红外吸收型气体传感器详解

传感器的结构设计
优点： (1)选择性好 (2)不易受有害气体的影响而中毒、老化 (3)响应速度快、稳定性好 (4)防爆性好 (5)使用寿命长、应用范围广
四、甲烷浓度检测仪
系统设计
1、气室长度
为了提高传感器的灵敏度，需要尽量增加气室的长度，以保证红外辐射被气 体充分吸收，然而随着气室长度的增加，探测器输出的强度也逐渐减小。考 虑到上述两方面的要求，气室的长度定为 4cm。
1
因为通入气体室的红外光来自同一光源，并且检测通过气体室后的 红外光强的传感器特性相同，所以由于红外光源的波动、温度漂移、器 件的漂移等因素对两路实验的影响是相同的，待测气体的浓度的大小与 二者的比值成正比，这样以上因素对两路信号的影响就抵消掉了，降低 了测量的误差，从而提高了检测结果的准确性。
双波长单光路法
红外吸收型气体传感器
目录
• • • • • • 一、目的和意义 二、含义及主要分类 三、原理分析 四、甲烷浓度检测仪 五、实验分析 六、最新消息
一、目的和意义
• 众所周知，气体与我们的日常生活紧密相 关，随着科学技术的进步和人民生活水平 的不断提高，气体检测在人们日常生活、 农作物种植、资源开发以及环境保护等方 面的作用越来越大。
硬件电路
红外吸收型甲烷浓度测量仪以美国微芯公司的 PIC16F877 单片机为控制核心。 整体电路主要以下几部分组成：MCU、 系统电源电路、光源驱动电路、基本放大电路、驱动显示电 路ZLG7290、声光报警电路、人机接口电路和光源驱动电路。
光源驱动电路
采用 555 定时器发出 1Hz的方波来驱动光源
' I 1( ) I0 ( ) exp( KCL ) I 2( ) I 0( )
两个气体室的红外光由同一光源发出，并且通过气体室前的光强相同， 即 ' 0 0
I () I ()
I 1( ) exp( KCL ) I 2( )
从而可得
I 2( ) C ln KL I 1( )
从上表可以看出，系统绝对误差最大值为0.04，相对误差最大值为0.9%，满足 气体检测仪性能指标的要求。
六、最新消息
高性能模拟IC和传感器供应商艾迈斯半导体(ams AG)本月宣布D-Link推 出的新型带摄像头Komfy™开关选用其iAQ-core室内空气质量模块。iAQcore 是一款小型的低功率气体传感器模块，可非常精确地检测室内空气 质量。它采用基于微机电系统(MEMS)的VOC传感元件，可通过一个I2C接 口输出以ppb为单位的总挥发性有机物(TVOC)含量和以ppm为单位的CO2等 效值，以此来反应室内环境中常见的污染物的环境变化水平。 日前，Cambridge CMOS Sensors(CCS)即推出了其超低功耗微型气体传感 器产品系列CCS800的首款数字产品CCS811，该款产品主要用于监测室内 空气质量。据了解CCS811将金属氧化物气体传感器和微控制器子系统集 成在一起，从而使得智能手机、可穿戴设备和联网家用设备能够实现室 内空气质量(Indoor Air Quality，IAQ)监测，并简化了设计，延长了电 池续航时间，缩减了系统成本。该传感器基于CCS独有的微加热板技术， 与传统的金属氧化物气体传感器相比，CCS811提供高度可靠的气体传感 器解决方案，以及快速的测试周期，显著地降低了平均功耗。
三、原理分析
红外光谱法
由于不同气体具有自己独特的分子结构，即具有自 己的红外吸收光谱带，并且气体对红外光的吸收强 度也与其浓度有关，浓度越大，气体对红外光的吸 收强大越大。因此通过检测通过气体室前后的光强 即可测得气体的浓度。
• Lambert-Beer定律 待测气体对红外光的吸收服从Lamber-Beer 定律，入射光强度I和出射光强度I’关系表达 式如下： I’(λ)=I(λ)exp(-KCL)
2、光源选择
激光红外光源、发光二极管、白炽灯
德国PerkinElmer 公司的 IRL715 中红外光源,是一种白炽灯泡，它发出 的光覆盖可见光到 4.4μ m 的波段，于甲烷在 3.3μ m 附近存在强吸收峰， 所以它适合作为红外甲烷气体传感器的红外辐射激励源。直径只有 3.17mm， 采用玻璃封装，额定工作电压为 5V 额定电流为 115mA。
2、差分检测法
单波长双光路法
红外光源发出的光分成两路分别进入待测气体室和参考气体室，参考气 体室内一般装入的是不含待测气体的空气。
I 1( ) I 0( ) exp( KCL ) I 2( ) I 0'( ) exp( KC 'L )
C’为参考气体室中待测气体的浓度，所以C’=0.
