光学气室很大程度上决定了红外CO2传感器的尺寸大小及其性能优劣，如今常见的气室类型有直射型、椭球型与反射型。综合现今不同类型红外光学传感器气室结构特点，为了实现传感器微型化同时保持高性能，本文设计了C型多反射式气室结构，增加光程，保证光与气体作用长度，并通过将光源发射、光传播及吸收、光电信号转换及信号处理等模块进行集成设计，得到高为8mm，直径为18mm的微型化气室，最大程度缩小了传感器的体积。最终实现直径为23mm，高为10mm的微型红外CO2气体传感器。
红外光源选用HSL5-115，其能够提供所需的红外波段的波长。红外探测器采用PYS3228探测器，其包含两路通道，一路通道前放置4.26μm波段滤光片作为吸收4.26μm附近波段的工作窗口，另一路通道前放置3.9μm波段滤光片作为吸收3.9μm附近波段的参考窗口。
采用单光路双波长差分设计思想，可以有效消除气室和光源以及杂质等的干扰，降低环境温度、粉尘、水分等干扰因素对系统的影响，从而减小测量误差，提高系统测量精度。系统工作流程为：首先单片机输出合理频率的光源驱动信号点亮红外光源HSL5-115，红外光源发出的红外辐射经过气室内气体吸收后，透过PYS3228探测器前端滤光片的4.26μm波段和3.9μm波段的红外辐射照射到敏感元产生电信号，电信号经过信号处理与滤波后，输入单片机内ADC采集并结合温度信息处理，最终计算并输出气室内CO2气体浓度。
硬件电路与软件程序设计
红外CO2传感器硬件电路与软件程序均采用模块化设计，以降低系统耦合性。硬件主要由光源驱动电路、信号处理电路设计等组成。软件部分主要包括光源驱动程序，温湿度采集程序与数据处理程序等构成，并编写上位机以实时显示气体含量信息与环境温度信息。
气体浓度的测量与测试过程中的环境温度有干扰关系，对气体浓度测量具有较大影响。因此，使用温度补偿能够确保系统测量结果的准确性。环境温度采集电路采用的是温湿度芯片SHT20，以单片机作为主机通过IIC通讯读取温湿度传感器采集的温度值，并在单片机内部通过软件进行温度补偿。
图2 传感器标定实验平台。（a）结构组成图；（b）实物图
图3 不同温度与不同浓度的标准气体的标定数据。（a）不同温度下峰峰值差值与浓度的关系；（b）不同浓度下峰峰值差值与温度的关系
结 论
CO2传感器在工业生产、生活与医疗诊断中有着非常重要的作用。本文根据红外吸收光谱原理，采用单气路双波长差分方法，设计实现了一种基于红外热释电效应的微型非分光红外CO2传感器。采用标准气体浓度标定传感器的方法，实现了传感器的温度补偿，使其能够在不同温度与不同浓度的环境下进行精确测量。该传感器实现直径为23mm，高为10mm的微型设计，0%~2%浓度下误差值小于0.1%，2%~5%浓度下误差值小于0.25%的精准测量。可为我国工业制造、生产生活环境中CO2浓度监测提供核心器件及技术支持，对保障安全生产及人体健康具有重要的现实意义。
本研究获得了国家自然科学基金面上项目(52175525)、国家重点研发计划（2020YFB2009100）、中国博士后基金特别资助（2019T120198）的支持。
《盛思锐气体传感器SGP30产品分析》
