新型扁锥腔红外CO2气体传感器系统研究*

黄亚磊,顾 芳*,李 敏,孙亚飞,何鹏翔,张加宏

(1.南京信息工程大学,物理与光电工程学院,南京 210044;2.南京信息工程大学,江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,南京 210044;3.南京信息工程大学,江苏省气象探测与信息处理重点实验室,南京 210044)

随着工业生产规模的扩大,煤炭、石油等化学燃料大量燃烧,造成CO2浓度逐年增长,预计到2050年,其浓度将达到450×10-6～550×10-6之间[1]。而CO2浓度的逐年增长将对全球气候、人类健康及植物生长等方面产生多种负面影响。因此,如何实时监测CO2浓度已势在必行。目前,常见的CO2气体检测技术有红外光谱吸收式、电化学式、半导体式以及固体电解质式[2,3]。其中,红外吸收型CO2传感器因具有选择性好、精度高、稳定性好和测量范围宽等优点,在大气污染检测、工矿开采、精细化农业、公共场所空气质量监测及医学诊断等领域得到了广泛应用[4-6]。

红外吸收型CO2传感器从物理特征上分为分光型和非分光型两大类,非分光型传感器因结构简单,使用日渐广泛,已成为在线监测CO2气体浓度的主要方法。2013年,Jane Hodgkinson等人[7]设计了一种圆柱形管壳的非分散红外CO2气体传感器,该传感器的优点是结构紧凑且成本较低,但测量精度有待提高。2015年,谭秋林等人[8]设计了一种三气体(CO2、CO和CH4)红外光学检测系统,该传感器能够实现3种气体浓度的高灵敏度检测,为开发多组分气体传感器提供了可行的方法。2015年,T. A. Vincent等人[9]利用基于 MEMS的非分散红外技术,设计了一种手持便携式CO2呼吸分析仪,该仪器能够测量人呼吸时的CO2浓度,从而分析人的健康状况。2017年,王嘉宁等人[4]研制了一种用于温室环境的红外CO2浓度测量系统,该系统实现了温室环境参数的采集和CO2浓度的智能调节。然而,到目前为止,CO2气体传感器的腔体设计主要依靠多次实验结果来确定[8],经验成分较高,缺乏有效的设计方法,造成精度不高、稳定性差、灵敏度低及体积大等缺陷。本文将采用非分光型的单光束双波长测量技术[10,11],提出一种新型的扁锥腔体,并从Zemax光学仿真和计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟仿真两方面出发,研究CO2气体的吸收效率与气室结构之间的内在关系,优化传感器结构参数,实现传感器的小型化和高精度测量。

1 双光路红外CO2气体传感器光学系统的设计

红外气体传感器是利用气体分子(CO2,CH4,H2O,SO2和NO等)对红外光具有特定吸收峰这一特性来实现的。CO2气体分子对红外光谱的吸收强度遵循朗伯—比尔(Lamber-Beer)定律[7]:

I=I0e-k(λ)Cl

(1)

式中:I0为红外光源入射光强,I为有气体吸收时出射光强,k(λ)为CO2气体吸收系数,l为红外光光程,C为CO2气体的体积比浓度,单位为×10-6。

由上式可得CO2气体浓度表达式为:

(2)

从上式可以看出,当光程l、吸收系数k(λ)确定,通过检测出I0和I,即可得到气室内CO2气体的浓度C,且C与出射光强I之间呈现一一对应的单调关系。

CO2气体对4.26 μm波段的红外光强烈吸收,而对4 μm波段的光几乎不吸收[12]。基于这一特性,本文提出一种空间双光路结构的新型扁锥腔气室。图1 为CO2气体传感器探头的基本结构示意图,该探头由红外光源、腔体、进(出)气孔、双通道探测器组成。本文采用的红外光源为直径3 mm的白炽灯HSL5-115-S,其辐射波长从可见光到5 μm,包含了CO2气体特征吸收峰,且输出稳定,在5 V电压下工作时,寿命高达40 000 h,符合设计要求。由于HSL5-115-S外壳玻璃的作用,其截止波长在5 μm左右。探测器是红外光谱吸收检测气体浓度的核心部件,本文采用了由德国PerkinElmer公司出产的TPS2534-G2G20-3197双通道热电堆探测器[13]。TPS2534有两路光强感应窗口,分别装有相应的窄带滤光片,中心波长分别为4.26 μm和4 μm,用于分离出气体探测通道和参考通道所需要波段的光强。

