試述不分光紅外氣體傳感器建模與非線性校正*

陳鋼 徐樂

1. 湖南信息學院 湖南 長沙 410151；

2. 湖南創航科技有限公司 湖南 長沙 410129

引言

市場上有各種類型的氣體傳感器，按照檢測原理進行分類，分析方法通常是連續采樣法，主要有三種測量方法：紅外型、紫外線型和熱導率型。紫外線型氣體分析是根據紫外線對待測氣體吸收原理的選擇性進行的，但與其他氣體分析儀器相比，具有相同的性能和功能，價格會更高。熱導率氣體分析的原理是利用不同熱導率的氣體，這些氣體在測量時有不同的傳熱速率。但是，它對氣體壓力和流量的波動非常敏感，尤其是介質中的蒸汽、顆粒和其他雜質對測量的影響更大。在這種情況下，為了得到測量值，必須安裝一個復雜的預取樣系統。紅外型氣體分析方法是基于近年來廣泛使用的非分散紅外(NDIR)光譜。NDIR 是一種準確、穩定的氣體濃度分析技術，可用于運行中的自動監測系統或長期穩定測量[1]。

1 傳感器模塊實驗電路與分析

1.1 電路設計

CO2探測器電路設計主要分為紅外光源控制電路和 CO2氣體加載電路兩部分。使用CDS設計作為電路結構，使紅外光源可以控制在最大輸出功率和最小輸出功率之間。具體結構如圖1所示：

圖1 二氧化碳探測器電路設計

在一個5厘米的光學腔內，空氣通過輸出口進入，二氧化碳在腔內的擴散理論開始擴散。用左側4.2 μm 功率的紅外光源激活特定波長，光被CO2吸收，其余紅外光源由右側的熱電堆傳感器接收。當傳感器接收紅外線時，電壓值會有反應，CO2濃度越高，電壓值越低。另一方面，CO2濃度越低，電壓值越高。熱電堆傳感器與標準CO2傳感器的濃度是對應的，這是本實驗的傳感原理和結構過程。通過DAQ控制紅外光源，將實驗信號輸入ADC，將輸出的DOUT信號轉換成數字信號，供計算機進一步校對使用。通過數據采集，利用 Lab View 編程控制ADC，讀取模擬電壓輸入，然后由 Lab View 程序顯示輸出的DOUT 數字信號。

1.2 實驗分析

為了防止CO2濃度對環境的干擾，將本研究所設計的CO2檢測電路放置在一個尺寸為L23×W16×H13cm的密封箱中。第二階段開始進行不同的功率和定時測量，每個不同的測量條件的時間是15分鐘。測量結果如圖2所示。

圖2 紅外光源上升時間和信噪比的兩階段設計

縱坐標和橫坐標左側代表第二階段不同加熱時間功率下的上升時間，藍色曲線是測量結果的趨勢線。右側的縱坐標和橫坐標代表第二階段不同加熱功率下的噪聲比值，橙點為其對應值。在這種情況下，加熱28秒是最快的升溫時間，所有的信噪比值都超過30分貝[2]。

2 結束語

綜上所述，采用兩級紅外光源控制技術，利用不同功率和加熱時間的個體特性，通過多種條件比較實驗值，選擇出較好的控制條件。針對以往二氧化碳測量儀測量時間長、測量速度快、噪聲大的缺點，提出了一種新的測量方法——高信噪比快速測量法。該方法不僅有效地改善了緩慢加載時間，而且大大提高了測量 CO2的NDIR方法的實用性，同時保持了較高的穩定性。