對(duì)于二氧化碳傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)的淺分析報(bào)告

1、目錄一目前 CO2 檢測(cè)方法分類(lèi) 21.1 氣相色譜法 . 21.2 滴定法 . . 21.3 固體電解質(zhì)式 CO2 傳感器 . .21.4 電容式 CO2 傳感器 .31.5 光纖 CO2 氣體傳感器 .3 1.6. 紅外吸收型 CO2 傳感器 .3二、紅外 C02 測(cè)量技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .42.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 . .42.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展 . .5三、紅外吸收型 CO2 氣體檢測(cè)基本理論 .53.1 吸收原理分析 53.2 C02 氣體的吸收原理 . 6四、測(cè)量裝置的設(shè)計(jì) .74.1 差分測(cè)量方法 74.1.1 單波長(zhǎng)雙光路差分測(cè)量法 74.1.2 雙波長(zhǎng)單光路差分測(cè)量法 74.2

2、紅外探測(cè)器 .84.3 雙通道探測(cè)器的工作原理 . 9 五 . 各模塊設(shè)計(jì) . 105.1 CO2 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)框圖 105.2 光源及其調(diào)制技術(shù) .105.3 氣室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 115.3.1 材質(zhì)的選擇 .115.3.2 光程的確定 115.3.3 光源與濾光鏡及探測(cè)器準(zhǔn)直的保證 .115.4 探測(cè)器的工作原理 .12 六、結(jié)束語(yǔ) .13對(duì)于 CO 2傳感器的現(xiàn)狀淺分析及非分光紅外吸收型CO2 傳感器的設(shè)計(jì)CO2 是主要的大氣成分， 對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域都有很重要的影響， 隨著工業(yè) 的發(fā)展，CO2含量逐年增加， CO2含量過(guò)高不僅對(duì)人體健康產(chǎn)生隱患， 而且引發(fā) 了不少環(huán)境問(wèn)題，溫室效應(yīng)就是最典

3、型的例子植物的光合作用和呼吸作用也和 CO2 濃度有很大關(guān)系。為此，研究一種新型的 CO2 傳感器勢(shì)在必行。一目前 CO2 檢測(cè)方法分類(lèi)目前 CO2 的檢測(cè)方法有很多種，主要有氣相色譜法，滴定法，固體電解質(zhì) 式，電容式，光纖檢測(cè)法， 紅外吸收法等多種方法。 下面對(duì)這些方法做簡(jiǎn)要介紹：1.1 氣相色譜法氣相色譜法是將二氧化碳在色譜柱中與空氣的其他成分完全分離后， 進(jìn)入熱 導(dǎo)檢測(cè)器的工作臂， 使該臂電阻值的變化與參考臂電阻值的變化不相等， 惠斯通 電橋失去平衡而產(chǎn)生的信號(hào)輸出。 在線性范圍內(nèi)， 信號(hào)大小與進(jìn)入檢測(cè)器的二氧 化碳濃度成正比。從而進(jìn)行定性與定量測(cè)定。在進(jìn)樣 3mL 時(shí)，測(cè)定濃度范圍是

4、0.02%0.6% ，最低檢出濃度為 0.014% 。由于采用了氣象色譜分離技術(shù)， 所以 空氣、水、CO 等均不影響測(cè)定， 但是色譜分析條件常因?qū)嶒?yàn)條件不同而有差異， 所以應(yīng)根據(jù)所用氣相色譜儀的型號(hào)和性能， 制定能分析二氧化碳的最佳色譜分析 條件。且在測(cè)量過(guò)程中需要配制標(biāo)準(zhǔn)氣， 并用純氮?dú)鈱?duì)標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行稀釋， 過(guò)程繁 瑣，且操作時(shí)間較長(zhǎng)，難以保證測(cè)量準(zhǔn)確度。1.2 滴定法滴定法是用過(guò)量的氫氧化鋇溶液與空氣中二氧化碳作用生成碳酸鋇沉淀， 采 樣后剩余的氫氧化鋇用標(biāo)準(zhǔn)乙二酸溶液滴定至酚酞試劑紅色剛褪。 由容量法滴定 結(jié)果除以所采集的空氣樣品體積， 即可測(cè)得空氣中二氧化碳的濃度。 滴定溶液需 要前兩天

