氣體檢測(cè)應(yīng)用

 

氣體檢測(cè)在許多工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中都是重要方面。我們家中有氣體探測(cè)器，可以保護(hù)我們免受煙霧和一氧化碳侵害。氣體檢測(cè)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(yīng)用包括用于醫(yī)療診斷的二氧化碳排出量測(cè)量（稱為二氧化碳分析）、智能建筑中的空氣質(zhì)量測(cè)量以及商用便攜式氣體分析檢測(cè)器等。

 

本文將介紹使用熱釋電傳感器的氣體檢測(cè)，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(cè)技術(shù)存在多個(gè)問題，例如穩(wěn)定（settling）時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)以及對(duì)環(huán)境變化的敏感性等。我們將以紅外測(cè)量為重點(diǎn)解釋氣體檢測(cè)背后的原理，并討論這種方法的優(yōu)勢(shì)。還將展示一種完整的系統(tǒng)方法，即通過I2C連接的傳感器連接到微控制器主機(jī)。

 

氣體檢測(cè)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(hù)，現(xiàn)代化辦公室通過監(jiān)測(cè)二氧化碳水平來保持空氣質(zhì)量的清新，工廠使用探測(cè)器來監(jiān)測(cè)許多不同的氣體，以實(shí)現(xiàn)過程控制和安全。電池電量監(jiān)測(cè)是電動(dòng)汽車最新近安全應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例。電池產(chǎn)生的氣體可作為過載或異常運(yùn)行的早期信號(hào)，之后可能發(fā)生一些溫度變化。醫(yī)院和醫(yī)療機(jī)構(gòu)在各種臨床和診斷設(shè)備中也使用氣體檢測(cè)傳感器，一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是二氧化碳分析儀，這是一種便攜式裝置，可用于檢測(cè)患者呼出的二氧化碳量。二氧化碳分析儀可以全面評(píng)估患者的呼吸和新陳代謝情況，這些經(jīng)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(shí)，需要快速、準(zhǔn)確地給出結(jié)果。

 

氣體檢測(cè)方法

 

氣體檢測(cè)涉及針對(duì)特定氣體存在時(shí)的紅外線（IR）傳感器，由于不同氣體在某些特定波長(zhǎng)處吸收更多的紅外光能量，因此可以分析通過氣體時(shí)的能量變化來檢測(cè)氣體類型。氣體分子從紅外源吸收能量，變得更容易運(yùn)動(dòng)，并處于激發(fā)狀態(tài)，從而產(chǎn)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(tǒng)上，二氧化碳分析儀等氣體檢測(cè)設(shè)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(cè)氣體分子中的溫度變化，并生成與特定待檢測(cè)氣體濃度成比例的電壓輸出。

 

但是，熱電堆傳感器需要長(zhǎng)達(dá)2分鐘的穩(wěn)定時(shí)間，也就是從設(shè)備啟動(dòng)，直到傳感器達(dá)到穩(wěn)定，然后才可能進(jìn)行測(cè)量。另一個(gè)考慮因素是測(cè)量時(shí)間可能超過200毫秒。測(cè)量時(shí)間看起來不是非常長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，但是，對(duì)于電池供電的設(shè)計(jì)，傳感器的運(yùn)行時(shí)間肯定會(huì)對(duì)功耗曲線產(chǎn)生負(fù)面影響，需要頻繁更換電池或充電。熱電堆運(yùn)行時(shí)需要額外的模擬電路，從而也增加了開發(fā)工作量和BOM成本。

 

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

 

圖1：從熱釋電氣體傳感器的結(jié)構(gòu)可看出主要組件。（來源KEMET）

 

圖1所示為一個(gè)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(dá)傳感器，光譜濾光片可以隔離光譜以匹配要檢測(cè)的氣體，并提供參考通道。從光源發(fā)射的紅外光與傳感器接收到的紅外光之間的差異能夠計(jì)算出氣體的濃度。其中使用兩個(gè)IR檢測(cè)器，一個(gè)用于測(cè)量參考信號(hào)以確定其傳輸?shù)哪芰?，另一個(gè)用于檢測(cè)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(yīng)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?shù)絻蓚€(gè)熱釋電傳感器，一個(gè)傳感器提供波長(zhǎng)為3.9 µm的參考通道信號(hào)，第二個(gè)傳感器用于檢測(cè)4.26 µm的CO2波長(zhǎng)。

