試述不分光紅外氣體傳感器建模與非線性校正*

陳鋼 徐樂

1. 湖南信息學(xué)院 湖南 長沙 410151；

2. 湖南創(chuàng)航科技有限公司 湖南 長沙 410129

引言

市場上有各種類型的氣體傳感器，按照檢測原理進(jìn)行分類，分析方法通常是連續(xù)采樣法，主要有三種測量方法：紅外型、紫外線型和熱導(dǎo)率型。紫外線型氣體分析是根據(jù)紫外線對待測氣體吸收原理的選擇性進(jìn)行的，但與其他氣體分析儀器相比，具有相同的性能和功能，價格會更高。熱導(dǎo)率氣體分析的原理是利用不同熱導(dǎo)率的氣體，這些氣體在測量時有不同的傳熱速率。但是，它對氣體壓力和流量的波動非常敏感，尤其是介質(zhì)中的蒸汽、顆粒和其他雜質(zhì)對測量的影響更大。在這種情況下，為了得到測量值，必須安裝一個復(fù)雜的預(yù)取樣系統(tǒng)。紅外型氣體分析方法是基于近年來廣泛使用的非分散紅外(NDIR)光譜。NDIR 是一種準(zhǔn)確、穩(wěn)定的氣體濃度分析技術(shù)，可用于運行中的自動監(jiān)測系統(tǒng)或長期穩(wěn)定測量[1]。

1 傳感器模塊實驗電路與分析

1.1 電路設(shè)計

CO2探測器電路設(shè)計主要分為紅外光源控制電路和 CO2氣體加載電路兩部分。使用CDS設(shè)計作為電路結(jié)構(gòu)，使紅外光源可以控制在最大輸出功率和最小輸出功率之間。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 二氧化碳探測器電路設(shè)計

在一個5厘米的光學(xué)腔內(nèi)，空氣通過輸出口進(jìn)入，二氧化碳在腔內(nèi)的擴(kuò)散理論開始擴(kuò)散。用左側(cè)4.2 μm 功率的紅外光源激活特定波長，光被CO2吸收，其余紅外光源由右側(cè)的熱電堆傳感器接收。當(dāng)傳感器接收紅外線時，電壓值會有反應(yīng)，CO2濃度越高，電壓值越低。另一方面，CO2濃度越低，電壓值越高。熱電堆傳感器與標(biāo)準(zhǔn)CO2傳感器的濃度是對應(yīng)的，這是本實驗的傳感原理和結(jié)構(gòu)過程。通過DAQ控制紅外光源，將實驗信號輸入ADC，將輸出的DOUT信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，供計算機(jī)進(jìn)一步校對使用。通過數(shù)據(jù)采集，利用 Lab View 編程控制ADC，讀取模擬電壓輸入，然后由 Lab View 程序顯示輸出的DOUT 數(shù)字信號。

1.2 實驗分析

為了防止CO2濃度對環(huán)境的干擾，將本研究所設(shè)計的CO2檢測電路放置在一個尺寸為L23×W16×H13cm的密封箱中。第二階段開始進(jìn)行不同的功率和定時測量，每個不同的測量條件的時間是15分鐘。測量結(jié)果如圖2所示。

圖2 紅外光源上升時間和信噪比的兩階段設(shè)計

縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)左側(cè)代表第二階段不同加熱時間功率下的上升時間，藍(lán)色曲線是測量結(jié)果的趨勢線。右側(cè)的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)代表第二階段不同加熱功率下的噪聲比值，橙點為其對應(yīng)值。在這種情況下，加熱28秒是最快的升溫時間，所有的信噪比值都超過30分貝[2]。

2 結(jié)束語

綜上所述，采用兩級紅外光源控制技術(shù)，利用不同功率和加熱時間的個體特性，通過多種條件比較實驗值，選擇出較好的控制條件。針對以往二氧化碳測量儀測量時間長、測量速度快、噪聲大的缺點，提出了一種新的測量方法——高信噪比快速測量法。該方法不僅有效地改善了緩慢加載時間，而且大大提高了測量 CO2的NDIR方法的實用性，同時保持了較高的穩(wěn)定性。