張雅楠,劉 燦,張 磊,譚秋林,于 可,劉瑞康

(中北大學(xué),省部共建動(dòng)態(tài)測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

0 引言

近年來,作為溫室氣體排放的重要指標(biāo),CO2氣體的檢測一直是不容忽視的問題,不同應(yīng)用場景對(duì)其體積分?jǐn)?shù)要求不同。根據(jù)研究,大氣中CO2含量達(dá)到3%時(shí),會(huì)使人心跳加快和呼吸急促;當(dāng)含量超過5%時(shí),就會(huì)出現(xiàn)血壓升高、耳鳴等癥狀,因此,對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)測變的越發(fā)重要[1-2]。目前,最常用的CO2傳感器是基于非分光紅外線技術(shù)(NDIR),根據(jù)氣體分子在特定波長內(nèi)對(duì)紅外光吸收的原理, 不但解決了傳統(tǒng)的電化學(xué)氣體傳感器易中毒、老化、壽命短的問題,同時(shí)還因其檢測精度高、范圍廣、可靠性高、使用壽命長而被普遍認(rèn)為是發(fā)展趨勢(shì)[3]。2012年,美國J.Y.Wong等[4]利用MEMS發(fā)射器和探測器,將一種新型的CO2紅外傳感器集成到光纖中。2013年,D.Zhao等[5]設(shè)計(jì)了一種帶有交叉室的呼吸CO2傳感器。2016年,T.A.Vincent等[6]開發(fā)一種在0.5%～4%范圍內(nèi)使用的便攜式NDIR呼吸分析儀。2015年,文獻(xiàn)[7]開發(fā)一套多組分氣體紅外光學(xué)檢測系統(tǒng),為我國多組分氣體傳感器的研發(fā)工作提供了一條切實(shí)可行的途徑。

本文提出一種基于NDIR原理的雙通道紅外CO2氣體傳感器。該傳感器使用單光路雙波長的折疊式氣室結(jié)構(gòu)、信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)字匹配濾波器(DMF)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定輸出。為克服環(huán)境溫度引起的測量誤差,采用峰峰值差比值法建立溫度補(bǔ)償模型,得到了CO2氣體體積分?jǐn)?shù)與輸出信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系,從而降低 CO2氣體探測時(shí)的溫度漂移,最終實(shí)現(xiàn)在不同溫度下,CO2氣體在0～5%體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的最大測量誤差小于±0.15%,且精度可達(dá)3%的精準(zhǔn)測量,與已有的測量方法相比,該方法具有靈敏度高、穩(wěn)定性好和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn),滿足了環(huán)境監(jiān)測與人體健康監(jiān)測等方面的需求。

1 基本檢測原理

1.1 朗伯-比爾定律

由紅外光譜學(xué)可知,紅外光照射氣體分子的過程中,當(dāng)紅外輻射的頻率與氣體分子的振動(dòng)頻率一致時(shí),該氣體就會(huì)吸收對(duì)應(yīng)波段的紅外光,從而對(duì)應(yīng)波長的光強(qiáng)減弱[8-9],其體積分?jǐn)?shù)與光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系遵循朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律[10],如式(1)所示:

I(λ)=I0(λ)e-k(λ)CL

(1)

式中:I0(λ)、I(λ)分別為入射光和出射光的強(qiáng)度;k(λ)為氣體吸收系數(shù);C為氣體體積分?jǐn)?shù);L為有效氣體吸收光程。

由式(1)化簡得:

(2)

由式(2)可知,當(dāng)確定了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)時(shí),氣體吸收系數(shù)k(λ)、傳播光程L均為確定已知,因此,待測氣體的體積分?jǐn)?shù)C可以通過測量紅外光照射前后對(duì)應(yīng)波長的光強(qiáng)來計(jì)算。

1.2 NDIR差分檢測原理

在氣體體積分?jǐn)?shù)檢測的應(yīng)用中,不同環(huán)境下輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)[11]。因此,本文選擇單光路雙波長的差分檢測技術(shù),可以有效減少誤差。其原理是將光源發(fā)出的紅外光束分為2路信號(hào):一路是信號(hào)光,波長可被待測氣體吸收,另一路是參考光,任何氣體均無吸收且不受環(huán)境中其他氣體的干擾,原理圖如圖1所示。根據(jù)紅外吸收光譜可選波長為4.26 μm的光束作為CO2氣體吸收波長的信號(hào)光束,并引入3.9 μm波長作為參考光束。

