亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        非分光紅外CO2 數字傳感器設計與實現

        2021-10-26 12:26:18王曉榮
        電子器件 2021年4期
        關鍵詞:紅外光氣室分光

        汪 潔,王曉榮,梁 宇

        (南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院,江蘇 南京 211816)

        近些年溫室效應越發(fā)明顯,大氣中的CO2濃度達到了歷史最高值[1],由此引發(fā)各類極端天氣的增多。在環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)生產過程中,對CO2氣體濃度的實時監(jiān)測,可以預防潛在的危險確保生產安全,并為國家節(jié)能減排相關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;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 年以來的最大洪水侵害。按照當前全球氣溫上升的趨勢,預測到2050年全球沿海城市絕大多數將會被淹沒,包括國際大都市上海、東京、紐約等地。其次,CO2無色無味不易察覺對人體危害也比較大。當環(huán)境中CO2含量達到一定量時,人會產生頭痛、頭暈乃至死亡。因此對環(huán)境和工業(yè)中CO2的精確檢測是十分重要的,但是目前市場上出售的CO2傳感器均無法同時滿足模塊化、體積小、測量范圍寬、高精度和價格便宜等要求,或多或少存在某一方面缺陷,例如國外2017年SeungHwan Yi[3]設計了一款高靈敏度CO2氣體傳感器,其最大誤差約為5%,國內吉林大學王嘉寧等人[4]紅外CO2檢測儀檢測2×10-5~4×10-3范圍CO2濃度。因此很大程度上限制了精細化工業(yè)控制和環(huán)境監(jiān)測。

        紅外吸收型CO2傳感器。根據不同的光強吸收量檢測出待測氣體的濃度[5],相比于半導體型CO2傳感器、熱導型CO2傳感器和電化學型CO2傳感器,無需直接接觸待測氣體,具有穩(wěn)定性好、準確性高、抗老化和抗疲勞等特點。因此,設計出一款非分光紅外CO2數字傳感器,對其設定預期要求:傳感器檢測精度達到工業(yè)儀表精度并且精度控制在±1×10-4以內、CO2濃度測量范圍為1×10-5~4.7×10-3、非分光紅外CO2數字傳感器預熱啟動時間小于3 min、傳感器檢測響應時間小于30 s。將整體呈現出一套設計流程并通過數字串口與外圍設備相搭配進行精確性實驗、穩(wěn)定性實驗、重復性實驗等諸多實驗來驗證各項性能指標。

        非分光紅外CO2傳感器相比于市面上同類型產品,在保證高精度的前提下,測量范圍更寬、穩(wěn)定性更好、特殊的氣室設計和非分光的選擇使它體積更小、實現模塊化和國產化。非分光的選擇使它能夠適用于復雜的工業(yè)環(huán)境。

        1 數字傳感器的總體設計

        非分光紅外CO2傳感器主要由4 個部分組成,包括紅外光源、紅外探測器、光學氣室和驅動與檢測電路。紅外光源選擇IRL715,其發(fā)出的波長從可見光到4.4 μm,剛好包含了4.26 μm。紅外探測器選擇MTP20,其包含2 個紅外照射感應區(qū),一路作為檢測通道,一路作為參考通路。整個非分光紅外CO2傳感器的結構框架(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,通過主控制器對采用數字調制的IRL715 光源進行控制,控制其發(fā)射出紅外光照射至待測氣體上,待測氣體吸收能量后,衰減的紅外光照射在MTP20 熱電堆探測器形成溫度梯度,將檢測到的溫差轉換為電信號進行雙通道系統測量。將獲得的電信號通過濾波放大處理后,傳至采集模擬前端進行采集然后經主控制器處理,最后通過數字化串口將處理好的采集信息發(fā)送給外圍設備。為了數據傳輸安全,特意設計了串口通訊數據幀格式,外圍設備比如分析儀可以安全可靠地對光源電路、采集電路和放大電路進行控制。

        圖1 數字傳感器結構框架示意圖

        2 檢測原理

        分子內部存在3 類運動形式:電子運動、分子振動、分子轉動,它們的能量都是量子級別的,因此形成電子能級、振動能級和轉動能級[7]。由于物質的組成成分各不相同,所以物質內部的分子能級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]。當一束連續(xù)波長的紅外光照射在待測物品上。物質內分子中某個基團的振動頻率或轉動頻率和紅外光頻率一樣時,分子就會吸收能量產生能級躍遷,使得對應區(qū)域內透射過的光強減弱,通過傳感器檢測出光強的變化就得到紅外光譜。

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

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

        由式(1)化簡得

        根據推導式可知,傳感器的氣室設計一旦確定,則輻射通過氣體層的厚度就確定了,紅外波長在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 處更高且上升趨勢更加明顯。同時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[12-13]。因此只需要確定照射前對應波長的光強和照射后對應波長的光強就可以計算出待測氣體的濃度。

