双通道红外CO2 气体传感器设计与实现*

张雅楠 谭秋林 张 磊 于 可 刘瑞康

（1.中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室 太原 030051）

（2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 太原 030051）

1 引言

二氧化碳（CO2）与我们的生活密不可分，不同的应用场景对其浓度要求也不同，随着工业化和人类对自然的破坏，空气中CO2浓度在逐年增大，根据研究，CO2含量超过5%，会使人感到呼吸困难，甚至出现耳鸣等症状［1］。因此，对CO2的浓度监测显得尤为重要。20 世纪60 年代，以半导体、光学类、电化学类为基础的气体传感器逐渐走入人们的视线，传统CO2传感器是基于电化学原理制成的，但其寿命较短，且易受可燃气体的限制，无法适用于某些特殊场景。在红外气体传感器方向，无论是国内还是国外市场，都存在巨大需求，2020 年Mostafa Vafaei 研制了一种测量范围为400ppm～2200ppm的无腔体CO2传感器［2］，中北大学杨明亮于2015 年研制出一款用于测量CH4，CO2，CO 的三组分气体传感器［3］。因此，研发新技术，开发新工艺都是未来的研究方向。

本文采用NDIR检测技术，设计了一款体积小，精度高，稳定性好的CO2检测系统，主要包括气室设计、硬件电路设计以及软件系统设计。整个系统以STM32单片机为控制核心，对热释电探测器输出信号进行放大、滤波处理，再通过A/D 转换，实现对输出信号峰峰值的采集，最终达到对CO2气体浓度的实时监测。实验结果表明，该传感器可以实现在对0～5%浓度内的CO2进行检测，且测量误差小于0.2%，能够满足对人体健康监测的要求。

2 非分光红外检测原理

由红外光谱吸收原理可知，当一束连续的红外光进入气室时，且红外光的特征频率与气体分子振动频率和跃迁能量一致时，气体就会吸收对应波段的红外辐射［4～5］，红外辐射的衰减量与气体浓度的关系满足朗伯-比尔定律［6～7］，如式（1）所示。

式中I代表经过气体吸收的光强，I0代表气体未吸收的光强，C代表待测气体浓度，K代表根据波长的不同而改变的气体吸收系数，L代表红外吸收光程［8］。

由于实际测试存在一些干扰因素，如粉尘和水分等，可对式（1）修正为

式中，β和δ分别代表与波长相关和与波长没关的干扰因素［9］。

本文选用单光路双波长设计结构，根据红外光谱可知，CO2在4.26μm 处为特征波长［10］，而3.95μm波长不被任何气体吸收，故在其测量通道和参考通道前分别放置4.26μm 和3.95μm 的滤光片，达到对CO2气体吸收的效果［11］，红外光通过两通道后的输出光强分别表示为

因所处环境相同且两通道波长相近，故C1=C，C2=0，L1=L，β1=β2，δ1=δ2，通过调整光学系统使得I0(λ1)=I0(λ2)，将式（3）和式（4）相比可得：

因探测器输出电压与光强成正比，所以可以化简为

式中，U1，U2分别代表测试通道和参考通道输出电压，由式（6）可以看出，当气室结构一定时，气体浓度值与两通道输出信号之比有关，能够有效地提高测量精度［12～13］。

3 气室与光路仿真

光学气室的结构不仅影响检测系统的精度而且对传感器的尺寸大小也有影响。根据郎伯-比尔定律可知，CO2的吸光度与气室的有效光程成正比，气室内红外光吸收的有效光程越长，CO2吸收的红外辐射就越充分，而在实际过程中，若气室的有效光程太长，则损耗越大，影响测量结果的准确性，因此，设计的气室结构光程不宜过长［14］。本文提出一种直射型气室结构，如图1 所示，其尺寸为直径D=10mm，高度H=20mm，具有体积小、光程适中的特点，相比于折射型与反射型气室，光损耗更低。

图1 光学气室结构

在仿真中，利用Solidworks 软件构建了一个直射型气室的三维模型，并将该模型导入Tracepro中，分别设置光源发射波长为4.26μm 和3.95μm，气室的内表面反射率为95%，以及热释电探测器可以吸收0～38.9°范围的红外光，气室光通量辐照图如图2 所示。由图可知，探测器测试通道和参考通道的光通量分别为0.183W 和0.185W，相差不大，具有良好的一致性，适合应用到非分光红外CO2探测器中。

