《電子技術(shù)應(yīng)用》
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NDIR二氧化碳气体传感器设计
电子技术应用
杨绍松,刘同庆
无锡芯感智科技股份有限公司
摘要: 传统的CO2检测系统存在体积较大、难以集成、可靠性低以及精度差等问题,难以满足消费电子领域以及车用领域的应用需求。为了解决以上问题,以红外光源、气室、双通道热电堆探测器和单片机为核心,设计了一款具有温度补偿功能的高精度高可靠性的CO2气体传感器模组。在结构方面,创新性地采用了反射式的气室结构,显著提高了系统集成度,成功实现了传感器微型化;在硬件设计方面,采取磁珠、电容器、屏蔽层等多种抗干扰措施,提高了模组的稳定性;在软件方面,采用比值标定法建立温度补偿模型,从而消除环境温度的干扰。实验结果表明,在-20 ℃~50 ℃温度下,0~5000 ppm浓度范围内,该传感器最大检测误差小于3%,响应时间不超过2 min,具有精度高和响应快等优点。
中圖分類號(hào):TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256686
中文引用格式: 楊紹松,劉同慶. NDIR二氧化碳?xì)怏w傳感器設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2025,51(12):120-125.
英文引用格式: Yang Shaosong,Liu Tongqing. Design of NDIR carbon dioxide gas sensor[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(12):120-125.
Design of NDIR carbon dioxide gas sensor
Yang Shaosong,Liu Tongqing
Wuxi XinGanZhi Technology Co., Ltd.
Abstract: Previous CO2 detection systems were large in size, inconvenient to integrate, generally unreliable, and poor in accuracy, making it difficult to meet the detection requirements in the consumer electronics and automotive fields. This paper designs a high-precision and high-reliability carbon dioxide gas sensor module with temperature compensation function, with infrared light source, gas chamber, dual-channel thermopile detector and single-chip microcomputer as the core. In terms of structure, a reflective gas chamber structure is adopted to improve the integration of the system and realize the miniaturization of the sensor. In terms of hardware design, a variety of anti-interference measures are taken, such as magnetic beads, capacitors, shielding layers, etc., to improve the stability of the sensor module. In terms of software, the ratio calibration method is used to establish a temperature compensation model to eliminate the interference of ambient temperature. The experimental results show that: the sensor has a maximum detection error of less than 3% and a response time of less than two minutes in the concentration range of 0~5 000 ppm at a temperature of -20 ℃~50 ℃. It has the advantages of high precision, fast response, miniaturization, and good long-term stability.
Key words : non-dispersive infrared;gas chamber;temperature compensation;gas sensor

引言

在室內(nèi)空氣污染中,CO2氣體是最常見(jiàn)但又最常被忽視的有害氣體之一。通常,大氣中CO2氣體的含量大約為0.03%體積分?jǐn)?shù),此含量不會(huì)對(duì)人體造成不良影響。但在封閉室內(nèi)環(huán)境中,CO2濃度會(huì)上升,當(dāng)其濃度達(dá)到1 000×10-6以上時(shí),即會(huì)導(dǎo)致人體疲勞,當(dāng)濃度高于5 000×10-6時(shí),更將對(duì)人腦造成不可逆的損傷[1-2]。因此,對(duì)于CO2氣體濃度的監(jiān)測(cè)變得愈發(fā)重要。目前,最為常見(jiàn)的CO2傳感器是基于非分光紅外技術(shù)(NDIR),具體原理是氣體分子會(huì)被特定波長(zhǎng)紅外光吸收,吸收率與氣體濃度呈正相關(guān)。這種檢測(cè)原理解決了傳統(tǒng)電化學(xué)氣體傳感器精度低、壽命短的問(wèn)題,具有精度高、可靠性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。2006年,F(xiàn)rodl及其團(tuán)隊(duì)研制了一種新的高精度光譜氣體傳感器,用于測(cè)量汽車應(yīng)用的惡劣環(huán)境條件下的二氧化碳濃度(CO2)[3]。2013年,Zhao等人設(shè)計(jì)了一款具有十字交叉型氣室的呼吸CO2氣體傳感器,該裝置采用了氣路與光路垂直交叉的氣室結(jié)構(gòu),可以實(shí)時(shí)檢測(cè)通過(guò)氣道氣流的CO2氣體濃度[4]。2017年Scholz等人設(shè)計(jì)了一款小型化低成本CO2氣體傳感器,該傳感器內(nèi)部采用了LED光源與光聲探測(cè)器,且設(shè)計(jì)了橢球型氣室,傳感器較為小型化,主要用于移動(dòng)設(shè)備[5]。2021 年,Jung及其團(tuán)隊(duì)在研究中提出了一種具有外曝光光學(xué)腔的NDIR CO2傳感器用于提高靈敏度[6]。

本文提出一種基于NDIR原理的雙通道紅外CO2傳感器。該傳感器包含單光源、反射型鍍鉻氣室、雙通道熱電堆探測(cè)器、外圍電路等。為減小環(huán)境因素帶來(lái)的傳感器示數(shù)誤差,采用雙通道熱電堆探測(cè)器,將測(cè)試通道與參考通道的電壓比值作為修正輸出信號(hào),建立了其與氣體濃度間的函數(shù)關(guān)系,提高了傳感器精度。同時(shí)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償,以克服環(huán)境溫度引起的誤差,減小了傳感器的溫度漂移。最終實(shí)現(xiàn)在0~50 ℃溫度范圍中,氣體濃度在0~5 000×10-6內(nèi)時(shí),傳感器最大測(cè)量誤差小于50×10-6+5%讀數(shù)。與現(xiàn)有測(cè)量方法相比,該方法具有穩(wěn)定性好、壽命好、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),滿足了室內(nèi)、車內(nèi)、空調(diào)系統(tǒng)等場(chǎng)景CO2濃度監(jiān)測(cè)的需求。


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作者信息:

楊紹松,劉同慶

(無(wú)錫芯感智科技股份有限公司,江蘇 無(wú)錫 214000)


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