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稳定可靠的红外CO2传感器的设计

关键词:CO2传感器,CO2 sensor,NDIR,电路设计点击:
1.气室设计
    气室是存储CO2气体样本的空间,并提供一个能够让光与CO2气体相互作用的环境。传感器采用集成式(旁流式)气室结构,如图2所示。气室为圆桶形,两端密封,与光源、探测器集成在一起,仅提供一个进气口和一个出气口,所以,不易受力学环境干扰。气体流向与红外辐射的传播方向一致,使入射光与气体有充分的作用时间,增加吸收程度,提高传感器灵敏度。要求气室内壁的化学稳定性要高,不吸收红外辐射,也不吸附气体、尘埃和水,因此,选用黄铜材料加工气室,加工时保证内壁粗糙度Ra不低于0.04,且进行镜面加工,此外,气室的中心轴线尽量与红外辐射平行,以减小反射造成的能量损失。气室内壁镀金,提高其化学稳定性与反射率。
气室结构
气室结构设计

2.系统调理电路设计
    调理电路由光源驱动模块、信号前置放大与差分模块、零点与灵敏度调节模块,以及温度补偿模块组成。光源驱动模块为光源提供恒定的电流信号,使光源输出稳定的光信号。信号前置放大与差分模块将探测器输出的微弱信号进行放大,再通过减法运算消除光源波动等因素带来的干扰。零点与灵敏度调节模块将输出电压值调节到指定范围内。温度补偿电路是使传感器在规定的温度范围内输H稳定的电压值。调理电路组成见图
调理电路设计
信号调理电路
3.光源驱动电路设计
    光源的工作状态直接影响到传感器的检测精度与可靠性,光源的稳定性容易受到温度、电流波动等因素的影响。
    温度升高不仅使输出的光功率下降影响波长的稳定,而且如果产生的热量不能及时散发掉的话会造成光源性能恶化,寿命减短。因此,本设计采用脉冲调制,可有效提高光源的发光效率,降低功耗,延长光源的使用寿命。此工作模式会减少探测器、放大器和其它元件的寄生热,提高传感器信噪比和稳定性。光源驱动电路如图。
光源驱动电路
光源驱动电路
4.温度补偿电路设计
    在实际检测过程中,环境温度、光源辐射温度、待测气体压强等均会发生改变,这会对检测结果造成一定的影响。因此,必须对传感器进行补偿才能解决1000h长期稳定性问题。常规的温度补偿只将热敏电阻器RT以电桥的方式加入到电路中,并转换成随温度变化的电压值,进行零点的温度补偿。本系统设计的传感器在此基础上对灵敏度进行了温度补偿,即将热敏电阻器RT以调节放大器放大倍数的方式跨接到放大器负输入端和输出端,如图所示。通过对环境温度的补偿处理消除了传感器零点、灵敏度受环境变化带来的影响。
温度补偿电路
温度补偿电路

 
结论
    采用红外吸收式方式设计了适用于长期稳定工作环境的CO2传感器。通过对CO2传感器探头光源和气室结构的改进,提高了传感器的精度和光学稳定性。在电路设计方面,通过光源调试,延长光源的使用寿命,并通过高精度温度补偿技术实现传感器长期稳定的工作。实验表明:该CO2传感器测量精度可以达到1%,能够准确地测量CO2的浓度。1000h内输出电压稳定在±1.53%,足以为长时间运行、无法定期校准的使用环境提供一个稳定可靠的测量系统。


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