CN200996966Y - 二氧化碳气体浓度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种二氧化碳气体浓度传感器，由信号采集单元、信号取样电路、放大滤波电路和整形电路构成；信号采集单元负责采集空气中的二氧化碳的浓度信号，然后将采集到的信号输入信号取样电路，减小信号输出的输出电阻，然后经过放大和滤波电路进行电信号放大，并且由滤波电路滤除工频和其它频率的干扰信号，得到有效的二氧化碳浓度信号，然后将信号通过整形电路处理得到方波脉冲信号。本实用新型结构简单、生产成本低、价格低廉，分辨率高、抗干扰能力强、测量简便。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种二氧化碳气体浓度传感器。
技术背景
二氧化碳气体浓度在工业、农业、环保、医疗卫生等方面都是一个重要参数，二氧化碳浓度的测量越来越受到人们的重视。现有的二氧化碳浓度测试仪主要采用红外二氧化碳传感器、电化学二氧化碳传感器。其中红外二氧化碳传感器测量速度快、精度高、价格昂贵。而电化学二氧化碳传感器测量速度慢，精度低，已不适用于现在的二氧化碳测量仪器。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种廉价而实用的二氧化碳浓度传感器，降低仪器的成本及售价。
本实用新型所利用的基本原理是：光谱分析表明一定浓度的二氧化碳气体具有很强的吸收4.25μm波长红外光的能力，气体中二氧化碳浓度越高，吸收4.25μm红外光的能力越强。如果气室一端设置一个4.25μm的红外光源，一端设置一个红外传感器，则红外传感器输出的信号将与二氧化碳浓度成一定的比例关系。但是产生4.25μm红外光源是一件很困难的事情，现有产品采用的是利用产生4.25μm红外光源的发光管，但这种发光管的价格极其昂贵。本实用新型的方案是：气室的一端设置一个普通白光光源，气室的另一端设置一个附加仅通过4.25μm红外光的滤波片和一个普通的国产红外传感器。由于白光光源所含4.25μm的红外光极少，红外传感器输出的与二氧化碳浓度成比例的信号很弱。因此必须解决以下问题才能获得与二氧化碳浓度成比例的信号：
1.将与二氧化碳浓度成比例的信号放大数千倍。
2.滤掉与二氧化碳浓度无关的信号，克服干扰信号所带来的误差。
3.解决温漂、零漂的影响。
4.解决红外传感器受空气流动变化以及光强变化产生测量误差的问题。
为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案是，二氧化碳气体浓度传感器由信号采集单元、信号取样电路、放大滤波电路和整形电路构成；信号采集单元负责采集空气中的二氧化碳的浓度信号，然后将采集到的信号输入信号取样电路，减小信号输出的输出电阻，然后经过放大和滤波电路进行电信号放大，并且由滤波电路滤除工频和其它频率的干扰信号，得到有效的二氧化碳浓度信号，然后将信号通过整形电路处理得到方波脉冲信号。通过这一系列的措施，本实用新型获得了比较理想的和二氧化碳浓度相关的方波脉冲宽度信号。
所述信号采集单元由普通白光光源和红外传感器构成，传感器接受窗前安装4.25μm滤波片，外部再装上一个保护罩，保护罩上有一透光薄膜孔与传感器的接受点对应；光源的电源由振荡器产生，产生周期为3s的占空比为50％的方波，光源的聚光点对应红外传感器的接受窗，灯泡与传感器之间的距离在10-15cm之间可调。基本工作原理如下：红外传感器感应的信号是红外光强的变化，输出的信号与红外光强变化成一定的比例。传感器外的保护罩克服了空气流动及其他光源(太阳光、室内灯光等)对传感器输出的影响。
