非分散红外二氧化碳检测仪研制

刘恒， 任洪亮

(华侨大学 信息科学与工程学院， 福建 厦门 361021)

非分散红外二氧化碳检测仪研制

刘恒， 任洪亮

(华侨大学 信息科学与工程学院， 福建 厦门 361021)

设计一种电调制、一体化的二氧化碳体积分数检测系统.该系统基于CO2气体分子对红外光的特征吸收和Lambert-beer定律，采用双通道设计，由热释电传感器检测到的两路信号经过1 Hz低通放大电路处理后，输入示波器显示.为了避免光源波动对测量结果的影响，采用5 V稳压电路驱动红外光源，单片机对其进行1 Hz亮灭调制.对两路输出信号进行计算，可得CO2体积分数.结果表明：检测仪量程为0%～80%，响应时间小于1.5 s.

CO2; 气体检测; Lambert-beer定律; 热释电传感器; 光源调制; 滤波放大电路

近年来，人们对温室气体主要成分二氧化碳的关注度日益提高[1].开发一种便携式、大众化的红外二氧化碳气体检测装置显得尤为迫切[2].目前，检测CO2的方法主要有色谱法、电化学法、电气法及光学吸收法等[3].国内CO2检测系统常用于地下车库、矿井及温室大棚等场所，但国内厂家生产的非分散红外(NDIR)二氧化碳检测仪多数采用20世纪80年代的技术.系统不但体积大，且使用寿命、抗干扰能力和精度等方面也有待提高[4].基于此，本文设计一种采用红外光检测法的CO2检测系统.

1 设计原理

不同分子或原子的电子所处的能级不同[5]，电子在吸收外界辐射的能量时，只能吸收能量大小与能级差相同的部分[6].由CO2的吸收谱线可知：对于波长为4.00 μm的红外光，CO2几乎不吸收；对于波长为4.26 μm的红外光，几乎完全吸收.此外，CO2对红外光的吸收还遵从朗伯比尔定律[7]，即

图1 系统示意图Fig.1 System schematic diagram

式(1)中：L为光在气室通过的长度；C为被测气体体积分数；α为光被吸收的比例系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长有关；I0为通过气体前的光强大小；I为通过气体后的光强大小.这一特性为系统的设计提供了依据.

系统示意图，如图1所示.气室安装红外光源的一端设计成抛物面，气室内壁镀高反膜，以保证平行光入射.红外光源发出的光经过气室中的CO2吸收后，入射到参考通道和测量通道的滤光片上，两通道输出电压与入射光强有关，分别为

式(3)中:K1,K2分别为参比通道和测量通道的系统参数，与热释电探测器的种类和滤光片的透光特性有关[8].由式(1)～(3)可得系统设计的理论依据为

图2 相对辐射强度与驱动电压函数关系Fig.2 Relative radiation intensity as functionof supply voltage

2 系统硬件设计

2.1热释电传感器和红外光源调制

2.1.1 热释电传感器 选用PYS 3228型红外热释电传感器，其正常工作电压为5 V.热释电传感器两通道分别采用4.00 μm滤光片和4.26 μm滤光片.4.00 μm的滤光片作为参考通道，4.26 μm的滤光片作为测量通道[9].

2.1.2 红外光源调制 选用IRL 715型红外光源，其辐射波长为0.38～4.40 μm.红外光源相对辐射强度与驱动电压的关系，如图2所示.图2中：p为相对辐射强度.由图2可知：当驱动电压为5 V时，4.00，4.26 μm波长处的辐射强度基本相同.为满足两波长对应辐射强度相同，且降低光源波动引起的测量误差，决定采用5 V稳压电源驱动红外光源.热释电频率响应曲线与红外光源调制曲线，如图3,4所示.图3,4中：Res为响应率；D为光源调制深度.

图3 热释电频率响应曲线 图4 IRL 715调制深度曲线Fig.3 Pyroelectric detector frequency-response curve Fig.4 IRL 715 modulation depth curve

由图3,4可知：热释电传感器的最佳响应频率为0.1～0.4 Hz；红外光源适合低频调制.然而，信号调制频率太低不利于放大滤波电路的实现，在实际电路中，一般不能满足热释电传感器的最佳调制深度.考虑到系统的稳定性，决定采用频率为1 Hz的5 V电压驱动红外光源.调制信号由单片机输出.

