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使用熱釋電傳感器的氣體檢測技術

2021-07-07 來源:EEWORLD

氣體檢測應用


氣體檢測在許多工業和商業應用中都是重要方面。我們家中有氣體探測器,可以保護我們免受煙霧和一氧化碳侵害。氣體檢測可以涵蓋許多其它潛在來源,包括二氧化碳、二氧化氮和幾種麻醉氣體,其應用包括用于醫療診斷的二氧化碳排出量測量(稱為二氧化碳分析)、智能建筑中的空氣質量測量以及商用便攜式氣體分析檢測器等。


本文將介紹使用熱釋電傳感器的氣體檢測,并著重說明為什么這種方法比使用熱電堆更有好處。基于熱電堆的感測技術存在多個問題,例如穩定(settling)時間長,測量時間長以及對環境變化的敏感性等。我們將以紅外測量為重點解釋氣體檢測背后的原理,并討論這種方法的優勢。還將展示一種完整的系統方法,即通過I2C連接的傳感器連接到微控制器主機。


氣體檢測無處不在,在家里,煙霧和一氧化碳傳感器可為我們提供了保護,現代化辦公室通過監測二氧化碳水平來保持空氣質量的清新,工廠使用探測器來監測許多不同的氣體,以實現過程控制和安全。電池電量監測是電動汽車最新近安全應用的一個實例。電池產生的氣體可作為過載或異常運行的早期信號,之后可能發生一些溫度變化。醫院和醫療機構在各種臨床和診斷設備中也使用氣體檢測傳感器,一個應用實例是二氧化碳分析儀,這是一種便攜式裝置,可用于檢測患者呼出的二氧化碳量。二氧化碳分析儀可以全面評估患者的呼吸和新陳代謝情況,這些經常在急診室和急救人中使用。便攜式手持式二氧化碳分析儀由電池供電,特別是在事故和緊急情況下使用時,需要快速、準確地給出結果。


氣體檢測方法


氣體檢測涉及針對特定氣體存在時的紅外線(IR)傳感器,由于不同氣體在某些特定波長處吸收更多的紅外光能量,因此可以分析通過氣體時的能量變化來檢測氣體類型。氣體分子從紅外源吸收能量,變得更容易運動,并處于激發狀態,從而產生熱量,這些特定氣體的濃度越高,吸收的紅外能量越多。


傳統上,二氧化碳分析儀等氣體檢測設備是采用熱電堆傳感器。熱電堆傳感器使用熱釋電偶來檢測氣體分子中的溫度變化,并生成與特定待檢測氣體濃度成比例的電壓輸出。


但是,熱電堆傳感器需要長達2分鐘的穩定時間,也就是從設備啟動,直到傳感器達到穩定,然后才可能進行測量。另一個考慮因素是測量時間可能超過200毫秒。測量時間看起來不是非常長的持續時間,但是,對于電池供電的設計,傳感器的運行時間肯定會對功耗曲線產生負面影響,需要頻繁更換電池或充電。熱電堆運行時需要額外的模擬電路,從而也增加了開發工作量和BOM成本。


氣體檢測的熱釋電方法是利用熱釋電效應,通過檢測接收到的紅外輻射量變化來創建輸出電壓。


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圖1:從熱釋電氣體傳感器的結構可看出主要組件。(來源KEMET)


圖1所示為一個在近紅外光譜中工作的熱釋電氣體傳感器。紅外光源通過封閉的腔室到達傳感器,光譜濾光片可以隔離光譜以匹配要檢測的氣體,并提供參考通道。從光源發射的紅外光與傳感器接收到的紅外光之間的差異能夠計算出氣體的濃度。其中使用兩個IR檢測器,一個用于測量參考信號以確定其傳輸的能量,另一個用于檢測通過特定氣體后的能量。


圖2突出顯示了使用熱釋電傳感器呼吸分析儀應用示例。脈沖紅外光源通過氣體管路和透射窗將紅外能量傳輸到兩個熱釋電傳感器,一個傳感器提供波長為3.9 μm的參考通道信號,第二個傳感器用于檢測4.26 μm的CO2波長。