圖1 NDIR差分檢測原理圖

由于實(shí)際測量中,存在粉塵和水分等干擾,將環(huán)境干擾考慮進(jìn)入朗伯-比爾定律中,使得信號(hào)光束和參考光束2個(gè)通道的輸出光強(qiáng)分別為:

I(λ1)=I0(λ)×exp[-k(λ1)C1L1+β1+δ1]

(3)

I(λ2)=I0(λ)×exp[-k(λ2)C2L2+β2+δ2]

(4)

式中:β和δ分別為與波長相關(guān)和波長無關(guān)的干擾因子;λ1為CO2氣體吸收波長;λ2為參考波長。

由于2個(gè)通道在同一環(huán)境下,故L1=L2=L;因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL接近參考波長,故β1=β2,δ1=δ2;在使用單光源時(shí),兩通道的初始光強(qiáng)差別可以忽略不計(jì),即I0(λ1)≈I0(λ2),兩式相比得待測氣體的體積分?jǐn)?shù)C表達(dá)式:

(5)

由于熱釋電探測器選用壓電材料作為敏感元,其輸出電壓與光強(qiáng)成正比,即U∝I,因此,將式(5)改寫為式(6):

(6)

式中:U(λ1)、U(λ2)分別為CO2測量通道和參考通道輸出電壓信號(hào)。

將式(6)化簡并通過泰勒公式展開得到式(7),這樣就可以通過2個(gè)通道的電壓信號(hào)差值直接計(jì)算出氣體體積分?jǐn)?shù)。

(7)

1.3 數(shù)字匹配濾波器

數(shù)字匹配濾波器(digital matched filter,DMF)技術(shù)廣泛應(yīng)用于圖像處理和模式識(shí)別中,對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行檢測[12]。其原理是DMF的頻率響應(yīng)與檢測到的輸出信號(hào)頻譜完全匹配,允許測試信號(hào)中的各個(gè)頻譜分量通過,而信號(hào)中沒有的頻率均是該濾波器的截止頻率[13]。對(duì)于一個(gè)輸出信號(hào)s(t),與其匹配的是具有沖激響應(yīng)的濾波器,其沖激響應(yīng)為:

h(τ)=ks(Δ-τ)

(8)

式中k和Δ為任意常數(shù)。

對(duì)式(8)進(jìn)行傅里葉變換得DMF的傳遞函數(shù),其形式為:

(9)

式中τ′=Δ-τ。

因此,實(shí)際信號(hào)s(t)的頻譜可以寫成:

(10)

比較式(9)和式(10),可得DMF傳遞函數(shù)為

H(j2πf)=kS(-j2πf)e-j2πfΔ=kS*(-j2πf)e-j2πfΔ

(11)

式中“* ”表示復(fù)共軛。

DMF與傳統(tǒng)的低通濾波器相比,可以使信號(hào)的波形平滑,同時(shí)更加容易檢測到峰峰值波長,實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻小信號(hào)與大幅值尖峰脈沖的有效濾除,具有較高的信噪比。

2 氣室設(shè)計(jì)與光路仿真

整個(gè)系統(tǒng)的精度、整體性能都與光學(xué)氣室有密切的關(guān)系,根據(jù)朗伯-比爾定律可知,在測量低體積分?jǐn)?shù)氣體時(shí),應(yīng)盡可能增加光路,以保證氣體分子能夠充分吸收相應(yīng)波長的光,但氣室的光程太長會(huì)使紅外光的損耗增大,因此,氣室的光程也不宜太長[14]。本文提出一種反射式氣室,通過SolidWorks 構(gòu)建三維模型并將其導(dǎo)入TracePro中仿真。氣室表面鍍金,提高反射率,實(shí)現(xiàn)光線多次反射,增強(qiáng)光程的目的,氣室結(jié)構(gòu)及仿真如圖2所示。

圖2 氣室結(jié)構(gòu)和仿真圖

在TracePro中,光源發(fā)射波長為4.26 μm和3.9 μm,氣室表面反射率為95%,光源總功率為1 W,發(fā)射無規(guī)則光線為10 000條。氣室輻照度結(jié)果如圖3所示,由圖3可知,探測器兩通道的光吸收通量幾乎相等,分別達(dá)到了0.106 W和0.096 W,具有很好的一致性,既保證了探測器的響應(yīng)強(qiáng)度,又提高了探測器的靈敏度,適用于雙通道NDIR紅外CO2探測器中。

