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基于STM32的便携式二氧化碳监测仪设计

吕中虎?? 张徽?? 张晓飞?? 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心?? 电子设计工程?? 2015年03月02日 ?? 收藏0
CO2浓度的检测方法大致分化学方法和物理方法。CO2浓度检测方法有滴定法、热催化法、气敏法、电化学法,这些属于化学方法,这些方法普遍存在价格贵,普适性差等问题,且测量精度较低。而物理的方法有超声波法、气相色谱法以及众多借助于光学来实现检测的方法。也有像光声光谱法这种化学和物理结合的方法。吸收光谱法的依据是不同化学结构的气体分子对不同波长的辐射的吸收程度不同,CO2气体分子对特定波长的红外光有强烈的吸收。

目前各种检测用的CO2传感器主要有固体电解质式、钛酸钡复合氧化物电容式、电导变化型厚膜式等,这些传感器存在对气体的选择性差、易出现误报、需要频繁校准、使用寿命较短等不足。而红外吸收型CO2传感器具有测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点。因此,本次设计采用红外吸收型CO2传感器。

1 传感原理

红外吸收型CO2气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同,对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同,因此,不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时,某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱,产生红外吸收光谱,故当知道某种物质的红外吸收光谱时,便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。

同一种物质不同浓度时,在同一吸收峰位置有不同的吸收强度,吸收强度与浓度成正比关系。因此通过检测气体对光的波长和强度的影响,便可以确定气体的浓度。

根据比尔朗伯定律,输出光发光强度I、输入光发光强度I0和气体浓度c之间的关系为

I=I0exp(-αmLc) (1)

式中:αm为摩尔分子吸收系数;c为待测气体浓度;L为光和气体的作用长度(传感长度)。对式(1)进行变换,得:

传感原理

2 仪器设计框图

前端传感器输出的数字信号,以串口方式与STM32进行通讯,此仪器设计三通道采集,利用继电器电路对传感器通道进行选择,STM32将浓度值显示在液晶屏上,液晶屏带有触摸功能,通过编写液晶显示界面,调用相关按键程序,选择传感器通道以及保存为U盘数据等功能。框图如图1所示。

图1 仪器设计框图
图1 仪器设计框图

3 传感器选择

选择了DYNAMENT公司的premier二氧化碳传感器,此传感器运用非色散红外原理检测气体,它包括长寿命钨红外光源、供扩散气体进入的光通道、一对经温度补偿的红外原理热电交换检测元件、半导体温度传感器和处理红外热电交换检测器信号的电子电路,使用方便快捷,如图2为二氧化碳传感器外形封装图。

图2 二氧化碳传感器外形封装
图2 二氧化碳传感器外形封装

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STM? 二氧化碳? 监测仪? 便携式?

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