        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,所以使得傳感器整體體積進一步縮小并且成本進一步降低,更符合工業(yè)現象使用,也易于后期維護。

        3 氣室設計

        工業(yè)中常見的氣室設計主要有直射型和反射型2 類方案??紤]到工業(yè)現場對傳感器模塊化、整體體積小和裝配簡易性的要求,同時還需要兼顧傳感器的氣室防塵、長度和結構等因素對檢測精度的影響。故特意設計了一種光程為50 mm 的帶有反射功能的直射型氣室結構,如圖2 所示。充分發(fā)揮反射型和直射型的優(yōu)點,避開各自的缺點。直射型氣室能夠使氣體均勻分布但同時也存在紅外光的衰減、反射和散射等問題會使得紅外光強減弱[14]。同時傳感器氣室的長度和結構等因素也會降低待測氣體對紅外光的吸收率。而反射型氣室最大的優(yōu)點就是能減小傳感器氣室體積,但氣室內部光潔度對檢測精度[15-16]影響較大因此無法兼顧防塵。此外,傳感器氣室內徑尺寸越小則紅外光的散射就越少,所以氣室內徑設計為寬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量結果的準確性和安裝簡易性要求。

        圖2 氣室結構

        4 硬件設計

        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外設,包括I2C、UART、SPI、TIMER 和ADC 等,使得它能夠更好地為系統控制服務,主控制器最小系統如圖3 所示。

        圖3 傳感器主控制器最小系統

        4.1 光源驅動電路

        為了提高非分光紅外CO2傳感器氣體濃度的檢測精度,紅外光源需要一個恒壓源進行恒壓驅動。穩(wěn)壓器需要滿足低功耗、工作環(huán)境溫度范圍大、響應速度快、紋波少等條件。在實際使用中,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頻率進行調制,因此設計中選用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,通過主控制器內部定時器輸出PWM 波實現對穩(wěn)壓器“開”“關”控制,從而對紅外光源調制。驅動電路如圖4 所示。

        圖4 驅動電路

        4.2 傳感器電源電路

        為了提高非分光紅外CO2傳感器的測量精度,穩(wěn)壓管需要電壓波動小、紋波少。設計上選用XC6206P332MR 低壓穩(wěn)壓器將5 V 轉3.3 V 給測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。而基準電壓選用REF3033 電壓基準芯片提供,如圖5(b)所示。

        圖5 測量電壓和參考電壓電路圖

        4.3 信號處理電路

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

        在使用單通道檢測的過程中對環(huán)境要求比較苛刻,所以無法適用于工業(yè)現場的使用,因此采用雙通道檢測系統即一個檢測通道和一個參考通道[20]。在獲取檢測通道信號信息的同時也獲取了參考通道信號信息,它能很好地消除光源老化、氣室被污染等問題而帶來的檢測誤差[21],能更好地在相對封閉和通風條件差的工業(yè)現場環(huán)境里長期穩(wěn)定檢測。信號處理電路由圖6 所示。

        圖6 信號處理電路

        4.4 數字接口

        通過UART 串口發(fā)送指令來改變傳感器光源驅動的頻率和采集模擬前端的相關配置。為了保證非分光紅外CO2數字傳感器能夠正常運行,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該引腳復位傳感器進行初始化。接口電路如圖7 所示。

        圖7 接口電路

        5 軟件設計

        在軟件控制方面主要實現的功能為: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,在軟件設計上利用定時器中斷、串口接收中斷和ADC 通道轉換完成中斷,提高了非分光紅外CO2數字傳感器的實時性。為了更好地方便外接設備對非分光紅外CO2數字傳感器的控制,編寫了一套數據指令傳輸格式,使得外圍設備更好地修改光源調制的頻率和PWM參數,并通過串口讀寫LMP91051 內部寄存器參數。

        圖8 軟件執(zhí)行流程圖

        在信號采集的過程中,各種噪聲的存在會引起AD 轉換結果的誤差,由于在硬件上很難解決此問題,只能尋求軟件上算法來解決。利用AD 采集速度較快的特點,通過多次采集數據進行對比處理,對采集的數據進行平滑處理。軟件上常見的濾波算法主要有5 類:限幅濾波法、算數平均濾波算法、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噪聲信號進行濾除。將n個采樣數據先進行大小排序然后去掉最大值和最小值,對剩余n-2 的采樣值進行取平均。算法邏輯如圖9 所示。

