使用非色散红外的完整气体传感器电路 (非色散红外检测器原理)

作者：RobertLeeandWaltKester非色散透视（NDIR）光谱通常用于检测气体和测量二氧化碳（例如，一氧化碳和二氧化碳）的浓度。透视光束穿过采样室，样品中的每个气体成分吸收一些特定的频率的*线。通过测量吸收的透视量在适当的频率，可以确定气体成分的浓度。这据说技术是非色散的，因为通过的波长通过取样室不预过滤，而是用滤光片在探测器前面消除除波长以外的所有光，其中选定的气体分子可以吸收。图1所示电路是基于热电堆的完整气体传感器使用NDIR原则。该电路针对CO2检测进行了优化，但可以还可以通过以下方式精确测量大量气体的浓度使用带有不同滤光片的热电堆。印刷电路板（PCB）采用Arduino*外形设计以及与EVAL-ADICUPArduino兼容平台板的接口。信号调理通过AD和低噪声放大器ADA-1以及ADuCM精密模拟微*实现。包含可编程增益放大器、双通道位Σ-Δ模数转换器转换器（ADC）和ARMCortex-M3处理器。热电堆传感器由大量热电偶组成通常串联连接，或者不太常见的是并联连接。输出串联热电偶的电压取决于温度热电偶结和基准电压源之间的差异结。这个原理被称为塞贝克效应，因为它的发现者，托马斯·约翰·西贝克。该电路使用运算放大器AD来放大热电堆传感器输出信号。热电堆的输出电压相对较小（从数百微伏到几毫伏）需要高增益，非常低失调和漂移，避免直流误差。高阻抗（通常kΩ）的热电堆需要低输入偏置电流，以最小化误差，AD偏置电流典型值仅为pA。非常低随时间和温度的漂移消除了额外的误差，一旦温度测量已校准。脉冲光源与ADC采样速率同步，最大限度地减少了由以下原因引起的误差低频漂移和闪烁噪声。AD在1kHz时仅具有nV/√Hz电压噪声频谱密度，小于nV/√Hz的热电堆电压噪声密度。AD还具有5fA/√Hz的极低电流噪声频谱密度典型频率为Hz。该电流噪声流过kΩ热电堆在Hz时仅贡献pV/Hz。

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图1.NDIR气体传感电路（原理示意图：未显示所有连接和去耦）电路说明。mV共模电压由低噪声放大器缓冲ADA-1，NTC和热电堆信号输出符合要求ADuCM缓冲模式输入—AGND+0.1V至大约*DD−0.1V，用于ADuCMADC缓冲模式输入。CN-Arduino*板可与其他类型的Arduino兼容仅具有单输入ADC的平台板。电路斩波频率可为0.1Hz至5Hz，由软件选择。低压差稳压器ADP产生稳定的5V输出电压驱动灯，并由ADuCM打开和关闭。软启动ADP的特性消除了冷启动时的浪涌电流灯。ADuCM内置双通道、位Σ-Δ型ADC，用于同步采样双元件热电堆，可编程速率为3.5Hz至3.kHz。NDIR*中的数据速率*在3.5Hz至Hz之间，以获得最佳效果噪声性能。热电堆*工作原理要了解热电堆，回顾基本理论是有用的的热电偶。如果两种不同的金属在高于绝对零度的任何温度下连接，它们之间存在电位差（它们的热电电动势或接触电位），这是结温的函数（参见图2中的热电EMF电路）。如果两根导线在两个地方连接，则形成两个结（请参阅连接到图2中负载的热电偶）。如果两个交汇点位于不同的温度，电路中有一个净电动势，电流流动由EMF和电路中的总电阻决定（见图2）。如果其中一根导线断断，则断线两端的电压等于电路的净热电电动势，如果测量该电压，它可以用于计算两个结点之间的温差（参见图2中的热电偶电压测量）。记得热电偶测量两个之间的温差结，而不是一个结点的绝对温度。温度在测量结只有在另一个温度下才能测量结（通常称为参考结或冷结）是已知的。然而，测量热电偶产生的电压并不容易。假设电压表连接到第一个热电偶测量电路（见实用热电偶电压测量在图2中显示了冷端）。连接到电压表的电线在它们附着的地方形成进一步的热电偶。如果这两个附加结点处于相同的温度（无关紧要温度），中间金属定律指出它们不产生净对*总电磁场的贡献。如果它们处于不同的温度，它们引入了错误。因为每一对不同的金属触点产生热电电动势——包括铜/焊料、科瓦尔/铜（科瓦尔是用于IC引线框架的合金）和铝/科瓦尔（在IC内部的键合处）——这个问题在实际中更加复杂电路，并且有必要格外小心，以确保所有热电偶周围电路中的结对，测量除外和参考结本身处于相同的温度。

