一种新型的CO2传感器

点赞:24875 浏览:116581 近期更新时间:2023-12-18 作者:网友分享原创网站原创

摘 要当今世界,环境保护已经成为我们越来越关注的焦点.大气中的CO2的浓度是衡量大气质量的关键要素之一,而至今没有商品化的CO2传感器,笔者通过NDIR分析方法,即通过某一特定气体对某段红外波长的吸收特性原理,来测量CO2气体的浓度,成功研制出CO2传感器.它具有测量精度高,成本低,使用方便等优点,使用于测量各种气体中CO2气体的浓度.

关 键 词CO2传感器;NDIR;红外吸收;浓度

中图分类号X-6文献标识码A文章编号1674-6708(2014)116-0140-02

1基本原理

当红外光线通过待测气体时,具有吸收光能的待测气体就会吸收一部分能量,使通过待测气体后的红外线的能量较通过前的能量减少,由红外检测器检测红外能量的变化并分析计算,就能求出待测物质的浓度.下面结合图1分析待测气体(即待分析组分)对红外光线能量的吸收规律.

2结构及原理分析

由于高灵敏度的红外半导体检测器和红外干涉滤光片技术的飞速发展,才使CO2传感器的研制出现成为可能.

1)CO2传感器是利用CO2在红外区(4.26μm)特异的吸收特性,来测量气体中CO2的含量的.主要由红外光源、气室、检测器和电气线路组成四部分组成,其原理框图见图2.

当红外光源通以脉冲直流电流后,发出的中红外光通过抛物面镜反射成平行光后通过测量气室时,待测气体CO2将吸收4.26μm附近的特定波长的红外光,通过使用高灵敏度红外探测器,将光信号转换为相应的电信号,通过特定的窄带干涉滤光片,将其它的红外吸收气体的干扰减少到最小.如图3所示,气体分子扩散进检测气室,红外光线直接穿过气室,照在红外检测器上,红外检测器的前部有一个滤光片,只有CO2分子能够吸收的4.26μm波长附近的光能通过,其它的气体分子吸收的其它波长的光不能透过滤光片,因而不会影响到达检测器的光强,只有CO2分子能影响到达检测器器的红外光的强度.到达检测器器的红外光强度与检测气室里的CO2浓度有反向的关系,即高浓度的CO2分子比低浓度的要吸收更多的红外光.当检测气室的CO2浓度为零时,红外光无衰减地通过检测气室到达检测器器,此时信号最强,当CO2浓度增加时,到达检测器器的光强度减弱,检测器检测到的红外光的强度和CO2浓度之间的关系符合朗伯―比尔吸收定律,它可以用纯氮气(0ppmCO2)来标定零点,用已知浓度(如1%)的CO2标气的来标定其量程或线性.

CO2传感器采用半导体红外光探测器,可以采用带特定波长滤光片的检测器,也可以另外在加滤光片如图3所示.红外检测器通常对光强的变化是敏感的,而对光的绝对强度不敏感,所以通常要使用一个脉冲红外光源.红外光源通过脉冲电路等来实现脉动式开和关,灯丝加热和降温时间一般在几十毫秒.与切光片等调制方法相比,它没有机械传动,结构简单,成本低,稳定性高等优点.脉冲红外光源通常采取一个滤波片,用来过滤掉特征吸收波长之外的光谱.因此各气室的窗口材料(晶片)的选择是CO2传感器器中的一个关键问题.对其要求首先是能透红外光理想的窗口材料,使透过的红外光的波长限制在待测气体特征吸收波段较窄的范围.这样品片不仅是密封元件,又是滤光元件(滤光片或滤波气室).其次,它的机械强度应能保证密封可靠,不应容易破裂,不怕潮湿,表面光洁度能长期保持,不怕腐蚀,有较强的化学稳定性,能经受温度变化的影响.

3)电气系统

如图3所示,电气系统以单片机为核心,主要由电源、温度传感器、信号放大和采集、数据处理软件及串行接口等组成,单片机采C51系列,使用非常广泛,因篇幅关系就不详细介绍了,如有需要,请参见相关资料.


为了保证测量的准确性,必须提供稳定的红外光源,因此必须对光源的工作电流采用恒流供电.另外温度的变化对测量的准确性有很大的影响,因此必须采集环境温度,根据当时的温度,用利用单片机进行软件修正.另外,当待测的CO2气体浓度范围变化比较大时,公式(2)就不完全适用了,这时必须要用软件进行修正,并进行归一化数学处理.CO2气体传感器的信号有两种输出接口,一种是表示浓度的模拟电压信号,另一种是通过RS232串口输出数字信号,方便用户使用.

4结论

通过CO2气体传感器的研制,将其关键技术模块化,可以形成了一个比较通用的红外气体检测平台,并广泛推广应用到其他气体浓度的检测,通过采用不同吸收波长的红外干涉滤光片,即可检测如CO2,C0,SO2,NO等气体.此CO2气体传感器具有结构紧凑,简单实用,成本低,可靠性高和检测精确度高(1%)等优点,可广泛应用于农作物大棚中CO2浓度的检测,空气质量监测,医疗上呼吸功能检测,汽车尾气检测,温室CO2监控以及气体分析等.

一种新型的CO2传感器参考属性评定
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