雙通道紅外CO2 氣體傳感器設計與實現*

張雅楠 譚秋林 張 磊 于 可 劉瑞康

（1.中北大學省部共建動態測試技術國家重點實驗室 太原 030051）

（2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 太原 030051）

1 引言

二氧化碳（CO2）與我們的生活密不可分，不同的應用場景對其濃度要求也不同，隨著工業化和人類對自然的破壞，空氣中CO2濃度在逐年增大，根據研究，CO2含量超過5%，會使人感到呼吸困難，甚至出現耳鳴等癥狀［1］。因此，對CO2的濃度監測顯得尤為重要。20 世紀60 年代，以半導體、光學類、電化學類為基礎的氣體傳感器逐漸走入人們的視線，傳統CO2傳感器是基于電化學原理制成的，但其壽命較短，且易受可燃氣體的限制，無法適用于某些特殊場景。在紅外氣體傳感器方向，無論是國內還是國外市場，都存在巨大需求，2020 年Mostafa Vafaei 研制了一種測量范圍為400ppm～2200ppm的無腔體CO2傳感器［2］，中北大學楊明亮于2015 年研制出一款用于測量CH4，CO2，CO 的三組分氣體傳感器［3］。因此，研發新技術，開發新工藝都是未來的研究方向。

本文采用NDIR檢測技術，設計了一款體積小，精度高，穩定性好的CO2檢測系統，主要包括氣室設計、硬件電路設計以及軟件系統設計。整個系統以STM32單片機為控制核心，對熱釋電探測器輸出信號進行放大、濾波處理，再通過A/D 轉換，實現對輸出信號峰峰值的采集，最終達到對CO2氣體濃度的實時監測。實驗結果表明，該傳感器可以實現在對0～5%濃度內的CO2進行檢測，且測量誤差小于0.2%，能夠滿足對人體健康監測的要求。

2 非分光紅外檢測原理

由紅外光譜吸收原理可知，當一束連續的紅外光進入氣室時，且紅外光的特征頻率與氣體分子振動頻率和躍遷能量一致時，氣體就會吸收對應波段的紅外輻射［4～5］，紅外輻射的衰減量與氣體濃度的關系滿足朗伯-比爾定律［6～7］，如式（1）所示。

式中I代表經過氣體吸收的光強，I0代表氣體未吸收的光強，C代表待測氣體濃度，K代表根據波長的不同而改變的氣體吸收系數，L代表紅外吸收光程［8］。

由于實際測試存在一些干擾因素，如粉塵和水分等，可對式（1）修正為

式中，β和δ分別代表與波長相關和與波長沒關的干擾因素［9］。

本文選用單光路雙波長設計結構，根據紅外光譜可知，CO2在4.26μm 處為特征波長［10］，而3.95μm波長不被任何氣體吸收，故在其測量通道和參考通道前分別放置4.26μm 和3.95μm 的濾光片，達到對CO2氣體吸收的效果［11］，紅外光通過兩通道后的輸出光強分別表示為

因所處環境相同且兩通道波長相近，故C1=C，C2=0，L1=L，β1=β2，δ1=δ2，通過調整光學系統使得I0(λ1)=I0(λ2)，將式（3）和式（4）相比可得：

因探測器輸出電壓與光強成正比，所以可以化簡為

式中，U1，U2分別代表測試通道和參考通道輸出電壓，由式（6）可以看出，當氣室結構一定時，氣體濃度值與兩通道輸出信號之比有關，能夠有效地提高測量精度［12～13］。

3 氣室與光路仿真

光學氣室的結構不僅影響檢測系統的精度而且對傳感器的尺寸大小也有影響。根據郎伯-比爾定律可知，CO2的吸光度與氣室的有效光程成正比，氣室內紅外光吸收的有效光程越長，CO2吸收的紅外輻射就越充分，而在實際過程中，若氣室的有效光程太長，則損耗越大，影響測量結果的準確性，因此，設計的氣室結構光程不宜過長［14］。本文提出一種直射型氣室結構，如圖1 所示，其尺寸為直徑D=10mm，高度H=20mm，具有體積小、光程適中的特點，相比于折射型與反射型氣室，光損耗更低。

圖1 光學氣室結構

在仿真中，利用Solidworks 軟件構建了一個直射型氣室的三維模型，并將該模型導入Tracepro中，分別設置光源發射波長為4.26μm 和3.95μm，氣室的內表面反射率為95%，以及熱釋電探測器可以吸收0～38.9°范圍的紅外光，氣室光通量輻照圖如圖2 所示。由圖可知，探測器測試通道和參考通道的光通量分別為0.183W 和0.185W，相差不大，具有良好的一致性，適合應用到非分光紅外CO2探測器中。