图2 信号通道和参考通道光学仿真

4 硬件电路与软件设计

4.1 硬件结构设计

为了降低耦合性，硬件系统以模块化方式进行设计，总体设计框图如图3 所示。工作原理如下：单片机通过控制定时器，输出PWM波，用于光源驱动，红外光源在驱动下发出4.26μm 测量波长和3.95μm 参考波长的红外光，经过装有待测气体的气室后照射到探测器上，进行光电转换，感应出一定的电压信号，将产生的电压信号经过放大滤波后送入ADC 中进行数据采集，单片机通过对两通道的电压值进行分析处理后计算出CO2浓度，最终，通过串口连接上位机直观地输出浓度信息。

图3 系统总体设计框图

4.2 系统控制模块设计

单片机选择的是意法半导体公司的STM32F 100C8T6B 芯片，是一个32 位64kB 闪存的微控单元，其最大工作频率可以达到24MHz，具有丰富的外设，如12位ADC、16位定时器、以及各种接口，无需调用片外的ADC 进行数据的采集，与此同时，7.2mm×7.2mm的体积，完全符合传感器微型化的设计需求，主控制模块如图4所示。

图4 控制核心电路

4.3 光源驱动电路设计

光源驱动电路选用RS3236 电源芯片，其输入电压为1.7V～7.5V，输出电流最高可达500mA，满足光源驱动电流。为提取有效信号，单片机生成2Hz的PWM 波，并将其引入使能端EN，通过控制PWM的高低电平，控制光源的亮灭，以达到光源调制的目的。但是，由于通过光源的电流与探测器输出信号相比较大，为防止光源开关脉冲导致输出波形上的电压不稳定的情况，需保证光源的回路电流不能使用与ADC 相同的返回路径，因此，利用不同的返回路径和电源模块，实现了光源与系统的分离，光源驱动电路如图5所示。

图5 光源驱动电路

4.4 信号调理电路设计

基于热释电的CO2探测器产生的原始信号是一个毫伏级电压信号，且易被噪声掩盖，无法将其直接送入AD 采集，因此，在送入AD 进行采集前需进行合理的滤波放大。电路如图6 所示。本文选用MS8629 作为滤波放大的运放，其具有输出幅度轨到轨、宽带宽、低噪声、超低失调和偏置电流的特性。它可以采用1.8V～5V 单电源供电，满足了系统电源模块3.3V的要求，提高了整个系统的信噪比。

图6 信号调理电路

4.5 系统软件设计

整个测量系统的精度与软件程序是密不可分的。软件设计部分主要由对系统进行初始化，单片机输出PWM波，ADC实现对数据的采集，单片机进行数据处理以及串口输出CO2浓度信息组成，软件设计流程图如图7所示。

图7 软件设计程序流程图

5 传感器系统测试

5.1 传感器标定

为了确保测量的准确性，本文采用标准CO2气体标定法，首先需要搭建气体标定测试平台，通过定值控制试验箱的温度为0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃。在标定之前，对气室内部进行零点校准，认为将纯氮气充满气室时，整个气室内的CO2浓度为0。氮气通完后，依次通入1%、2%、3%、4%、5%的标准CO2气体，换气结束时，需给传感器一定的响应时间，待输出电压值稳定后，记录电压值，将单片机采集到的两通道电压峰峰值保存，以便进行数据拟合，标定实验数据如图8所示。

图8 不同温度下，CO2浓度与峰峰值差比值关系

5.2 稳定性实验

为测试系统的稳定性，将传感器放在室温下，并通入1.5%的CO2标准气体，每隔15min 记录一次数据，持续工作6h，观察传感器输出信号的电压峰峰值，实验数据如图9 所示，结果表明，该传感器在1.5%的标准值附近上下浮动，具有良好的稳定性和准确性。

图9 稳定性实验数据图

6 结语

本文以NDIR 检测技术为基础，设计了一种双通道红外CO2气体传感器检测系统，实现了对CO2气体浓度的实时监测。在气室方面，提出了单光路双波长的直射型气室结构，不仅增加了光程，还有效地减少了光路损耗，提高了整个系统的抗干扰能力。在硬件电路方面，实现了对输出信号的放大滤波，提高了整个系统的信噪比。最终，建立测试平台，采用标定法对传感器进行测试，经测试，该传感器可以实现在不同温度下对0～5%浓度内的CO2进行检测，且测量误差小于0.2%，具有精度高，稳定性好的特点，可用于火灾报警，人体健康监测等领域的需求。