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如何提高NDIR传感器的信噪比

关键词:NDIR,传感器,红外气体传感器点击:
     红外光源电路设计对试验结果的影响
     调制频率对试验结果的影响
     光源调制有 2 种比较常见的方式: 机械调制和电调制。机械调制受频率的影响较小,但是在机械调制的过程中,振动会给整个系统带来比较大的噪声,此外,由于机械调制存在磨损,随着时间的推移,同样会给仪器带来不可抗拒的误差。本设计中光源采用电调制的方式,其调制频率与调制深度关系如图所示。
调制频率与调制深度关系图
在考虑光源的调制频率与调制深度关系的情况下,尽可能地提高光源的调制频率,这样能更好地抑制 1 /f 噪声,并且提高调制频率,给整流电路和滤波电路设计都带来了方便。在总噪声幅度不变的情况下,提高信号的幅度同样能够提高信噪比,调制频率为 10~ 20 Hz 时的输出信号幅值如下表。
不同频率下信号的幅度
综合考虑,参照 10 Hz 的调制频率,可以将调制频率提高到 12 Hz 或者 13 Hz,就可以在原来的基础上,使有效信号可以提高近 8 m V。
 
光源的电源驱动模块对试验结果的影响
红外光源的电源驱动模块的选择对试验结果有着比较重要的影响,如果电源不够稳定,必然会造成试验结果波动。此外,温度同样会对电源芯片产生影响,因此,为了保证光源的稳定性,设计了一下的恒流源驱动电路。
恒流源驱动电路
经过测试,与系统在没有加恒流源驱动电路比较,在抑制噪声上有了明显的改善,前后比较,在探测器输出端的电压波动从原来的近 300 μV 下降到 130 μV 左右。为了防止在控温室中风扇吹风对电源芯片产生影响,设计在电源芯片上增加散热片的同时,添加一个用于风速缓冲的软海绵,防止风直接对吹,对信噪比的改善有一定作用。

红外吸收气室恒温系统对试验结果的影响
本测试系统的红外吸收气室如图所示。
红外吸收气室
       为了能够排除测试结果由于环境温度的变化而引起的测量误差,设计采用将红外池置于高于室温并且恒定的环境中,并将整个控温系统与红外池置于同一个长方形的试验腔体中,该腔体采用保温海绵密封,恒定温度设置在48 ℃ ,控温后腔体中温度的变化保持在 ± 0. 1 ℃ 。
       其中应考虑整个腔体中温度的均匀性和整个红外池的热容量,因此,在腔体中的加热源两端加有保持气体流动的风扇,并必须保证温度传感器不能被风扇直吹。
      在室温下,探测器端测得的信号如图所示。
常温下探测器的波形
     经过恒温处理以后,在探测器端测得的信号如图。
恒温处理后的波形
通过输出信号的比较,在常温下,输出信号的波动范围大约是 130 μV,经过恒温处理以后,探测器端的输出信号的变化范围大约在 60 μV 左右,对信噪比的改善比较明显。
微弱信号处理电路对试验结果的影响
之前的信号是在探测器端没有经过任何的处理直接测量得到的,探测器选用的是不带前置放大的探测器,因此,在探测器输出端可以经过微弱信号处理电路来改善电路整体的信噪比。
第一级采用积分与滤波电路和精密整流电路,如图 
积分滤波整流电路
第二级电路采用线性平均值与滤波电路,如图所示。
线形平均值滤波电路
两级电路的特征频率一致,具有良好的选频特性,并且放电电路采取前一级放大倍数较小,后一级放大倍数比较大,这样就更好地消除了噪声的影响。
因此,电路具有最佳的平坦特性。经过处理电路处理以后,电路输出的波形如图 所示。
放大后的输出波形
放大后总体的信号波动范围在放大倍数为 5 倍的情况下,波动范围约 40 μV,信噪比得到比较明显的改善。
 
NDIR气体传感器光源的稳定性、温漂、气室噪声、微弱信号的处理等问题经过以上分析与对应的改进设计,得到了明显的改善,信噪比得到了较大提高,当然,这些问题还有待进一步的改善和提高
 
 
 



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