(a)測試通道

3 紅外CO2氣體傳感器設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的紅外CO2氣體傳感器主要由光路系統(tǒng)、硬件電路系統(tǒng)和上位機(jī)構(gòu)成,其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心,并在探測器的前面放置波長為4.26 μm和3.9 μm的濾光片,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度與CO2氣體體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)采集。工作流程為:單片機(jī)輸出PWM波控制紅外光源發(fā)出紅外光,經(jīng)氣室反射后被CO2吸收到達(dá)探測器,探測器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,輸出的電壓信號(hào)可以直接反映紅外光強(qiáng)的變化。但探測器輸出的有效信號(hào)十分微弱,為避免信號(hào)被淹沒到噪聲中,設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行放大濾波,同時(shí),通過溫度采集電路實(shí)時(shí)采集溫度信息,用于后續(xù)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能。處理后的信號(hào)通過單片機(jī)內(nèi)部的ADC進(jìn)行采樣分析,再由串口上傳至上位機(jī),最終實(shí)現(xiàn)直觀的CO2體積分?jǐn)?shù)的顯示。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

3.2.1 光源驅(qū)動(dòng)電路

為滿足氣體傳感器低功耗的應(yīng)用需求,選用HSL5-1115型紅外光源,和具有使能端的穩(wěn)壓芯片ADP160保證輸出穩(wěn)定的紅外光。工作時(shí)需通過單片機(jī)輸出PWM波產(chǎn)生1 Hz的調(diào)制信號(hào)控制紅外光的亮滅,亮滅時(shí)間可以通過調(diào)節(jié)PWM波的脈寬實(shí)現(xiàn)。光源采用3.3 V供電,為防止光源在開啟和關(guān)斷的瞬間,因電源電流過大而造成短暫的大電流,從而對(duì)主電路系統(tǒng)產(chǎn)生較大干擾,因此,紅外光源采用單獨(dú)電源進(jìn)行供電,且與系統(tǒng)回路隔離開,電路如圖5所示。

圖5 光源驅(qū)動(dòng)電路

3.2.2 溫度采集電路

環(huán)境溫度的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致CO2氣體傳感器測試精度受到影響,為提升測試系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的自適應(yīng)能力,本文選用測溫范圍廣、采樣誤差小以及功耗低的SHT20數(shù)字溫度傳感器,其溫度采樣誤差可以控制在0.3 ℃范圍內(nèi),且功耗小于1 mW。在工作時(shí)通過I2C通訊協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通信,同時(shí)將獲取的溫度信息以溫度補(bǔ)償?shù)姆绞今詈系綒怏w體積分?jǐn)?shù)中,以提高系統(tǒng)整體測試精度,溫度采集電路圖如圖6所示。

圖6 溫度采集電路

3.2.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

熱釋電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后的輸出信號(hào)是一個(gè)僅有mV級(jí)別的微弱信號(hào),且其中夾雜了大量的噪聲信號(hào),不能對(duì)其直接采集,需要進(jìn)行放大和濾波。本文選用的是低噪聲、低功耗且支持單電源供電的LM324運(yùn)放,設(shè)計(jì)了一個(gè)兩級(jí)放大電路,電路圖如圖7所示。前級(jí)放大電路用于預(yù)放大輸出信號(hào),消除直流偏置,并濾除雜波;后級(jí)放大電路是將前級(jí)的輸出信號(hào)再次進(jìn)行放大,以確保其峰峰值達(dá)到3.3 V附近,并為第一級(jí)輸出增加1.65 V的偏置電壓,以便于濾除氣體干擾信號(hào)的同時(shí)將輸出信號(hào)送至ADC中進(jìn)行采樣。兩級(jí)放大電路的放大倍數(shù)由R22、R19與R9、R7確定,為防止工頻 50 Hz的干擾,通過R19、C17與R7、C6構(gòu)建低通濾波器,以濾除高頻雜波。

圖7 信號(hào)調(diào)理電路

3.3 軟件程序設(shè)計(jì)