5、配置好，所需時(shí)間較長(zhǎng)，不能被廣泛采用。1.3 固體電解質(zhì)式 CO2 傳感器固體電解質(zhì)式 CO2 傳感器有較長(zhǎng)的發(fā)展史，它是利用固體電解質(zhì)氣敏元件 作為敏感元件的氣體傳感器，利用電極反應(yīng)的總反應(yīng)式計(jì)算 CO 2 含量，在不斷 的發(fā)展過(guò)程中，主要通過(guò)改變電解質(zhì)來(lái)提高傳感器性能。初期，用 K2CO3 作為固體電解質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種電位型 CO2 氣體傳感器，但是由于 K2CO3 易受與之共 存的水蒸氣的影響，難以實(shí)用。隨后，用穩(wěn)定性較好的鋯酸鹽ZrO 2-MgO 設(shè)計(jì)了一種 CO2氣體敏感傳感器，現(xiàn)在有人采用聚丙烯晴（PAN）,二甲亞砜（DMSO ） 和高氯酸四丁基銨 （TBAP ）制備一種新型的固體聚

6、合物電解質(zhì)。 當(dāng)配比合適時(shí)， 有高達(dá) 10-4 S/cm 的溫室離子電導(dǎo)率和好的空間網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)， 尤其在金微電極 上成膜構(gòu)成的全固態(tài)電化學(xué)體系， 在常溫下對(duì) CO2 氣體有良好的電流響應(yīng)特性， 消除了傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器因電解液滲漏或干涸帶來(lái)的弊端， 同時(shí)具有體積小， 使 用方便的優(yōu)點(diǎn)，但是使用時(shí)間較短，且預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)，不能及時(shí)測(cè)量， 不適合新型農(nóng)業(yè)檢測(cè)使用。1.4 電容式 CO2 傳感器電容式傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化的傳感器， 主要是因?yàn)?金屬氧化物的介電常數(shù)一般比其他碳酸鹽要大，利用電容的變化來(lái)檢測(cè)CO2 氣體濃度。 常采用溶膠一凝膠法， 以醋酸鋇和鈦酸丁酯為原料，

7、乙醇和醋酸為溶劑 制備了 BaTi03 納米晶材料。采用這種納米晶材料為基體，制備電容式 CO2 氣 體傳感器，其缺點(diǎn)是檢測(cè)低濃度 CO2 時(shí)輸出信號(hào)小，且容易受到其他氣體的影 響。1.5 光纖 CO2 氣體傳感器光纖傳感器是伴隨著光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。 在光通信系統(tǒng)中， 光 纖被用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號(hào)的媒質(zhì)。 在這類(lèi)應(yīng)用中， 光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)受外界 干擾越小越好。但是，在實(shí)際的光傳輸過(guò)程中，光纖容易受外界環(huán)境因素影響， 比如溫度、壓力、電磁場(chǎng)等外界條件的變化將引起光纖光波參數(shù) （如光強(qiáng)、相位、 頻率、偏振、波長(zhǎng)等 ）的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測(cè)出光波參數(shù)的變化，就 可以知道導(dǎo)致光波

8、參數(shù)變化的各種物理量的大小， 于是產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。 光 纖 CO2 傳感器利用 CO 2與水結(jié)合后，生成的碳酸酸性較弱，其酸性的檢測(cè)多采 用靈敏度較高的熒光法， 該方法克服了化學(xué)發(fā)光傳感器消耗試劑的不足， 不必連 續(xù)不斷的在反應(yīng)區(qū)加送試劑，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本較低，但其系統(tǒng)繁瑣，使用壽 命較短。1.6. 紅外吸收型 CO2 傳感器紅外吸收型 CO2 傳感器是利用紅外線作為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，它利用二氧化 碳吸收波長(zhǎng) 4.26um 紅外線的物理特性來(lái)有選擇地準(zhǔn)確測(cè)量二氧化碳的分壓 ,其 吸收關(guān)系服從 Lamber.Beer 定律。紅外吸收型氣體分析檢測(cè)儀一般由紅外輻射 源，測(cè)量氣室，波長(zhǎng)選擇裝置

