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據(jù)報(bào)道,中北大學(xué)的研究人員基于非色散紅外(NDIR)差分檢測(cè)技術(shù),設(shè)計(jì)了一種雙通道紅外CO?氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO?氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該傳感器可以實(shí)現(xiàn)在不同溫度下對(duì)0~5%濃度內(nèi)的CO?進(jìn)行檢測(cè),且測(cè)量誤差小于0.2%,具有精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn),可用于火災(zāi)報(bào)警、人體健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的需求。
這項(xiàng)研究所提出的雙通道紅外CO?氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng)主要包括氣室設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在氣室方面,采用了單光路雙波長(zhǎng)的直射型氣室結(jié)構(gòu),不僅增加了光程,還有效地減少了光路損耗,提高了整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。在硬件部分,以模塊化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì),包括單片機(jī)控制模塊、紅外光源驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和信號(hào)調(diào)理模塊,提高了整個(gè)系統(tǒng)的信噪比。整個(gè)系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心,對(duì)熱釋電探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理,再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)峰峰值的采集,最終達(dá)到對(duì)CO?氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
光學(xué)氣室的結(jié)構(gòu)不僅影響檢測(cè)系統(tǒng)的精度而且對(duì)傳感器的尺寸大小也有影響。根據(jù)郎伯-比爾定律可知,CO?的吸光度與氣室的有效光程成正比,氣室內(nèi)紅外光吸收的有效光程越長(zhǎng),CO?吸收的紅外輻射就越充分,而在實(shí)際過(guò)程中,若氣室的有效光程太長(zhǎng),則損耗越大,影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此,設(shè)計(jì)的氣室結(jié)構(gòu)光程不宜過(guò)長(zhǎng)。這項(xiàng)研究提出一種直射型氣室結(jié)構(gòu),直徑為10 mm,高度為20 mm,具有體積小、光程適中的特點(diǎn),相比于折射型與反射型氣室,光損耗更低。
在光路仿真中,利用Solidworks軟件構(gòu)建了一個(gè)直射型氣室的三維模型,并將該模型導(dǎo)入Tracepro中,分別設(shè)置光源發(fā)射波長(zhǎng)為4.26μm和3.95μm,氣室的內(nèi)表面反射率為95%,以及熱釋電探測(cè)器可以吸收0~38.9°范圍的紅外光,探測(cè)器測(cè)試通道和參考通道的光通量分別為0.183 W和0.185 W,相差不大,具有良好的一致性,適合應(yīng)用到非色散紅外CO?探測(cè)器中。
為了降低耦合性,硬件系統(tǒng)以模塊化方式進(jìn)行設(shè)計(jì),其工作原理為:?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)控制定時(shí)器,輸出PWM波,用于光源驅(qū)動(dòng),紅外光源在驅(qū)動(dòng)下發(fā)出4.26μm測(cè)量波長(zhǎng)和3.95μm參考波長(zhǎng)的紅外光,經(jīng)過(guò)裝有待測(cè)氣體的氣室后照射到探測(cè)器上,進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,感應(yīng)出一定的電壓信號(hào),將產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波后送入ADC中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,單片機(jī)通過(guò)對(duì)兩通道的電壓值進(jìn)行分析處理后計(jì)算出CO?濃度,最終,通過(guò)串口連接上位機(jī)直觀地輸出濃度信息。
整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度與軟件程序是密不可分的。軟件設(shè)計(jì)部分主要由對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化,單片機(jī)輸出PWM波,ADC實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集,單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及串口輸出CO?濃度信息組成。
為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性,采用標(biāo)準(zhǔn)CO?氣體標(biāo)定法測(cè)量不同溫度下熱釋電探測(cè)器兩通道電壓比值。為了測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性,研究人員將傳感器放在室溫下,并通入1.5%的CO?標(biāo)準(zhǔn)氣體,每隔1分鐘記錄一次數(shù)據(jù),持續(xù)工作6小時(shí),觀察傳感器輸出信號(hào)的電壓峰峰值,結(jié)果表明,該傳感器可以實(shí)現(xiàn)在不同溫度下對(duì)0~5%濃度內(nèi)的CO?氣體進(jìn)行檢測(cè),具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
綜上所述,這項(xiàng)研究采用NDIR檢測(cè)技術(shù),設(shè)計(jì)了一款體積小、精度高、穩(wěn)定性好的雙通道紅外CO?氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO?氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在氣室方面,利用單光路雙波長(zhǎng)差分檢測(cè)技術(shù),提出了一種直射型氣室結(jié)構(gòu)。在硬件電路方面,實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出信號(hào)的放大濾波,提高了整個(gè)系統(tǒng)的信噪比。通過(guò)采用標(biāo)定法對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證了該傳感器可以實(shí)現(xiàn)在不同溫度下對(duì)0~5%濃度內(nèi)的CO?進(jìn)行檢測(cè),可滿(mǎn)足消防、礦井監(jiān)測(cè)、人體健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的需求。
相關(guān)研究成果已發(fā)表于《艦船電子工程》期刊。
DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.043
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