图2.热电偶原理。热电堆由大量热电偶的串联连接组成，如图3所示。与单个热电偶相比，热电堆产生更高的热电电压。

图3.由多个热电偶构成的热电堆。在NDIR应用中，脉冲和滤波透视光应用于系列连接的活动结点;因此，液络部被加热，其中转弯产生小的热电电压。参考温度结是用热敏电阻测量的。许多气体具有永久或非永久分离的中心正电荷和负电荷。气体能够吸收特定频率在透视光谱中，可用于气体分析。当*辐射入射到气体上时，原子的能量状态当波长的*线与分子的固有频率或共振相匹配。对于大多数*气体传感应用，目标的身份气体是已知的;因此，几乎不需要气体光谱法。然而应用程序必须处理一定量的交叉敏感度在不同气体之间，如果它们的吸收线重叠。二氧化碳在nm和nm，如图4所示。

图4.二氧化碳（CO2）的吸收光谱。透视光源的可用输出范围和吸收光谱水也决定了感应波长的选择。水上表演在nm以下以及nm和nm之间具有很强的吸收作用。任何检测这些区域气体谱线的尝试都是如果存在水分（高湿度），则受到强烈干扰目标气体。图5显示了二氧化碳的吸收光谱覆盖着水的吸收光谱。（所有吸收数据均为取自HITRAN数据库）。

图5.二氧化碳与水叠加的吸收光谱。如果将透视光施加到装有一对光学元件的双热电堆探测器上滤光片，使一个滤光片以nm为中心，另一个以nm为中心，二氧化碳的浓度可以从两个热电堆电压。驻留在吸收内的滤光片通道用作检测通道和驻留的滤光片吸收光谱外用作参考通道。测量消除由灰尘或辐射强度降低引起的错误通过使用参考通道。重要的是要注意，有在nm处没有气体吸收线，使其成为参考通道。NDIR传感中使用的热电堆具有相对较高的内阻Hz/Hz电源线噪声会耦合到信号路径中。热电堆源阻抗约为kΩ，导致热噪音主导*。例如，热电堆*图1中选择的*具有nV/√Hz的电压噪声密度。通过最大化来自探测器的信号量并使用电路中的增益较小，因此可以确保气体测量*。最大化来自热电堆*的信号的最佳方法是使用具有高反射特性的样品室，可确保探测器吸收从源而不是腔室发射的辐射本身。使用反射室减少辐射量被腔室吸收还可以减少消耗的电量通过*，因为可以使用功率较小的辐射源。NDIR气体吸收的比尔-朗伯定律主动探测器上的透视强度根据称为比尔-朗伯定律的指数关系：

其中：I是目标气体中的强度。我0是零气体中的强度。k是特定气体和过滤器组合的吸收系数。l是灯和探测器之间的等效光程长度。x是气体的浓度。对于有源检波器输出，有相应的输出电压变化，V0–V：

其中：FA是吸光度分数。五0是零气体的输出。V是目标气体的输出。重新排列和组合前两个方程得到

如果k和l保持不变，则可以绘制FA与x的关系图，如图6所示（其中kl=、、、和4.5）。FA的值随着c的增加而增加，但最终在高气体浓度下饱和。

图6.kl=4.5，，，，的典型吸光度分数。这种关系意味着对于任何固定设置，能够解决低浓度时气体水平的变化比高浓度时更好。但是，可以调整k和l以提供最佳吸光度用于所需的气体浓度范围。这意味着长光学路径更适合低气体浓度和短光学路径更适合高气体浓度。下面介绍必要的两点校准程序使用理想的比尔-朗伯方程确定kl常数。如果b=kl，则