9、（濾光片 ），紅外探測(cè)裝置等組成。如果氣體的吸收 光譜在入射光譜范圍內(nèi)， 那么紅外輻射透過(guò)被測(cè)氣體后， 在相應(yīng)波長(zhǎng)處會(huì)發(fā)生能 量的衰減， 未被吸收的輻射被探頭測(cè)出， 通過(guò)測(cè)量該譜線能量的衰減量來(lái)得知被 測(cè)氣體濃度。紅外線氣體檢測(cè)儀的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍寬、選擇性好、防爆性好、設(shè) 計(jì)簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉。基于紅外吸收原理的 CO2 傳感器具有的獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，所以，研制和開(kāi)發(fā)基于 紅外光譜吸收的 CO2 分析儀對(duì)提高我國(guó) CO 2 氣體測(cè)量監(jiān)控水平有著重要的作 用。二、紅外 C02 測(cè)量技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)吸收式氣體傳感器技術(shù)的研究起步比較早。 最早用光譜吸收 式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行

10、氣體濃度測(cè)量研究的是日本 Tohoku 大學(xué)的 H.inaba 和 K Chan 等人，在光纖透射窗口波段范圍內(nèi)，作了一些氣體傳感的基本研究。 1979 年，他們提出利用長(zhǎng)距離光纖進(jìn)行大氣污染檢測(cè)， 1983 年，他們將 LED 作為寬帶光源，配合窄帶干涉濾光片，對(duì)甲烷在 1331.2nm 附近的光譜進(jìn)行檢 測(cè)，在這一系統(tǒng)中的氣室長(zhǎng)度為 0.5m ，傳輸光纖為 10km 長(zhǎng)的多模光纖， 接收 器件采用冰和甲醇混合制冷的鍺探測(cè)器，系統(tǒng)最小探測(cè)靈敏度為 25 LEL（ 氣體 爆炸下限 ）。其后， 1985 年， H.Inaba 和 K.Chan 及 H.Ito 等人又用 InGaAs 材料 LED

11、 作為光源去對(duì)準(zhǔn)甲烷在 1665.4nm 處的諧波吸收峰，系統(tǒng)最小探測(cè) 靈敏度提高了一倍。80 年代初，法國(guó)研制出 LEL-5610 防爆紅外 CO2 氣體測(cè)量?jī)x，可用于爆炸 等危險(xiǎn)環(huán)境中 CO 2氣體的測(cè)量， 測(cè)量范圍為 0O.1 ，零漂小于 3（無(wú)積累）， 響應(yīng)時(shí)間 8s ，重復(fù)性優(yōu)于 2，輸出 4-20mA 。該測(cè)量?jī)x采用敞開(kāi)式氣室，直 接接觸所測(cè)量氣體，具有自測(cè)量功能，可消除零漂；在測(cè)量過(guò)程中，對(duì)紅外光源 老化、探測(cè)器老化、 鏡頭堆積灰塵引起的誤差自動(dòng)補(bǔ)償， 儀器設(shè)計(jì)能夠滿足井下 惡劣環(huán)境的要求，可與監(jiān)控系統(tǒng)連接， 與測(cè)量系統(tǒng)連接時(shí)，電阻負(fù)載小于 400 ， 能對(duì)礦井大氣中的 CO2

12、進(jìn)行測(cè)量。如今，許多發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)在已經(jīng)研制出基于光干涉原理、 熱催化原理、 熱導(dǎo)原 理的 CO2 傳感器。他們都在 CO 2測(cè)量過(guò)程中起到推動(dòng)作用，并且，在國(guó)外已經(jīng) 有許多成熟的 CO2 氣體檢測(cè)產(chǎn)品和人員救護(hù)設(shè)備出售，尤其是美國(guó)、德國(guó)、日 本、英國(guó)等國(guó)家。2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)紅外吸收型 CO2 氣體傳感器的研究起步較晚，目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和使用 的傳感器主要是固體電解質(zhì)式、 鈦酸鋇復(fù)合氧化物電容式、 電導(dǎo)變化型厚膜式等， 這些傳感器存在很多不足之處： 對(duì)氣體選擇性差、 容易出現(xiàn)誤報(bào)， 并且系統(tǒng)需要 頻繁校準(zhǔn)，使用壽命短等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)紅外 CO 2 氣體傳感器技術(shù)尚不成熟，根據(jù) 傳感器世界 的報(bào)道

