《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 測試測量 > 設計應用 > 非分光紅外二氧化碳濃度測量儀的研究
非分光紅外二氧化碳濃度測量儀的研究
2016年微型機與應用第19期
王學水,張冉冉,池金波
山東科技大學 電子通信與物理學院,山東 青島 266590
摘要: 介紹了一種非分光紅外(NDIR)CO2濃度測量儀。從紅外輻射與紅外吸收的基本原理出發,以雙通道氣體吸收模型為基礎,結合傳感器技術,完成了以CO2濃度檢測功能為核心的理論分析;圍繞紅外光源和紅外探測器設計了驅動電路和信號處理電路,并把傳感器安裝在受保護的光路系統中;并且根據實驗所得數據改進了濃度計算方法。
Abstract:
Key words :

  王學水,張冉冉,池金波

 ?。ㄉ綎|科技大學 電子通信與物理學院,山東 青島 266590)

       摘要:介紹了一種非分光紅外(NDIR)CO2濃度測量儀。從紅外輻射與紅外吸收的基本原理出發,以雙通道氣體吸收模型為基礎,結合傳感器技術,完成了以CO2濃度檢測功能為核心的理論分析;圍繞紅外光源和紅外探測器設計了驅動電路和信號處理電路,并把傳感器安裝在受保護的光路系統中;并且根據實驗所得數據改進了濃度計算方法。

  關鍵詞:CO2檢測;非分光紅外;紅外傳感器

0引言

  二氧化碳作為大氣中重要的組成成分在人們的日常生產生活中起著極其重要的作用。電化學法、色譜法、光學吸收法等CO2濃度檢測技術在國內外已有成熟的應用,但把上述方法應用到民用電子,受應用環境、精度要求和成本等的限制,難以普及。非分光紅外法又稱非分散紅外吸收分析(NDIR),即由光源發出的光直接穿過試樣后通過濾鏡到達檢測器。基于NDIR的氣體濃度檢測設備具有穩定性好、體積小、響應時間快以及良好的便攜性等優點。

  目前,國內基于非分光紅外原理的CO2濃度測量儀的測量范圍為體積分數的3%~30%(30 000 ppm~300 000 ppm),測量電路和濃度計算方法適用于對應的濃度測量范圍,數據擬合方式為最小二乘法。對0~5 000 ppm濃度范圍的測量技術沒有專門研究,而5 000 ppm被認為是人對CO2長期耐受濃度的極限。本文應用非分光紅外技術,研究了室內低濃度范圍的CO2氣體的測量方法。

1檢測原理

  紅外CO2氣體濃度檢測技術是以朗伯比爾定律為理論基礎,根據雙通道氣體吸收模型來計算CO2的濃度。4.26 μm的紅外光是CO2氣體的一個吸收峰,但CO2氣體對4 μm的紅外光幾乎沒有吸收,如圖1所示。

圖像 001.png

  假設4.26 μm紅外光和4 μm紅外光的初始光強分別為Im0、Ir0,經CO2吸收后剩余光強分別為Im和Ir,由郎伯比爾定律可知:

  QQ圖片20161215144236.png

  CO2不會對4 μm紅外光造成衰減,前后光強近似相等。

  QQ圖片20161215144239.png

  式中,k為CO2氣體對紅外光的吸收系數,l為紅外光源到接收器的長度,將式(1)和式(2)相除后再取對數[1],可得:

  QQ圖片20161215144242.png

  于是求得濃度:

  QQ圖片20161215144245.png

  式(4)為濃度計算的基本公式,在把光強I轉換成電壓信號U的電路系統中,滿足關系:

  QQ圖片20161215144249.png

  QQ圖片20161215144253.png

  P1和P2與光柵透光系數和傳感器靈敏度有關,是與系統相關的常量。

  所以濃度計算公式可以表示為:

  QQ圖片20161215144256.png

  式中,U1為傳感器輸出的待測氣體光強對應電壓,U2為傳感器輸出的參考氣體光強對應電壓[2],式(7)中只有U1和U2是待測量,其余都是常量。進一步,根據對數函數的泰勒級數展開,保留到三次冪:

  QQ圖片20161215144259.png

  引入中間變量x,用來表示對參考氣體電壓和待測氣體電壓作比后取對數的近似值,U1和U2越接近,近似值越接近真實值,于是得到CO2濃度的近似計算公式:

