基于GaSb光源和InAs二極管的NDIR原理CO2濃度檢測方案

◇南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院軌道交通學(xué)院 趙 陽 魏 琛 沈 悅 韓 天 張之然 謝夢飛

隨著國家重視程度的不斷提高，碳排放現(xiàn)已作為一項指標(biāo)進(jìn)入交易市場。本文提出一種基于非分光紅外（NDIR）技術(shù)，以GaSb發(fā)光二極管作為光源、光電導(dǎo)InAs光電二極管作為敏感元件實現(xiàn)CO2濃度檢測方案。通過單光源雙檢測的測量方案，實現(xiàn)對溫度、壓強等外界干擾因素的抑制，并使用硬件搭建帶通濾波電路和軟件離散傅里葉變換（DFT）算法實現(xiàn)雙重濾波，最后根據(jù)CO2濃度計算模型得到濃度結(jié)果。

CO2是大氣的重要組成部分之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用[1]。從1959年到2008年，人類活動對氣候的影響總體呈上升趨勢，大氣中二氧化碳濃度從315.98 mg·L－1升 高至385.34 mg·L－1，升高了21.9%，在2019年突破415 mg·L－1，創(chuàng)造有史以來最高紀(jì)錄，目前仍在持續(xù)升高[2]。因此，在產(chǎn)生CO2氣體各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行精準(zhǔn)可控排放，對于改善氣候變化、緩解全球變暖具有極為重要的意義。

當(dāng)前，CO2氣體濃度檢測手段主要有電化學(xué)法、電子捕獲法、紫外線電離法以及非色散紅外吸收法等[3]。雖然非色散紅外原理在氣體檢測領(lǐng)域的應(yīng)用已有較長的歷史，但真正達(dá)到高可靠工業(yè)應(yīng)用的并不多。國內(nèi)大部分的研究基本上是基于鎢絲燈紅外發(fā)射源，熱釋電傳感器或者光電導(dǎo)作為敏感元件構(gòu)成的檢測系統(tǒng)[4-7]。熱釋電傳感器具有很寬的接收頻譜帶寬，通過匹配不同的濾光片可以檢測相當(dāng)多的氣體種類。而光電導(dǎo)傳感器的比探測率很高，信噪比優(yōu)秀，成品的檢測性能比較好[8]。

本項目采用GaSb紅外發(fā)光二極管作為光源，光電導(dǎo)InAs光電二極管作為敏感元件實現(xiàn)CO2濃度檢測。GaSb紅外發(fā)光二極管本身具有較窄的紅外光譜，可以根據(jù)被測氣體選擇對應(yīng)頻段的型號，無需再配置濾光片[9]。InAs光電二極管的比探測率比熱釋電傳感器高1倍以上，低于硒化鉛傳感器，而敏感光譜范圍大于硒化鉛，小于熱釋電。因此，InAs光電二極管的性能介于熱釋電和硒化鉛傳感器之間，與GaSb紅外發(fā)光二極管配合可以獲得性價比更高的氣體檢測系統(tǒng)。

1 CO2濃度檢測基本原理

1.1 非分散性紅外線技術(shù)原理

非分散性紅外線技術(shù)（NDIR，Non-Dispersive InfraRed）是一種基于氣體吸收理論的方法。紅外光源發(fā)出的紅外輻射經(jīng)過一定濃度待測的氣體吸收之后，與氣體濃度成正比的光譜強度會發(fā)生變化，因此求出光譜光強的變化量就可以反演出待測氣體的濃度。

如圖1所示（吸收數(shù)據(jù)均來自于HITRAN數(shù)據(jù)庫），CO2在4.26μm吸收帶附近的吸收較為明顯。當(dāng)紅外光通過待測氣體時，氣體分子吸收特定波長的紅外光，其吸收關(guān)系服從Lambert-Beer吸收定律。如果紅外輻射光譜范圍包括被測氣體的吸收波段，當(dāng)紅外輻射通過充滿被測氣體的氣室時，相應(yīng)頻率紅外輻射的能量被氣體吸收而導(dǎo)致能量的衰減，且CO2氣體濃度越大，能量衰減越厲害，通過分析衰減量即可計算出待測氣體濃度。