        圖9 去極值平均濾波算法流程圖

        6 實驗分析

        6.1 精確性和檢測范圍實驗

        為了測試非分光紅外CO2數字傳感器的真實精確性和檢測范圍是否符合設計要求,將非分光紅外CO2數字傳感器置于工廠中檢測不同CO2氣體的濃度。在測試過程中,始終保持光學氣室處在40 ℃的空間里,待測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。在測量過程中要等待數據穩(wěn)定后,才能進行數據記錄,每組氣體采集3 次濃度值,然后取平均作為最終測量值。實驗數據如表1 所示。

        表1 精確性實驗數據

        從表中實驗數據分析得到,傳感器在測量過程中最大引用誤差為1.68%,遠小于設定值2%,而且最小引用誤差是0.12%,具有良好的精確性,很好的達到最初設計要求。

        6.2 重復性實驗

        在測試過程中,始終保持光學氣室處在40 ℃環(huán)境中,待測氣體通氣流量控制在0.5 L/min,待測氣體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 組數據。由表2 可知,兩種濃度的相對標準偏差(Relative Standard Deviation,RSD)相對標準偏差分別為0.40%和1.07%,表明傳感器具有良好的重復性,很好地達到最初設計要求。

        表2 重復性實驗數據

        6.3 穩(wěn)定性實驗

        在測試過程中,始終保持光學氣室處在40 ℃空間里,待測氣體通氣流量控制在0.5 L/min,待測氣體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 組數據。從表3 可知,相對極差值分別為1.625%和1.906%,檢測值上下浮動較小,表明傳感器具有較好的穩(wěn)定性,較好地達到預期設計要求。

        表3 穩(wěn)定性實驗數據

        7 結束語

        非分光紅外CO2數字傳感器主要面向于礦產挖掘、工業(yè)生產和環(huán)境檢測等領域,不僅給出了非分光紅外CO2數字傳感器詳細的光學氣室設計、軟硬件設計和元件選擇,還對其檢測精確性、檢測范圍、重復性和穩(wěn)定性進行了整體性能測試。與市面上同類高精度產品相比,它具有很強的通用性,可以和不同的外圍設備相搭配使用和在復雜的環(huán)境里使用,此外還具有以下優(yōu)勢:更小體積、模塊化程度高、進一步降低成本、測量范圍廣、易于操作等特點,為客戶提供更高的性價比選擇。

        猜你喜歡
        紅外光氣室分光
        神奇窗戶讓室內四季如春
        甲硝唑配合紅外光治療慢性宮頸炎的有效性及對復發(fā)率的影響
        基于Hyperworks的重卡氣室支架結構優(yōu)化設計研究
        紫外分光光度法測定水中總氮的關鍵環(huán)節(jié)
        供水技術(2021年3期)2021-08-13 09:08:36
        石墨烯纖維可應用于中紅外光電子器件通訊
        某重型特種車制動氣室支架優(yōu)化設計
        汽車零部件(2019年5期)2019-06-13 06:25:50
        一起220kV GIS設備斷路器氣室罐體放電原因分析
        廣西電力(2016年5期)2016-07-10 09:16:44
        有關紅外光電子物理研究的幾個問題
        氣室裝置對變威力發(fā)射影響分析
        紫外分光光度法測定芒果苷苷元的解離常數
        精品国产乱码久久久软件下载 | 精品亚洲天堂一区二区三区| 午夜射精日本三级| 国产区精品一区二区不卡中文| 精品少妇人妻av一区二区| 日韩av在线毛片| 国产精品美女自在线观看| 不卡日韩av在线播放| 亚洲精品乱码久久久久久日本蜜臀| 国产成人综合久久精品免费| 不卡a v无码在线| 亚洲精品国产av成拍| 最新国产毛2卡3卡4卡| 丰满五十六十老熟女hd | 精品少妇一区二区三区四区 | 亚洲乱码无人区卡1卡2卡3| 日韩人妻无码免费视频一区二区三区| 亚洲av无码一区二区乱子伦as| 国产成人精品午夜福利免费APP| 国产一区二区毛片视频| 精品国产一区二区三区不卡在线| 亚洲精品一区久久久久久| 精品国产福利久久久| 国产亚洲精品视频网站| 四虎国产成人永久精品免费| 日本免费a级毛一片| 国产黑色丝袜一区在线| 亚洲一区二区免费日韩| 亚洲乱码av中文一区二区第八页| 日韩亚洲一区二区三区四区| 成人欧美一区二区三区在线观看 | 少妇被爽到高潮喷水免费福利| 色窝窝亚洲av网在线观看| 免费a级毛片无码a∨免费软件| 92精品国产自产在线观看48页 | 国产午夜精品视频在线观看| 亚洲精品久久久久成人2007| 久久久精品2019免费观看 | 白嫩少妇在线喷水18禁| av在线免费观看网站免费| 人妻丰满熟妇av无码区hd|