  QQ圖片20161215144303.png

2系統設計及核心硬件實現

  紅外CO2氣體濃度測量儀的功能框圖如圖2所示,包括紅外光源、氣室、紅外探測器、放大電路、A/D采樣電路、LCD顯示電路和數據通信接口。紅外光源使用IRL715,波長范圍從可見光到5 μm,具有波長范圍寬、可靠性高、輸出穩定、時間常數短等優點。氣室與外界環境連通,紅外輻射垂直射入氣室,一部分被氣室中的氣體分子吸收,剩余部分透過氣室到達紅外探測器。

圖像 002.png

  紅外探測器選用TPS2534,它是基于熱釋電效應的一種熱探測器。該探測器是雙通道的,兩通道上分別裝有4.26 μm濾光片和4 μm濾光片,分別是待測氣體電壓通道和參考氣體電壓通道,紅外探測器完成光強到電壓的轉換。探測器外接信號放大電路,經放大后的電壓信號由A/D模塊轉換成數字信號后交由單片機處理。單片機通過內置算法求出氣室中CO2濃度,該數值通過LCD顯示器顯示出來。

  2.1光路安裝結構

  紅外CO2濃度探測器輸出信號的有效性和可靠性必須以科學合理的光路安裝結構為基礎[3]。如圖3所示,氣室外側是光路保護罩,它兩端留有紅外光源IRL715和紅外探測器TPS2534的安裝空間,但是兩者不能固定在這個保護罩上,必須以電路板為基板,將管腳焊接在電路板上。左側紅外光源的安裝空間實際是一個拋物面反光鏡,起到匯聚光線的作用。保護罩內側涂有反光材料,對紅外線幾乎沒有吸收作用。保護罩上端的透氣紗網和通氣孔保證了氣室與外界環境連通,氣室中CO2濃度等于環境中的濃度,同時避免粉塵等雜質進入氣室,對傳感器和光源起到保護作用,為系統的長期可靠性提供了保證。

圖像 003.png

  2.2紅外光源驅動電路

  紅外光源IRL715的工作電壓為+3.3 V,該電壓通過可控穩壓芯片ADP33303.3獲得,紅外驅動電路如圖4所示,芯片的導通和截止由管腳6控制。單片機程序控制紅外光源發光頻率為1 Hz、占空比為50%,保證光源輸出穩定光強的時間足夠長,方便檢測。

圖像 004.png

  2.3放大電路

  紅外探測器和熱電偶一樣都是應用了熱電效應原理,但熱釋電傳感器的熱電系數遠高于熱電偶。紅外探測器的輸出信號非常微弱,測量通道和參考通道上輸出的模擬電壓通常小于3 mV,疊加在直流電壓上,在A/D采樣之前,必須進行放大[4]。此電路中所用的運算放大器為圣邦微電子(SGMICRO)的SGM8554,它是四通道高精度運算放大器。

  待測電壓和參考電壓放大電路如圖5所示,兩路氣體放大電路是完全對稱的。很明顯,該放大電路是兩極放大,前后級間通過1 μF極性鉭電容實現信號耦合[5],其余電容都是濾波電容,消除信號中的噪聲干擾,前后級放大電路的結構和元件參數接近。

圖像 005.png

圖像 006.png

  經過放大后的待測電壓和參考電壓波形圖如圖6所示,光路、傳感器結構和電路組成的對稱性使得待測氣體電壓波形與參考氣體電壓波形相近。待測氣體電壓波形會隨CO2氣體濃度的變化而有所變化,參考氣體電壓波形不隨CO2濃度而變化,電壓之比接近于1,滿足式(8)的近似展開條件,與理論分析情形相符。

3實驗數據

  將實驗設備組裝調試后分別置于5組濃度不同的標準濃度CO2氣體中,溫度保持25℃的恒溫,得到5組實驗數據,如表1所示。表中的中間數據(ln(U2/U1))即式(9)中的x。

圖像 009.png

  將實驗數據在坐標系中標記出來,得到如圖7所示的散點圖,從趨勢看符合式(9)。應用最小二乘法擬合出參數,可得圖中所示方程。

圖像 007.png

  圖7所示方程在高濃度范圍偏離真實值較大,會帶來較大的測量誤差。為了減小誤差,根據測量數據,以上述測量點為線段端點,對濃度值與中間數據的關系進行分段處理,如圖8所示。線段在整個量程內分布均勻的前提下,線段越多,誤差越小。

