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(lái)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(shuō)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(wèn)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(guò)I2C連接的傳感器連接到微控制器主機(jī)。
氣體檢測(cè)無(wú)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(guò)監(jiān)測(cè)二氧化碳水平來(lái)保持空氣質(zhì)量的清新,工廠使用探測(cè)器來(lái)監(jiān)測(cè)許多不同的氣體,以實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制和安全。電池電量監(jiān)測(cè)是電動(dòng)汽車(chē)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(guò)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(guò)氣體時(shí)的能量變化來(lái)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(lái)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(guò)200毫秒。測(cè)量時(shí)間看起來(lái)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(kāi)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(guò)檢測(cè)接收到的紅外輻射量變化來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)I2C接口訪問(wèn)的多個(gè)寄存器中,整個(gè)測(cè)量和信號(hào)處理過(guò)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(guò)程是借助確定性算法來(lái)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(lái)源KEMET)
加快氣體檢測(cè)原型制作
為了協(xié)助開(kāi)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(jiàn)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(lái)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(kāi)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(lái)源:貿(mào)澤電子,作者:Mark Patrick, KEMET電子Derick Stevens)