作者：Robert Lee and Walt Kester

非色散紅外（NDIR）光譜通常用于檢測(cè)氣體和測(cè)量二氧化碳（例如，一氧化碳和二氧化碳）的濃度。紅外光束穿過(guò)采樣室， 樣品中的每個(gè)氣體成分吸收一些特定的頻率 的紅外線(xiàn)。通過(guò)測(cè)量吸收的紅外量在適當(dāng)?shù)?頻率，可以確定氣體成分的濃度。這 據(jù)說(shuō)技術(shù)是非色散的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)的波長(zhǎng) 通過(guò)取樣室不預(yù)過(guò)濾，而是用濾光片 在探測(cè)器前面消除除波長(zhǎng)以外的所有光，其中 選定的氣體分子可以吸收。

圖1所示電路是基于熱電堆的完整氣體傳感器 使用 NDIR 原則。該電路針對(duì) CO2 檢測(cè)進(jìn)行了優(yōu)化，但可以 還可以通過(guò)以下方式精確測(cè)量大量氣體的濃度 使用帶有不同濾光片的熱電堆。

印刷電路板 （PCB） 采用 Arduino 屏蔽外形設(shè)計(jì) 以及與EVAL-ADICUP360 Arduino兼容平臺(tái)板的接口。 信號(hào)調(diào)理通過(guò)AD8629和低噪聲放大器ADA4528-1以及ADuCM360精密模擬微控制器實(shí)現(xiàn)。 包含可編程增益放大器、雙通道 24 位 Σ-Δ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和 ARM Cortex-M3 處理器。

熱電堆傳感器由大量熱電偶組成 通常串聯(lián)連接，或者不太常見(jiàn)的是并聯(lián)連接。輸出 串聯(lián)熱電偶的電壓取決于溫度 熱電偶結(jié)和基準(zhǔn)電壓源之間的差異 結(jié)。這個(gè)原理被稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)，因?yàn)樗陌l(fā)現(xiàn)者， 托馬斯·約翰·西貝克。

該電路使用運(yùn)算放大器AD8629來(lái)放大熱電堆傳感器 輸出信號(hào)。熱電堆的輸出電壓相對(duì)較?。◤?數(shù)百微伏到幾毫伏）需要高增益，非常 低失調(diào)和漂移，避免直流誤差。高阻抗（通常 84 kΩ）的熱電堆需要低輸入偏置電流，以最小化 誤差，AD8629偏置電流典型值僅為30 pA。非常低 隨時(shí)間和溫度的漂移消除了額外的誤差，一旦 溫度測(cè)量已校準(zhǔn)。脈沖光源 與 ADC 采樣速率同步，最大限度地減少了由以下原因引起的誤差 低頻漂移和閃爍噪聲。

AD8629在1 kHz時(shí)僅具有22 nV/√Hz電壓噪聲頻譜密度， 小于37 nV/√Hz的熱電堆電壓噪聲密度。

AD8629還具有5 fA/√Hz的極低電流噪聲頻譜密度 典型頻率為 10 Hz。該電流噪聲流過(guò)84 kΩ熱電堆 在 10 Hz 時(shí)僅貢獻(xiàn) 420 pV/Hz。

圖1.NDIR氣體傳感電路（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）電路說(shuō)明。

200 mV共模電壓由低噪聲放大器緩沖 ADA4528-1，NTC和熱電堆信號(hào)輸出符合要求 ADuCM360緩沖模式輸入—AGND + 0.1 V至大約 AVDD ? 0.1 V，用于ADuCM360 ADC緩沖模式輸入。CN-0338 Arduino 屏蔽板可與其他類(lèi)型的 Arduino 兼容 僅具有單輸入ADC的平臺(tái)板。

電路斬波頻率可為0.1 Hz至5 Hz，由軟件選擇。 低壓差穩(wěn)壓器ADP7105產(chǎn)生穩(wěn)定的5 V輸出電壓 驅(qū)動(dòng)燈，并由ADuCM360打開(kāi)和關(guān)閉。軟啟動(dòng) ADP7105的特性消除了冷啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流 燈。

ADuCM360內(nèi)置雙通道、24位Σ-Δ型ADC，用于同步采樣 雙元件熱電堆，可編程速率為 3.5 Hz 至 3.906 kHz。 NDIR 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)速率限制在 3.5 Hz 至 483 Hz 之間，以獲得最佳效果 噪聲性能。

