【導讀】據麥姆斯咨詢報道，近日，中北大學譚秋林教授團隊在《中國激光》期刊上發表了題為“雙通道非分光紅外CO2氣體傳感器設計與測試”的最新論文，文中設計實現了一種微型雙通道非分光紅外（NDIR）CO2氣體傳感器，采用標準氣體濃度標定傳感器的方法，實現了傳感器的溫度補償，使其能夠在不同溫度與不同濃度的環境下進行精確測量。
基于紅外吸收原理的氣體傳感器具有選擇性高的突出優勢，但面臨集成度不高、尺寸大、精度低以及核心部件依賴進口等問題。國內目前普遍采用進口傳感器，或者購入半成品二次加工。近年來，在各大研究機構與高校的努力下，國內在自主設計紅外傳感器方面正在高速發展，但存在傳感器靈敏度差以及量程小的問題。
基于此，本文基于雙波段單氣路設計，提出了一種基于紅外熱釋電效應的微型化非分光紅外CO2傳感器。采用標定法，探究了溫度補償方法，測量了不同濃度、不同溫度下探測器的輸出值，建立了溫度、CO2濃度與探測器輸出值之間的關系模型，實現了傳感器的溫度補償，使其能夠在不同溫度與不同濃度的環境下進行精確測量。
傳感器設計
紅外CO2傳感器總體設計
本文所設計的紅外CO2傳感器由紅外光源、氣室、紅外探測器、主電路系統四個主體部分組成，如圖1所示。
圖1 紅外CO2傳感器整體設計。（a）傳感器結構原理圖；（b）傳感器截面圖
光學氣室很大程度上決定了紅外CO2傳感器的尺寸大小及其性能優劣，如今常見的氣室類型有直射型、橢球型與反射型。綜合現今不同類型紅外光學傳感器氣室結構特點，為了實現傳感器微型化同時保持高性能，本文設計了C型多反射式氣室結構，增加光程，保證光與氣體作用長度，并通過將光源發射、光傳播及吸收、光電信號轉換及信號處理等模塊進行集成設計，得到高為8mm，直徑為18mm的微型化氣室，最大程度縮小了傳感器的體積。最終實現直徑為23mm，高為10mm的微型紅外CO2氣體傳感器。
紅外光源選用HSL5-115，其能夠提供所需的紅外波段的波長。紅外探測器采用PYS3228探測器，其包含兩路通道，一路通道前放置4.26μm波段濾光片作為吸收4.26μm附近波段的工作窗口，另一路通道前放置3.9μm波段濾光片作為吸收3.9μm附近波段的參考窗口。
采用單光路雙波長差分設計思想，可以有效消除氣室和光源以及雜質等的干擾，降低環境溫度、粉塵、水分等干擾因素對系統的影響，從而減小測量誤差，提高系統測量精度。系統工作流程為：首先單片機輸出合理頻率的光源驅動信號點亮紅外光源HSL5-115，紅外光源發出的紅外輻射經過氣室內氣體吸收后，透過PYS3228探測器前端濾光片的4.26μm波段和3.9μm波段的紅外輻射照射到敏感元產生電信號，電信號經過信號處理與濾波后，輸入單片機內ADC采集并結合溫度信息處理，最終計算并輸出氣室內CO2氣體濃度。
硬件電路與軟件程序設計
紅外CO2傳感器硬件電路與軟件程序均采用模塊化設計，以降低系統耦合性。硬件主要由光源驅動電路、信號處理電路設計等組成。軟件部分主要包括光源驅動程序，溫濕度采集程序與數據處理程序等構成，并編寫上位機以實時顯示氣體含量信息與環境溫度信息。
氣體濃度的測量與測試過程中的環境溫度有干擾關系，對氣體濃度測量具有較大影響。因此，使用溫度補償能夠確保系統測量結果的準確性。環境溫度采集電路采用的是溫濕度芯片SHT20，以單片機作為主機通過IIC通訊讀取溫濕度傳感器采集的溫度值，并在單片機內部通過軟件進行溫度補償。
傳感器測試標定與分析
為了保證傳感器的精度與檢測范圍，采用標準氣體濃度標定傳感器的方法。搭建傳感器標定實驗平臺，如圖2所示，主要有高低溫潮濕箱，標準氣體源、傳感器工裝組成。標定的結果如圖3所示。
圖2 傳感器標定實驗平臺。（a）結構組成圖；（b）實物圖
圖3 不同溫度與不同濃度的標準氣體的標定數據。（a）不同溫度下峰峰值差值與濃度的關系；（b）不同濃度下峰峰值差值與溫度的關系
由圖3可以觀測到，溫度（t）影響峰峰值的差值（d1），進而影響輸出的氣體濃度，且可以注意到溫度影響峰峰值差值近似為線性。將溫度與峰峰值差值（d1）擬合，可以得到用于計算補償后的差值（d）與溫度（t）及峰峰值差值（d1）的關系式，并得到補償后的差值（d）與標準氣體濃度（C）之間的關系圖，如圖4。
圖4 溫度補償后的峰峰值差值與氣體濃度關系
結 論
CO2傳感器在工業生產、生活與醫療診斷中有著非常重要的作用。本文根據紅外吸收光譜原理，采用單氣路雙波長差分方法，設計實現了一種基于紅外熱釋電效應的微型非分光紅外CO2傳感器。采用標準氣體濃度標定傳感器的方法，實現了傳感器的溫度補償，使其能夠在不同溫度與不同濃度的環境下進行精確測量。該傳感器實現直徑為23mm，高為10mm的微型設計，0%~2%濃度下誤差值小于0.1%，2%~5%濃度下誤差值小于0.25%的精準測量。可為我國工業制造、生產生活環境中CO2濃度監測提供核心器件及技術支持，對保障安全生產及人體健康具有重要的現實意義。
本研究獲得了國家自然科學基金面上項目(52175525)、國家重點研發計劃（2020YFB2009100）、中國博士后基金特別資助（2019T120198）的支持。
來源：MEMS
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