具有温度补偿的非分光红外CO2传感器设计.docx
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"具有温度补偿的非分光红外CO2传感器设计" 在本文中,我们将讨论一种新的非分光红外CO2传感器设计,该设计采用STM32单片机作为控制核心,通过信号处理电路将传感器信号经过处理之后,利用ADC采集输出信号的峰峰值,并根据浓度拟合公式和温度补偿公式转换为气体浓度数据。 首先,让我们来了解CO2的重要性和检测的必要性。CO2是大气中的一种重要成分,然而其浓度的增加会导致全球气候变暖、极端天气频现等一系列问题。因此,CO2浓度检测成为了当今人们生活生产的安全保障要求之一,具有良好的应用前景。 在过去的几年中,有许多研究人员设计了各种CO2传感器,例如Hodgkinson J在2017年设计了一款圆柱形CO2传感器,实现了最低1 ppm的检测;2019年,德黑兰大学采用聚类(甲基丙烯酸甲酯)PMMA基通道和PDMS聚合物研制出超低功耗的CO2传感器。国内相比国外虽起步较晚,但各大高校与研究所积极支持和发展各类传感器,现已实现较大进步。 本设计中,我们采用基于热释电的红外CO2传感器工作原理,利用红外辐射的特性来检测CO2的浓度。该原理为当红外辐射入射在气体分子上时,当红外线的波长与分子的自然频率或共振相匹配时,会引起分子振动能级间跃迁。非分光红外检测气体是根据所检测气体的原子振动频率及其跃迁能量的唯一性,即当一束具有连续波长的红外光透过待测气体时,气体会吸收相应波段的红外光,从而衰减了此波段的红外光能量,根据进出气室的红外光强不同进一步推出环境中气体分子的浓度。 然而,该吸收关系符合朗伯-比尔定律,但在实际的测试中,如果直接使用该定律进行计算,由于环境温湿度对其吸收系数影响较大,所得出的CO2浓度将不准确。因此,我们采取用标准CO2气体标定的方法,建立气体浓度值与电压峰峰值的关系,通过函数拟合得到气体浓度与电压值的函数。 在气室设计方面,我们利用SolidWorks建立气室的三维模型,然后将整个模型导入TracePro中,对气室进行仿真。所设计的气室结构为椭球形,椭球形具有和椭圆相似的光学特性,即由一个焦点射出的光线经过椭球壁反射后必定经过另一个焦点。所建立的气室及光线效果,如图1所示,气室具有体积小、光程适中的特点,通过对其内壁进行镀金处理,在一定程度上减小了光线传播过程中的损耗,总体直径为22 mm,椭球气室长半轴为10 mm,光程为16 mm。 在软件设计方面,我们采用STM32单片机作为控制核心,通过信号处理电路将传感器信号经过处理之后,利用ADC采集输出信号的峰峰值,并根据浓度拟合公式和温度补偿公式转换为气体浓度数据。该系统具有良好的可用性和稳定性、可扩展性以及模块间的低耦合性。 本文设计了一款体积小、便携的CO2检测系统,具有良好的检测性能和可扩展性,能够满足防火报警、矿下监测等场合的安全需求。
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