13、， 我國(guó)非分光紅外 (NDIR) 氣體傳感器技術(shù)的研究在 2005 年才取得了新進(jìn)展，但是，其關(guān)鍵元件仍然需要進(jìn)口。我國(guó)每年需要的近 10000 套尾氣分析儀核心傳感器都需要從國(guó)外進(jìn)口，用 于連續(xù)污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng) CEMS 的關(guān)鍵分析部件國(guó)產(chǎn)率也很低，用于麻醉無(wú)創(chuàng)監(jiān) 護(hù)的呼氣 CO2 氣體傳感器，以及用于安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的紅外瓦斯傳感器和紅外可 燃?xì)怏w變送器在國(guó)內(nèi)的技術(shù)研究還不是很成熟。 紅外氣體測(cè)量技術(shù)在我國(guó)無(wú)論是 在用新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)， 還是在替代進(jìn)口各方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)， 應(yīng)用范圍廣 泛，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。三、紅外吸收型 CO 2 氣體檢測(cè)基本理論3.1 吸收原理分析氣體的吸收光譜會(huì)

14、隨物質(zhì)的不同而存在差異，不同氣體分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)不 同，就導(dǎo)致了對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射的吸收程度不同， 即：不同的物體對(duì)應(yīng)不同 的吸收光譜， 而每種氣體在其光譜中， 對(duì)特定波長(zhǎng)的光有較強(qiáng)的吸收。 當(dāng)不同波 長(zhǎng)的紅外輻射依次照射到樣品物質(zhì)時(shí)， 某些波長(zhǎng)的輻射能被樣品物質(zhì)選擇吸收而 變?nèi)?，產(chǎn)生紅外吸收光譜， 故當(dāng)知道某種物質(zhì)的紅外吸收光譜時(shí)， 便能從中獲得 該物質(zhì)在紅外區(qū)的吸收峰。 同一種物質(zhì)不同濃度時(shí)， 在同一吸收峰位置會(huì)有不同 的吸收強(qiáng)度， 吸收強(qiáng)度與濃度成正比關(guān)系， 通過(guò)檢測(cè)氣體對(duì)光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的影 響，便可以確定氣體的濃度。圖 3-1 是 C02 氣體在 4.26um 處的紅外吸收光譜。 由圖

15、中可以看出， 中心波長(zhǎng)為 4.26um 的波段的吸收最強(qiáng)，衰減最為劇烈，故選擇此波段的吸收譜線作為檢測(cè)依圖 3-1 C02 的紅外吸收光譜3.2 C02 氣體的吸收原理根據(jù) Beer-Lambert 定律，當(dāng)紅外光源發(fā)射的紅外光通過(guò) CO2 氣體時(shí)，CO 2 氣體會(huì)對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)的紅外光進(jìn)行吸收。當(dāng)一束光強(qiáng)為 I0(cd)的單色平行光射向 CO2 氣體和空氣的混合氣室時(shí)， 由于 氣室中的樣品在九處具有吸收線和吸收帶， 光會(huì)被混合氣體吸收一部分， 光通過(guò) 氣體后光強(qiáng)會(huì)發(fā)生衰減，如圖 3-2 所示。根據(jù) Beer-Lambert 定理，氣室出射 光的強(qiáng)度為：I= I 0e -KCL(1)式中，I 為吸

16、收后的光強(qiáng)； I0 為吸收前的光強(qiáng)； K 是反映吸收氣體分子特性的系 數(shù)，它與氣體的種類(lèi)、光譜波長(zhǎng)、壓力、溫度等許多因素有關(guān)； C 為待測(cè)氣體濃 度； L 為氣室的長(zhǎng)度，即，光與氣體的作用長(zhǎng)度。圖 3-2 光譜吸收?qǐng)D對(duì)(1)式進(jìn)行變換，得：C 1/KL ln(I0 /I) (2)對(duì)于確定的待測(cè) CO2 氣體和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， K 是一個(gè)確定的常量，只要測(cè)出 I0 和 I 的比值，就可以得知 CO2 氣體的濃度 C。四、測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)4.1 差分測(cè)量方法紅外光譜吸收檢測(cè)方法一般采用差分吸收方式， 差分吸收測(cè)量法的工作原理是：光源發(fā)出的光束被分成兩路或者是多路信息，一路 （或多路 ）帶有被測(cè)氣體吸 收后