熱電堆檢測(cè)器工作原理

要了解熱電堆，回顧基本理論是有用的 的熱電偶。

如果兩種不同的金屬在高于絕對(duì)零度的任何溫度下連接， 它們之間存在電位差（它們的熱電電動(dòng)勢(shì)或 接觸電位），這是結(jié)溫的函數(shù) （參見(jiàn)圖2中的熱電EMF電路）。

如果兩根導(dǎo)線(xiàn)在兩個(gè)地方連接，則形成兩個(gè)結(jié)（請(qǐng)參閱 連接到圖2中負(fù)載的熱電偶）。如果兩個(gè)交匯點(diǎn)位于 不同的溫度，電路中有一個(gè)凈電動(dòng)勢(shì)，電流流動(dòng) 由EMF和電路中的總電阻決定（見(jiàn)圖2）。 如果其中一根導(dǎo)線(xiàn)斷斷，則斷線(xiàn)兩端的電壓等于 電路的凈熱電電動(dòng)勢(shì)，如果測(cè)量該電壓，它可以 用于計(jì)算兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的溫差 （參見(jiàn)圖2中的熱電偶電壓測(cè)量）。記得 熱電偶測(cè)量?jī)蓚€(gè)之間的溫差 結(jié)，而不是一個(gè)結(jié)點(diǎn)的絕對(duì)溫度。溫度在 測(cè)量結(jié)只有在另一個(gè)溫度下才能測(cè)量 結(jié)（通常稱(chēng)為參考結(jié)或冷結(jié)）是已知的。

然而，測(cè)量熱電偶產(chǎn)生的電壓并不容易。 假設(shè)電壓表連接到第一個(gè)熱電偶 測(cè)量電路（見(jiàn)實(shí)用熱電偶電壓測(cè)量 在圖2中顯示了冷端）。連接到電壓表的電線(xiàn) 在它們附著的地方形成進(jìn)一步的熱電偶。如果這兩個(gè)附加 結(jié)點(diǎn)處于相同的溫度（無(wú)關(guān)緊要 溫度），中間金屬定律指出它們不產(chǎn)生凈 對(duì)系統(tǒng)總電磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)。如果它們處于不同的溫度， 它們引入了錯(cuò)誤。因?yàn)槊恳粚?duì)不同的金屬 觸點(diǎn)產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢(shì)——包括銅/焊料、科瓦爾/ 銅（科瓦爾是用于IC引線(xiàn)框架的合金）和鋁/科瓦爾 （在IC內(nèi)部的鍵合處）——這個(gè)問(wèn)題在實(shí)際中更加復(fù)雜 電路，并且有必要格外小心，以確保所有 熱電偶周?chē)娐分械慕Y(jié)對(duì)，測(cè)量除外 和參考結(jié)本身處于相同的溫度。

圖2.熱電偶原理。

熱電堆由大量熱電偶的串聯(lián)連接組成， 如圖3所示。與單個(gè)熱電偶相比， 熱電堆產(chǎn)生更高的熱電電壓。

圖3.由多個(gè)熱電偶構(gòu)成的熱電堆。

在NDIR應(yīng)用中，脈沖和濾波紅外光應(yīng)用于系列 連接的活動(dòng)結(jié)點(diǎn);因此，液絡(luò)部被加熱，其中 轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生小的熱電電壓。參考溫度 結(jié)是用熱敏電阻測(cè)量的。

許多氣體具有永久或非永久分離的中心 正電荷和負(fù)電荷。氣體能夠吸收特定頻率 在紅外光譜中，可用于氣體分析。 當(dāng)紅外輻射入射到氣體上時(shí)，原子的能量狀態(tài) 當(dāng)波長(zhǎng) 的紅外線(xiàn)與分子的固有頻率或共振相匹配。

對(duì)于大多數(shù)紅外氣體傳感應(yīng)用，目標(biāo)的身份 氣體是已知的;因此，幾乎不需要?dú)怏w光譜法。然而 應(yīng)用程序必須處理一定量的交叉敏感度 在不同氣體之間，如果它們的吸收線(xiàn)重疊。