圖1 二氧化碳?xì)怏w的紅外吸收峰

1.2 CO2濃度計算模型

光譜方法定量分析氣體的基本思路是選一定波長的光照射氣體，計算它的吸光度，然后根據(jù)吸光度計算其濃度。比爾朗伯定律是氣體分析的基本定律，其定義為當(dāng)一束平行單色光垂直通過某均勻非散射物質(zhì)時，其吸光度的大小與物質(zhì)的厚度和吸光物質(zhì)的濃度成正比。

它規(guī)定了吸光度與濃度之間的關(guān)系：

其中：A為吸光度；T為透射比即出射光強度和入射光強度的比值。K為摩爾吸光系數(shù)，它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長λ有關(guān)；c為吸光物質(zhì)的濃度，單位為mol/L；b為吸收層厚度，單位為cm。

本項目采用單紅外光源以固定頻率閃爍和雙檢測通道的方式實現(xiàn)對CO2濃度的測量，通過DFT（離散傅里葉變換）的方式實現(xiàn)數(shù)字濾波。具體實現(xiàn)步驟如下，將參考通道和檢測通道的信號分別通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，根據(jù)公式（2）分別計算DFT的實部和虛部，將離散時域信號用N個余弦波和正弦波合成。

將DFT的實部和虛部進(jìn)行疊加，如公式（3）。

2 CO2傳感器系統(tǒng)設(shè)計

考慮到CO2氣體濃度本身外，其溫度、壓強等都會對傳感器的輸出電壓有影響，導(dǎo)致傳感器檢測到的濃度值與真實值存在一定的偏差[10]。所以本項目采用基于CO2濃度的單光源雙通道的信號處理硬件架構(gòu)。除了單通道檢測的發(fā)光二極管和光電二極管外，還有額外的光電二極管用于檢測參考光路的信號，從而實現(xiàn)對無關(guān)影響信號的補償，參考光電二極管與檢測光電二極管具有相同的靈敏度，并緊靠發(fā)光二極管發(fā)光口處，幾乎不受CO2濃度影響且光源信號衰減較小，具體方案如圖2所示。

圖2 單通道CO2檢測方案

通過微處理器對紅外光源驅(qū)動并控制固定20Hz頻率的閃爍，檢測通道信號與參考通道信號光電二極管的輸出信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行DFT數(shù)字濾波[10]，接著通過CO2濃度計算模型得到濃度數(shù)據(jù)。

2.1 硬件設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)主要由微處理器模塊、紅外光源控制模塊和CO2檢測模塊組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框如圖3所示。硬件電路系統(tǒng)具體是由STM32F103微處理器及其驅(qū)動電路、ADR364構(gòu)成的外部參考電壓電路、開放性氣室[11]、Lms43LED-CG光源及其控制驅(qū)動電路、Lms43PD-03-CG series光電二極管及其控制驅(qū)動電路、放大濾波以及阻抗匹配電路6個部分組成。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

（1）微處理器模塊。本項目采用STM32F103微處理器作為系統(tǒng)核心內(nèi)置模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，該模塊由外部參考電壓電路、按鍵、LCD顯示屏和蜂鳴器構(gòu)成，可實現(xiàn)紅外光源固定頻率閃爍控制、光電二極管的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和濾波、實時顯示以及設(shè)置CO2濃度閾值及報警功能。

考慮到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的精度和微處理器內(nèi)部參考電源的精度對檢測結(jié)果影響，本項目增加外部參考電壓源電路，采用ADR364參考電壓源芯片，為處理器提供標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓2.048 V，以提高模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和CO2檢測精度。具體電路圖4所示。同時ADR364基準(zhǔn)電壓源具有利用ADI的溫度漂移曲率校正技術(shù)，在TSOT封裝中可實現(xiàn)9 ppm/℃的低溫度漂移特性。

