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王學(xué)水,張冉冉,池金波

（山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 ）

摘要：介紹了一種非分光紅外（NDIR）CO2濃度測量儀。從紅外輻射與紅外吸收的基本原理出發(fā)，以雙通道氣體吸收模型為基礎(chǔ)，結(jié)合傳感器技術(shù)，完成了以CO2濃度檢測功能為核心的理論分析；圍繞紅外光源和紅外探測器設(shè)計了驅(qū)動電路和信號處理電路，并把傳感器安裝在受保護(hù)的光路系統(tǒng)中；并且根據(jù)實(shí)驗所得數(shù)據(jù)改進(jìn)了濃度計算方法。

關(guān)鍵詞：CO2檢測;非分光紅外;紅外傳感器

0引言

二氧化碳作為大氣中重要的組成成分在人們的日常生產(chǎn)生活中起著極其重要的作用。電化學(xué)法、色譜法、光學(xué)吸收法等CO2濃度檢測技術(shù)在國內(nèi)外已有成熟的應(yīng)用，但把上述方法應(yīng)用到民用電子，受應(yīng)用環(huán)境、精度要求和成本等的限制，難以普及。非分光紅外法又稱非分散紅外吸收分析(NDIR)，即由光源發(fā)出的光直接穿過試樣后通過濾鏡到達(dá)檢測器?；贜DIR的氣體濃度檢測設(shè)備具有穩(wěn)定性好、體積小、響應(yīng)時間快以及良好的便攜性等優(yōu)點(diǎn)。

目前，國內(nèi)基于非分光紅外原理的CO2濃度測量儀的測量范圍為體積分?jǐn)?shù)的3%~30%（30 000 ppm~300 000 ppm），測量電路和濃度計算方法適用于對應(yīng)的濃度測量范圍，數(shù)據(jù)擬合方式為最小二乘法。對0~5 000 ppm濃度范圍的測量技術(shù)沒有專門研究，而5 000 ppm被認(rèn)為是人對CO2長期耐受濃度的極限。本文應(yīng)用非分光紅外技術(shù)油漆檢測儀，研究了室內(nèi)低濃度范圍的CO2氣體的測量方法。

1檢測原理

紅外CO2氣體濃度檢測技術(shù)是以朗伯比爾定律為理論基礎(chǔ)，根據(jù)雙通道氣體吸收模型來計算CO2的濃度。4.26 μm的紅外光是CO2氣體的一個吸收峰，但CO2氣體對4 μm的紅外光幾乎沒有吸收，如圖1所示。

假設(shè)4.26 μm紅外光和4 μm紅外光的初始光強(qiáng)分別為Im0、Ir0，經(jīng)CO2吸收后剩余光強(qiáng)分別為Im和Ir,由郎伯比爾定律可知：

CO2不會對4 μm紅外光造成衰減，前后光強(qiáng)近似相等。

式中，k為CO2氣體對紅外光的吸收系數(shù)，l為紅外光源到接收器的長度，將式（1）和式（2）相除后再取對數(shù)［1］，可得：

于是求得濃度：

式(4)為濃度計算的基本公式，在把光強(qiáng)I轉(zhuǎn)換成電壓信號U的電路系統(tǒng)中，滿足關(guān)系：

P1和P2與光柵透光系數(shù)和傳感器靈敏度有關(guān)，是與系統(tǒng)相關(guān)的常量。

所以濃度計算公式可以表示為：

式中，U1為傳感器輸出的待測氣體光強(qiáng)對應(yīng)電壓，U2為傳感器輸出的參考?xì)怏w光強(qiáng)對應(yīng)電壓［2］民用二氧化碳檢測，式（7）中只有U1和U2是待測量，其余都是常量。進(jìn)一步，根據(jù)對數(shù)函數(shù)的泰勒級數(shù)展開，保留到三次冪：

引入中間變量x，用來表示對參考?xì)怏w電壓和待測氣體電壓作比后取對數(shù)的近似值，U1和U2越接近，近似值越接近真實(shí)值，于是得到CO2濃度的近似計算公式：

2系統(tǒng)設(shè)計及核心硬件實(shí)現(xiàn)

紅外CO2氣體濃度測量儀的功能框圖如圖2所示，包括紅外光源、氣室、紅外探測器、放大電路、A/D采樣電路、LCD顯示電路和數(shù)據(jù)通信接口。紅外光源使用，波長范圍從可見光到5 μm，具有波長范圍寬、可靠性高、輸出穩(wěn)定、時間常數(shù)短等優(yōu)點(diǎn)。氣室與外界環(huán)境連通，紅外輻射垂直射入氣室，一部分被氣室中的氣體分子吸收，剩余部分透過氣室到達(dá)紅外探測器。

紅外探測器選用，它是基于熱釋電效應(yīng)的一種熱探測器。該探測器是雙通道的，兩通道上分別裝有4.26 μm濾光片和4 μm濾光片，分別是待測氣體電壓通道和參考?xì)怏w電壓通道，紅外探測器完成光強(qiáng)到電壓的轉(zhuǎn)換。探測器外接信號放大電路，經(jīng)放大后的電壓信號由A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后交由單片機(jī)處理。單片機(jī)通過內(nèi)置算法求出氣室中CO2濃度，該數(shù)值通過LCD顯示器顯示出來。