二氧化碳在 4200 nm 和 4320nm，如圖4所示。

圖4.二氧化碳 （CO2） 的吸收光譜。

紅外光源的可用輸出范圍和吸收光譜 水也決定了感應(yīng)波長(zhǎng)的選擇。水上表演 在 3000 nm 以下以及 4500 nm 和 8000 nm 之間具有很強(qiáng)的吸收作用。任何檢測(cè)這些區(qū)域氣體譜線(xiàn)的嘗試都是 如果存在水分（高濕度），則受到強(qiáng)烈干擾 目標(biāo)氣體。圖5顯示了二氧化碳的吸收光譜 覆蓋著水的吸收光譜。（所有吸收數(shù)據(jù)均為 取自 HITRAN 數(shù)據(jù)庫(kù)）。

圖5.二氧化碳與水疊加的吸收光譜。

如果將紅外光施加到裝有一對(duì)光學(xué)元件的雙熱電堆探測(cè)器上 濾光片，使一個(gè)濾光片以 4260 nm 為中心，另一個(gè)以 3910 nm 為中心， 二氧化碳的濃度可以從 兩個(gè)熱電堆電壓。駐留在吸收內(nèi)的濾光片 通道用作檢測(cè)通道和駐留的濾光片 吸收光譜外用作參考通道。測(cè)量 消除由灰塵或輻射強(qiáng)度降低引起的錯(cuò)誤 通過(guò)使用參考通道。重要的是要注意，有 在 3910 nm 處沒(méi)有氣體吸收線(xiàn)，使其成為 參考通道。

NDIR傳感中使用的熱電堆具有相對(duì)較高的內(nèi)阻 50 Hz/60 Hz電源線(xiàn)噪聲會(huì)耦合到信號(hào)路徑中。熱電堆 源阻抗約為 100 kΩ，導(dǎo)致熱 噪音主導(dǎo)系統(tǒng)。例如，熱電堆檢測(cè)器 圖1中選擇的系統(tǒng)具有37 nV/√Hz的電壓噪聲密度。 通過(guò)最大化來(lái)自探測(cè)器的信號(hào)量并使用 電路中的增益較小，因此可以確保 氣體測(cè)量系統(tǒng)。

最大化來(lái)自熱電堆檢測(cè)器的信號(hào)的最佳方法是使用 具有高反射特性的樣品室，可確保 探測(cè)器吸收從源而不是腔室發(fā)射的輻射 本身。使用反射室減少輻射量 被腔室吸收還可以減少消耗的電量 通過(guò)系統(tǒng)，因?yàn)榭梢允褂霉β瘦^小的輻射源。

NDIR氣體吸收的比爾-朗伯定律

主動(dòng)探測(cè)器上的紅外強(qiáng)度根據(jù) 稱(chēng)為比爾-朗伯定律的指數(shù)關(guān)系：

其中：
I 是目標(biāo)氣體中的強(qiáng)度。
我0是零氣體中的強(qiáng)度。
k 是特定氣體和過(guò)濾器組合的吸收系數(shù)。
l 是燈和探測(cè)器之間的等效光程長(zhǎng)度。
x 是氣體的濃度。

對(duì)于有源檢波器輸出，有相應(yīng)的輸出電壓 變化，V0– V：

其中：
FA是吸光度分?jǐn)?shù)。
五0是零氣體的輸出。
V 是目標(biāo)氣體的輸出。

重新排列和組合前兩個(gè)方程得到

如果 k 和 l 保持不變，則可以繪制 FA 與 x 的關(guān)系圖，如圖 6 所示 （其中 kl = 115、50、25、10 和 4.5）。FA 的值隨著 c 的增加而增加，但 最終在高氣體濃度下飽和。

圖6.kl = 4.5， 10， 25， 50， 115 的典型吸光度分?jǐn)?shù)。

這種關(guān)系意味著對(duì)于任何固定設(shè)置，能夠解決 低濃度時(shí)氣體水平的變化比高濃度時(shí)更好。 但是，可以調(diào)整k和l以提供最佳吸光度 用于所需的氣體濃度范圍。這意味著長(zhǎng)光學(xué) 路徑更適合低氣體濃度和短光學(xué) 路徑更適合高氣體濃度。

下面介紹必要的兩點(diǎn)校準(zhǔn)程序 使用理想的比爾-朗伯方程確定 kl 常數(shù)。 如果 b = kl，則

校準(zhǔn)的第一部分需要應(yīng)用低濃度的 CO2 氣體（或純氮，即 0% 濃度的 CO2 氣體）到 傳感器組件：

做MO6是低濃度氣體中有源檢測(cè)器的峰峰值輸出。

裁判MO6是參考檢測(cè)器的峰峰值輸出，處于低電平 濃縮氣體。

TMO6是低濃度氣體的溫度。

校準(zhǔn)的第二部分需要應(yīng)用已知濃度的 CO2 氣體 （x卡爾） 到程序集。通常，x卡爾濃度水平為 選擇為濃度范圍的最大值（例如， 工業(yè)空氣質(zhì)量范圍的體積為 0.5%）。

做卡爾是濃度為x的校準(zhǔn)氣體中主動(dòng)檢測(cè)器的峰峰值輸出卡爾.