校准的第一部分需要应用低浓度的CO2气体（或纯氮，即0%浓度的CO2气体）到传感器组件：做MO6是低浓度气体中有源*的峰峰值输出。裁判MO6是参考*的峰峰值输出，处于低电平浓缩气体。TMO6是低浓度气体的温度。校准的第二部分需要应用已知浓度的CO2气体（x卡尔）到程序集。通常，x卡尔浓度水平为选择为浓度范围的最大值（例如，工业空气质量范围的体积为0.5%）。做卡尔是浓度为x的校准气体中主动*的峰峰值输出卡尔.裁判卡尔是参考*的峰峰值输出，在浓度为x的校准气体卡尔.以下两个未知数中的两个联立方程组（I0和b）可以然后写：

求解I的两个方程0和b，

然后，对于未知浓度的气体（x），其中：ACT是有源探测器在未知气体中的峰峰值输出。REF是未知气体中参比*的峰峰值输出。T是未知气体的温度，单位为K。

TheT/TMO因子补偿浓度的变化温度由理想气体定律决定。修改后的比尔-朗伯定律NDIR实施中的实际注意事项需要修改比尔-朗伯定律，如下，以获得准确的读数：

引入SPAN因子是因为并非所有撞击的透视辐射在有源热电堆上被气体吸收，即使在高浓度下也是如此。由于光滤波器带宽和吸收光谱的精细结构。光程长度和光散射的变化需要添加幂项c，用于将方程精确拟合到实际吸收数据。b和SPAN常量的值还取决于测量浓度。典型的浓度范围如下：工业空气质量（IAQ）：0至0.5%体积（ppm）。请注意，二氧化碳环境空气中的浓度约为0.%体积或ppm。安全性：0至5%体积燃烧：0至%体积过程控制：0至%体积通常确定特定*的b和c的精确值通过获取FA与浓度x的多个数据点，然后使用曲线拟合程序。对于已确定b和c常数的给定*，零和SPAN的值可以使用两点计算校准方法。程序的第一步是应用低浓度的x气体MO并记录以下内容：做MO：低浓度下有源*的峰峰值输出气裁判MO：参考*的峰峰值输出为低电平浓缩气体TMO：低浓度气体的温度，单位为K。校准的第二部分需要应用已知CO2气体浓度（X卡尔）到程序集。通常，x卡尔浓度水平为选择为浓度范围的最大值（例如，工业空气质量范围的体积为0.5%）。记录以下内容：做卡尔：校准气体中有源探测器的峰峰值输出浓度x卡尔.裁判卡尔：校准中参考*的峰峰值输出浓度X的气体卡尔.以下两个未知数中的两个联立方程组（I0和跨度）然后可以写成：

求解零点和SPAN产量的两个方程

然后，对于未知浓度的气体（x），其中：ACT是有源探测器在未知气体中的峰峰值输出。REF是未知气体中参比*的峰峰值输出。T是未知气体的温度，单位为K。

此等式假设TMO=T卡尔.环境温度的影响热电堆*通过吸收辐射来感知温度，但它还响应环境温度变化，这可能导致杂散和误导性信号。因此，许多热电堆具有热敏电阻集成到封装中。辐射吸收与目标分子的数量有关腔室，而不是目标气体的绝对百分比。因此吸收由标准大气压下的理想气体定律描述。有必要记录两种校准状态下的温度数据和测量状态：

其中：x是没有温度补偿的气体浓度。TMO是低和高气体浓度下以K为单位的温度。T是采样时以K为单位的温度。xT是温度T下的气体浓度。除了浓度随温度变化的理想气体规律外，SPAN和FA随温度而略有变化，可能需要校正极高精度的浓度测量。本文不涉及SPAN和FA温度校正;但是，详情请参见应用笔记1、应用笔记2、新交所应用笔记3、应用笔记4和应用笔记5传感器技术，以及AAN-、AAN-、AAN-、AAN-和AAN-来自AlphasenseLimited的应用说明。热电堆驱动器HTS-E-F3./F4.热电堆（海曼传感器有限公司）具有每个通道的内阻为kΩ。等效电路其中一个热电堆通道的驱动器如图7所示。内部kΩ热电堆电阻和外部8.2nF电容构成一个RC截止频率为−3dB的低通噪声滤波器：

更改各种热电堆的C和C也会改变噪声性能和响应时间。

图7.热电堆驱动器等效电路，G=.6。kΩ/8.2nF滤波器的阶跃函数设置时间为位大约是

AD同相放大器设置为增益.6，−3dB截止频率：

位的建立时间约为

最大NDIR斩波频率为5Hz，最小半周期因此，脉冲宽度为ms。位的建立时间约为0.1×最小斩波脉冲宽度。AD的0.1Hz至Hz输入电压噪声为0.5μVp-p。忽略传感器电压噪声和AD电流噪声，1mVp-p热电堆输出的信号噪声比（SNR）为：