圖像 008.png

  使用圖7所示的對應關系計算濃度,保持25℃恒溫,改變實驗環境中的濃度值,得到與之對應的儀表顯示濃度,如表2所示。實驗數據表明該方法在低濃度CO2氣體檢測中誤差較小。

圖像 010.png

4結論

  本文設計的非分光紅外二氧化碳測量儀適用于低濃度范圍的CO2濃度檢測,具體應用于室內CO2濃度的測量,設計中重點關注實用性、便攜性、經濟性,用非分光紅外檢測原理實現了CO2濃度檢測的理論分析和實物制作。結合雙通道氣體模型,推導出CO2濃度的計算公式和在低濃度范圍內的近似公式。選用12位A/D采樣電路完成信號的采樣處理,根據實驗數據用分段處理方法改進了濃度計算方法,減小了誤差。但外界環境的溫度變化也會導致紅外傳感器的輸出電壓發生變化,該誤差不能被參考氣體完全抵消,需要大量的實驗數據使溫度對誤差的影響在算法上得到修正。

  參考文獻

 ?。?] 張軍輝,董永貴.電調制型NDIR傳感器及信號處理方法的改進[J].清華大學學報,2008,48 (2): 189-191.

 ?。?] 李靜.紅外二氧化碳測量儀的研制[D].西安:西安理工大學,2011.

  [3] 常態華,蘇杰,田亮,等.檢測技術與應用「M].北京:中國電力出版社,2003.

 ?。?] 王學水,池金波,馬建玲.基于重力加速度傳感器的三維高斯計的設計[J].儀表技術與傳感器,2015(8):23-25.

 ?。?] 孫會麗. 談電容及其在模擬電路中的應用[J]. 電子世界,2013(2):34.

  


此內容為AET網站原創,未經授權禁止轉載。
热re99久久精品国产66热_欧美小视频在线观看_日韩成人激情影院_庆余年2免费日韩剧观看大牛_91久久久久久国产精品_国产原创欧美精品_美女999久久久精品视频_欧美大成色www永久网站婷_国产色婷婷国产综合在线理论片a_国产精品电影在线观看_日韩精品视频在线观看网址_97在线观看免费_性欧美亚洲xxxx乳在线观看_久久精品美女视频网站_777国产偷窥盗摄精品视频_在线日韩第一页
  • <strike id="ygamy"></strike>
  • 
    