裁判卡爾是參考檢測(cè)器的峰峰值輸出，在 濃度為 x 的校準(zhǔn)氣體卡爾.

以下兩個(gè)未知數(shù)中的兩個(gè)聯(lián)立方程組（I0和 b） 可以 然后寫(xiě)：

求解 I 的兩個(gè)方程0和 b，

然后，對(duì)于未知濃度的氣體（x），其中：

ACT是有源探測(cè)器在未知?dú)怏w中的峰峰值輸出。

REF是未知?dú)怏w中參比檢測(cè)器的峰峰值輸出。

T 是未知?dú)怏w的溫度，單位為 K。

The T/TMO<>因子補(bǔ)償濃度的變化 溫度由理想氣體定律決定。

修改后的比爾-朗伯定律

NDIR 實(shí)施中的實(shí)際注意事項(xiàng)需要修改 比爾-朗伯定律，如下，以獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)：

引入 SPAN 因子是因?yàn)椴⒎撬凶矒舻募t外輻射 在有源熱電堆上被氣體吸收，即使在高濃度下也是如此。由于光濾波器帶寬和 吸收光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

光程長(zhǎng)度和光散射的變化需要添加 冪項(xiàng) c，用于將方程精確擬合到實(shí)際吸收 數(shù)據(jù)。

b 和 SPAN 常量的值還取決于 測(cè)量濃度。典型的濃度范圍如下：

工業(yè)空氣質(zhì)量 （IAQ）：0 至 0.5% 體積 （5000 ppm）。請(qǐng)注意，二氧化碳 環(huán)境空氣中的濃度約為 0.04% 體積或 400 ppm。

安全性：0 至 5% 體積

燃燒：0 至 20% 體積

過(guò)程控制：0 至 100% 體積

通常確定特定系統(tǒng)的b和c的精確值 通過(guò)獲取 FA 與濃度 x 的多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后 使用曲線(xiàn)擬合程序。

對(duì)于已確定 b 和 c 常數(shù)的給定系統(tǒng)， 零和 SPAN 的值可以使用兩點(diǎn)計(jì)算 校準(zhǔn)方法。

程序的第一步是應(yīng)用低濃度的x氣體MO<>并記錄以下內(nèi)容：

做MO<>：低濃度下有源檢測(cè)器的峰峰值輸出 氣

裁判MO<>：參考檢測(cè)器的峰峰值輸出為低電平 濃縮氣體

TMO<>：低濃度氣體的溫度，單位為K。

校準(zhǔn)的第二部分需要應(yīng)用已知 CO2 氣體 濃度（X卡爾） 到程序集。通常，x卡爾濃度水平為 選擇為濃度范圍的最大值（例如， 工業(yè)空氣質(zhì)量范圍的體積為 0.5%）。記錄以下內(nèi)容：

做卡爾：校準(zhǔn)氣體中有源探測(cè)器的峰峰值輸出 濃度 x卡爾.

裁判卡爾：校準(zhǔn)中參考檢測(cè)器的峰峰值輸出 濃度 X 的氣體卡爾.

以下兩個(gè)未知數(shù)中的兩個(gè)聯(lián)立方程組（I0和跨度） 然后可以寫(xiě)成：

求解零點(diǎn)和 SPAN 產(chǎn)量的兩個(gè)方程

然后，對(duì)于未知濃度的氣體（x），其中：

ACT是有源探測(cè)器在未知?dú)怏w中的峰峰值輸出。

REF是未知?dú)怏w中參比檢測(cè)器的峰峰值輸出。

T 是未知?dú)怏w的溫度，單位為 K。

此等式假設(shè) TMO<>= T卡爾.