2.1光路安裝結(jié)構(gòu)

紅外CO2濃度探測器輸出信號的有效性和可靠性必須以科學(xué)合理的光路安裝結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)［3］。如圖3所示酒精報警器，氣室外側(cè)是光路保護(hù)罩，它兩端留有紅外光源和紅外探測器的安裝空間，但是兩者不能固定在這個保護(hù)罩上民用二氧化碳檢測，必須以電路板為基板，將管腳焊接在電路板上。左側(cè)紅外光源的安裝空間實(shí)際是一個拋物面反光鏡，起到匯聚光線的作用。保護(hù)罩內(nèi)側(cè)涂有反光材料，對紅外線幾乎沒有吸收作用。保護(hù)罩上端的透氣紗網(wǎng)和通氣孔保證了氣室與外界環(huán)境連通，氣室中CO2濃度等于環(huán)境中的濃度，同時避免粉塵等雜質(zhì)進(jìn)入氣室，對傳感器和光源起到保護(hù)作用，為系統(tǒng)的長期可靠性提供了保證。

2.2紅外光源驅(qū)動電路

紅外光源的工作電壓為+3.3 V，該電壓通過可控穩(wěn)壓芯片3.3獲得，紅外驅(qū)動電路如圖4所示，芯片的導(dǎo)通和截止由管腳6控制。單片機(jī)程序控制紅外光源發(fā)光頻率為1 Hz、占空比為50%，保證光源輸出穩(wěn)定光強(qiáng)的時間足夠長，方便檢測。

2.3放大電路

紅外探測器和熱電偶一樣都是應(yīng)用了熱電效應(yīng)原理，但熱釋電傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)高于熱電偶。紅外探測器的輸出信號非常微弱，測量通道和參考通道上輸出的模擬電壓通常小于3 mV，疊加在直流電壓上，在A/D采樣之前，必須進(jìn)行放大［4］。此電路中所用的運(yùn)算放大器為圣邦微電子（）的，它是四通道高精度運(yùn)算放大器。

待測電壓和參考電壓放大電路如圖5所示，兩路氣體放大電路是完全對稱的。很明顯，該放大電路是兩極放大民用二氧化碳檢測，前后級間通過1 μF極性鉭電容實(shí)現(xiàn)信號耦合［5］，其余電容都是濾波電容，消除信號中的噪聲干擾，前后級放大電路的結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)接近。

經(jīng)過放大后的待測電壓和參考電壓波形圖如圖6所示，光路、傳感器結(jié)構(gòu)和電路組成的對稱性使得待測氣體電壓波形與參考?xì)怏w電壓波形相近。待測氣體電壓波形會隨CO2氣體濃度的變化而有所變化，參考?xì)怏w電壓波形不隨CO2濃度而變化，電壓之比接近于1，滿足式（8）的近似展開條件，與理論分析情形相符。

3實(shí)驗數(shù)據(jù)

將實(shí)驗設(shè)備組裝調(diào)試后分別置于5組濃度不同的標(biāo)準(zhǔn)濃度CO2氣體中，溫度保持25℃的恒溫，得到5組實(shí)驗數(shù)據(jù)，如表1所示。表中的中間數(shù)據(jù)（ln(U2/U1)）即式(9)中的x。

將實(shí)驗數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中標(biāo)記出來，得到如圖7所示的散點(diǎn)圖民用二氧化碳檢測，從趨勢看符合式(9)。應(yīng)用最小二乘法擬合出參數(shù)，可得圖中所示方程。

圖7所示方程在高濃度范圍偏離真實(shí)值較大，會帶來較大的測量誤差。為了減小誤差，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，以上述測量點(diǎn)為線段端點(diǎn)，對濃度值與中間數(shù)據(jù)的關(guān)系進(jìn)行分段處理，如圖8所示。線段在整個量程內(nèi)分布均勻的前提下，線段越多，誤差越小。

使用圖7所示的對應(yīng)關(guān)系計算濃度，保持25℃恒溫民用二氧化碳檢測，改變實(shí)驗環(huán)境中的濃度值，得到與之對應(yīng)的儀表顯示濃度，如表2所示。實(shí)驗數(shù)據(jù)表明該方法在低濃度CO2氣體檢測中誤差較小。

4結(jié)論

本文設(shè)計的非分光紅外二氧化碳測量儀適用于低濃度范圍的CO2濃度檢測，具體應(yīng)用于室內(nèi)CO2濃度的測量，設(shè)計中重點(diǎn)關(guān)注實(shí)用性、便攜性、經(jīng)濟(jì)性，用非分光紅外檢測原理實(shí)現(xiàn)了CO2濃度檢測的理論分析和實(shí)物制作。結(jié)合雙通道氣體模型，推導(dǎo)出CO2濃度的計算公式和在低濃度范圍內(nèi)的近似公式。選用12位A/D采樣電路完成信號的采樣處理，根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)用分段處理方法改進(jìn)了濃度計算方法，減小了誤差。但外界環(huán)境的溫度變化也會導(dǎo)致紅外傳感器的輸出電壓發(fā)生變化，該誤差不能被參考?xì)怏w完全抵消，需要大量的實(shí)驗數(shù)據(jù)使溫度對誤差的影響在算法上得到修正。

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