圖2 信號通道和參考通道光學仿真

4 硬件電路與軟件設計

4.1 硬件結構設計

為了降低耦合性，硬件系統以模塊化方式進行設計，總體設計框圖如圖3 所示。工作原理如下：單片機通過控制定時器，輸出PWM波，用于光源驅動，紅外光源在驅動下發出4.26μm 測量波長和3.95μm 參考波長的紅外光，經過裝有待測氣體的氣室后照射到探測器上，進行光電轉換，感應出一定的電壓信號，將產生的電壓信號經過放大濾波后送入ADC 中進行數據采集，單片機通過對兩通道的電壓值進行分析處理后計算出CO2濃度，最終，通過串口連接上位機直觀地輸出濃度信息。

圖3 系統總體設計框圖

4.2 系統控制模塊設計

單片機選擇的是意法半導體公司的STM32F 100C8T6B 芯片，是一個32 位64kB 閃存的微控單元，其最大工作頻率可以達到24MHz，具有豐富的外設，如12位ADC、16位定時器、以及各種接口，無需調用片外的ADC 進行數據的采集，與此同時，7.2mm×7.2mm的體積，完全符合傳感器微型化的設計需求，主控制模塊如圖4所示。

圖4 控制核心電路

4.3 光源驅動電路設計

光源驅動電路選用RS3236 電源芯片，其輸入電壓為1.7V～7.5V，輸出電流最高可達500mA，滿足光源驅動電流。為提取有效信號，單片機生成2Hz的PWM 波，并將其引入使能端EN，通過控制PWM的高低電平，控制光源的亮滅，以達到光源調制的目的。但是，由于通過光源的電流與探測器輸出信號相比較大，為防止光源開關脈沖導致輸出波形上的電壓不穩定的情況，需保證光源的回路電流不能使用與ADC 相同的返回路徑，因此，利用不同的返回路徑和電源模塊，實現了光源與系統的分離，光源驅動電路如圖5所示。

圖5 光源驅動電路

4.4 信號調理電路設計

基于熱釋電的CO2探測器產生的原始信號是一個毫伏級電壓信號，且易被噪聲掩蓋，無法將其直接送入AD 采集，因此，在送入AD 進行采集前需進行合理的濾波放大。電路如圖6 所示。本文選用MS8629 作為濾波放大的運放，其具有輸出幅度軌到軌、寬帶寬、低噪聲、超低失調和偏置電流的特性。它可以采用1.8V～5V 單電源供電，滿足了系統電源模塊3.3V的要求，提高了整個系統的信噪比。

圖6 信號調理電路

4.5 系統軟件設計

整個測量系統的精度與軟件程序是密不可分的。軟件設計部分主要由對系統進行初始化，單片機輸出PWM波，ADC實現對數據的采集，單片機進行數據處理以及串口輸出CO2濃度信息組成，軟件設計流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設計程序流程圖

5 傳感器系統測試

5.1 傳感器標定

為了確保測量的準確性，本文采用標準CO2氣體標定法，首先需要搭建氣體標定測試平臺，通過定值控制試驗箱的溫度為0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃。在標定之前，對氣室內部進行零點校準，認為將純氮氣充滿氣室時，整個氣室內的CO2濃度為0。氮氣通完后，依次通入1%、2%、3%、4%、5%的標準CO2氣體，換氣結束時，需給傳感器一定的響應時間，待輸出電壓值穩定后，記錄電壓值，將單片機采集到的兩通道電壓峰峰值保存，以便進行數據擬合，標定實驗數據如圖8所示。

圖8 不同溫度下，CO2濃度與峰峰值差比值關系

5.2 穩定性實驗

為測試系統的穩定性，將傳感器放在室溫下，并通入1.5%的CO2標準氣體，每隔15min 記錄一次數據，持續工作6h，觀察傳感器輸出信號的電壓峰峰值，實驗數據如圖9 所示，結果表明，該傳感器在1.5%的標準值附近上下浮動，具有良好的穩定性和準確性。

圖9 穩定性實驗數據圖

6 結語

本文以NDIR 檢測技術為基礎，設計了一種雙通道紅外CO2氣體傳感器檢測系統，實現了對CO2氣體濃度的實時監測。在氣室方面，提出了單光路雙波長的直射型氣室結構，不僅增加了光程，還有效地減少了光路損耗，提高了整個系統的抗干擾能力。在硬件電路方面，實現了對輸出信號的放大濾波，提高了整個系統的信噪比。最終，建立測試平臺，采用標定法對傳感器進行測試，經測試，該傳感器可以實現在不同溫度下對0～5%濃度內的CO2進行檢測，且測量誤差小于0.2%，具有精度高，穩定性好的特點，可用于火災報警，人體健康監測等領域的需求。