17、的信息，作為信號(hào)信息；另外一路 （或多路 ）帶有未經(jīng)被測(cè)氣體吸收的信息， 作為參考信息。 對(duì)信號(hào)信息和參考信息進(jìn)行處理， 可得到需要的結(jié)果。 差分吸收 可采用單波長(zhǎng)雙光路實(shí)現(xiàn)， 也可以采用雙波長(zhǎng)單光路方法實(shí)現(xiàn)。 下面對(duì)這兩種測(cè) 量方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。4.1.1 單波長(zhǎng)雙光路差分測(cè)量法單波長(zhǎng)雙光路法： 光源采用窄帶光源， 其發(fā)光波長(zhǎng)在待測(cè)氣體吸收峰處。 光源 發(fā)出的光束被分成兩路信息， 一路通過(guò)帶有被測(cè)氣體的氣室， 輸出被測(cè)氣體吸收 后的信息，稱信號(hào)信息， 另一路則通過(guò)不帶有被測(cè)氣體的參考?xì)馐遥?帶有未經(jīng)氣 體吸收后的信息， 稱參考信息。 光源的不穩(wěn)定以及光電元件的零漂對(duì)兩路信息的 影響相同， 所

18、以信號(hào)信息與參考信息的比值將只是氣體濃度的函數(shù)， 從而消除了 光源的不穩(wěn)定以及光電元件零漂的影響。 單波長(zhǎng)雙光路差分測(cè)量法的原理框圖如 圖 4-1 所示，兩路的輸出信號(hào)分別為 il、i2 。圖 4-1 單波長(zhǎng)雙光路差分法原理框圖4.1.2 雙波長(zhǎng)單光路差分測(cè)量法雙波長(zhǎng)單光路差分測(cè)量方法的光源一般采用寬帶光源，經(jīng)過(guò)兩個(gè)不同波長(zhǎng)的濾光片進(jìn)行濾光，得到波長(zhǎng)鄰近的 1和 2 兩個(gè)波長(zhǎng)的光輻射。其中， 1在待測(cè)氣體的吸收峰上，而待測(cè)氣體對(duì) 2 的吸收很弱，可以視為不吸收，這里， 1的 光輻射作為測(cè)量信號(hào)信息，波長(zhǎng) 2 的光輻射作為參考信號(hào)信息。兩波長(zhǎng)的光分 別經(jīng)過(guò)氣室后的輸出信號(hào)強(qiáng)度之比與光源的強(qiáng)度波動(dòng)

19、以及氣室上的粉塵的沉積 因素?zé)o關(guān)，但此方法受光源中心波長(zhǎng)的漂移以及濾波特性的影響。圖 4-2 雙波長(zhǎng)單光路差分法原理框圖如圖 4-2 所示，是雙波長(zhǎng)單光路差分檢測(cè)法的原理框圖， 紅外光源發(fā)出的 光進(jìn)入探測(cè)氣室， 經(jīng)過(guò)氣室到達(dá)分束器， 分束器將光束分成兩束， 這兩束各自通 過(guò)中心頻率為 1和 2的干涉濾光片， 然后照射在光電探測(cè)器上， 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 通過(guò)對(duì)上述兩種方法的比較， 我們選擇雙波長(zhǎng)單光路差分檢測(cè)方法， 該方法 可以減小系統(tǒng)的體積和光學(xué)器件的使用數(shù)量， 同時(shí)，可以有效消除光源輸出功率 不穩(wěn)定以及探測(cè)器靈敏度變化帶來(lái)的影響。4.2 紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器是用于接受紅外輻射的裝置。 常見(jiàn)的紅