      • <del id="ygamy"></del>
        <tfoot id="ygamy"></tfoot>
          <strike id="ygamy"></strike>
          欧美日韩在线观看一区二区| 亚洲日韩中文字幕在线播放| 久久精品国产亚洲一区二区| 欧美电影在线免费观看网站| 国产日产欧美精品| 欧美一区二区三区视频免费| 亚洲第一久久影院| 亚洲日韩中文字幕在线播放| 国内精品久久久久影院薰衣草| 久久久精品免费视频| 校园激情久久| 欧美人交a欧美精品| 亚洲日本成人| 亚洲视频香蕉人妖| 一区二区三区在线视频免费观看| 一区二区三区鲁丝不卡| 激情婷婷久久| 亚洲视频1区| 激情小说另类小说亚洲欧美| 免费一级欧美在线大片| 一区二区三区在线观看国产| 久久成人资源| 欧美精品18videos性欧美| 亚洲人成人一区二区三区| 欧美激情国产高清| 欧美在线短视频| 国产精品视频网址| 国产午夜精品久久久久久免费视| 欧美日韩18| 西瓜成人精品人成网站| 亚洲美女诱惑| 亚洲欧洲日产国产综合网| 亚洲精品久久久久久下一站| 欧美性事免费在线观看| 久久久久久有精品国产| 亚洲视频一区在线观看| 国产精品福利在线观看网址| 玖玖玖免费嫩草在线影院一区| 欧美精品免费观看二区| 在线欧美小视频| 亚洲国产电影| 亚洲激情另类| 欧美精品在线视频观看| 欧美不卡一区| 欧美国产精品专区| 免费91麻豆精品国产自产在线观看| 国产女主播一区二区三区| 中文欧美字幕免费| 免费观看一级特黄欧美大片| 欧美电影免费| 午夜精品在线| 翔田千里一区二区| 国产嫩草影院久久久久| 免费国产自线拍一欧美视频| 久久人人97超碰精品888| 亚洲一二三级电影| 国产精品日韩久久久| 亚洲国产专区校园欧美| 在线观看免费视频综合| 久久精品国产精品| 欧美国产丝袜视频| 午夜精品久久久久久久蜜桃app| 欧美大尺度在线观看| 日韩视频在线你懂得| 欧美深夜影院| 激情综合中文娱乐网| 欧美xxx成人| 欧美成人一区二区三区| 欧美国产第二页| 国户精品久久久久久久久久久不卡| 狠狠色丁香婷婷综合影院| 日韩亚洲欧美在线观看| 欧美多人爱爱视频网站| 久久国产精品一区二区三区四区| 亚洲电影免费观看高清完整版| 欧美电影免费| 欧美激情综合五月色丁香小说| 亚洲欧洲在线一区| 国产嫩草影院久久久久| 欧美在线视频a| 亚洲午夜黄色| 亚洲一区在线看| 136国产福利精品导航网址应用| 在线观看日韩专区| 久久国产精品一区二区三区| 欧美一区二区大片| 激情久久久久久| 久久成人资源| 亚洲午夜国产一区99re久久| 亚洲欧洲一区二区天堂久久| 亚洲欧美一区二区在线观看| 亚洲视频福利| 美女在线一区二区| 欧美一级片久久久久久久| 樱花yy私人影院亚洲| 亚洲高清激情| 欧美国产精品人人做人人爱| 亚洲精品久久久久久下一站| 久久香蕉国产线看观看av| 亚洲视频在线视频| 国产毛片精品视频| 一区二区三区.www| 亚洲激情综合| 亚洲免费伊人电影在线观看av| 亚洲男人av电影| 国产一区三区三区| 国内精品伊人久久久久av影院| 国内精品久久久久国产盗摄免费观看完整版| 欧美精品播放| 在线天堂一区av电影| 久久视频精品在线| 欧美一级成年大片在线观看| 一区久久精品| 久久国产免费| 香蕉久久久久久久av网站| 亚洲天堂视频在线观看| 在线欧美福利| 欧美一区在线看| 永久91嫩草亚洲精品人人| 欧美精品在线免费播放| 亚洲国产婷婷| 亚洲国产日韩欧美在线图片| 一区二区三区精品国产| 久热精品视频在线观看| 欧美成人嫩草网站| 欧美喷水视频| 久热精品在线视频| 噜噜噜躁狠狠躁狠狠精品视频| 亚洲激情国产精品| 亚洲性夜色噜噜噜7777| 一区视频在线播放| 国产精品日韩久久久久| 免费日韩一区二区| 久久精品国产综合精品| 日韩亚洲精品电影| 亚洲精品影院在线观看| 亚洲夫妻自拍| 欧美黑人国产人伦爽爽爽| 日韩一级二级三级| 欧美三级日本三级少妇99| 99精品国产高清一区二区| 亚洲欧美日韩天堂一区二区| 欧美涩涩视频| 亚洲男人的天堂在线观看| 欧美国产日本高清在线| 欧美午夜电影在线观看| 亚洲国产精品一区二区www| 久久久久**毛片大全| 欧美激情精品久久久久| 日韩视频在线一区| 欧美日韩亚洲高清一区二区| 久久久久久综合网天天| 一区在线视频观看| 国产日韩欧美一区二区| 久久在线91| 一区二区三区日韩精品| 国产精品永久| 