【導讀】據麥姆斯谘詢報道，近日，中北大學譚秋林教授團隊在《中國激光》期刊上發表了題為“雙通道非分光紅外CO2氣體傳感器設計與測試”的最新論文，文中設計實現了一種微型雙通道非分光紅外（NDIR）CO2qitichuanganqi，caiyongbiaozhunqitinongdubiaodingchuanganqidefangfa，shixianlechuanganqidewendubuchang，shiqinenggouzaibutongwenduyubutongnongdudehuanjingxiajinxingjingqueceliang。

基於紅外吸收原理的氣體傳感器具有選擇性高的突出優勢，但麵臨集成度不高
、尺寸大、精(jing)度(du)低(di)以(yi)及(ji)核(he)心(xin)部(bu)件(jian)依(yi)賴(lai)進(jin)口(kou)等(deng)問(wen)題(ti)。國(guo)內(nei)目(mu)前(qian)普(pu)遍(bian)采(cai)用(yong)進(jin)口(kou)傳(chuan)感(gan)器(qi)，或(huo)者(zhe)購(gou)入(ru)半(ban)成(cheng)品(pin)二(er)次(ci)加(jia)工(gong)。近(jin)年(nian)來(lai)，在(zai)各(ge)大(da)研(yan)究(jiu)機(ji)構(gou)與(yu)高(gao)校(xiao)的(de)努(nu)力(li)下(xia)，國(guo)內(nei)在(zai)自(zi)主(zhu)設(she)計(ji)紅(hong)外(wai)傳(chuan)感(gan)器(qi)方(fang)麵(mian)正(zheng)在(zai)高(gao)速(su)發(fa)展(zhan)，但(dan)存(cun)在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)靈(ling)敏(min)度(du)差(cha)以(yi)及(ji)量(liang)程(cheng)小(xiao)的(de)問(wen)題(ti)。

基於此，本文基於雙波段單氣路設計，提出了一種基於紅外熱釋電效應的微型化非分光紅外CO2傳感器。采用標定法，探究了溫度補償方法
，測量了不同濃度
、不同溫度下探測器的輸出值，建立了溫度、CO2濃度與探測器輸出值之間的關係模型
，實現了傳感器的溫度補償，使其能夠在不同溫度與不同濃度的環境下進行精確測量。

傳感器設計

紅外CO2傳感器總體設計

本文所設計的紅外CO2傳感器由紅外光源
、氣室、紅外探測器、主電路係統四個主體部分組成，如圖1所示。

圖1 紅外CO2傳感器整體設計。（a）傳感器結構原理圖；（b）傳感器截麵圖

光學氣室很大程度上決定了紅外CO2傳感器的尺寸大小及其性能優劣，如今常見的氣室類型有直射型、橢球型與反射型。綜合現今不同類型紅外光學傳感器氣室結構特點，為了實現傳感器微型化同時保持高性能
，本文設計了C型多反射式氣室結構
，增加光程，保證光與氣體作用長度
，並通過將光源發射
、光傳播及吸收、光電信號轉換及信號處理等模塊進行集成設計
，得到高為8mm

，直徑為18mm的微型化氣室
，最大程度縮小了傳感器的體積。最終實現直徑為23mm，高為10mm的微型紅外CO2氣體傳感器。

紅外光源選用HSL5-115，其能夠提供所需的紅外波段的波長。紅外探測器采用PYS3228探測器，其包含兩路通道
，一路通道前放置4.26μm波段濾光片作為吸收4.26μm附近波段的工作窗口，另一路通道前放置3.9μm波段濾光片作為吸收3.9μm附近波段的參考窗口。

采用單光路雙波長差分設計思想，可以有效消除氣室和光源以及雜質等的幹擾，降低環境溫度、粉塵
、水分等幹擾因素對係統的影響，從而減小測量誤差，提高係統測量精度。係統工作流程為：首先單片機輸出合理頻率的光源驅動信號點亮紅外光源HSL5-115，紅外光源發出的紅外輻射經過氣室內氣體吸收後，透過PYS3228探測器前端濾光片的4.26μm波段和3.9μm波段的紅外輻射照射到敏感元產生電信號
，電信號經過信號處理與濾波後，輸入單片機內ADC采集並結合溫度信息處理，最終計算並輸出氣室內CO2氣體濃度。

