非分光红外CO2 数字传感器设计与实现

汪 洁，王晓荣，梁 宇

(南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏 南京 211816)

近些年温室效应越发明显,大气中的CO2浓度达到了历史最高值[1],由此引发各类极端天气的增多。在环境监测和工业生产过程中,对CO2气体浓度的实时监测,可以预防潜在的危险确保生产安全,并为国家节能减排相关政策的制定提供第一手资料[2]。近些年,工业排放废气增多大量的CO2加剧全球温室效应；南北极冰川融化加快了海平面上升；2019 年水城威尼斯遭受了1966 年以来的最大洪水侵害。按照当前全球气温上升的趋势,预测到2050年全球沿海城市绝大多数将会被淹没,包括国际大都市上海、东京、纽约等地。其次,CO2无色无味不易察觉对人体危害也比较大。当环境中CO2含量达到一定量时,人会产生头痛、头晕乃至死亡。因此对环境和工业中CO2的精确检测是十分重要的,但是目前市场上出售的CO2传感器均无法同时满足模块化、体积小、测量范围宽、高精度和价格便宜等要求,或多或少存在某一方面缺陷,例如国外2017年SeungHwan Yi[3]设计了一款高灵敏度CO2气体传感器,其最大误差约为5%,国内吉林大学王嘉宁等人[4]红外CO2检测仪检测2×10-5～4×10-3范围CO2浓度。因此很大程度上限制了精细化工业控制和环境监测。

红外吸收型CO2传感器。根据不同的光强吸收量检测出待测气体的浓度[5],相比于半导体型CO2传感器、热导型CO2传感器和电化学型CO2传感器,无需直接接触待测气体,具有稳定性好、准确性高、抗老化和抗疲劳等特点。因此,设计出一款非分光红外CO2数字传感器,对其设定预期要求:传感器检测精度达到工业仪表精度并且精度控制在±1×10-4以内、CO2浓度测量范围为1×10-5～4.7×10-3、非分光红外CO2数字传感器预热启动时间小于3 min、传感器检测响应时间小于30 s。将整体呈现出一套设计流程并通过数字串口与外围设备相搭配进行精确性实验、稳定性实验、重复性实验等诸多实验来验证各项性能指标。

非分光红外CO2传感器相比于市面上同类型产品,在保证高精度的前提下,测量范围更宽、稳定性更好、特殊的气室设计和非分光的选择使它体积更小、实现模块化和国产化。非分光的选择使它能够适用于复杂的工业环境。

1 数字传感器的总体设计

非分光红外CO2传感器主要由4 个部分组成,包括红外光源、红外探测器、光学气室和驱动与检测电路。红外光源选择IRL715,其发出的波长从可见光到4.4 μm,刚好包含了4.26 μm。红外探测器选择MTP20,其包含2 个红外照射感应区,一路作为检测通道,一路作为参考通路。整个非分光红外CO2传感器的结构框架(图中电源模块未给出)如图1 所示。非分光红外CO2传感器模块接入外围仪器接口后,通过主控制器对采用数字调制的IRL715 光源进行控制,控制其发射出红外光照射至待测气体上,待测气体吸收能量后,衰减的红外光照射在MTP20 热电堆探测器形成温度梯度,将检测到的温差转换为电信号进行双通道系统测量。将获得的电信号通过滤波放大处理后,传至采集模拟前端进行采集然后经主控制器处理,最后通过数字化串口将处理好的采集信息发送给外围设备。为了数据传输安全,特意设计了串口通讯数据帧格式,外围设备比如分析仪可以安全可靠地对光源电路、采集电路和放大电路进行控制。

图1 数字传感器结构框架示意图

2 检测原理

分子内部存在3 类运动形式:电子运动、分子振动、分子转动,它们的能量都是量子级别的,因此形成电子能级、振动能级和转动能级[7]。由于物质的组成成分各不相同,所以物质内部的分子能级跃迁所需要的能量也是不同的,这就造成了不同分子所形成的光谱也不同[8]。当一束连续波长的红外光照射在待测物品上。物质内分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光频率一样时,分子就会吸收能量产生能级跃迁,使得对应区域内透射过的光强减弱,通过传感器检测出光强的变化就得到红外光谱。

非分光红外气体传感器[9]根据非对称原子和多原子分子气体对红外有特征吸收峰的特性[10]。利用此特性只需要检测出气体特定波长的光照强度,再根据红外吸收定律即Lambert-Beer 定律[11]。