圖4 外部參考電壓源電路

（2）紅外光源控制模塊。本項目采用Lms43LED-CG發(fā)光二極管作為系統(tǒng)紅外光源，其為4.10～4.30 μm的中紅外光源。作為典型的GaSb光源，其頻譜范圍較小，光源的發(fā)射帶寬與CO2的吸收帶寬相當(dāng)，因此不需要外接濾光片。

紅外光源驅(qū)動控制電路采用MOSFET FDC3601N作為開關(guān)器件，通過微處理器I/O引腳輸出電壓調(diào)制脈沖波控制MOSFET通斷來實現(xiàn)紅外光源以20Hz的頻率進(jìn)行閃爍。具體電路如圖5所示。

圖5 紅外光源控制模塊

（3）CO2檢測模塊。本項目采用Lms43PD-03-CG series光電二極管作為系統(tǒng)CO2的檢測器件，其檢測范圍在3.6～4.6 μm內(nèi)。作為InAs光電二極管，Lms43PD-03-CG series光電二極管除響應(yīng)時間快、調(diào)制范圍大外，還具有檢測頻譜范圍較小的特點。此外，該型號光電二極管還增設(shè)了特殊玻璃片以增大接收光源強度。

由于光電二極管直接作為信號輸出時，變化幅度較小，難以進(jìn)行后續(xù)計算，所以將其進(jìn)行放大濾波。考慮到輸入信號變化速度快、高帶寬的特點，所以本項目中第一級的放大采用AD4841構(gòu)成跨阻放大電路；同時為了達(dá)到增益可調(diào)的要求，本項目采用AD5272數(shù)字變阻器配合OPA192運算放大器搭建可通過微處理器調(diào)整增益的放大電路。但由于跨阻放大器和增益可變放大器的放大范圍為有限，我們增加雙運算放大器以得到較為明顯的變化曲線。同時，考慮到諧波的影響，通過在電路中增加電容搭建積分、微分運算電路實現(xiàn)針對光源20Hz閃爍的帶通濾波電路，降低其他頻率信號的影響。具體電路如圖6所示。

圖6 CO2檢測模塊

通過Multisim進(jìn)行仿真，搭建硬件電路的方式，對實際增益及帶通頻率進(jìn)行仿真測量。根據(jù)Lms43PD-03-CG series光電二極管提供的技術(shù)文檔和實際測量情況，采用1μA 20Hz的信號作為放大電路的輸入信號，檢測模塊的交流分析和瞬態(tài)分析圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 檢測模塊仿真交流分析

圖8 檢測模塊仿真瞬態(tài)分析

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序主要實現(xiàn)驅(qū)動控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示及人機交互。檢測系統(tǒng)通過微處理器STM32F103實現(xiàn)前面所述的5個功能，系統(tǒng)程序流程如圖6所示。

程序運行開始時對微處理器模塊、紅外光源控制模塊、CO2檢測模塊進(jìn)行初始化操作。然后在光源驅(qū)動控制電路中，通過引腳控制光源以固定頻率閃爍；在檢測電路中從引腳讀取采集的模擬信號，通過硬件進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。接著通過數(shù)字信號處理中的DFT提取與紅外光源發(fā)光頻率相同的信號，去除其他頻率的信號，再根據(jù)定標(biāo)模型計算得到實際CO2濃度。最后實時顯示到LCD屏幕，并與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，若超過閾值則通過蜂鳴器進(jìn)行警示，直至CO2濃度降至閾值之下，蜂鳴器停止報警。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

此外，軟件增設(shè)閾值設(shè)定等人機交互模塊，該模塊可根據(jù)實際工業(yè)生產(chǎn)等實際需求直接調(diào)整報警閾值，從而提高系統(tǒng)的實用性和便捷性。

3 結(jié)論

本項目采用的GaSb紅外光電二極管自身具有較窄的紅外光譜，無需通過濾光片進(jìn)行光源頻譜的選擇，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本。與此同時，單光源雙檢測的方案，實現(xiàn)了被測氣體吸收的信號補償，提供了更好更穩(wěn)定的檢測結(jié)果，并可以有效減少因溫度、氣壓等外界因素帶來的校準(zhǔn)次數(shù)。