国产亚洲精品一区二区| 欧美日韩性生活视频| 亚洲欧美另类久久久精品2019| 欧美激情第五页| 亚洲尤物精选| 亚洲第一区中文99精品| 美国三级日本三级久久99| 在线看日韩欧美| 久久精品国产欧美激情| 欧美日韩综合一区| 久久成人精品无人区| 欧美大学生性色视频| 欧美成人福利视频| 亚洲综合精品| 亚洲国产清纯| 一区在线观看视频| 亚洲国产裸拍裸体视频在线观看乱了| 136国产福利精品导航| 亚洲人午夜精品免费| 性做久久久久久久久| 欧美色道久久88综合亚洲精品| 欧美日韩一区在线视频| 日韩性生活视频| 亚洲小说春色综合另类电影| 久久精品国产精品亚洲综合| 久久久综合激的五月天| 亚洲理伦电影| 久久久久99精品国产片| 你懂的国产精品永久在线| 亚洲国产精品成人综合色在线婷婷| 亚洲国产成人精品女人久久久| 欧美国产一区在线| 欧美激情第一页xxx| 99精品国产高清一区二区| 国产精品一区三区| 亚洲欧洲精品一区| 一本一本久久a久久精品综合麻豆| 韩国av一区二区三区四区| 好看不卡的中文字幕| 亚洲自啪免费| 亚洲最新视频在线播放| 国产免费成人| 国产亚洲激情在线| 亚洲美女中出| 免费成人美女女| 欧美护士18xxxxhd| 国产亚洲二区| 香蕉视频成人在线观看| 精品成人在线观看| 国产精品视频网址| 国内揄拍国内精品久久| 日韩视频专区| 久久精品免费电影| 亚洲一区二区av电影| 亚洲欧美成人一区二区在线电影| 欧美午夜精品一区二区三区| 亚洲另类在线视频| 在线观看欧美一区| 亚洲免费精品| 亚洲专区一区二区三区| 亚洲国产乱码最新视频| 亚洲精品在线免费| 国产一区美女| 午夜亚洲伦理| 在线国产欧美| 亚洲电影一级黄| 免费成人高清| 黑丝一区二区三区| 欧美成人日本| 国产精品美女久久久免费| 亚洲精品自在在线观看| 欧美亚洲一区在线| 欧美日韩国产精品自在自线| 麻豆成人av| 亚洲欧美一区二区精品久久久| 欧美一区影院| 国产精品一区二区久激情瑜伽| 欧美日韩一区二区视频在线| 亚洲全黄一级网站| 欧美破处大片在线视频| 国产亚洲综合在线| 亚洲一区视频在线观看视频| 亚洲一级二级| 久久精品国产一区二区电影| 中国女人久久久| 亚洲精品午夜| 你懂的视频欧美| 欧美久久九九| 午夜精品在线看| 精品成人一区二区| 欧美69wwwcom| 99视频有精品| 久久亚洲综合色一区二区三区| 欧美日韩免费高清一区色橹橹| 欧美日韩国产在线一区| 亚洲天堂久久| 在线观看欧美视频| 韩国av一区二区三区| 一区二区三区产品免费精品久久75| 欧美一区二区三区在线看| 国产视频在线观看一区二区| 欧美黑人在线观看| 最新中文字幕亚洲| 国产精品一区2区| 日韩视频免费在线观看| 在线观看成人小视频| 亚洲午夜激情网站| 影音先锋成人资源站| 亚洲欧洲在线视频| 9国产精品视频| 日韩午夜精品| 免费观看一级特黄欧美大片| 欧美日韩一级片在线观看| 最新热久久免费视频| 黄色av日韩| 欧美电影免费观看| 亚洲性感美女99在线| 欧美视频一区在线| 久久综合狠狠| 国内精品视频在线观看| 亚洲激情国产精品| 国产午夜精品一区二区三区视频| 久久九九有精品国产23| 亚洲国产高清自拍| 亚洲高清123| 国产美女精品免费电影| 午夜免费在线观看精品视频| 午夜精品久久久久久99热| 久久国产精品一区二区| 亚洲欧美在线视频观看| 欧美精品高清视频| 欧美精品激情在线观看| 中文国产一区| 黄色一区二区三区| 午夜精品福利一区二区蜜股av| 亚洲婷婷国产精品电影人久久| 国产亚洲在线观看| 欧美日韩高清一区| 麻豆成人91精品二区三区| 99视频精品全国免费| 久久不射2019中文字幕| 久久精品中文字幕一区二区三区| 久久精品一区二区三区中文字幕| 99re亚洲国产精品| 国产综合在线视频| 欧美日产一区二区三区在线观看| 国产一区二区三区在线观看精品| 欧美视频中文字幕| 日韩午夜一区| 国产日韩欧美夫妻视频在线观看| 欧美日韩国产专区| 老司机免费视频一区二区三区| 欧美大片18| 欧美激情视频网站| 久久精品电影| 欧美午夜精品久久久久免费视| 一区二区三区导航| 国产精品日日摸夜夜添夜夜av| 亚洲国产日韩欧美一区二区三区| 国产精品视频精品视频| 国一区二区在线观看| 欧美日韩黄视频| 欧美亚洲不卡| 正在播放亚洲| 国产在线精品一区二区中文| 在线成人亚洲| 亚洲精品在线视频| 久久精品在线播放| 欧美国产先锋| 亚洲国产激情| 日韩视频在线免费|