光子型红外气体传感器信号调理电路设计与检测性能研究

作     者：林曦 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘欢

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：非分散红外气体传感器 硒化铅光电导探测器 信号调理电路 二氧化碳 传感器模组 

摘      要：基于朗伯-比尔定律的非分散红外(Non-Dispersive Infrared,NDIR)气体传感器具有精度高的特点,适于工业现场环境对各类气体的快速检测和长期监测。随着气体传感器技术不断向小体积与高性能方向发展,提高NDIR气体传感器的灵敏度成为了研究热点。红外探测器是NDIR气体传感器的核心部件,对传感器气敏性能具有重要影响。目前NDIR气体传感器主要采用成本较低的热释电红外探测器,光子型红外探测器具有更高的比探测率和响应速度,但面临价格昂贵和需要制冷等问题。为了实现小体积和高性能,本文选取室温中红外硒化铅光电导探测器作为NDIR传感器核心部件,设计高精度、高放大倍数信号调理电路,同时结合光源和气室等部件的设计,构建出NDIR气体传感器模组,采用二氧化碳气体完成功能验证。全文工作主要包括:(1)基于NDIR气体传感测试系统,研究硒化铅探测器对不同浓度二氧化碳的响应信号,通过测试结果的分析,提出传感器模组与信号调理电路设计方案。30 V电压下探测器电流为0.1～0.3μA,黑体光源在二氧化碳吸收峰(4260 nm)处的光功率约为m W量级;选取红外光源HPIR104灯泡作为NDIR气体传感器光源,设计了光程6cm的气室以及三级放大电路,信号放大后输出的光响应信号为2 V。(2)基于AD7606模数转换芯片和ESP-WROOM-32芯片,实现探测器响应信号实时采集、读取和分析功能。根据AD7606芯片数据手册对各引脚功能的规定,采用Arduino软件编写模数转换芯片驱动代码并进行测试,完成了数据上传模块且信号大小基本不变。外接0 V时,噪声峰峰值0.1 V。(3)通过光源、气室、探测器、电路和上位机的集成构建NDIR气体传感器模组,采用二氧化碳气体对传感器模组进行气敏性能测试,与NDIR气体传感测试系统进行对比,完成信号调理电路的功能验证。传感器模组对3000～20000 ppm的二氧化碳气体具有良好的线性响应,根据各浓度的信号进行拟合分析,检测下限为2720 ppm。