其中一个热电堆作为伪差分输入连接到ADuCMADC1/ADC3对，第二个连接到ADC2/ADC3对。ADC3输入连接到共模电压mV，由低噪声放大器ADA-1驱动。ADA-1输入0.1Hz至Hz电压噪声为nVp-p。mV共模需要电压来保持ADC输入引脚大于0.1V。AD级的增益为.6，内部PGA的增益的ADuCM由软件自动设置，从1到，以确保输入信号与ADC输入的满量程范围±1.2V相匹配。来自热电堆的峰峰值信号范围为几百个μV至几mV。例如，如果满量程热电堆信号1mV峰峰值，PGA增益为4时，ADC产生mV峰峰值。具有不同灵敏度的热电堆可能需要不同的增益AD级。CN-Arduino*板与其他如果平台，Arduino兼容平台可能需要更高的增益使用不带内部PGA的ADC。改变AD增益的最简单方法是改变R6和R;哪不影响R5/R8和C9/C设置的主极点频率。可以在软件中选择热电堆输出数据处理算法。用户可以在峰峰值和平均算法之间进行选择有关信号采集、灯脉冲定时、与温度补偿的处理算法一起包含在CN-设计支持包和CN-用户指南中的CN-源代码中。NTC热敏电阻驱动器集成NTC温度传感器的特点热电堆如下：R千=kΩβ=热敏电阻驱动器的戴维宁等效电路如图8所示。R3和R4分压电阻串联提供.3mV电压源与.6kΩ。驱动电压为.3mV−mV=.3mV。

图8.NTC热敏电阻驱动器等效电路。当R千°C时=kΩ，热敏电阻两端的电压为mV，因此，在进行测量时，PGA增益设置为4。ADuCM中的灵活输入多路复用器和双通道ADC允许同时对热电堆信号和温度进行采样用于补偿漂移的传感器信号。*光源驱动器选用的灯丝光源是国际光技术公司MR3-，带抛光铝反射器，需要驱动电压5.0V，mA，可实现最大透视发射和最佳*性能。灯的热量保持光学元件的温度反射器高于环境反射器，有助于防止冷凝在潮湿的环境中。白炽灯在冷（关闭）时电阻低，可以在接通的瞬间导致电流浪涌。带软质的调节器启动函数可用于解决此问题。低压差稳压器ADP具有可编程使能功能可与通用输入/输出引脚一起使用的引脚ADuCM使能/禁用灯电压。软启动电容，nF的C6提供.2ms的软启动时间，约为0.×最小斩波步进时间为毫秒。灯导通电流（~mA）很大，因此需要仔细设计电路并且需要布局以防止灯开关脉冲耦合进入小热电堆输出电压。注意确保灯返回路径不会流过敏感的热电堆*接地返回路径。灯电流不得使用与处理器相同的返回路径;否则可能会导致电压偏移错误。强烈建议使用单独的稳压器用于灯驱动和*的信号调理部分。ADP灯驱动器直接由外部电源供电电源连接到EVAL-ADICUP板。软件注意事项同步斩波和采样为了测量气体浓度，两者的峰峰值信号值必须对参考通道和活动通道进行采样。ADuCM包括两个位Σ-Δ型ADC，ADC工作在连续采样模式。可编程增益放大器，增益选项为1、2、4、8、、、和个驱动ADC。默认斩波频率设置为0.Hz，默认采样速率设置为Hz。但是，斩波频率可以在软件频率范围为0.1Hz至5Hz，ADC采样速率范围为3.5Hz至赫兹。软件确保采样率至少为倍斩波频率。对于0.Hz的默认斩波频率，将获取热电堆数据在2秒半周期的最后1.5秒以Hz的速率，以确保信号已稳定。前毫秒内的数据将被忽略（消隐时间）。也可以在软件中设置两个边缘的消隐时间。请注意，NTC热敏电阻数据是在消隐时间内获取的。校准程序：理想比尔-朗伯方程由于灯具和热电堆的特性不同，电路必须首先校准，并在更改热电堆或灯。建议将整个组件放置在封闭的腔室中可以注入已知CO2浓度的气体，直到所有现有气体腔室中的气体被冲洗掉。稳定几分钟后，然后可以进行测量。校准方法和算法显示在以下步骤中理想的比尔-朗伯方程：1.输入以下命令：*ll校准（标准比尔-兰伯特校准）。2.注射低浓度，xMO，或零气体（氮气），并稳定商会。3.将CO2浓度输入终端。4.*测量ACTMO、有源的峰峰值输出低浓度气体中的*。5.*测量参考文献MO，基准电压源的峰峰值输出低浓度气体中的*。6.*测量低气温度，TMO.7.注入浓度为x的高浓度CO2卡尔，进入腔室。8.将CO2浓度输入终端。9.*测量ACT卡尔裁判卡尔和校准温度，T卡尔..*计算零和b：

