基于非分散红外技术的水面CO2浓度检测系统设计

常 敏，陈 征

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

基于非分散红外技术的水面CO2浓度检测系统设计

常 敏，陈 征

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

随着我国水资源污染日趋严重，建立包括水体表面CO2浓度检测在内的水生态环境感知系统，对水生态环境的保护具有重大意义。目前常用的检测方法有电化学法、气相色谱法等，但这些检测方法精度不高、易受干扰、使用寿命短，无法满足复杂环境下检测要求。文中设计了基于非分散红外(NDIR)原理的CO2浓度检测系统，根据修正的Beer-Lambert定律对该系统进行校准。通过对系统功能和性能进行测试表明，所设计的系统与传统方式相比，提高了检测效率和精度。

红外光谱；修正Beer-Lambert定律；校准

化石燃料使用产生的CO2一直被认为是温室气体的重要来源，而国外一些学者的研究发现，水体自身含有的碳元素以及水体生物也可能会释放一定的温室气体[1]。因此研制原位水体表面CO2浓度检测仪对水生态环境感知系统乃至水生态环境的保护具有实际意义。而且目前市场上CO2传感器主要采用电化学型，占据90%以上的市场份额，但这些方法精度低、使用寿命短。国内研究人员在CO2气体浓度检测方面的研究相对国外起步较晚，同时研究水平也有差异。因此研制新型二氧化碳浓度检测仪对我国水资源保护具有重要意义。

1 系统原理分析

1.1 非分散红外吸收技术的差分光谱吸收法

非分散红外技术是一种基于气体吸收理论的方法[2]。大部分气体在中红外波段有自己的特征带，当红外光源发出的辐射经过一定浓度待测的气体吸收之后，与气体浓度成正比的光谱强度会发生变化[3-4]，因此求出光谱强度的变化量就可以反演出待测气体的浓度。

经查询Hitran数据库可知，CO2气体在2.7 μm区域，4.3 μm区域和14.5 μm区域出现较强吸收带。但在2.7 μm区域和14.5 μm区域的吸收带都受到水汽的影响，而4.3 μm区域的4.26 μm吸收带不受大气中其他组分的影响，而且具有明显的吸收峰，如图1所示，故选择这个区域的吸收带中的一个窄波段进行吸收测量CO2。

图1 CO2在4.26 μm处的吸收谱线

在实际过程中，红外线在空气中辐射传播过程中会受到外界环境因素的干扰和影响[5]。比如水蒸气，粉尘等。因此采用差分吸收方式，在检测仪中添加一路不被CO2吸收的参考光来补偿测量系统中由气体吸收所引起的光强[6-7]。结合二氧化碳的红外光谱吸收图，系统设计采用4.26 μm的红外吸收光谱来检测CO2，而选择没有CO2吸收峰的4 μm波长的光作为参考光，其光学结构如图2所示。

图2 检测系统光学结构设计

1.2 修正的Beer-Lambert定律

朗伯-比尔定律 (Lambert-Beer Law)是吸收光谱的基本定律[8]，即有源检测器的红外密度以指数关系递减，其表达式为

I=I0e-k/x

(1)

其中，I表示目标气体的密度；I0表示零气体的密度；k表示特定气体和滤光器组合的吸收系数；l表示灯与检测器之间的等效光学路径长度；x表示气体浓度对于有源检测器输出，存在相应的输出电压变化V0-V1

(2)

其中，FA表示小数吸收；V0表示零气体的输出V表示目标气体的输出。

整理公式，并结合式(1)和式(2)，可得

FA=1-e-k/x

(3)

由于在实际中并非所有受到有源热电堆冲击的红外辐射都会被气体吸收[9-10]，因此引入SPAN系数修改朗伯-比尔定律以得到精确的读数，其中由于滤光器带宽和吸收频谱的精细结构，SPAN<1

FA=SPAN(1-e-bxc)

(4)

其中，b取决于测量的浓度范围；c与光学路径长度的变化和光的散射有关，这两个值的确定通常取FA与浓度x的关系曲线上的一个数据点，然后使用曲线拟合程序。

2 控制系统的硬件设计

图3是一个利用非分散红外(NDIR)原理检测CO2的硬件电路设计图，该电路针对CO2检测进行优化，设计的电路板(PCB)采用Arduino屏蔽设计，其中信号调理由AD8629和低噪声放大器ADA4528-1以及集成可编程增益放大器的ARM Cortex-M3的控制器STM32F103实现。

