《電子技術應用》
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NDIR二氧化碳氣體傳感器設計
電子技術應用
楊紹松,劉同慶
無錫芯感智科技股份有限公司
摘要: 傳統的CO2檢測系統存在體積較大、難以集成、可靠性低以及精度差等問題,難以滿足消費電子領域以及車用領域的應用需求。為了解決以上問題,以紅外光源、氣室、雙通道熱電堆探測器和單片機為核心,設計了一款具有溫度補償功能的高精度高可靠性的CO2氣體傳感器模組。在結構方面,創新性地采用了反射式的氣室結構,顯著提高了系統集成度,成功實現了傳感器微型化;在硬件設計方面,采取磁珠、電容器、屏蔽層等多種抗干擾措施,提高了模組的穩定性;在軟件方面,采用比值標定法建立溫度補償模型,從而消除環境溫度的干擾。實驗結果表明,在-20 ℃~50 ℃溫度下,0~5000 ppm濃度范圍內,該傳感器最大檢測誤差小于3%,響應時間不超過2 min,具有精度高和響應快等優點。
中圖分類號:TP212 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256686
中文引用格式: 楊紹松,劉同慶. NDIR二氧化碳氣體傳感器設計[J]. 電子技術應用,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

在室內空氣污染中,CO2氣體是最常見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%體積分數,此含量不會對人體造成不良影響。但在封閉室內環境中,CO2濃度會上升,當其濃度達到1 000×10-6以上時,即會導致人體疲勞,當濃度高于5 000×10-6時,更將對人腦造成不可逆的損傷[1-2]。因此,對于CO2氣體濃度的監測變得愈發重要。目前,最為常見的CO2傳感器是基于非分光紅外技術(NDIR),具體原理是氣體分子會被特定波長紅外光吸收,吸收率與氣體濃度呈正相關。這種檢測原理解決了傳統電化學氣體傳感器精度低、壽命短的問題,具有精度高、可靠性好、壽命長等優點。2006年,Frodl及其團隊研制了一種新的高精度光譜氣體傳感器,用于測量汽車應用的惡劣環境條件下的二氧化碳濃度(CO2)[3]。2013年,Zhao等人設計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構,可以實時檢測通過氣道氣流的CO2氣體濃度[4]。2017年Scholz等人設計了一款小型化低成本CO2氣體傳感器,該傳感器內部采用了LED光源與光聲探測器,且設計了橢球型氣室,傳感器較為小型化,主要用于移動設備[5]。2021 年,Jung及其團隊在研究中提出了一種具有外曝光光學腔的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、雙通道熱電堆探測器、外圍電路等。為減小環境因素帶來的傳感器示數誤差,采用雙通道熱電堆探測器,將測試通道與參考通道的電壓比值作為修正輸出信號,建立了其與氣體濃度間的函數關系,提高了傳感器精度。同時進行了溫度補償,以克服環境溫度引起的誤差,減小了傳感器的溫度漂移。最終實現在0~50 ℃溫度范圍中,氣體濃度在0~5 000×10-6內時,傳感器最大測量誤差小于50×10-6+5%讀數。與現有測量方法相比,該方法具有穩定性好、壽命好、精度高、抗干擾能力強等特點,滿足了室內、車內、空調系統等場景CO2濃度監測的需求。


本文詳細內容請下載:

http://www.jysgc.com/resource/share/2000006887


作者信息:

楊紹松,劉同慶

(無錫芯感智科技股份有限公司,江蘇 無錫 214000)


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