式中:I(λ)为透射光的强度；I0(λ)为入射光的强度；L为辐射通过气体层的厚度；C为被测气体的浓度；k(λ)为吸收截面,cm2/g。

由式(1)化简得

根据推导式可知,传感器的气室设计一旦确定,则辐射通过气体层的厚度就确定了,红外波长在4.26 μm 和15.02 μm 处,CO2有明显的特征吸收波峰,4.26 μm 处CO2吸收率比15.02 μm 处更高且上升趋势更加明显。同时考虑到空气中含有水分子的影响,故选择4.26 μm 的红外波长[12-13]。因此只需要确定照射前对应波长的光强和照射后对应波长的光强就可以计算出待测气体的浓度。

基于此原理的传感器有二类,一类为分光型红外传感器,一类为非分光红外气体传感器。非分光红外气体传感器相比于分光型红外气体传感器不需要分光系统,所以使得传感器整体体积进一步缩小并且成本进一步降低,更符合工业现象使用,也易于后期维护。

3 气室设计

工业中常见的气室设计主要有直射型和反射型2 类方案。考虑到工业现场对传感器模块化、整体体积小和装配简易性的要求,同时还需要兼顾传感器的气室防尘、长度和结构等因素对检测精度的影响。故特意设计了一种光程为50 mm 的带有反射功能的直射型气室结构,如图2 所示。充分发挥反射型和直射型的优点,避开各自的缺点。直射型气室能够使气体均匀分布但同时也存在红外光的衰减、反射和散射等问题会使得红外光强减弱[14]。同时传感器气室的长度和结构等因素也会降低待测气体对红外光的吸收率。而反射型气室最大的优点就是能减小传感器气室体积,但气室内部光洁度对检测精度[15-16]影响较大因此无法兼顾防尘。此外,传感器气室内径尺寸越小则红外光的散射就越少,所以气室内径设计为宽10 mm、高度6 mm,并且IRL715 和MTP20 分别选择3.17 mm 和9.85 mm 的直径。这样就能更好地保证测量结果的准确性和安装简易性要求。

图2 气室结构

4 硬件设计

选择STM32F030C8T6TR 作为非分光红外CO2传感器的主控制器,该芯片面积仅为7 mm×7 mm 并且采用了Cortex-M0 处理器,极大地满足了体积小和低功耗的要求。此外,该芯片还拥有丰富的片内外设,包括I2C、UART、SPI、TIMER 和ADC 等,使得它能够更好地为系统控制服务,主控制器最小系统如图3 所示。

图3 传感器主控制器最小系统

4.1 光源驱动电路

为了提高非分光红外CO2传感器气体浓度的检测精度,红外光源需要一个恒压源进行恒压驱动。稳压器需要满足低功耗、工作环境温度范围大、响应速度快、纹波少等条件。在实际使用中,红外光源最佳的红外光发射情况是在3.3 V 恒定电压下以2 Hz频率进行调制,因此设计中选用AP2112K-3.3TRG1低压差线性稳压器。该芯片功耗低并且低压差线性稳压器(Low Droput Regulator,LDO)输出精度控制在±1.5%,温度范围-40 ℃～＋80 ℃,在输出和输入端连接电容能更好地稳压。该芯片EN 引脚与主控制器相接,通过主控制器内部定时器输出PWM 波实现对稳压器“开”“关”控制,从而对红外光源调制。驱动电路如图4 所示。

图4 驱动电路

4.2 传感器电源电路

为了提高非分光红外CO2传感器的测量精度,稳压管需要电压波动小、纹波少。设计上选用XC6206P332MR 低压稳压器将5 V 转3.3 V 给测量回路的主控制器和采集模拟前端提供电源,如图5(a)所示。而基准电压选用REF3033 电压基准芯片提供,如图5(b)所示。

图5 测量电压和参考电压电路图

4.3 信号处理电路

MTP20 输出的电压信号为mV 级,并且微弱的电信号极易受到外界环境中光学系统的各种噪声信号干扰而被淹没,导致主控芯片内部的ADC 模块无法对该模拟信号进行采样。在设计中选用LMP91051,这是一款具有偏移调整功能并且可与外部信号滤波电路[17]搭配的双通道增益放大器。其具有较高的内阻可以和电源噪声进行耦合使得噪声信号更加突出,并且在输出端接有低通滤波器来滤除噪声信号[18]。主控制器控制MUX 进行输入通道切换,选择不同放大增益以使得双通道系统获得最佳精确度[19],主控制器通过SPI 通讯方式修改放大倍数,从而获得AD 采样范围。