本实用新型的有益效果有：
分辨率高。本实用新型中各级运放的放大倍数是反复调整的，并通过RC去藕处理防止外部干扰和低频自激，利用超低通滤波器有效的滤去信号的直流分量和工频及高频干扰，最后两级运放完成信号的调整，保证了信号的有效性。同时，通过采用对二氧化碳浓度传感器输出信号测脉宽技术，能有效的克服温漂、零漂带来的影响，并且大大提高了信号的分辨率。若采用测量波形幅值的大小的方法，那么温漂的影响将很难去克服，同时，这种方式将信号通过A/D转换电路得到一个相应的数值，若A/D转换电路的输入信号为0～5V，输出为10位数字量，当输入幅值为5V时，对应的二氧化碳浓度为4000PPM，A/D转换输出为1024，则其分辨度为4000/1024PPM，其精度则和A/D转换器的精度密切相关。如果采用测脉宽技术，信号的周期为3s，而对信号的脉宽是以us为单位计数的，我们通过测试所得两组数据列表如下：
| 二氧化碳2浓度/PPM | 信号脉宽/us | |
| 第一组 | 554 | 2029994 |
| 第二组 | 972 | 2280744 |
可见其分辨率为418/250750PPM，比采用测量幅值所获得的分辨率有非常大的提高。
采用国产传感器。采用国产传感器，据尼塞拉公司的介绍，曾经也有开发人员购买他们的传感器开发二氧化碳浓度测试仪，但似乎都未成功。本实用新型对国产传感器增加了塑料隔热封装后较好地解决了采用国产传感器制造二氧化碳浓度传感器的困难。
实用性好。由于采用了一系列软硬件技术措施，本实用新型简单实用，可以应用在工业、农业、环保、食品加工等各行各业。
成本低廉。由于采取了各种有效措施，本实用新型的结构得到简化，所以本实用新型成本低，批量生产后与同类产品相比具有价格优势，并且适合工农业和环保等场合的实际应用。表2是硬件成本统计表。
表1成本核算表
| 器件名称 | 价格/元 | 备注 |
| 红外传感器 | 120.00 | |
| 运算放大器4×1.50 | 6.00 | |
| 印刷电路板 | 15.00 |
| 灯泡 | 0.5 | |
| 整流管4×0.5 | 2.00 | |
| 电阻电容 | 4.00 | |
| 气室支架 | 10.00 | |
| 合计 | 157.5 |
推广性强。本实用新型采用的红外检测技术，可以方便地移植到对其它气体的测量和控制方面。
附图说明
图1是本实用新型二氧化碳气体浓度传感器结构框图。
图2是本实用新型二氧化碳气体浓度传感器信号采集单元结构示意图。
图中，1.左支架，2.聚光白炽灯，3.透光薄膜，4.保护罩，5.右支架，6.滤波片，7.红外传感器。
图3是本实用新型二氧化碳气体浓度传感器信号取样电路、放大滤波电路和整形电路的电路图。
图4是本实用新型二氧化碳气体浓度传感器测试所获得的一组与二氧化碳浓度成比例关系的波形图。图4a’、图4b’、图4c’为二氧化碳气体浓度传感器感应二氧化碳不同浓度时经过数千倍放大滤波措施后输出的信号波形图，图4a、图4b、图4c为对应a’，b’，c’经整形后得到的方波信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详细说明。
实施例：如图1、3所示，二氧化碳气体浓度传感器由信号采集单元、信号取样电路、放大滤波电路和整形电路构成；信号采集单元负责采集空气中的二氧化碳的浓度信号，然后将采集到的信号输入信号取样电路，减小信号输出的输出电阻，然后经过放大和滤波电路进行电信号放大，并且由滤波电路滤除工频和其它频率的干扰信号，得到有效的二氧化碳浓度信号，然后将信号通过整形电路处理得到方波脉冲信号。如图3所示，信号采集单元由普通白光光源2和红外传感器7构成，光源2采用聚光白炽灯，传感器7采用上海尼塞拉公司的双元热释电红外传感器，传感器接受窗前安装4.25μm滤波片6，外部再装上一个保护罩4，保护罩上有一透光薄膜孔3与传感器的接受点对应；光源的电源由振荡器产生，产生周期为3s的占空比为50％的方波，光源的聚光点对应红外传感器的接受窗，灯泡与传感器之间的距离在10-15cm之间可调。