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圖2:用于呼吸分析的CO2傳感器示例。(來源KEMET)


采用熱釋電傳感器設計二氧化碳氣體檢測系統


一個示范性的CO2氣體傳感器是KEMET  USEQGSEAC82180。KEMET的QGS系列薄膜數字接口熱釋電傳感器采用緊湊的表面貼裝設計,具有極低的功率,它們執行氣體測量的速度比基于熱電堆的檢測器快15倍。由于壓電(PZT)材料的低熱質量,它們能夠非常快速地進行測量,并幾乎立即可以進行初始化。而且,與基于熱電偶的熱電堆相比,基于PZT的傳感器使用壽命更長。而且由于不需要額外的模擬電路,數字I2C接口可提供連接至微控制器主機的便捷方法。通過I2C接口連接的可編程ASIC器件集成在傳感器內部,從而可以完全控制和配置模擬濾波器、放大器增益以及模數轉換等器件參數。


與熱電堆方法相比,利用KEMET的高靈敏度、快速響應時間壓電傳感器進行氣體檢測可降低功耗,延長電池使用壽命以及產品壽命周期,并降低維護成本。


QGS傳感器系列提供兩種運行模式:正常模式最大采樣速率為1 kHz,或者低功耗模式最大采樣速率為166 Hz。在正常模式下,典型功耗為22 μA,而在低功耗模式下僅為3.5 μA。掉電模式會禁用傳感器,并將電流降低至為1.1 μA的典型值。


QGS傳感器系列將所有關鍵的模擬信號鏈組件集成到一個封裝中,并使用行業標準的I2C接口,極大地簡化了電池供電二氧化碳分析儀所需的低功率CO2傳感器的構建。


傳感器讀數存儲在可通過I2C接口訪問的多個寄存器中,整個測量和信號處理過程均由傳感器內部進行管理,而不會給主機MCU增加任何資源負載。


完整的二氧化碳分析儀系統包括脈沖紅外源,具有確定路徑長度(通常為20-32 mm長)的氣室,參考傳感器通道和CO2氣體傳感器。紅外源通常每秒脈沖最多40次。


校準過程是借助確定性算法來查找參考通道和氣體通道之間的特定比率,隨后可用于準確測量氣體濃度。根據存儲在I2C寄存器中的傳感器值,使用Beer-Lambert方程線性化并確定精準的氣體濃度水平。


圖3展示了從CO2傳感器讀取的原始I2C寄存器值,其范圍是0至100%的CO2濃度水平,需要注意曲線的非線性。 KEMET提供了一個應用筆記和一個Microsoft Excel工作表,可以幫助傳感器線性化和氣體濃度預測。


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圖3:跨越多個氣體濃度值的原始CO2傳感器測量值。(來源KEMET)


加快氣體檢測原型制作


為了協助開發氣體檢測系統,KEMET提供USEQGSK3000000 SMD CO2感測評估套件,參見圖4。


該評估套件包含一個完整的測量系統,其中有兩個KEMET傳感器,USEQFSEA391180參考傳感器和一個USEQGSEAC82180 CO2傳感器。


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圖4:KEMET SMD CO2氣體感測評估套件。(來源KEMET)


該套件包含一個主機意法半導體(STMicroelectronics) STM32F303K8T6微控制器,一個3D打印氣體腔室以及一個KEMET 紅外發射器和驅動器PCB。還提供Microsoft Windows軟件用于配置傳感器平臺,采集和分析數據。


熱釋電氣體傳感器:實現快速、低功率集成氣體檢測的途徑


與傳統的熱電堆紅外傳感器相比,熱釋電傳感器用于便攜式、電池供電氣體檢測設備具有許多優勢。它們的低功耗、快速穩定時間和快速感測周期使產品開發人員能夠極大地改進他們的設計。本文重點介紹了在醫療二氧化碳分析儀中采用的KEMET熱釋電非發散式紅外CO2傳感器,它可用于有許多潛在的應用,能夠測量從0到100%的氣體濃度。


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