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)測和工業(yè)生產(chǎn)過程中,對CO2氣體濃度的實時監(jiān)測,可以預(yù)防潛在的危險確保生產(chǎn)安全,并為國家節(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 年以來的最大洪水侵害。按照當(dāng)前全球氣溫上升的趨勢,預(yù)測到2050年全球沿海城市絕大多數(shù)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(dāng)環(huán)境中CO2含量達(dá)到一定量時,人會產(chǎn)生頭痛、頭暈?zāi)酥了劳觥Ｒ虼藢Νh(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(shè)計了一款高靈敏度CO2氣體傳感器,其最大誤差約為5%,國內(nèi)吉林大學(xué)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(xì)化工業(yè)控制和環(huán)境監(jiān)測。

紅外吸收型CO2傳感器。根據(jù)不同的光強吸收量檢測出待測氣體的濃度[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,無需直接接觸待測氣體,具有穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確性高、抗老化和抗疲勞等特點。因此,設(shè)計出一款非分光紅外CO2數(shù)字傳感器,對其設(shè)定預(yù)期要求:傳感器檢測精度達(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)熱啟動時間小于3 min、傳感器檢測響應(yīng)時間小于30 s。將整體呈現(xiàn)出一套設(shè)計流程并通過數(shù)字串口與外圍設(shè)備相搭配進(jìn)行精確性實驗、穩(wěn)定性實驗、重復(fù)性實驗等諸多實驗來驗證各項性能指標(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,測量范圍更寬、穩(wěn)定性更好、特殊的氣室設(shè)計和非分光的選擇使它體積更小、實現(xiàn)模塊化和國產(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

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(xué)氣室和驅(qū)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(yīng)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(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,通過主控制器對采用數(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(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行雙通道系統(tǒng)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(jìn)行采集然后經(jīng)主控制器處理,最后通過數(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 檢測原理

分子內(nèi)部存在3 類運動形式:電子運動、分子振動、分子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動能級[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)波長的紅外光照射在待測物品上。物質(zhì)內(nèi)分子中某個基團(tuán)的振動頻率或轉(zhuǎn)動頻率和紅外光頻率一樣時,分子就會吸收能量產(chǎn)生能級躍遷,使得對應(yīng)區(qū)域內(nèi)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(jù)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(jù)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(jù)推導(dǎo)式可知,傳感器的氣室設(shè)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(yīng)波長的光強和照射后對應(yīng)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(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

工業(yè)中常見的氣室設(shè)計主要有直射型和反射型2 類方案?？紤]到工業(yè)現(xiàn)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(jié)構(gòu)等因素對檢測精度的影響。故特意設(shè)計了一種光程為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,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(jié)構(gòu)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(nèi)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(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(jié)果的準(zhǔn)確性和安裝簡易性要求。

圖2 氣室結(jié)構(gòu)

4 硬件設(shè)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(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(jìn)行恒壓驅(qū)動。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(nèi)部定時器輸出PWM 波實現(xiàn)對穩(wěn)壓器“開”“關(guān)”控制,從而對紅外光源調(diào)制。驅(qū)動電路如圖4 所示。

圖4 驅(qū)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(shè)計上選用XC6206P332MR 低壓穩(wěn)壓器將5 V 轉(zhuǎn)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(zhǔn)電壓選用REF3033 電壓基準(zhǔn)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(xué)系統(tǒng)的各種噪聲信號干擾而被淹沒,導(dǎo)致主控芯片內(nèi)部的ADC 模塊無法對該模擬信號進(jìn)行采樣。在設(shè)計中選用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(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(xiàn)場的使用,因此采用雙通道檢測系統(tǒng)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(fēng)條件差的工業(yè)現(xiàn)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(shù)字接口

通過UART 串口發(fā)送指令來改變傳感器光源驅(qū)動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(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

在軟件控制方面主要實現(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)計上利用定時器中斷、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)字傳感器的實時性。為了更好地方便外接設(shè)備對非分光紅外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

在信號采集的過程中,各種噪聲的存在會引起AD 轉(zhuǎn)換結(jié)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(shù)據(jù)進(jìn)行對比處理,對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(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噪聲信號進(jìn)行濾除。將n個采樣數(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(shù)字傳感器的真實精確性和檢測范圍是否符合設(shè)計要求,將非分光紅外CO2數(shù)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(xué)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(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量值。實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 精確性實驗數(shù)據(jù)

從表中實驗數(shù)據(jù)分析得到,傳感器在測量過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)計要求。

6.2 重復(fù)性實驗

在測試過程中,始終保持光學(xué)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(shù)據(jù)。由表2 可知,兩種濃度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(Relative Standard Deviation,RSD)相對標(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)計要求。

表2 重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)

6.3 穩(wěn)定性實驗

在測試過程中,始終保持光學(xué)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(shù)據(jù)。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(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。

表3 穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)

7 結(jié)束語

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、軟硬件設(shè)計和元件選擇,還對其檢測精確性、檢測范圍、重復(fù)性和穩(wěn)定性進(jìn)行了整體性能測試。與市面上同類高精度產(chǎn)品相比,它具有很強的通用性,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:更小體積、模塊化程度高、進(jìn)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。