整個(gè)測量系統(tǒng)的精度不僅取決于硬件電路設(shè)計(jì),且與軟件程序是密不可分的,而環(huán)境溫度對(duì)于CO2氣體體積分?jǐn)?shù)的測量影響較大,因此,在軟件設(shè)計(jì)方面采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏh(huán)境干擾,設(shè)計(jì)數(shù)字匹配濾波器提取數(shù)據(jù)中的有效值,進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的信噪比和檢測精度。軟件程序流程圖如圖8所示,主要包括輸出PWM波實(shí)現(xiàn)光源調(diào)制、ADC數(shù)據(jù)采集、數(shù)字匹配濾波器提取峰峰值、I2C獲取溫度值、溫度補(bǔ)償、體積分?jǐn)?shù)擬合計(jì)算以及串口上位機(jī)通信功能。

圖8 軟件程序流程圖

4 傳感器系統(tǒng)標(biāo)定與測試

4.1 傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái),選用標(biāo)準(zhǔn)CO2氣體標(biāo)定法,建立測試通道與參考通道輸出電壓峰峰值差比值和CO2體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)關(guān)系。傳感器的標(biāo)定是在高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行,溫度的變化會(huì)影響傳感器輸出,因此,建立了7個(gè)溫度點(diǎn),即0、5、10、15、20、25、30 ℃,在每個(gè)溫度條件下通入體積分?jǐn)?shù)分別為0%,0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%的CO2氣體,保持一段時(shí)間,待傳感器輸出數(shù)值穩(wěn)定后,開始通氣5 min,記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行擬合,得到不同溫度下,不同CO2氣體體積分?jǐn)?shù)與兩通道峰峰值差值的關(guān)系,如圖9所示。

4.2 溫度補(bǔ)償

由圖9可知,溫度對(duì)兩通道峰峰值差比值有影響,溫度變化越大,誤差就越大,且峰峰值差值與溫度差值之間幾乎是線性關(guān)系,符合溫度對(duì)CO2吸收系數(shù)的關(guān)系[9]。為了補(bǔ)償溫度對(duì)測量值的影響,采用最小二乘法對(duì)偏差值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到一個(gè)帶有溫度補(bǔ)償功能的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算方程,如式(12)所示,補(bǔ)償后的差比值與體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系如圖10所示。

圖10 溫度補(bǔ)償后體積分?jǐn)?shù)與峰峰值差值關(guān)系

FA=Fa-(-16.37+0.006 626Fa+0.742 5T)

(12)

式中:FA為補(bǔ)償后的峰峰值差比值;Fa為未補(bǔ)償?shù)姆宸逯挡畋戎?T為溫度。

將數(shù)據(jù)重新擬合后,得到帶有溫度補(bǔ)償?shù)捏w積分?jǐn)?shù)計(jì)算公式如式(13)所示。

(13)

4.3 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

在系統(tǒng)標(biāo)定前,需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行測試,將傳感器系統(tǒng)放置在25 ℃的環(huán)境里,以400 mL/min的速度依次通入體積分?jǐn)?shù)為0.5%和1.5%的CO2氣體,每30 min記錄1次,持續(xù)工作12 h,測量數(shù)據(jù)圖如圖11所示。結(jié)果顯示,該傳感器的輸出信號(hào)在標(biāo)準(zhǔn)值上下浮動(dòng),且變化幅度很小,具有良好的穩(wěn)定性,滿足設(shè)計(jì)需求。

圖11 穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)圖

4.4 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證式(13)的正確性,在不同的溫度條件下,對(duì)CO2傳感器進(jìn)行了重復(fù)性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1中的數(shù)據(jù)可知,這3種體積分?jǐn)?shù)的最大偏差均小于0.15%,具有良好的重復(fù)性和溫度補(bǔ)償功能。

表1 溫度補(bǔ)償后復(fù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

鑒于傳統(tǒng)的CO2氣體傳感器具有體積大、穩(wěn)定性差以及精度低等弊端,設(shè)計(jì)了一種具有溫度補(bǔ)償功能的高精度紅外CO2氣體傳感器,通過單光路雙波長的反射式氣室結(jié)構(gòu),以及設(shè)計(jì)DMF準(zhǔn)確提取輸出信號(hào)的峰峰值,有效克服了外部環(huán)境因素的干擾,提高了整個(gè)系統(tǒng)的信噪比,同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定法,實(shí)現(xiàn)了不同溫度下對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在0～5%的CO2體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi),最大測量誤差小于±0.15%,且檢測精度為3%FS。為我國工業(yè)開采,環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域提供了技術(shù)支持,具有廣闊的應(yīng)用前景。