图1 CO2气体传感器探头结构示意图

为直观了解红外光源在腔体内部的辐射情况,本文利用光学仿真软件Zemax对扁锥腔红外光传播路径和探测面光强分布进行了仿真与分析[8]。设置腔体内壁为镜面反射,如图2所示,红外光在扁锥腔中经多次反射到达探测面,且探测面的光强呈轴对称分布,对于空间双光路结构,其双通道探测器的两路光强感应窗口处均能探测到较强光强,因此,扁锥腔适合双通道探测器的安置。

图2 气室仿真结果

为提高实际测量过程中CO2气体传感器光能利用率,本文将采用CFD软件ANSYS FLUENT模拟仿真不同腔长下,扁锥体CO2气体传感器红外辐射效率,确定腔体最佳结构参数。具体步骤为:PROE建立模型、ICEM划分网格、FLUENT参数设置、初始化并迭代计算、最后查看分析CFD计算结果[14,15]。考虑到一般情况下,室内空气中的CO2气体浓度较低,本文选取了0～2 000×10-6的CO2气体作为模拟仿真测量对象,并设置扁锥腔体的锥角为5°,根据TPS2534尺寸设置探测面内径为1 cm,腔体厚度为0.1 cm,ANSYS FLUENT模拟仿真过程的示意图如图3所示。

图3 仿真过程示意图

(3)

式中:P0为红外光源的辐射功率,ΔP为CO2气体吸收的红外辐射功率。

图4给出了不同CO2浓度下扁锥体腔长L与其红外辐射吸收效率η之间的关系。

图4 扁锥腔长L与η的关系图

从图4可知,对于扁锥腔体的气体传感器,在4 cm～20 cm的腔长范围内,随着腔长L的增加,CO2气体的红外辐射吸收效率η均呈现出先增大后减小的趋势,峰位位于8 cm腔长附近。该研究结果表明当扁锥腔体的锥角和内壁反射率确定时,扁锥腔体存在一个最佳腔长,使得CO2气体传感器的红外吸收效率达到峰值。因此,本文选用8 cm腔长的扁锥腔作为CO2气体传感器的光学气室。

2 传感系统硬件电路设计

图5为红外CO2气体传感器系统示意图,包括红外光源、扁锥型光学气室、带滤光片的双通道红外探测器以及硬件电路,其中硬件电路主要包括光源驱动电路、信号处理电路和通信电路,该硬件电路能够实现对探测器输出信号的高精度采集、实时处理、储存、传输与显示等功能。下面将对硬件电路的设计进行详细描述。

图5 红外CO2气体传感器系统结构示意图

图7 信号处理电路

2.1 光源驱动电路

图6为传感器系统红外光源HSL5-115-S的驱动电路。单片机通过DAC转换提供频率为0.5 Hz,占空比为50%的脉冲方波,经过LM358放大,用来控制低压MOS场效应管2N7002的通断。

图6 光源驱动电路

从图6中不难发现,当单片机DAC接口PA4为低电平时,MOS管2N7002截止,白炽灯光源熄灭,而当单片机DAC接口PA4为高电平时,MOS管2N7002导通,白炽灯光源处于工作状态。该电路能够实时调制红外光信号,降低外界环境光照的影响,并达到延长红外光源使用寿命的目的。

2.2 信号处理电路

图7为传感器信号处理电路,由图7可知,该电路主要包括信号放大电路以及A/D转换电路。本文选用的双通道热电堆探测器TPS2534共有4个引脚[16],分别为:测量通道(CO2)、参考通道(REF)、热电阻检测通道(TEM)和接地通道(GND)。从图7可以看出,测量通道的信号与参考通道信号从ICL7650SCBA运放的正向输入端输入,为了使放大处理后的输出电压位于后续A/D转换电路的参考电压范围内,因此,放大电路的放大倍数A设置为:

A=R12/R11+1=R15/R14+1

(4)

