基于非分散紅外原理的熱電堆傳感器原理分析及電路設(shè)計

　　紅外光源驅(qū)動器

　　選用International Light Technologies MR3-1089作為紅外光源，它具有拋光鋁反射器，150 mA時所需驅(qū)動電壓為5.0 V，以便使紅外輻射最大化，并獲得最佳系統(tǒng)性能。來自燈的熱量使光反射器的溫度保持在環(huán)境溫度以上，有助于防止潮濕環(huán)境中出現(xiàn)冷凝。

　　溫度較低(關(guān)燈)時，燈絲具有較低的電阻，這使其在開燈瞬間產(chǎn)生電流浪涌。帶有軟啟動功能的穩(wěn)壓器對于解決這個問題很有用。

　　低壓差穩(wěn)壓器ADP7105具有可編程使能引腳，將它連接到DuCM360 的通用輸入/輸出引腳，可以對光源進(jìn)行開關(guān)控制。10 nF軟啟動電容C6具有12.2 ms的軟啟動時間，這約等于100 ms最小斬波階躍時間的0.125倍。

　　燈的導(dǎo)通電流(~150 mA)較大，因此須仔細(xì)進(jìn)行電路設(shè)計與布局，防止燈的開關(guān)脈沖耦合至微小的熱電堆輸出信號。

　　仔細(xì)確保燈的返回路徑不會流經(jīng)敏感的熱電堆傳感器接地返回路徑。燈的電流回路不可以與處理器的電流回路重疊，否則可能會產(chǎn)生電壓失調(diào)誤差。強(qiáng)烈建議針對燈的驅(qū)動以及系統(tǒng)的信號調(diào)理部分采用單獨的穩(wěn)壓器。

　　ADP7105光源驅(qū)動器直接采用連接EVAL-ADICUP360板的外部電源供電。

　　軟件考慮因素

　　同步斬波和采樣

　　如需測量氣體濃度，就必須對基準(zhǔn)和測量通道中的峰峰值信號值進(jìn)行采樣。ADuCM360集成兩個24位、Σ-Δ型ADC，這些ADC在連續(xù)采樣模式下工作。ADC由可編程增益放大器驅(qū)動，增益選項為1、2、4、8、16、32、64和128。

　　默認(rèn)斬波頻率設(shè)為0.25 Hz，默認(rèn)采樣速率設(shè)為10 Hz。但是，可以在軟件中設(shè)置斬波頻率，設(shè)置范圍為0.1 Hz至5 Hz;還可以設(shè)置ADC采樣速率，設(shè)置范圍為3.5 Hz至483 Hz。軟件保證采樣速率至少是斬波頻率的30倍。

　　對于0.25 Hz的默認(rèn)斬波頻率而言，熱電堆數(shù)據(jù)在2秒半周期內(nèi)的后1.5秒內(nèi)以10 Hz采樣率獲得，保證信號完全建立。忽略前500 ms的數(shù)據(jù)(消隱時間)。消隱時間也可以在軟件中設(shè)置，上升沿和下降沿可分別設(shè)置。注意，NTC熱敏電阻數(shù)據(jù)在消隱期間獲得。

　　校準(zhǔn)程序：理想比爾-朗伯方程

　　由于燈和熱電堆的特性不同，初次使用以及改變熱電堆或燈時必須校準(zhǔn)電路。

　　建議將整個組件放置在密封腔室中，并可向其中注入已知濃度的二氧化碳?xì)怏w，直到腔室中一切原有氣體均被排出。穩(wěn)定數(shù)分鐘后，便可開始進(jìn)行測量。

　　理想比爾-朗伯方程的校準(zhǔn)方式和算法如以下步驟所示：

　　1. 輸入下列命令：sbllcalibrate(標(biāo)準(zhǔn)比爾-朗伯校準(zhǔn))。

　　2. 注入低濃度(xLOW)或零濃度氣體(氮氣)，并讓腔室內(nèi)的氣體穩(wěn)定。

　　3.在終端輸入二氧化碳濃度。

　　4. 系統(tǒng)測量ACTLOW，它表示低濃度氣體中測量通道傳感器的峰峰值輸出。

　　5. 系統(tǒng)測量REFLOW，它表示低濃度氣體中基準(zhǔn)通道傳感器的峰峰值輸出。

　　6. 系統(tǒng)測量低濃度氣體的溫度TLOW.

　　7. 向腔室中注入濃度為xCAL的高濃度二氧化碳。

　　8. 在終端輸入二氧化碳濃度。

　　9. 系統(tǒng)測量ACTCAL、REFCAL和校準(zhǔn)溫度TCAL。

　　10. 系統(tǒng)計算ZERO和b值：

　　如需利用理想比爾-朗伯方程測量未知濃度的二氧化碳?xì)怏w，則請按下述步驟操作：

　　1. 向腔室注入未知濃度氣體并使其穩(wěn)定。

　　2. 測量ACT，它表示測量通道傳感器的峰峰值輸出。

　　3. 測量REF，它表示基準(zhǔn)通道傳感器的峰峰值輸出。

　　4. 測量溫度T，單位K。

　　5. 使用校準(zhǔn)后的ZERO值。

　　6. 使用校準(zhǔn)后的b值。

　　7. 計算相對吸收率：

　　計算濃度，應(yīng)用理想氣體定律下的溫度補(bǔ)償：

　　此步假定 TLOW = TCAL.

　　注意，CN-0338軟件會自動執(zhí)行第2到第7步。

　　校準(zhǔn)程序：修正比爾-朗伯方程

　　如果通過測量得到了常數(shù)b和c的值，則使用下列步驟。

　　1. 輸入下列命令：mbllcalibrate(修正后的比爾-朗伯校準(zhǔn))。

　　2. 輸入b和c常數(shù)。

　　3. 注入低濃度(xLOW)二氧化碳?xì)怏w(氮氣)，并讓腔室內(nèi)的氣體穩(wěn)定。

　　4. 在終端輸入二氧化碳濃度。

　　5. 系統(tǒng)測量ACTLOW，它表示低濃度氣體中測量通道傳感器的峰峰值輸出。

　　6. 系統(tǒng)測量REFLOW，它表示低濃度氣體中基準(zhǔn)通道傳感器的峰峰值輸出。

　　7. 系統(tǒng)測量溫度TLOW.

　　8. 向腔室中注入濃度為xCAL的高濃度二氧化碳。

　　9. 在終端輸入二氧化碳濃度。

　　10. 系統(tǒng)測量ACTCAL、REFCAL和校準(zhǔn)溫度TCAL。

　　11. 系統(tǒng)計算ZERO和SPAN：