通信电路
在要求通信趾离为几十米到上千米时，广泛采用RS一485串行总线标准。 RS一485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上 总线收发器具有高灵敏度，能检测低至20OmV的电压，故传输信号能在千 米以外得到恢复。
声光报警电路
NPN三极管采用9013进行 驱动,其中Rl一R4为限流电阻， 防止蜂鸣器和发光二极管电 流过大烧坏元器件。
I’(λ):出射光强度 I(λ):入射光强度 K:比例系数 C:待测气体浓度 L:红外光透过气体的厚度
对于一个固定的气体室来说，K和L的值是确定的
范围： (1)吸光质点之间无相互作用 (2)吸光物质为均匀非散射体系 (3)辐射与物质之间的作用仅限于光吸收，无 荧光和光化学现象发生
基本测量方法
1、直接吸收检测法
二、含义及主要分类
定义：气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人 员、仪器仪表、计算机等利用信息的装置。 主要产品： 1、半导体气体传感器
2、电化学气体传感器
3、催化燃烧式气体传感器 4、固体电解质气体传感器
………….
红外气体传感器
红外气体传感器是一种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。 特点： 应用广泛 灵敏度高 稳定性好 不易中毒 ………………….
软件设计
主要为：驱动程序、显示程序、数据处理程序、仪表功能程序
五、实验分析
系统零点标定
实验使用纯氮气进行零点标注。向气室内通入一定时间的氮气后，气室 内的CH4气体浓度将会变为O，此时的传感器输出电压值即为仪器的零点 电压值，将此电压值存入系统存储器内，供数据处理调用。
系统重复性实验
所谓重复性是指在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所 得结果之间的一致性。在同一标气和环境温度条件下对该分析仪进行重 复性分析。采用2%的甲烷标准气体通入检测气室，等待系统运行正常的 情况下，每分钟一记录一次数据，连续记录十组数据，
十次测量平均值：
x
x 1 x 2 ... x 10
10
2.011
(x )
2 ( x x ) i
n
iຫໍສະໝຸດ Baidu1
n 1
把测量数据代入得到标准差值等于0.0195 正态分布值均匀，仪器测量重复性好，满足 实际测量要求。
系统准确性实验
选用几种不同浓度的标准甲烷气体(0一5%)来检测该仪表的准确度，如下 表所示为同一温度环境下不同浓度的标准CH4气体测量数据表
谢谢
3、红外探测器的选择
红外光子探测器：光导探测器、光伏探测器、光电磁探测器
红外热探测器：热敏电阻型探测器、热电偶型探测器、热释电型探测 器。 光子探测器具有波长的选择性，光谱响应范围比较小，单一种类的光 子探测器不太适合多波段红外光的测量。热释电探测器具有探测率高、频 率响应范围宽、响应速度快等优点，因此甲烷传感器采用双光路热释电探 测器 PYS 3228。 PYS 3228 是具有参考通道和测量通道的双路热释电探测器。其内部 集成了两个将红外辐射能量转化为电压信号的焦热电元件，在封装外壳开 了两个窗口，在两个焦热电元件前分别装配了两个窄带滤光片，中心波长 分别为3.39μ m 和 4μ m。