【導讀】據麥姆斯谘詢報道，近日
，中北大學譚秋林教授團隊在《中國激光》期刊上發表了題為“雙通道非分光紅外CO2氣體傳感器設計與測試”的最新論文，文中設計實現了一種微型雙通道非分光紅外（NDIR）CO2氣qi體ti傳chuan感gan器qi，采cai用yong標biao準zhun氣qi體ti濃nong度du標biao定ding傳chuan感gan器qi的de方fang法fa
，實shi現xian了le傳chuan感gan器qi的de溫wen度du補bu償chang
，使shi其qi能neng夠gou在zai不bu同tong溫wen度du與yu不bu同tong濃nong度du的de環huan境jing下xia進jin行xing精jing確que測ce量liang。

基於紅外吸收原理的氣體傳感器具有選擇性高的突出優勢
，但麵臨集成度不高、尺寸大、精(jing)度(du)低(di)以(yi)及(ji)核(he)心(xin)部(bu)件(jian)依(yi)賴(lai)進(jin)口(kou)等(deng)問(wen)題(ti)。國(guo)內(nei)目(mu)前(qian)普(pu)遍(bian)采(cai)用(yong)進(jin)口(kou)傳(chuan)感(gan)器(qi)，或(huo)者(zhe)購(gou)入(ru)半(ban)成(cheng)品(pin)二(er)次(ci)加(jia)工(gong)。近(jin)年(nian)來(lai)
，在(zai)各(ge)大(da)研(yan)究(jiu)機(ji)構(gou)與(yu)高(gao)校(xiao)的(de)努(nu)力(li)下(xia)

，國(guo)內(nei)在(zai)自(zi)主(zhu)設(she)計(ji)紅(hong)外(wai)傳(chuan)感(gan)器(qi)方(fang)麵(mian)正(zheng)在(zai)高(gao)速(su)發(fa)展(zhan)
，但(dan)存(cun)在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)靈(ling)敏(min)度(du)差(cha)以(yi)及(ji)量(liang)程(cheng)小(xiao)的(de)問(wen)題(ti)。

基於此，本文基於雙波段單氣路設計，提出了一種基於紅外熱釋電效應的微型化非分光紅外CO2傳感器。采用標定法，探究了溫度補償方法，測量了不同濃度、不同溫度下探測器的輸出值
，建立了溫度
、CO2濃度與探測器輸出值之間的關係模型，實現了傳感器的溫度補償
，使其能夠在不同溫度與不同濃度的環境下進行精確測量。

傳感器設計

紅外CO2傳感器總體設計

本文所設計的紅外CO2傳感器由紅外光源、氣室、紅外探測器、主電路係統四個主體部分組成
，如圖1所示。

圖1 紅外CO2傳感器整體設計。（a）傳感器結構原理圖；（b）傳感器截麵圖

光學氣室很大程度上決定了紅外CO2傳感器的尺寸大小及其性能優劣

，如今常見的氣室類型有直射型、橢球型與反射型。綜合現今不同類型紅外光學傳感器氣室結構特點，為了實現傳感器微型化同時保持高性能
，本文設計了C型多反射式氣室結構，增加光程，保證光與氣體作用長度，並通過將光源發射
、光傳播及吸收、光電信號轉換及信號處理等模塊進行集成設計，得到高為8mm
，直徑為18mm的微型化氣室，最大程度縮小了傳感器的體積。最終實現直徑為23mm，高為10mm的微型紅外CO2氣體傳感器。

紅外光源選用HSL5-115
，其能夠提供所需的紅外波段的波長。紅外探測器采用PYS3228探測器，其包含兩路通道，一路通道前放置4.26μm波段濾光片作為吸收4.26μm附近波段的工作窗口，另一路通道前放置3.9μm波段濾光片作為吸收3.9μm附近波段的參考窗口。

采用單光路雙波長差分設計思想，可以有效消除氣室和光源以及雜質等的幹擾，降低環境溫度、粉塵
、水分等幹擾因素對係統的影響
，從而減小測量誤差，提高係統測量精度。係統工作流程為：首先單片機輸出合理頻率的光源驅動信號點亮紅外光源HSL5-115，紅外光源發出的紅外輻射經過氣室內氣體吸收後
，透過PYS3228探測器前端濾光片的4.26μm波段和3.9μm波段的紅外輻射照射到敏感元產生電信號