硬件電路與軟件程序設計

紅外CO2傳感器硬件電路與軟件程序均采用模塊化設計
，以降低係統耦合性。硬件主要由光源驅動電路、xinhaochulidianlushejidengzucheng。ruanjianbufenzhuyaobaokuoguangyuanqudongchengxu，wenshiducaijichengxuyushujuchulichengxudenggoucheng
，bingbianxieshangweijiyishishixianshiqitihanliangxinxiyuhuanjingwenduxinxi。

qitinongdudeceliangyuceshiguochengzhongdehuanjingwenduyouganraoguanxi，duiqitinongduceliangjuyoujiaodayingxiang。yinci，shiyongwendubuchangnenggouquebaoxitongceliangjieguodezhunquexing。huanjingwenducaijidianlucaiyongdeshiwenshiduxinpianSHT20

，以單片機作為主機通過IIC通訊讀取溫濕度傳感器采集的溫度值

，並在單片機內部通過軟件進行溫度補償。

傳感器測試標定與分析

為了保證傳感器的精度與檢測範圍

，采用標準氣體濃度標定傳感器的方法。搭建傳感器標定實驗平台，如圖2所示，主要有高低溫潮濕箱，標準氣體源、傳感器工裝組成。標定的結果如圖3所示。

圖2 傳感器標定實驗平台。（a）結構組成圖；（b）實物圖

圖3 不同溫度與不同濃度的標準氣體的標定數據。（a）不同溫度下峰峰值差值與濃度的關係；（b）不同濃度下峰峰值差值與溫度的關係

由圖3可以觀測到，溫度（t）影響峰峰值的差值（d1）
，進而影響輸出的氣體濃度，且可以注意到溫度影響峰峰值差值近似為線性。將溫度與峰峰值差值（d1）擬合，可以得到用於計算補償後的差值（d）與溫度（t）及峰峰值差值（d1）的關係式
，並得到補償後的差值（d）與標準氣體濃度（C）之間的關係圖
，如圖4。

圖4 溫度補償後的峰峰值差值與氣體濃度關係

結 論

CO2傳感器在工業生產、生(sheng)活(huo)與(yu)醫(yi)療(liao)診(zhen)斷(duan)中(zhong)有(you)著(zhe)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)。本(ben)文(wen)根(gen)據(ju)紅(hong)外(wai)吸(xi)收(shou)光(guang)譜(pu)原(yuan)理(li)
，采(cai)用(yong)單(dan)氣(qi)路(lu)雙(shuang)波(bo)長(chang)差(cha)分(fen)方(fang)法(fa)，設(she)計(ji)實(shi)現(xian)了(le)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)紅(hong)外(wai)熱(re)釋(shi)電(dian)效(xiao)應(ying)的(de)微(wei)型(xing)非(fei)分(fen)光(guang)紅(hong)外(wai)CO2chuanganqi。caiyongbiaozhunqitinongdubiaodingchuanganqidefangfa
，shixianlechuanganqidewendubuchang
，shiqinenggouzaibutongwenduyubutongnongdudehuanjingxiajinxingjingqueceliang。gaichuanganqishixianzhijingwei23mm，高為10mm的微型設計，0%~2%濃度下誤差值小於0.1%，2%~5%濃度下誤差值小於0.25%的精準測量。可為我國工業製造、生產生活環境中CO2濃度監測提供核心器件及技術支持，對保障安全生產及人體健康具有重要的現實意義。

本研究獲得了國家自然科學基金麵上項目(52175525)
、國家重點研發計劃（2020YFB2009100）、中國博士後基金特別資助（2019T120198）的支持。

來源：MEMS

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