《电子技术应用》
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NDIR二氧化碳气体传感器设计
电子技术应用
杨绍松,刘同庆
无锡芯感智科技股份有限公司
摘要: 传统的CO2检测系统存在体积较大、难以集成、可靠性低以及精度差等问题,难以满足消费电子领域以及车用领域的应用需求。为了解决以上问题,以红外光源、气室、双通道热电堆探测器和单片机为核心,设计了一款具有温度补偿功能的高精度高可靠性的CO2气体传感器模组。在结构方面,创新性地采用了反射式的气室结构,显著提高了系统集成度,成功实现了传感器微型化;在硬件设计方面,采取磁珠、电容器、屏蔽层等多种抗干扰措施,提高了模组的稳定性;在软件方面,采用比值标定法建立温度补偿模型,从而消除环境温度的干扰。实验结果表明,在-20 ℃~50 ℃温度下,0~5000 ppm浓度范围内,该传感器最大检测误差小于3%,响应时间不超过2 min,具有精度高和响应快等优点。
中图分类号:TP212 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256686
中文引用格式: 杨绍松,刘同庆. NDIR二氧化碳气体传感器设计[J]. 电子技术应用,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

在室内空气污染中,CO2气体是最常见但又最常被忽视的有害气体之一。通常,大气中CO2气体的含量大约为0.03%体积分数,此含量不会对人体造成不良影响。但在封闭室内环境中,CO2浓度会上升,当其浓度达到1 000×10-6以上时,即会导致人体疲劳,当浓度高于5 000×10-6时,更将对人脑造成不可逆的损伤[1-2]。因此,对于CO2气体浓度的监测变得愈发重要。目前,最为常见的CO2传感器是基于非分光红外技术(NDIR),具体原理是气体分子会被特定波长红外光吸收,吸收率与气体浓度呈正相关。这种检测原理解决了传统电化学气体传感器精度低、寿命短的问题,具有精度高、可靠性好、寿命长等优点。2006年,Frodl及其团队研制了一种新的高精度光谱气体传感器,用于测量汽车应用的恶劣环境条件下的二氧化碳浓度(CO2)[3]。2013年,Zhao等人设计了一款具有十字交叉型气室的呼吸CO2气体传感器,该装置采用了气路与光路垂直交叉的气室结构,可以实时检测通过气道气流的CO2气体浓度[4]。2017年Scholz等人设计了一款小型化低成本CO2气体传感器,该传感器内部采用了LED光源与光声探测器,且设计了椭球型气室,传感器较为小型化,主要用于移动设备[5]。2021 年,Jung及其团队在研究中提出了一种具有外曝光光学腔的NDIR CO2传感器用于提高灵敏度[6]。

本文提出一种基于NDIR原理的双通道红外CO2传感器。该传感器包含单光源、反射型镀铬气室、双通道热电堆探测器、外围电路等。为减小环境因素带来的传感器示数误差,采用双通道热电堆探测器,将测试通道与参考通道的电压比值作为修正输出信号,建立了其与气体浓度间的函数关系,提高了传感器精度。同时进行了温度补偿,以克服环境温度引起的误差,减小了传感器的温度漂移。最终实现在0~50 ℃温度范围中,气体浓度在0~5 000×10-6内时,传感器最大测量误差小于50×10-6+5%读数。与现有测量方法相比,该方法具有稳定性好、寿命好、精度高、抗干扰能力强等特点,满足了室内、车内、空调系统等场景CO2浓度监测的需求。


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作者信息:

杨绍松,刘同庆

(无锡芯感智科技股份有限公司,江苏 无锡 214000)


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