 

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(shè)計(jì)二氧化碳?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)

 

一個(gè)示范性的CO2氣體傳感器是KEMET  USEQGSEAC82180。KEMET的QGS系列薄膜數(shù)字接口熱釋電傳感器采用緊湊的表面貼裝設(shè)計(jì)，具有極低的功率，它們執(zhí)行氣體測(cè)量的速度比基于熱電堆的檢測(cè)器快15倍。由于壓電（PZT）材料的低熱質(zhì)量，它們能夠非?？焖俚剡M(jìn)行測(cè)量，并幾乎立即可以進(jìn)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(zhǎng)。而且由于不需要額外的模擬電路，數(shù)字I2C接口可提供連接至微控制器主機(jī)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(nèi)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(shù)轉(zhuǎn)換等器件參數(shù)。

 

與熱電堆方法相比，利用KEMET的高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間壓電傳感器進(jìn)行氣體檢測(cè)可降低功耗，延長(zhǎng)電池使用壽命以及產(chǎn)品壽命周期，并降低維護(hù)成本。

 

QGS傳感器系列提供兩種運(yùn)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(huì)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(guān)鍵的模擬信號(hào)鏈組件集成到一個(gè)封裝中，并使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，極大地簡(jiǎn)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(gòu)建。

 

傳感器讀數(shù)存儲(chǔ)在可通過I2C接口訪問的多個(gè)寄存器中，整個(gè)測(cè)量和信號(hào)處理過程均由傳感器內(nèi)部進(jìn)行管理，而不會(huì)給主機(jī)MCU增加任何資源負(fù)載。

 

完整的二氧化碳分析儀系統(tǒng)包括脈沖紅外源，具有確定路徑長(zhǎng)度（通常為20-32 mm長(zhǎng)）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(zhǔn)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(zhǔn)確測(cè)量氣體濃度。根據(jù)存儲(chǔ)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(zhǔn)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(gè)應(yīng)用筆記和一個(gè)Microsoft Excel工作表，可以幫助傳感器線性化和氣體濃度預(yù)測(cè)。

 

圖3：跨越多個(gè)氣體濃度值的原始CO2傳感器測(cè)量值。（來源KEMET）

 

加快氣體檢測(cè)原型制作

 

為了協(xié)助開發(fā)氣體檢測(cè)系統(tǒng)，KEMET提供USEQGSK3000000 SMD CO2感測(cè)評(píng)估套件，參見圖4。

 

該評(píng)估套件包含一個(gè)完整的測(cè)量系統(tǒng)，其中有兩個(gè)KEMET傳感器，USEQFSEA391180參考傳感器和一個(gè)USEQGSEAC82180 CO2傳感器。

 

圖4：KEMET SMD CO2氣體感測(cè)評(píng)估套件。（來源KEMET）

 

該套件包含一個(gè)主機(jī)意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics） STM32F303K8T6微控制器，一個(gè)3D打印氣體腔室以及一個(gè)KEMET 紅外發(fā)射器和驅(qū)動(dòng)器PCB。還提供Microsoft Windows軟件用于配置傳感器平臺(tái)，采集和分析數(shù)據(jù)。

 

熱釋電氣體傳感器：實(shí)現(xiàn)快速、低功率集成氣體檢測(cè)的途徑

 

與傳統(tǒng)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(cè)設(shè)備具有許多優(yōu)勢(shì)。它們的低功耗、快速穩(wěn)定時(shí)間和快速感測(cè)周期使產(chǎn)品開發(fā)人員能夠極大地改進(jìn)他們的設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)介紹了在醫(yī)療二氧化碳分析儀中采用的KEMET熱釋電非發(fā)散式紅外CO2傳感器，它可用于有許多潛在的應(yīng)用，能夠測(cè)量從0到100％的氣體濃度。

 （ 來源：貿(mào)澤電子，作者:Mark Patrick， KEMET電子Derick Stevens）