，電信號經過信號處理與濾波後，輸入單片機內ADC采集並結合溫度信息處理，最終計算並輸出氣室內CO2氣體濃度。

硬件電路與軟件程序設計

紅外CO2傳感器硬件電路與軟件程序均采用模塊化設計
，以降低係統耦合性。硬件主要由光源驅動電路、信xin號hao處chu理li電dian路lu設she計ji等deng組zu成cheng。軟ruan件jian部bu分fen主zhu要yao包bao括kuo光guang源yuan驅qu動dong程cheng序xu，溫wen濕shi度du采cai集ji程cheng序xu與yu數shu據ju處chu理li程cheng序xu等deng構gou成cheng，並bing編bian寫xie上shang位wei機ji以yi實shi時shi顯xian示shi氣qi體ti含han量liang信xin息xi與yu環huan境jing溫wen度du信xin息xi。

qitinongdudeceliangyuceshiguochengzhongdehuanjingwenduyouganraoguanxi，duiqitinongduceliangjuyoujiaodayingxiang。yinci，shiyongwendubuchangnenggouquebaoxitongceliangjieguodezhunquexing。huanjingwenducaijidianlucaiyongdeshiwenshiduxinpianSHT20，以單片機作為主機通過IIC通訊讀取溫濕度傳感器采集的溫度值，並在單片機內部通過軟件進行溫度補償。

傳感器測試標定與分析

為了保證傳感器的精度與檢測範圍，采用標準氣體濃度標定傳感器的方法。搭建傳感器標定實驗平台


，如圖2所示，主要有高低溫潮濕箱
，標準氣體源、傳感器工裝組成。標定的結果如圖3所示。

圖2 傳感器標定實驗平台。（a）結構組成圖
；（b）實物圖

圖3 不同溫度與不同濃度的標準氣體的標定數據。（a）不同溫度下峰峰值差值與濃度的關係
；（b）不同濃度下峰峰值差值與溫度的關係

由圖3可以觀測到
，溫度（t）影響峰峰值的差值（d1），進而影響輸出的氣體濃度
，且可以注意到溫度影響峰峰值差值近似為線性。將溫度與峰峰值差值（d1）擬合，可以得到用於計算補償後的差值（d）與溫度（t）及峰峰值差值（d1）的關係式，並得到補償後的差值（d）與標準氣體濃度（C）之間的關係圖，如圖4。

圖4 溫度補償後的峰峰值差值與氣體濃度關係

結 論

CO2傳感器在工業生產
、生sheng活huo與yu醫yi療liao診zhen斷duan中zhong有you著zhe非fei常chang重zhong要yao的de作zuo用yong。本ben文wen根gen據ju紅hong外wai吸xi收shou光guang譜pu原yuan理li，采cai用yong單dan氣qi路lu雙shuang波bo長chang差cha分fen方fang法fa，設she計ji實shi現xian了le一yi種zhong基ji於yu紅hong外wai熱re釋shi電dian效xiao應ying的de微wei型xing非fei分fen光guang紅hong外waiCO2傳(chuan)感(gan)器(qi)。采(cai)用(yong)標(biao)準(zhun)氣(qi)體(ti)濃(nong)度(du)標(biao)定(ding)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)方(fang)法(fa)
，實(shi)現(xian)了(le)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)

，使(shi)其(qi)能(neng)夠(gou)在(zai)不(bu)同(tong)溫(wen)度(du)與(yu)不(bu)同(tong)濃(nong)度(du)的(de)環(huan)境(jing)下(xia)進(jin)行(xing)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)。該(gai)傳(chuan)感(gan)器(qi)實(shi)現(xian)直(zhi)徑(jing)為(wei)23mm，高為10mm的微型設計，0%~2%濃度下誤差值小於0.1%，2%~5%濃度下誤差值小於0.25%的精準測量。可為我國工業製造、生產生活環境中CO2濃度監測提供核心器件及技術支持，對保障安全生產及人體健康具有重要的現實意義。

本研究獲得了國家自然科學基金麵上項目(52175525)、國家重點研發計劃（2020YFB2009100）
、中國博士後基金特別資助（2019T120198）的支持。

來源：MEMS

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