20、外探測(cè)器有光電導(dǎo)型和熱 釋電型。(1)光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器光電導(dǎo)型探測(cè)器是基于光電導(dǎo)效應(yīng)工作的。光電導(dǎo)效應(yīng)是指，半導(dǎo)體吸收光 子，在光子的作用下電子發(fā)生躍遷， 從而改變電導(dǎo)率。 如果入射光子的能量足夠 大，使得電子從某些半導(dǎo)體表面釋放出來(lái)而產(chǎn)生電信號(hào)， 那么這種現(xiàn)象就是外光 電效應(yīng)。當(dāng)入射光子只能使半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生自由電子或自由空穴， 或者兩者出現(xiàn) 某種電信號(hào)，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 光電導(dǎo)探測(cè)器的主要是利用內(nèi)光電效應(yīng)的原理工 作。當(dāng)紅光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，半導(dǎo)體吸收光子能量使其電子的狀態(tài)發(fā)生變化， 改變電導(dǎo)率，即 :電阻值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電信號(hào)。由于光電導(dǎo)探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng) 有一定的選擇性， 且它是基于光電

21、效應(yīng)， 所以光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)比較快， 時(shí)間 常數(shù)很小，一般在 ms 級(jí)甚至 us 級(jí)之間。(2)熱釋電型紅外探測(cè)器 熱釋電型紅外探測(cè)器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)設(shè)計(jì)的 。所謂熱釋電效應(yīng)， 就是指當(dāng) 紅外光照射到物體上時(shí)， 物體表面溫度的快速變化使得晶體自發(fā)極化強(qiáng)度發(fā)生改 變，表面的電荷也隨著發(fā)生變化。熱釋電型探測(cè)器具有不需制冷(超導(dǎo)除外 )、易于使用、易于維護(hù)、可靠性好等特點(diǎn)； 光譜響應(yīng)與波長(zhǎng)無(wú)光， 為無(wú)選擇性探測(cè)器； 制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單， 成本較低。 紅外熱釋電探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是相應(yīng)波段寬， 可 以在室溫下工作，使用方便。本文所介紹的 C02 測(cè)量裝置采用的紅外探測(cè)器是國(guó)外 PerkinElmer 廠

22、家生 產(chǎn) 的 PYS3228-TC-G2/G20 。4.3 雙通道探測(cè)器的工作原理當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光進(jìn)行吸收，且光 的吸收滿足 Beer-Lambert 定律，即：I1=I0e-KCL(3)式中， K-吸收系數(shù)； C氣體濃度； L-氣室長(zhǎng)度，I0 一入射光強(qiáng)度；I1 一出射光強(qiáng)度。系統(tǒng)選用的傳感器 PYS3228-TC 具有參考測(cè)量和 C02 測(cè)量?jī)蓚€(gè)通道，其 中 C02 測(cè)量通道的電壓變化反映的是氣體濃度的變化情況，而參考通道具有參 考和補(bǔ)償?shù)淖饔?。那么，?duì)于 C02 測(cè)量通道，輸出的電壓信號(hào)有：U1= I 0e-KCL K1(4)而對(duì)于參考通道。輸出的電壓信

23、號(hào)有： U2= I 0e-KCL K2(5)式中，K1 、K2 一兩個(gè)通道的系統(tǒng)參數(shù)，該參數(shù)與濾光片的透射效率和傳感 器的響應(yīng)度有關(guān)。在實(shí)際環(huán)境中， 由于光強(qiáng)受到外界環(huán)境的影響比較大， 并且不易測(cè)量，因此， 需要采用比值法消除其影響。 對(duì)于相同的系統(tǒng)而言， 在同一時(shí)間兩個(gè)通道接收到 的光強(qiáng)是相同的?？梢缘玫揭韵碌年P(guān)系式：U1/U2=(K1/K2) e -KCL (6) 設(shè)系統(tǒng)參數(shù) K0=Kl/K2 ，當(dāng)氣室內(nèi)充入純氮?dú)鈺r(shí)， CO 2氣體濃度 C=0 ，這 時(shí)就可以確定系統(tǒng)參數(shù)：(7)K0=U1 U2式(4)經(jīng)過(guò)變換，可得氣體的濃度為：C=(-1/KL)(1nUl-lnK0-lnU2) (8)由