图5 滤波放大电路Fig.5 Filter amplifier circuit

2.2滤波放大电路

系统采用双通道设计，因参考通道和测量通道电路相同，文中仅以一路为例.放大滤波电路，如图5所示.热释电探测器输出有0.4 V的直流偏置，但有用的是随光源调制而响应的交流分量.因此，放大电路中加入C5,C6隔直电容，以除去直流偏置.

R5,C4和R3,C1用作二阶低通滤波，采用二阶低通，能够减小带宽，提高测量精确度[10].电路传递函数可表示为

式(5)中:R=R3=R5=500 kΩ；C=C1=C4=0.1 μF；ω=2πf,f为输入信号频率.将f0=1/(2πRC)=3.2 Hz带入式(5)，可得输入频率为f的信号时的电压放大倍数为

2.3红外光源稳压驱动电路

稳压芯片选用ADP 2503型DC-DC转换器(美国亚德诺半导体技术公司)，其供电电压为2.3～5.5 V，输出电压为2.8～5.0 V,内部补偿最大化地减少了外部元件数量.芯片输出电流高达600 mA，可直接驱动额定电流为110 mA的红外光源.当负载电流较高时，可采用电流模式的固定频率脉宽调制(PWM)控制方案，以获得出色的稳定性和瞬态响应.供电电源可使用单节锂电池、多节碱性电池、USB及其他标准电源.稳压电路原理图，如图7所示.其输出电压为

式(7)中:Uref为参考电压值，由芯片本身决定，其值为0.5 V.在系统电路中，R1取37 kΩ，R2取333 kΩ,Uout计算值为5 V.

输入电容C3可减小电池开关频率纹波的幅度.电感L1决定电感电流的纹波和环路动态特性，其值通常在1.0～1.5 μH.为了保证系统的稳定性和良好的瞬态响应，输出端接入22 μF的电容C2.在输出端后，加入一级LC谐振滤波电路，使输出更加稳定[11].

图6 仿真波形 图7 稳压电路 Fig.6 Simulation waveform Fig.7 Voltage regulator circuit

3 测试结果与分析

图8 系统工作曲线 图9 灵敏度与二氧化碳体积分数关系 Fig.8 System working curve Fig.9 Sensitivity as function of CO2 volume fraction

4 结束语

基于CO2气体分子对红外光的特征吸收和Lambert-beer定律设计了CO2体积分数检测系统.采用新型红外光源，并利用新型稳压芯片对光源进行调制，减小了以往由于红外光源不稳定带来的测量误差.系统采用新型热释电传感器，并且在信号处理部分采用低噪声、高灵敏度的运算放大器进行二级低通滤波放大，减小了噪声引起的误差，提高了测量灵敏度.此外，双通道差分检测设计提高了系统抗干扰能力，减小环境变化对测量的影响.测试结果表明：系统具有良好的工作特性，量程为0%～80%，响应时间小于1.5 s.

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(责任编辑： 钱筠英文审校： 吴逢铁)

CarbonDioxideDetectorBasedonNon-DispersedInfraredPrinciple

LIU Heng, REN Hongliang

(College of Information Science and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

A compact non-dispersed infrared CO2measuring system using electrical modulated infrared source is designed. The system uses dual channel pyroelectric sensors to detect CO2molecular based on characteristic infrared absorption and Lambert-beer low. Two channels signals detected from pyroelectric sensor are filtered by 1 Hz low pass amplifier circuit. The measured result is displayed on an oscilloscope. In order to avoid measurement result is affected by light source fluctuation, the infrared light source is powered by 5 V voltage regulator circuit, and it is switched on and off with 1 Hz modulation frequency controlled by a single chip. The volume fractions of CO2is obtained according to the calculation of the tow output signal. Result shows that the detector has the measurement rang of 0%-80%, the response time less than 1.5 s.

CO2； gas detection; Lambert-beer low; pyroelectric sensors; light source modulation; filtering-amplifying circuit

10.11830/ISSN.1000-5013.201507038

X 853

A

1000-5013(2017)06-0854-04

2015-07-26

任洪亮(1980-)，男，副教授，博士，主要从事光电检测及光学微操控仪器研发的研究.E-mail:renhongliang@hqu.edu.cn.

福建省自然科学基金资助项目(2012J05120)； 福建省泉州市科技计划资助项目(2012Z95)； 华侨大学科技文化创新基金资助项目(201510385040)