根据电路中所用电阻的大小,得到放大倍数A约为2 000。

TPS2534内置一个热敏电阻,可以用它来测量探测器的内部温度,由于热敏电阻受外界温度的影响时,其阻值会发生显著的变化,在这种情况下,热敏电阻两端的电压值将改变。考虑到分压后得到的电压值较小,采用通用型运放LM358将分压后得到的电压进行放大。

经过前面放大处理电路后的三路模拟输出信号均为电压信号,需要通过模数转换器转换为数字信号,才能够输入STM32F103ZET6单片机中再进行信号处理。本文中A/D转换电路采用了ADI公司生产的AD7794芯片来完成,配合采用了5 V和3.3 V的电源电压及4.096 V的外部差分基准电压,其中通道AIN1,AIN2和AIN4三路伪差分输入来完成信号放大电路输出电压V-CO2,V-DUIBI,Vt的转换。

图8 串口通信电路

2.3 通信电路

为了后续实验测试中更方便地传送单片机测量到的数据,还需要设计相应的通信电路,目前通信方式主要分为有线通信和无线通信。一方面,本文测量系统采用串口RS-232标准总线进行采集数据与PC机之间的有线通信[17],仅需要一条接收线、一条数据发送线及地线便可以建立通信。值得注意的是,由于PC机与单片机的逻辑表示不同,PC机串口是RS-232电平、采用正负电压表示逻辑状态,而单片机串口是TTL电平、以高低电平表示逻辑状态,因此,两者要想实现通信必须经过逻辑关系与电平关系的转换。本系统选用美信(MAXIN)公司MAX232芯片作为电平转换芯片,连接电路如图8所示,接口连接器选用DB-9型接口。

另一方面,本文测量系统还采用了WeBee公司的B-0004蓝牙模块实现无线通信功能[18],其原理图如图9所示。从图可以看出,蓝牙芯片只需要RXD和TXD两个引脚与单片机相连即可以工作,占用的单片机资源很少,使用起来很方便。

图9 B-0004蓝牙模块应用电路

根据上述的电路设计,本文的硬件检测系统包括3块PCB电路板,分别为主控电路板、光源控制电路板和信号检测电路板,主控板块通过导线与其余两个板块实现通信,实物图如图10所示。

图10 焊接完成的实物图

3 标定与实验分析

通过固定架,将焊接的电路板与8 cm扁锥腔体相连,组装成实验测试装置,且保证实验装置的腔内气体与外界气体无交换。首先对CO2气体传感器的测试装置进行标定。

3.1 标定实验

标定实验平台如图11所示,实验装置置于C180温湿度实验箱中,温度控制为25 ℃,环境湿度设为50%,实验箱右侧接入装置电源并通过串口线接入电脑来接收实验数据;实验箱左侧接入通气管,通气管一端接扁锥腔气室进气孔,另一端接标气瓶。标定过程中,采用了297×10-6、495×10-6、694×10-6、896×10-6、1 100×10-6、1 516×10-6和2 000×10-6的标准CO2气体以及99.999%高纯氮气作为标气,并对每种浓度的标气重复测量了六次。实验装置输出的是参考通道电压信号的峰-峰值Vr和探测通道电压信号的峰-峰值Ve,取两电压信号的比值为f,其表达式为:

f=Vr/Ve

(5)

图11 标定实验装置图

在不同浓度标气的情况下,标准CO2气体浓度与六次重复实验的电压比值fi(i为实验次数)测试数据如表1所示。

表1 不同CO2气体浓度时,6组重复实验的电压比值

由表1可以看出,当CO2气体浓度一定时,六次实验得到电压比值的基本一致,因此,由六次重复实验数据得到的电压比值平均值,值得注意的是,电压比值的平均值随着CO2气体浓度的增加而逐渐增大,具有明显的单调关系,这主要是因为在探测通道,随着CO2气体浓度的增大,更多的红外光能量被气体吸收,从而导致传感器探测通道接收光能量下降,光电转换输出的电压Ve也随之下降,而参考通道因无气体吸收光能输出的电压Vr基本保持不变。

为了衡量制作的CO2气体传感器的特性是否满足朗伯—比尔定律的关系,将6组标定实验测量的电压比值平均值与标准CO2浓度进行指数拟合,其函数关系如图12(a)所示,指数拟合系数为 0.993,拟合公式为:

f=-0.038 3e-C/1 053.282+0.916 63

(6)

