基于非色散红外技术的二氧化碳传感器研究

孙世岭

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039)

0 引言

煤炭是我国的主要能源，在煤碳开采过程中，有多种有毒有害气体涌出，其中甲烷和二氧化碳气体会致人窒息，同时甲烷气体具有爆炸性和喷出危险，是危害矿工生命安全的主要威胁[1-2]，因而甲烷气体检测技术发展较快。但是同样具有喷出危险的二氧化碳气体检测技术研究较少，煤矿安全规程明确要求，矿井必须建立瓦斯、二氧化碳和其他有害气体检查制度，进行二氧化碳气体浓度实时监测。同时二氧化碳亦是温室效应气体之一[3-5]，因此实时监测二氧化碳气体浓度对煤矿防突、温室气体排放检查具有重要意义。二氧化碳气体浓度检测大多采用非色散红外技术或可调谐半导体激光吸收光谱技术，检测精度及稳定性大大提高[6-7]。但是基于辐射热光源的红外检测技术与激光检测技术功耗较高[8]，限制了二氧化碳传感器远距离布置检测，低功耗是智能传感器多点、无线化的必然要求[9]。

本文基于非色散红外检测技术，采用发光二极管作为红外线LED光源，光敏电阻作为光电探测器的新型LED-PR光学结构的二氧化碳传感器，并对LED光源驱动逻辑进行研究，降低二氧化碳传感器功耗，以满足煤矿低功耗、长距离信号传输的二氧化碳检测需要。

1 非色散红外二氧化碳检测原理

非色散红外吸收分析基于分子中原子的振动频率，因此不同气体分子具有不同的吸收光谱，而红外线入射前后光强度的吸收变化关系的物理过程被描述为朗伯比尔定律，其吸收率可表示为

Q=ln(I0/I)=KNL

(1)

式中：I0和I分别为光线入射前、入射后的光强度；L为气室光程；K为与二氧化碳气体有关的常数。

则气体浓度N表示为

(2)

由式(2)可知，对于特定的扩散气室结构，L的大小是确定的，非色散红外二氧化碳检测原理为通过测量LED光源发射的红外光在扩散气室中二氧化碳气体分子吸收前后光强的大小实现气体浓度的检测。

2 传感器硬件设计

红外二氧化碳传感器由LED-PR测量单元、LED驱动电路、LDO电源、光电信号处理电路、温度测量电路及微处理器组成，原理框图如图1所示。LED光源、光敏电阻及扩散气室构成LED-PR测量单元。LDO电源将外部供电转换为各元件的适配工作电压，LED光源在LED驱动电路的调制下发出一定频率的红外光，经扩散气室内二氧化碳气体分子吸收后，光敏电阻将入射红外光吸收，其自身阻值发生变化，经过光电信号处理电路后转换为电压信号输入到微处理器模数转换引脚，微处理器将转换后的A/D值带入特定计算函数，计算得到二氧化碳浓度值，通过TTL电平信号实现与变送器通信。同步测量温度电路的实时数值，根据补偿算法修正二氧化碳浓度结果。

图1 红外二氧化碳传感器原理框图

2.1 LED-PR测量单元

二氧化碳气体分子在4.2～4.32 μm波段具有非常强的吸收峰，在2.0 μm和2.7 μm处有2个较弱小的吸收峰，为了提高传感器的检测精度和抗干扰能力，红外二氧化碳传感器的LED光源和PR探测器光谱范围应覆盖4.2～4.32 μm波段。

现有红外二氧化碳传感器采用白炽灯作为红外热光源，在探测器上设计滤光片实现特定光谱的选择吸收，功耗较大，且抗干扰能力弱。本文中红外二氧化碳传感器的光源采用峰值波长4.3 μm的型号为LED43的LED冷光源作为二氧化碳气体测量光源，其发射波长峰值对应二氧化碳4.3 μm主吸收峰。型号为PR43的光敏电阻用作测量PR探测器，其截止波长为4.3 μm；LED43、PR43与CO2气体主吸收峰的光谱关系如图2所示。