本实用新型的基本工作原理如下：聚光白炽灯的电源由振荡器产生，产生周期为3s的占空比为50％的方波。红外传感器感应的信号是红外光强的变化，输出的信号与红外光强变化成一定的比例。传感器外的保护罩克服了空气流动及其他光源(太阳光、室内灯光等)对传感器输出的影响。从热释电器件得到的二氧化碳信号极其微弱，干扰信号还是存在的，为获得正确的二氧化碳信号，我们将此信号通过信号处理单元，克服了干扰信号的影响，实现了信号的多级放大和整形。第一级运放构成电压跟随器，完成对信号的取样，减小了信号输出的输出电阻，由电阻R3，电容C2构成了一个截止频率为0.4Hz的低通滤波器，用来滤除工频及高频干扰，而C3用来滤除信号中无用的直流分量。第二、三级运放则是基本放大电路，在运算放大器OP07的1和8管脚间串有一20K电位器，这样可以实现信号的微调，使信号波谷正好过零为负。第四级运放是一个过零比较器，信号通过这一级之后整形为方波信号，同时有效的克服了温漂、零漂带来的影响。当电位器R17、R18阻值固定时此信号的宽度即反映了二氧化碳浓度的情况，如图4所示，即为二氧化碳不同浓度时的方波信号。图中R14与C1，R15与C5，R16与C6均用作切断后级强信号与前级弱信号之间的交流通路，以达到克服电源串扰的问题，同时为了更进一步减小噪声，R2、R3、R4、R5、R6、R7均应选用金属膜电阻，R14、R15、R16均应采用绕线电阻。放大电路采用价格低廉而性能优异的放大器OP07，由于线路不可避免地受到工频干扰，且有用信号的频率较低，所以电路中采用了超低通滤波电路。通过这一系列的措施我们得到了一个非常好的反映二氧化碳浓度的方波脉冲信号。
用本实用新型二氧化碳气体浓度传感器，测量一组已知浓度的二氧化碳气体，得到其对应的方波信号的脉冲宽度，再用曲线拟合方法求得反应方波信号的脉冲宽度与二氧化碳浓度值对应关系的数学模型(经验公式)。用该方波信号的脉冲宽度与二氧化碳浓度值的对应数学模型(经验公式)，即可将本实用新型传感器测得的方波信号换算成相应二氧化碳浓度。
本实用新型不局限于上述实施方式，将光源，传感器，信号处理单元中的元器件改变成其它形式但功能相同的光源，传感器，信号处理单元中的元器件都是本实用新型的一种变型，均应认为在本实用新型保护范围之内。
Claims (2)
1、一种二氧化碳气体浓度传感器，由信号采集单元、信号取样电路、放大滤波电路和整形电路构成；其特征是：信号采集单元负责采集空气中的二氧化碳的浓度信号，然后将采集到的信号输入信号取样电路，减小信号输出的输出电阻，然后经过放大和滤波电路进行电信号放大，并且由滤波电路滤除工频和其它频率的干扰信号，得到有效的二氧化碳浓度信号，然后将信号通过整形电路处理得到方波脉冲信号。
2、根据权利要求1所述的二氧化碳气体浓度传感器，其特征是：所述信号采集单元由普通白光光源2和红外传感器7构成，传感器接受窗前安装4.25μm滤波片6，外部再装上一个保护罩4，保护罩上有一透光薄膜孔3与传感器的接受点对应；光源的电源由振荡器产生，产生周期为3s的占空比为50％的方波，光源的聚光点对应红外传感器的接受窗，灯泡与传感器之间的距离在10-15cm之间可调。
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