图12 扁锥腔体CO2气体传感器装置标定结果拟合曲线

从上述公式可以看出,基本上满足朗伯—比尔定律的关系,存在的差异主要是多出了数值约为1的常数项,该常数与传感器的本身有关,比如本文的光源是发散光源,不是平行光入射。理论上讲,上述指数公式的反函数即为传感器的标定公式,然而实际测量过程中CO2吸收系数受温度和湿度影响,该标定公式误差偏大,后续考虑环境温度和湿度误差补偿时,利用指数或对数关系进行标定将限制传感器的测量范围,而采用多项式拟合效果要好些,操作也更为简单。因此,将6组标定实验测量的电压比值平均值作为自变量,标准CO2浓度作为因变量,选用多项式函数拟合,其函数关系如图12(b)所示,拟合系数为0.992,从而获得CO2气体浓度C的具体标定公式如下:

C=1.587 17×106f2-2.782 24×106f+1.219 32×106

(7)

3.2 测试实验与分析

为验证上述标定方程的正确性,本文采用了297×10-6、495×10-6、694×10-6、1 100×10-6的标准浓度CO2气体在25 ℃环境中进行实验测量,然后将参考通道与探测通道的电压比值带入式(7)进行验证,其验证结果如表2。从表中可以看出,由公式反演出的CO2浓度绝对误差小于10×10-6,表明式(7)在25 ℃环境下适用于CO2气体浓度的测量。

表2 标准气体测量实验结果

图13 系统实验测试结果

为了验证前面标定式(7)的重复性,本文利用了297×10-6、694×10-6、1 100×10-6标准气体在25 ℃温度下每隔一分钟测量一次,连续测量10 min,测得10个数据,绘成图13(a)所示曲线。从图中可以看出,浓度曲线有轻微的波动,但是波动幅度很小。为了验证实验系统的稳定性,对浓度为495×10-6的CO2样气进行了长期多次测量,每隔3 min测1个数据点,待测得10个数据点后,间隔半小时,继续测量,重复多次,结果如图13(b)所示。从图中可以看出,测量结果的绝对误差在±50×10-6左右,达到了预期水平。

为了评价实验结果的精度,计算了重复性实验的相对标准偏差和平均相对误差。在全量程范围内和同一工作条件下,传感器系统的重复性误差指标以相对标准偏差RSD表示,其计算公式如下[19]:

(8)

式中:Ci表示每组气体的第i次测量浓度值,C表示每组气体测量浓度值的算数平均值,n表示每组气体的测量次数。

平均相对误差的计算公式如下:

(9)

式中:CP表示气体标准浓度值。

根据式(8)、式(9)计算得到的3组气体重复性实验相对标准偏差和平均相对误差的结果如表3所示。由表可知,3组实验的重复性误差在5.5%以内,平均相对误差在5.2%以内,说明该传感器的测量精度高,重复性好。

表3 重复性实验误差分析结果

传感器稳定度表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力,其稳定度的计算公式如下[20]:

(10)

式中:CP为495×10-6;CM为显示值中最大的漂移值,其值为541×10-6;Q为测量量程的上限值,其值为2 000×10-6,计算得到稳定度K=2.3%,说明该传感器的性能稳定。

4 结论

本文采用单光束双波长的差分吸收技术,设计并实现了一种小型化高性能的新型红外CO2气体传感器。在光学系统中,选用了电调制白炽灯红外光源、扁锥型光学气室和双通道热电堆探测器,借助ANSYS FLUENT软件优化了腔体结构参数,提高了系统灵敏度。传感器以单片机系统为控制核心,实现了光源驱动、信号的采集、数据处理以及串口通信等功能。并通过标定实验拟合出CO2气体浓度与输出电压比值关系曲线,在此基础上,对传感器的重复性和稳定性等性能指标进行了测试和分析。实验结果表明,在25 ℃环境中,传感器系统能够准确检测出0～2 000×10-6量程范围内的CO2气体浓度,3组实验平均相对误差最大为5.2%,相对标准差最大为5.5%,稳定度为2.3%,满足预期效果。