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改进温度补偿的非分光红外CO₂气体传感器

JongSeon Park，HeeChan Cho，and SeungHwan Yi

Proc. Eurosensors XXIV, September 5-8, 2010, Linz, Austria

摘要：本文描述了一种具有自动化温度补偿特性的非分光红外(NDIR)二氧化碳气体传感器，它适用于暖通空调系统。改进的气体传感器差分放大热电堆的输出和温度传感器的线性输出。由于差分放大电路的存在，随着二氧化碳浓度的变化，传感器模块输出电压的独立温度在10℃到40℃之间。如不考虑温度的变化，改进的传感器模块在二氧化碳浓度为1000 ppm时具有plusmn;30 ppm的误差，为2000 ppm时具有plusmn;50 ppm的误差。

1. 引言

由于室内空气质量（IAQ）与人类健康息息相关，为了防止严重的疾病健康问题如疾病房屋综合症（SHS）和新建筑综合症（NBS）^[1]发生，适当的通风十分重要。通风不足的房间或办公室容易积累二氧化碳，当CO₂的浓度超过5000 ppm时，人们就会感觉到疲惫。欧盟重点把二氧化碳气体传感器模块安装在使用化石燃料的热辐射体上，以使暖通空调（HVAC）系统能够有效操作,同时也是为了减少能源的消耗和防止与空气污染相关的疾病发生。因此,为了暖通空调系统在最优条件下运行，监测空气质量非常必要。如今对于二氧化碳气体传感器的需求正变得比以往更迫切，因为它可以使汽车的暖通空调系统得到有效运转，从而缓解温室效应，并且可以通过需求控制通风系统（DCV）^[2,3]来提高客舱空气质量。

目前，主要有两种监测二氧化碳浓度的方法：一种是使用非分光红外（NDIR）传感器，另一种是使用陶瓷厚膜的气体传感器^[4]。尽管陶瓷厚膜类型的比NDIR更便宜，但是NDIR气体传感器有更多的技术优势，如长期稳定和精度高。此外，因为NDIR应用光学传感原理（NDIR气体探测器通常使用具有特制红外滤光片的硅热电堆探测器，并选择与目标气体吸收波长相匹配的红外过滤器的传输波长），所以它在户外有更高的选择性。然而，热电堆探测器对于环境温度的变化非常敏感，所以对于需要厚膜气体传感器^[5]的商品，NDIR气体传感器的温度补偿是十分必要的。

在本文中，我们将提出一个运用差分放大电路的简单温度补偿方法，在红外传感器内部放置一个ASIC芯片，以使热电堆探测器的初始放大电路和温度传感器在同一位置。

1. 仿真与实验
   1. 模拟光学结构

基于前面的仿真结果^[6]，我们设计一个具有独特的光学腔体结构的NDIR二氧化碳气体传感器模块。图1为光学结构的设计图和覆盖热电堆过滤区域的红外射线分布图，以及固体模块的透视图。

图1 NDIR气体传感器的光学结构

(a)基本构造 (b)红外射线射入过滤区域的仿真结果 (c)固体模块的透视图.

可以从图1(a)中看到，从左下角辐射的红外光束在镜面反射了五次之后，穿过位于光学结构左上方的光圈。红外射线入射到探测器的实验结果，如图1(b)所示；固体腔结构的模块图，如图1(c)所示。

• 1. 实验装置和实验过程

图2为方块图和改进的传感器模块的图片。如图2(a)所示，改进的NDIR CO₂气体传感器模块主要由五个部分构成。首先是一个独特的光学腔体结构，它从上至下设有两个凹镜面、热电堆探测器、ASIC芯片，该芯片由温度传感器和输出电压的初始放大电路构成。第二个是差分放大电路，它负责放大热电堆和温度传感器的输出电压，而传感器的输出电压与温度呈线性关系。第三个是红外灯调制部分。打开红外灯350ms，可以稳定热电堆探测器的输出电压；关闭5s，可以减少热电堆探测器在红外光束照射时吸收的热能。

因为两种输出电压（热电堆的和温度传感器的）是研究温度传感器模块温度特性的重要因素，所以我们使用单片机（MCU，ADUC 848）16位A / D转换器、64 k闪存和12位D / A转换器，并且使单片机产生一个调制红外脉冲的信号。热电堆的和环境温度传感器的差分放大电压，将温度传感器的数据转换为信号，通过RS 232通信端口显示在监控器上并存储在计算机指定的文件夹中，以便进一步研究传感器模块和它的温度特性。

组装到PCB的五个主要部件如图2(b)所示，我们把传感器模块放进气室并测试它。为了精确检测注入气体的浓度，我们还把收集气体的管道连接到光声多气体分析仪（INOVA 3012），分析从气室收集到的气体，测得气体浓度之后再使气流回到气室。MFC通过主计算机的指令控制CO₂气体的注入量，并使气体浓度从0 ppm上升到指定浓度（一般情况下是2000 ppm或2500 ppm）。本实验中使用的恒温恒湿气室可以把温度控制在plusmn;0.3℃的误差范围内，把相对湿度数值设置在60%R.H.土5%R.H.的范围内。把传感器模块装入气室之后，我们就能够以10℃为单位，在10℃到40℃的范围内研究其温度特性。

图2 NDIR CO₂气体传感器模块

(a)调节信号流程图 (b)改进的CO₂气体传感器.