使用理想测量未知浓度的CO2气体比尔-朗伯方程，执行以下*作：1.将未知浓度的气体施加到腔室中并稳定。2.测量ACT，即有源检波器的峰峰值输出。3.测量参考*的峰峰值输出REF。4.以开尔文为单位测量温度T。5.使用校准中的零值。6.使用校准中的b值7.计算分数吸光度：

计算浓度并应用理想的气体定律温度补偿：

此过程假定TMO=T卡尔.请注意，CN-软件将自动执行步骤2通过7.校准程序：修正比尔-朗伯方程如果常数b和c从测量中已知，请使用以下命令程序。1.输入以下命令：mbll校准（修改后的比尔-兰伯特校准）。2.输入b和c常量。3.注入低浓度的CO2气体，xMO（氮气），并稳定商会。4.将CO2浓度输入终端。5.*测量ACTMO、有源的峰峰值输出低气体*。6.*测量参考文献MO，基准电压源的峰峰值输出低气体*。7.*测量温度，TMO.8.注入浓度为x的高浓度CO2卡尔，进入腔室。9.将CO2浓度输入终端。.*测量ACT卡尔裁判卡尔和校准温度，T卡尔..*计算零点和跨度：

使用改进的比尔-朗伯方程，执行以下*作：1.将未知浓度的气体施加到腔室中并稳定。2.测量ACT，即有源检波器的峰峰值输出。3.测量参考*的峰峰值输出REF。4.以开尔文为单位测量温度T。5.使用校准中的零点和跨度值。6.使用先前确定的b和c值。7.计算分数吸光度：

计算浓度并应用理想的气体定律温度补偿：

此过程假定TMO=T卡尔.NTC热敏电阻算法和计算NTC热敏电阻等效电路如图9所示。

图9.NTC热敏电阻电路。热敏电阻两端的电压为

其中：VCC为3.3V。RNTC是热敏电阻电阻。NTC热敏电阻电阻可以表示为

哪里：R千是温度T下的热敏电阻电阻0.β是NTC热敏电阻数据手册中给出的参数。RNTC是温度T下的热敏电阻电阻。将两个方程结合起来得到

在每个灯斩波时间间隔内，ADC切换到NTC采样，如图所示。

图.NTC和热电堆采样和灯斩波的时间。用户交互界面EVAL-ADICUP平台板通过USB端口连接到PC。该板显示为虚拟COM设备。任何类型的串口终端可用于与EVAL-ADICUP板进行交互以进行开发和调试。有关软件*作的更多详细信息，请参阅：包含在CN-电路笔记中。图显示了分数吸光度（FA）与CO2的函数关系典型EVAL-CN-ARDZ板的浓度。

图.典型EVAL-CN-ARDZ板的吸光度分数与CO2浓度的关系。EVAL-CN-ARDZ板的完整设计支持包包括布局、物料清单、原理图和源代码可以在**og*/CN-DesignSupport找到。测试设置的功能图如图所示，以及EVAL-CN-ARDZArduino*板和EVALADICUP的照片Arduino兼容的平台板如图所示。

图.测试设置功能框图。

图.EVAL-CN-ARDZ板和EVAL-ADICUP板照片。总结实现NDIR测量所需的模拟电子设备需要精密的低噪声放大和高分辨率模拟数字转换。本文中描述的电路是一个高度采用ADuCM精密模拟器件的集成解决方案单片机执行精密PGA功能，精密Σ-Δ型ADC转换，以及数字控制和处理。Arduino扩展板兼容性允许快速原型设计NDIR设计，能够根据特定情况定制软件申请要求。本文家电维修技术