红外二氧化碳传感器的工作原理以及检测电路设计

红外二氧化碳传感器用一个广谱的光源作为红外传感器的光源，光线穿过光路中的被测气体，透过窄带滤波片，到达红外探测器。其工作原理是基于不同气体分 子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔Lambert-Beer定律）鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。其主要由 红外光源、光路、红外探测器、电路和软件算法组成的光学传感器，主要用于测化合物，例如：CH4、CO2、N2O、CO、SO2、NH3、乙醇、苯等，并 包含绝大多数有机物。

红外二氧化碳传感器原理

由于各种物质分子内部结构的不同，就决定了它们对不同波长光线的选择吸收，即物质只能吸收一定波长的光。物质对一定波长光的吸收关系服从朗伯—比尔 (Lambert2Beer)吸收定律。下图为红外气体分析原理图：以CO2分析为例，红外光源发射出1～20μm的红外光，通过一定长度的气室 吸后，经过一个4.26μm波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26μm波长红外光的强度，以此表示CO2气体的浓度。

随着人类社会的进步和科学技术的发展，人们的生活水平得到了迅速提高，工业生产规模也迅速扩大，但同时导致了二氧化碳的排放成倍增长，如温室效应，土地荒漠化程度加速等，严重影响并破坏着人类的生存环境。另外，二氧化碳是作物光合作用的主要原料，其含量合适与否直接影响作物的生长。近年来，随着人们环保意识的增强，科技进步的进步，如何快速检测二氧化碳的含量，削减二氧化碳的排放，已成为各级政府和广大有识之士特别关注的问题，因此研究并设计二氧化碳检测电路具有十分重要的意义。

目前检测二氧化碳的方法主要有化学法、电化学法、气相色谱法、容量滴定法等，这些方法普遍存在着价格贵，普适性差等问题，且测量精度还较低。而传感器法具有安全可靠、快速直读、可连续监测等优点。目前各种检测用的二氧化碳传感器主要有固体电解质式、钛酸钡复合氧化物电容式、电导变化型厚膜式等，这些传感器存在对气体的选择性差、易出现误报、需要频繁校准、使用寿命较短等不足。而红外吸收型二氧化碳传感器具有测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点。为此本设计采用红外吸收型二氧化碳传感器，整个电路设计力求简单易用，快速直读，价格低廉。

1 检测电路的工作原理

1.1 红外吸收型二氧化碳气体传感器的工作原理〔1〕

红外吸收型CO2气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同浓度时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。因此通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的浓度。

根据比尔朗伯定律，输出光强度 、输入光强度 和气体浓度 之间的关系为：

（1）

式中 为摩尔分子吸收系数；C 为待测气体浓度；L 为光和气体的作用长度（传感长度）。对上式进行变换得：

（2）

通过检测相关数据就可以得知气体的浓度 。

　　图1  二氧化碳传感器探头结构

　　红外二氧化碳传感器探头结构如图1所示。是由红外光源、测量气室、可调干涉滤光镜、光探测器、光调制电路、放大系统等组成。红外光源采用镍铬丝，其通电加热后可发出3～10μm的红外线，其中包含了4.26μm处CO2气体的强吸收峰。在气室中，二氧化碳吸收光源发出特定波长的光，经探测器检测则可显示出二氧化碳对红外线的吸收情况。干涉滤光镜是可调的，调节他可改变其通过的光波波段，从而改变探测器探测到信号的强弱。红外探测器为薄膜电容，吸收了红外能量后，气体温度升高，导致室内压力增大，电容两极间的距离就要改变，电容值随之改变。CO2气体的浓度愈大，电容值改变也就愈大。

1.2 检测电路的设计原理

　　图2 检测电路原理框图

　　检测电路设计的原理框图如图2所示。

检测电路由红外二氧化碳传感器、数字滤波电路、放大电路、稳流电路、单片机系统、温度补偿等组成。设计的基本原理是红外二氧化碳传感器将检测到的二氧化碳气体浓度转换成相应的电信号，输出的电信号分别经过滤波、放大处理，输入到单片机系统，并经温度和气压补偿等处理后，由单片机系统输出送显示装置显示其测量值。

1.3 检测电路的设计

按照上述设计原理，设计的二氧化碳检测电路如图3所示。工作原理是首先由红外传感器将探测到二氧化碳气体的浓度并转换成电信号，滤波电路提取电信号并输出到放大电路，经过单片机系统处理后输出，再由74AC138送入显示电路，以实现对二氧化碳气体浓度的检测。

　　电路中由R1、R2、R3、R4、C1、C2和运放组成滤波电路〔2〕，在电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋于零时，由于C1的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，C2的电抗趋于零。这样就保证了当信号频率在趋于零和无穷大之间的任何一个值，滤波电路都可以正常提取相应的电信号。

滤波电路之后的放大电路，其作用是将滤波电路输出的信号放大到一定的程度，以便驱动负载。R6和C4串联构成校正网络用来对电路进行相位补偿。

单片机系统主要由MC14433和8031构成，MC14433是一种双积分A/D转换芯片，与8031单片机如图方式连接。MC14433的转换结果Q-Q接8031的P1.0-P1.3，选通输出脉冲DS1-DS4接8031的P1.4-P1.7。转换结果标志EOC，一方面接至更新转换控制信号输入线DU，另一方面接至8031的中断输入线INT1，表明单片机既可采用中断方式读入A/D转换的结果，也可以采用查询方式。结果送入74AC138并驱动数码管显示具体数值[3][4]。

2 检测处理程序流程框图

检测处理程序流程框图如图4所示。采用MCS系列汇编语言〔5〕编程，由于有硬件设计的保证，使得整个系统既可以工作在循环查询的方式，也可工作在中断管理的方式。

3 结束语

该设计已成功运用于延安市农科所花卉示范园，运行效果良好。实践证明本检测电路操作简单，数值显示，体积小便于携带，非常直观，连续快速检测，可随时检测室内、外各种场合二氧化碳气体的含量。

图4  检测处理程序流程图

　　本电路设计简捷，价格低廉，普适性强，克服了需要频繁校准、使用寿命较短、价格贵等不足。