20世纪60年代，以半导体类、光学类、电化学类为基础的气体传感器逐渐走入人们的视线，传统的二氧化碳（CO₂）传感器是基于电化学原理制成的，寿命较短，并且易受可燃气体的限制，无法适用于某些特殊场景。红外气体传感器基于其在灵敏度、响应时间、可靠性和成本等方面的优势而备受关注，在国内外市场都存在巨大需求。因此，进一步研发红外气体传感器新技术、开发新工艺是未来的重要研究方向。
据麦姆斯咨询报道，基于非色散红外（NDIR）差分检测技术，中北大学的研究人员设计了一种双通道红外CO₂气体传感器检测系统，实现了对CO₂气体浓度的实时监测。该传感器可以实现在不同温度下对0 ~ 5%浓度内的CO₂进行检测，且测量误差小于0.2%，具有精度高、稳定性好的特点，可用于火灾报警、人体健康监测等领域的需求。相关研究成果已发表于《舰船电子工程》期刊。
这项研究所提出的双通道红外CO₂气体传感器检测系统主要包括气室设计、硬件电路设计以及软件系统设计。在气室方面，采用了单光路双波长的直射型气室结构，不仅增加了光程，还有效地减少了光路损耗，提高了整个系统的抗干扰能力。在硬件部分，以模块化的方式进行设计，包括单片机控制模块、红外光源驱动模块、电源模块和信号调理模块，提高了整个系统的信噪比。整个系统以STM32单片机为控制核心，对热释电探测器输出信号进行放大、滤波处理，再通过A/D转换，实现对输出信号峰峰值的采集，最终达到对CO₂气体浓度的实时监测。
气室与光路仿真
光学气室的结构不仅影响检测系统的精度而且对传感器的尺寸大小也有影响。根据郎伯-比尔定律可知，CO₂的吸光度与气室的有效光程成正比，气室内红外光吸收的有效光程越长，CO₂吸收的红外辐射就越充分，而在实际过程中，若气室的有效光程太长，则损耗越大，影响测量结果的准确性，因此，设计的气室结构光程不宜过长。这项研究提出一种直射型气室结构，直径为10 mm，高度为20 mm，具有体积小、光程适中的特点，相比于折射型与反射型气室，光损耗更低。
图1 直射型光学气室结构
在光路仿真中，利用Solidworks软件构建了一个直射型气室的三维模型，并将该模型导入Tracepro中，分别设置光源发射波长为4.26 μm和3.95 μm，气室的内表面反射率为95%，以及热释电探测器可以吸收0 ~ 38.9°范围的红外光，探测器测试通道和参考通道的光通量分别为0.183 W和0.185 W，相差不大，具有良好的一致性，适合应用到非色散红外CO₂探测器中。
图2 信号通道和参考通道光学仿真
硬件电路与软件设计
为了降低耦合性，硬件系统以模块化方式进行设计，其工作原理为：单片机通过控制定时器，输出PWM波，用于光源驱动，红外光源在驱动下发出4.26 μm测量波长和3.95 μm参考波长的红外光，经过装有待测气体的气室后照射到探测器上，进行光电转换，感应出一定的电压信号，将产生的电压信号经过放大滤波后送入ADC中进行数据采集，单片机通过对两通道的电压值进行分析处理后计算出CO₂浓度，最终，通过串口连接上位机直观地输出浓度信息。
图3 系统总体设计框图
整个测量系统的精度与软件程序是密不可分的。软件设计部分主要由对系统进行初始化，单片机输出PWM波，ADC实现对数据的采集，单片机进行数据处理以及串口输出CO₂浓度信息组成。
图4 软件设计程序流程图
传感器系统测试
为了确保测量的准确性，采用标准CO₂气体标定法测量不同温度下热释电探测器两通道电压比值。为了测试系统的稳定性，研究人员将传感器放在室温下，并通入1.5%的CO₂标准气体，每隔1分钟记录一次数据，持续工作6小时，观察传感器输出信号的电压峰峰值，结果表明，该传感器可以实现在不同温度下对0 ~ 5%浓度内的CO₂气体进行检测，具有良好的稳定性和准确性。
图5 不同温度下，CO₂浓度与峰峰值差比值关系
图6 稳定性实验数据图
综上所述，这项研究采用NDIR检测技术，设计了一款体积小、精度高、稳定性好的双通道红外CO₂气体传感器检测系统，实现了对CO₂气体浓度的实时监测。在气室方面，利用单光路双波长差分检测技术，提出了一种直射型气室结构。在硬件电路方面，实现了对输出信号的放大滤波，提高了整个系统的信噪比。通过采用标定法对传感器进行测试，验证了该传感器可以实现在不同温度下对0 ~ 5%浓度内的CO₂进行检测，可满足消防、矿井监测、人体健康监测等领域的需求。
论文信息：
DOI: 10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.043