图3 NDIR硬件设计原理图

2.1 光源驱动电路

采用IRL715红外光源，通过实验发现，当光源采用5 V直流电持续供电时，其光源辐射强度随时间而逐渐减小；而采用占空比为50%的5 V方波电压信号驱动时，光源的辐射强度随着时间的变化而变强。因此，考虑到光源在4 μm处的辐射强度，采用ADP7105对光源利用占空比为50%的方波脉冲信号进行驱动[11-12]，增加了检测系统的稳定性，其驱动电路如图4所示。

图4 红外光源驱动电路

2.2 信号处理电路

系统选用无源探测器TPS2534进行红外探测，由于电压信号很微弱，所以要对信号进行高倍数放大，而直接高倍数放大会让某些微弱干扰信号也得到放大[13]，不利于的信号采集和处理。所以用ADP8630进行多级放大，如图5所示，并在第一级放大时进行低通滤波处理，这样可有效减小信号衰减以及噪声干扰，提高系统的信噪比[14]。同时利用肖特基二极管BAT54S对进入A/D采集的信号进行电压钳制，对A/D采集电路的输入端进行保护。

图5 多级放大电路

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

在硬件平台的基础上，进行系统软件的编写与调试[15]。为使程序的运行效率更高，软件采用模块化设计，在程序中完成光源的驱动、浓度校准、A/D信号的采集与转换，电机驱动以及和上位机的通信等。系统上电后，进行初始化程序，然后等待上位机指令进行相应的工作,其流程如图6所示。

图6 主程序流程图

3.2 校准程序设计

由于灯和热电堆的特性不同，刚开始以及改变热电堆或灯时必须对系统进行校准[16]。将整个组件放置在密封腔室中，并可向其中注入已知浓度的CO2气体，直到腔室中一切原有气体均被排出。稳定数分钟后，便可开开始校准，其流程如图7所示。

图7 校准程序流程图

4 系统测试

4.1 系统功能测试

为验证系统能否正常工作，在温度为24.6 ℃环境中，选用CO2和N2的混合气在密封的腔室进行测试，测量范围为0～2 000 ppm，其中CO2浓度分别为50 ppm，100 ppm，200 ppm，500 ppm，1 000 ppm，1 500 ppm，2 000 ppm。为验证数据可靠性，取10次测量平均值，测试结果如表1所示。

表1 系统功能测试表

表1所示，随着CO2浓度的增大，CO2吸收的光辐射越大，探测器接收到的光强越小，CO2通道输出电压逐渐减小，而参考通道的电压由于CO2不在此范围内不吸收，故电压值基本保持不变,而最终CO2通道输出电压与参考通道的比值也逐渐减小，这符合红外吸收的特点。

4.2 系统稳定性分析

为验证该系统的稳定性，在室温条件下，让设备连续工作48 h，试验结构如表2所示。

表2 稳定性试验数据

表2所示，在48 h内，检测仪在连续工作的情况下没有异常数据或者死机等现象，稳定性良好。

5 结束语

本文利用非分散红外技术并结合朗伯-比尔定律 (Lambert-Beer Law)设计了一套改善水体表面CO2浓度检测是系统，完成了系统的机械结构设计、硬件设计以及软件设计，通过对系统的功能和性能进行测试，表明本文设计的系统能准确测量CO2的浓度，具有较好的稳定性。

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Design of CO2Concentration Detection System on Water Surface Based on Non Dispersive Infrared Technology

CHANG Min,CHEN Zheng

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

In recent years, Pollution of water in China is serious, it is of great significance to establish a water eco-environmental sensing system, which includes the detection of CO2concentration on the surface of the water body, for the protection of aquatic ecological environment. Current detection modes are electrochemical method, gas chromatography, etc. But the accuracy of these detection methods is not high, and these methods with short life are susceptible to interference, cannot meet the detection requirements in complex environment. So in this paper, we design a CO2concentration detection system based on infrared spectroscopy-absorption. Finally, we calibrate the designed system according to modified Beer-Lambert law. Finally,the system function and performance test show that the design system and the traditional method, improve the efficiency and accuracy of detection.

infrared spectroscopy;modified Beer-Lambert law;calibration

2016- 12- 07

陈征(1989-),男,硕士研究生。研究方向：精密仪器及机械。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.015

TN215;TP274+.52

A

1007-7820(2017)09-053-04