图2 LED43、PR43与CO2气体主吸收峰的光谱关系

由图2可知，LED43发出的红外光谱，在4.2～4.32 μm波段被CO2气体吸收，此时PR43接收的红外线强度变小，阻值变大，式(2)可知，阻值变化量和CO2气体浓度存在正比例关系，从而通过计算得出CO2气体浓度。

2.2 LED驱动电路设计

LED光源响应速度快，时间达到ns级，因此LED光源可以工作在一定频率的脉冲模式下，从而实现降低传感器功耗的目的，确定LED驱动电路如图3所示。

图3 LED驱动电路

图3中，LED驱动芯片为LP5910-1.0DRVR，是输出电流高达 300 mA的低静态电流、高电源抑制比、低噪声 LDO芯片。芯片标称输入电压范围为1.3～3.3 V，输出电压为1.0 V，具有输出使能EN引脚，负载瞬态响应时间典型值为80 μs，满足LED光源高速驱动的要求。

微处理器直接通过I/O引脚控制LP5910使能引脚，当EN为低电平时，LDO芯片关断输出，当EN为高电平时，LDO芯片输出1.0 V，红外光源LED43正向导通电压为0.6 V，因此R1电阻的压降U1为0.4 V。红外光源LED43驱动电流越大，发射光强越大，在满足传感器检测量程、灵敏度、分辨率的前提下，确定LED43工作电流为200 mA左右为宜。由电阻与电压、电流计算关系可知，当通过R1电流为200 mA时，则R1电阻值为2 Ω，为满足电阻消耗功率要求，R1电阻选由0603封装尺寸。

为降低传感器功耗，充分发挥LED红外光源高速响应的特性，LED驱动电路采用脉冲驱动逻辑，脉冲频率为2 Hz，脉冲宽度为50 ms，即红外光源LED43每500 ms工作50 ms。即LED光源驱动电路的功耗只有连续工作情况下的10%。微处理器根据脉冲驱动逻辑控制LP5910-1.0DRVR的EN引脚为低电平，芯片输出电压为0，LED43不工作，持续时间为450 ms，此时，微处理器控制EN引脚为高电平，芯片输出电压为1.0 V，红外光源LED43上电工作，上电50 ms后，控制EN引脚为低电平，关断芯片输出，以此逻辑时序控制LED43工作状态。

假设LED驱动电路一直上电连续工作的功耗可根据功率与电流、电压关系计算得出，功耗P0为0.66 W，同时根据LED驱动电路采用脉冲驱动逻辑每500 ms工作50 ms，计算功耗降低为0.06 W，与现有红外二氧化碳传感器0.1 W的功耗相比，功耗降低1/3以上，实现了降低传感器功耗的设计要求。

2.3 光电信号处理电路

传感器采用光敏电阻作为红外光信号接收转换核心元件。根据光敏电阻的伏安特性，在一定范围内，光敏电阻的阻值不随外电压改变，仅取决于输入光强度，光电信号处理电路如图4所示。

图4 光电信号处理电路

图4中，PR43与R6电阻构成分压电路，与OPA2330运放芯片、R2、R4电压跟随电路，输出光电信号AN_HW。当红外入射光强度随二氧化碳气体浓度变化时，PR43的阻值成线性规律变化，微处理器采集AN_HW光电信号后进行A/D转换，计算出PR43的阻值大小，进而计算出二氧化碳浓度。

3 软件程序设计

传感器程序采用C语言编写，编译环境为Keil uVision5。程序首先进行微处理器主频、A/D转换功能模块及采样引脚、控制引脚等硬件初始化，读取配置传感器零点、精度参数，而后进行周期性的A/D采集、计算及通讯，软件流程图如图5所示。

图5 软件流程图

4 结束语

利用二氧化碳气体分子在4.2～4.32 μm处的主吸收峰，选用峰值波长4.3 μm的LED43作为测量红外光源，截止波长4.3 μm的光敏电阻PR43作为测量光电探测器，LED电流驱动电路采用脉冲工作模式，通过光敏信号处理电路及软件设计，研制了一种具有低功耗技术优势的基于NDIR技术的二氧化碳传感器。下一步将对传感器进行了温度、湿度及其他性能实验，并根据测试结果给出了基本性能指标参数。