在使用单通道检测的过程中对环境要求比较苛刻,所以无法适用于工业现场的使用,因此采用双通道检测系统即一个检测通道和一个参考通道[20]。在获取检测通道信号信息的同时也获取了参考通道信号信息,它能很好地消除光源老化、气室被污染等问题而带来的检测误差[21],能更好地在相对封闭和通风条件差的工业现场环境里长期稳定检测。信号处理电路由图6 所示。

图6 信号处理电路

4.4 数字接口

通过UART 串口发送指令来改变传感器光源驱动的频率和采集模拟前端的相关配置。为了保证非分光红外CO2数字传感器能够正常运行,特别选用了5PIN 的接口与外部连接,其中RESET 与主控制器NRST 相连接,使得外部控制器可以通过该引脚复位传感器进行初始化。接口电路如图7 所示。

图7 接口电路

5 软件设计

在软件控制方面主要实现的功能为:AP2112K-3.3TRG1 控制、MTP20 电压采集控制和USART 串口通信。软件执行流程图如图8 所示,在软件设计上利用定时器中断、串口接收中断和ADC 通道转换完成中断,提高了非分光红外CO2数字传感器的实时性。为了更好地方便外接设备对非分光红外CO2数字传感器的控制,编写了一套数据指令传输格式,使得外围设备更好地修改光源调制的频率和PWM参数,并通过串口读写LMP91051 内部寄存器参数。

图8 软件执行流程图

在信号采集的过程中,各种噪声的存在会引起AD 转换结果的误差,由于在硬件上很难解决此问题,只能寻求软件上算法来解决。利用AD 采集速度较快的特点,通过多次采集数据进行对比处理,对采集的数据进行平滑处理。软件上常见的滤波算法主要有5 类:限幅滤波法、算数平均滤波算法、中值滤波法、一阶滞后滤波法和去极值平均滤波算法。权衡各类算法在处理噪声和毛刺方面的效果,采用去极值平均滤波算法对噪声信号进行滤除。将n个采样数据先进行大小排序然后去掉最大值和最小值,对剩余n-2 的采样值进行取平均。算法逻辑如图9 所示。

图9 去极值平均滤波算法流程图

6 实验分析

6.1 精确性和检测范围实验

为了测试非分光红外CO2数字传感器的真实精确性和检测范围是否符合设计要求,将非分光红外CO2数字传感器置于工厂中检测不同CO2气体的浓度。在测试过程中,始终保持光学气室处在40 ℃的空间里,待测气体通气流量控制在0.5 L/min,依次通入5 种不同浓度的CO2到CO2传感器气室中。在测量过程中要等待数据稳定后,才能进行数据记录,每组气体采集3 次浓度值,然后取平均作为最终测量值。实验数据如表1 所示。

表1 精确性实验数据

从表中实验数据分析得到,传感器在测量过程中最大引用误差为1.68%,远小于设定值2%,而且最小引用误差是0.12%,具有良好的精确性,很好的达到最初设计要求。

6.2 重复性实验

在测试过程中,始终保持光学气室处在40 ℃环境中,待测气体通气流量控制在0.5 L/min,待测气体CO2依次通入浓度为1.6×10-3和3×10-3,每隔5 min记录一次,总共记录10 组数据。由表2 可知,两种浓度的相对标准偏差(Relative Standard Deviation,RSD)相对标准偏差分别为0.40%和1.07%,表明传感器具有良好的重复性,很好地达到最初设计要求。

表2 重复性实验数据

6.3 稳定性实验

在测试过程中,始终保持光学气室处在40 ℃空间里,待测气体通气流量控制在0.5 L/min,待测气体CO2依次通入浓度为1.6×10-3和3.2×10-3。每隔2 h 记录一次,总共记录6 组数据。从表3 可知,相对极差值分别为1.625%和1.906%,检测值上下浮动较小,表明传感器具有较好的稳定性,较好地达到预期设计要求。

表3 稳定性实验数据

7 结束语

非分光红外CO2数字传感器主要面向于矿产挖掘、工业生产和环境检测等领域,不仅给出了非分光红外CO2数字传感器详细的光学气室设计、软硬件设计和元件选择,还对其检测精确性、检测范围、重复性和稳定性进行了整体性能测试。与市面上同类高精度产品相比,它具有很强的通用性,可以和不同的外围设备相搭配使用和在复杂的环境里使用,此外还具有以下优势:更小体积、模块化程度高、进一步降低成本、测量范围广、易于操作等特点,为客户提供更高的性价比选择。