片內(nèi)部的ADC 模塊無(wú)法對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。在設(shè)計(jì)中選用LMP91051,這是一款具有偏移調(diào)整功能并且可與外部信號(hào)濾波電路[17]搭配的雙通道增益放大器。其具有較高的內(nèi)阻可以和電源噪聲進(jìn)行耦合使得噪聲信號(hào)更加突出,并且在輸出端接有低通濾波器來(lái)濾除噪聲信號(hào)[18]。主控制器控制MUX 進(jìn)行輸入通道切換,選擇不同放大增益以使得雙通道系統(tǒng)獲得最佳精確度[19],主控制器通過(guò)SPI 通訊方式修改放大倍數(shù),從而獲得AD 采樣范圍。

在使用單通道檢測(cè)的過(guò)程中對(duì)環(huán)境要求比較苛刻,所以無(wú)法適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用,因此采用雙通道檢測(cè)系統(tǒng)即一個(gè)檢測(cè)通道和一個(gè)參考通道[20]。在獲取檢測(cè)通道信號(hào)信息的同時(shí)也獲取了參考通道信號(hào)信息,它能很好地消除光源老化、氣室被污染等問(wèn)題而帶來(lái)的檢測(cè)誤差[21],能更好地在相對(duì)封閉和通風(fēng)條件差的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境里長(zhǎng)期穩(wěn)定檢測(cè)。信號(hào)處理電路由圖6 所示。

圖6 信號(hào)處理電路

4.4 數(shù)字接口

通過(guò)UART 串口發(fā)送指令來(lái)改變傳感器光源驅(qū)動(dòng)的頻率和采集模擬前端的相關(guān)配置。為了保證非分光紅外CO2數(shù)字傳感器能夠正常運(yùn)行,特別選用了5PIN 的接口與外部連接,其中RESET 與主控制器NRST 相連接,使得外部控制器可以通過(guò)該引腳復(fù)位傳感器進(jìn)行初始化。接口電路如圖7 所示。

圖7 接口電路

5 軟件設(shè)計(jì)

在軟件控制方面主要實(shí)現(xiàn)的功能為:AP2112K-3.3TRG1 控制、MTP20 電壓采集控制和USART 串口通信。軟件執(zhí)行流程圖如圖8 所示,在軟件設(shè)計(jì)上利用定時(shí)器中斷、串口接收中斷和ADC 通道轉(zhuǎn)換完成中斷,提高了非分光紅外CO2數(shù)字傳感器的實(shí)時(shí)性。為了更好地方便外接設(shè)備對(duì)非分光紅外CO2數(shù)字傳感器的控制,編寫了一套數(shù)據(jù)指令傳輸格式,使得外圍設(shè)備更好地修改光源調(diào)制的頻率和PWM參數(shù),并通過(guò)串口讀寫LMP91051 內(nèi)部寄存器參數(shù)。

圖8 軟件執(zhí)行流程圖

在信號(hào)采集的過(guò)程中,各種噪聲的存在會(huì)引起AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果的誤差,由于在硬件上很難解決此問(wèn)題,只能尋求軟件上算法來(lái)解決。利用AD 采集速度較快的特點(diǎn),通過(guò)多次采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比處理,對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。軟件上常見(jiàn)的濾波算法主要有5 類:限幅濾波法、算數(shù)平均濾波算法、中值濾波法、一階滯后濾波法和去極值平均濾波算法。權(quán)衡各類算法在處理噪聲和毛刺方面的效果,采用去極值平均濾波算法對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行濾除。將n個(gè)采樣數(shù)據(jù)先進(jìn)行大小排序然后去掉最大值和最小值,對(duì)剩余n-2 的采樣值進(jìn)行取平均。算法邏輯如圖9 所示。

圖9 去極值平均濾波算法流程圖

6 實(shí)驗(yàn)分析

6.1 精確性和檢測(cè)范圍實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試非分光紅外CO2數(shù)字傳感器的真實(shí)精確性和檢測(cè)范圍是否符合設(shè)計(jì)要求,將非分光紅外CO2數(shù)字傳感器置于工廠中檢測(cè)不同CO2氣體的濃度。在測(cè)試過(guò)程中,始終保持光學(xué)氣室處在40 ℃的空間里,待測(cè)氣體通氣流量控制在0.5 L/min,依次通入5 種不同濃度的CO2到CO2傳感器氣室中。在測(cè)量過(guò)程中要等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,才能進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,每組氣體采集3 次濃度值,然后取平均作為最終測(cè)量值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 精確性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到,傳感器在測(cè)量過(guò)程中最大引用誤差為1.68%,遠(yuǎn)小于設(shè)定值2%,而且最小引用誤差是0.12%,具有良好的精確性,很好的達(dá)到最初設(shè)計(jì)要求。

6.2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

在測(cè)試過(guò)程中,始終保持光學(xué)氣室處在40 ℃環(huán)境中,待測(cè)氣體通氣流量控制在0.5 L/min,待測(cè)氣體CO2依次通入濃度為1.6×10-3和3×10-3,每隔5 min記錄一次,總共記錄10 組數(shù)據(jù)。由表2 可知,兩種濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(Relative Standard Deviation,RSD)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.40%和1.07%,表明傳感器具有良好的重復(fù)性,很好地達(dá)到最初設(shè)計(jì)要求。

表2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6.3 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

在測(cè)試過(guò)程中,始終保持光學(xué)氣室處在40 ℃空間里,待測(cè)氣體通氣流量控制在0.5 L/min,待測(cè)氣體CO2依次通入濃度為1.6×10-3和3.2×10-3。每隔2 h 記錄一次,總共記錄6 組數(shù)據(jù)。從表3 可知,相對(duì)極差值分別為1.625%和1.906%,檢測(cè)值上下浮動(dòng)較小,表明傳感器具有較好的穩(wěn)定性,較好地達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

表3 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

7 結(jié)束語(yǔ)

非分光紅外CO2數(shù)字傳感器主要面向于礦產(chǎn)挖掘、工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域,不僅給出了非分光紅外CO2數(shù)字傳感器詳細(xì)的光學(xué)氣室設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)和元件選擇,還對(duì)其檢測(cè)精確性、檢測(cè)范圍、重復(fù)性和穩(wěn)定性進(jìn)行了整體性能測(cè)試。與市面上同類高精度產(chǎn)品相比,它具有很強(qiáng)的通用性,可以和不同的外圍設(shè)備相搭配使用和在復(fù)雜的環(huán)境里使用,此外還具有以下優(yōu)勢(shì):更小體積、模塊化程度高、進(jìn)一步降低成本、測(cè)量范圍廣、易于操作等特點(diǎn),為客戶提供更高的性價(jià)比選擇。