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基于非分散紅外原理的熱電堆傳感器原理分析及電路設計

作者: 時間:2019-01-24 來源:網絡 收藏

  紅外光源驅動器

本文引用地址:http://www.j9360.com/article/201901/397092.htm

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

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

  低壓差穩壓器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,可以對光源進行開關控制。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。

  燈的導通電流(~150 mA)較大,因此須仔細進行電路設計與布局,防止燈的開關脈沖耦合至微小的熱電堆輸出信號。

  仔細確保燈的返回路徑不會流經敏感的熱電堆接地返回路徑。燈的電流回路不可以與處理器的電流回路重疊,否則可能會產生電壓失調誤差。強烈建議針對燈的驅動以及系統的信號調理部分采用單獨的穩壓器。

  ADP7105光源驅動器直接采用連接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,就必須對基準和測量通道中的峰峰值信號值進行采樣。ADuCM360集成兩個24位、Σ-Δ型ADC,這些ADC在連續采樣模式下工作。ADC由可編程增益放大器驅動,增益選項為1、2、4、8、16、32、64和128。

  默認斬波頻率設為0.25 Hz,默認采樣速率設為10 Hz。但是,可以在軟件中設置斬波頻率,設置范圍為0.1 Hz至5 Hz;還可以設置ADC采樣速率,設置范圍為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的默認斬波頻率而言,熱電堆數據在2秒半周期內的后1.5秒內以10 Hz采樣率獲得,保證信號完全建立。忽略前500 ms的數據(消隱時間)。消隱時間也可以在軟件中設置,上升沿和下降沿可分別設置。注意,NTC熱敏電阻數據在消隱期間獲得。

  校準程序: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氣體,直到腔室中一切原有氣體均被排出。穩定數分鐘后,便可開始進行測量。

  理想比爾-朗伯方程的校準方式和算法如以下步驟所示:

  1. 輸入下列命令:sbllcalibrate(標準比爾-朗伯校準)。

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

  3.在終端輸入二氧化碳濃度。

  4. 系統測量ACTLOW,它表示低濃度氣體中測量通道的峰峰值輸出。

  5. 系統測量REFLOW,它表示低濃度氣體中基準通道的峰峰值輸出。

  6. 系統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. 系統測量ACTCAL、REFCAL和校準溫度TCAL。

  10. 系統計算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氣體,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. 使用校準后的ZERO值。

  6. 使用校準后的b值。

  7. 計算相對吸收率:

  計算濃度,應用理想氣體定律下的溫度補償:

  此步假定 TLOW = TCAL.

  注意,CN-0338軟件會自動執行第2到第7步。

  校準程序:修正比爾-朗伯方程

  如果通過測量得到了常數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)。

  2. 輸入b和c常數。

  3. 注入低濃度(xLOW)二氧化碳氣體(氮氣),并讓腔室內的氣體穩定。

  4. 在終端輸入二氧化碳濃度。

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

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

  7. 系統測量溫度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. 系統測量ACTCAL、REFCAL和校準溫度TCAL。

  11. 系統計算ZERO和SPAN:



關鍵詞: 傳感器 NDIR

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