24、于對(duì)于固定的系統(tǒng)參數(shù) K0 、氣體吸收系數(shù) K以及氣室長(zhǎng)度 L 都是固定的， 并且 U1 、U2 可以通過(guò)測(cè)量得到，所以可以把上式作為 CO 2氣體濃度測(cè)量的理 論依據(jù)。五. 各模塊設(shè)計(jì)5.1 CO 2 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)框圖圖 5-1 是測(cè)量裝置的組成框圖。圖 5-1 測(cè)量裝置的組成框圖非分光紅外吸收 CO 2硬件電路包括： 該檢測(cè)電路由紅外 CO 2傳感器、放 大電路、數(shù)字濾波電路、穩(wěn)流電路、 AD 轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)采集系統(tǒng)、溫度補(bǔ) 償電路等組成。工作原理是：首先，單片機(jī)控制光源驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號(hào)， 利用脈沖調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光，經(jīng)過(guò)氣室，紅外CO2 傳感器將探測(cè)到的 CO2

25、的體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)(電壓) ，輸出的電信號(hào)(電壓) 分別經(jīng)過(guò)濾波、 放大處理后， 得到放大的較平穩(wěn)的模擬信號(hào)， 而單片機(jī)只能處理 數(shù)字信號(hào)，因此信號(hào)應(yīng)先經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換，輸入到單片機(jī)系統(tǒng)，并經(jīng)溫度補(bǔ)償處 理后，由單片機(jī)系統(tǒng)輸出。各模塊的設(shè)計(jì)思路和原理如下所述。5.2 光源及其調(diào)制技術(shù)目前國(guó)內(nèi)多數(shù)氣體檢測(cè)儀器的光源都采用鎳锘絲作為光源， 并使用機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng) 的方法調(diào)制光源， 這就造成了光源的不穩(wěn)定和抗震性差等缺點(diǎn)， 在本儀器的設(shè)計(jì) 過(guò)程中充分的考慮到該因素， 所以本儀器選用了 PerkinElmer 公司生產(chǎn)的 IRL715 紅外光源，其發(fā)出的波長(zhǎng)范圍為 4.15um-4.50um, 在

26、 5V 電壓驅(qū)動(dòng)下工作 壽命可達(dá) 40000 小時(shí)，輻射強(qiáng)度為 01510 M SCP 。同時(shí)， IRL715 的玻 璃外罩可以濾去 5um 以上紅外光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響， 從而增加了傳感器吸收帶 寬的發(fā)射率并且降低了帶寬之外的發(fā)射率， 最大化有用帶寬的比例， 提高性噪比。 但由于紅外傳感器對(duì)光強(qiáng)的變化是敏感的， 而對(duì)光的絕對(duì)強(qiáng)度不敏感， 因此必須 利用單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)對(duì)其進(jìn)行調(diào)制， 在設(shè)計(jì)中采用了 ls 開(kāi) 5s 關(guān)的間歇工 作模式，這樣做一方面使光源調(diào)制深度加強(qiáng)， 另一方面減小儀器功耗并延長(zhǎng)光源 的使用壽命， 最重要的是在此工作模式下， 傳感器、放大器和其它元件的寄生熱 減少，可以極大提

27、高系統(tǒng)的信噪比和穩(wěn)定性。5.3 氣室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.3.1 材質(zhì)的選擇為了使氣室既能防腐蝕、防灰塵污染，從而使光通量衰減較小，又便于加 工成型，采用了重量較輕、成本較低的鋁合金作為其基材。5.3.2 光程的確定經(jīng)過(guò)理論推算及多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，尋找最佳光程，即氣室長(zhǎng)度。在保證輸出 信號(hào)強(qiáng)度的前提下，盡可能地縮短氣室長(zhǎng)度，最后，將氣室設(shè)計(jì)為 2cm 長(zhǎng)。5.3.3 光源與濾光鏡及探測(cè)器準(zhǔn)直的保證將氣室設(shè)計(jì)成空?qǐng)A柱狀， 并在氣室的兩側(cè)對(duì)稱留有固定光源與濾光鏡及探測(cè) 器的固定孔，圓柱的側(cè)面留有讓氣體自由擴(kuò)散的微型圓孔。圖 5-2 為氣室的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖：紅外光線紅外光源脈沖調(diào)制信4.26um濾光片4.00um濾光片溫度通道電壓信號(hào)出氣口進(jìn)