• 1. 实验结果

图3(a)为热电堆差分放大电路的输出电压与注入二氧化碳的浓度所呈的函数关系，其中CO₂浓度由光声多气体分析仪测得。随着注入气体浓度的增加，输出电压约呈指数式下降。分析传感器模块所得数据可知，表1列出的每个温度中，每个输出电压曲线可以与三种温度系数相对应，而这些关系可由公式表示出来。差分放大电路的输出电压y与CO₂的浓度呈指数关系，它可以表示为以下方程（1）：

y=y₀ a·exp(-bx) （1）

其中，y₀是传感器模块在CO₂浓度趋于无限大时的偏移电压，a是CO₂浓度为0时的偏移电压，b是气体吸收的相关系数，x是注入CO₂的浓度。

图3 CO₂气体传感器模块特性

(a)环境温度变化以输出电压为参数 (b)待测量气体进入多气体分析仪前后的浓度比较 (c)气体浓度在1000ppm时传感器对室温感应的准确性

从图3(a)传感器模块的输出电压中可以看到，输出电压相同时，环境温度在大于plusmn;10ppm的变化范围中。因此，虽然改进后的传感器模块使用的检测器也是补偿温度的ASIC芯片，但尝试更高精度的温度补偿算法十分必要，因为这种算法与环境温度变化无关。

表Ⅰ 传感器模块温度系数变化拟合的实验结果.

图3(b)为室温下商用多气体分析仪与本研究中传感器模块测量气体浓度的结果比较。注入气室的CO₂以500 ppm为单位依次从0 ppm增加到2500 ppm。结果表明，由传感器模块测得的气体浓度与气体分析仪测得的大致相同。

图3(c)为25℃下传感器模块精确测量CO₂浓度的变化图。因为传感器约每六秒测量一次气体浓度，八次测量左右后给出一个测量结果，所以若有一些外部干扰如突然注入压缩CO₂气体，传感器输出电压将有波动并影响单片机对实际气体浓度的计算。然而,我们可以从图3(c)中看到，气体浓度为1000ppm时浓度检测的最大误差小于土30ppm。因此，若使用前面所说的温度补偿方法，改进的传感器可以得到更高的精度。

1. 总结与讨论

在此，我们提出了一个独特的温度补偿方法，它加入差分放大电路和带有ASIC芯片的热电堆探测器，而这个芯片与初始信号条件、传感温度相关。有了基于实验推导方程而来的电路和温度补偿方法，我们就可以提高10℃到40℃范围内CO₂浓度的检测精度。由于气体浓度在1000ppm、温度跨度为30℃时的最大误差范围是土30 ppm，因而在不久的将来，新研究的方法就能使暖通空调系统有效地进行热交换。现今，商用NDIR气体传感器将会采用此温度补偿方法并证明它的实用性。

参考文献

[1] Sundell J. On the history of indoor air quality and health. Indoor Air, Int. J Indoor Environ. Health 2004; 14: 51-58.

[2] Frodl R, Tille T. A High-Precision NDIR CO₂ gas sensor for automotive applications. J. IEEE Sensors 2006; 6: 1697-1705.

[3] Francioso L, Forleo A, Taurino AM, Siciliano P, Lorenzelli L, Guamieri V. et al. Linear temperature microhotplate gas sensor array for autpmotive cabin air quality moniotring. Sensors and Actuators B 2008; 134: 660-665.

[4] Miyachi Y, Sakai G, Shimanoe K, Yamazoe N. Fabrication of CO₂ sensor using NASICON thick film. Sensors and Actuators B 2003; 93: 250-256.

[5] Giberti A, Carotta MC, Guidi V, Malagu C, Martinelli G, Milano L. Influence of ambient temperature on electronic conduction in thick film gas sensors. Sensors and Actuators B 2009; 137: 111-114.

[6] Yi SH, Park YH, Han SO, Min NK, Kim ES, Ahn TH. Novel NDIR CO₂ sensor for indoor air quality monitoring. Tech. Dig. of IEEE Solid state Sensors and Actuators and Microsystems 2005; 2: 1211-1214.

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