環(huán)境溫度的影響

熱電堆檢測(cè)器通過(guò)吸收輻射來(lái)感知溫度，但 它還響應(yīng)環(huán)境溫度變化，這可能導(dǎo)致 雜散和誤導(dǎo)性信號(hào)。因此，許多熱電堆具有 熱敏電阻集成到封裝中。

輻射吸收與目標(biāo)分子的數(shù)量有關(guān) 腔室，而不是目標(biāo)氣體的絕對(duì)百分比。因此吸收 由標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的理想氣體定律描述。

有必要記錄兩種校準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù) 和測(cè)量狀態(tài)：

其中：
x是沒(méi)有溫度補(bǔ)償?shù)臍怏w濃度。
TMO<>是低和高氣體濃度下以 K 為單位的溫度。
T 是采樣時(shí)以 K 為單位的溫度。
xT是溫度T下的氣體濃度。

除了濃度隨溫度變化的理想氣體規(guī)律外， SPAN和FA隨溫度而略有變化，可能需要校正 極高精度的濃度測(cè)量。

本文不涉及 SPAN 和 FA 溫度校正; 但是，詳情請(qǐng)參見(jiàn)應(yīng)用筆記1、應(yīng)用筆記2、 新交所應(yīng)用筆記3、應(yīng)用筆記4和應(yīng)用筆記5 傳感器技術(shù)，以及 AAN-201、AAN-202、AAN-203、AAN-204 和 AAN-205 來(lái)自Alphasense Limited的應(yīng)用說(shuō)明。

熱電堆驅(qū)動(dòng)器

HTS-E21-F3.91/F4.26熱電堆（海曼傳感器有限公司）具有 每個(gè)通道的內(nèi)阻為84 kΩ。等效電路 其中一個(gè)熱電堆通道的驅(qū)動(dòng)器如圖7所示。內(nèi)部 84 kΩ 熱電堆電阻和外部 8.2 nF 電容構(gòu)成一個(gè) RC 截止頻率為?3 dB的低通噪聲濾波器：

更改各種熱電堆的 C11 和 C15 也會(huì)改變?cè)肼?性能和響應(yīng)時(shí)間。

圖7.熱電堆驅(qū)動(dòng)器等效電路，G = 214.6。

84 kΩ/8.2 nF濾波器的階躍函數(shù)設(shè)置時(shí)間為22位 大約是

AD8629同相放大器設(shè)置為增益214.6，?3 dB 截止頻率：

22位的建立時(shí)間約為

最大 NDIR 斬波頻率為 5 Hz，最小半周期 因此，脈沖寬度為 100 ms。22位的建立時(shí)間約為 0.1 ×最小斬波脈沖寬度。

AD8629的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為0.5 μV p-p。忽略 傳感器電壓噪聲和AD8629電流噪聲，1 mV p-p 熱電堆輸出的信號(hào)噪聲比（SNR）為：

其中一個(gè)熱電堆作為偽差分輸入連接到 ADuCM360 ADC1/ADC3 對(duì)，第二個(gè)連接到 ADC2/ ADC3 對(duì)。ADC3輸入連接到200共模電壓 mV，由低噪聲放大器ADA4528-1驅(qū)動(dòng)。ADA4528-1輸入 0.1 Hz至10 Hz電壓噪聲為99 nV p-p。200 mV共模 需要電壓來(lái)保持ADC輸入引腳大于0.1 V。

AD8629級(jí)的增益為214.6，內(nèi)部PGA的增益 的ADuCM360由軟件自動(dòng)設(shè)置，從1到128，以確保 輸入信號(hào)與ADC輸入的滿(mǎn)量程范圍±1.2 V相匹配。 來(lái)自熱電堆的峰峰值信號(hào)范圍為幾百個(gè) μV 至幾 mV。例如，如果滿(mǎn)量程熱電堆信號(hào) 1 mV 峰峰值，PGA增益為4時(shí)，ADC產(chǎn)生860 mV 峰峰值。

具有不同靈敏度的熱電堆可能需要不同的增益 AD8629級(jí)。CN-0338 Arduino屏蔽板與其他 如果平臺(tái)，Arduino兼容平臺(tái)可能需要更高的增益 使用不帶內(nèi)部 PGA 的 ADC。

改變AD8629增益的最簡(jiǎn)單方法是改變R6和R10;哪 不影響R5/R8和C9/C10設(shè)置的主極點(diǎn)頻率。

可以在軟件中選擇熱電堆輸出數(shù)據(jù)處理算法。 用戶(hù)可以在峰峰值和平均算法之間進(jìn)行選擇

有關(guān)信號(hào)采集、燈脈沖定時(shí)、 與溫度補(bǔ)償?shù)奶幚硭惴ㄒ黄?包含在CN-0338設(shè)計(jì)支持包和CN-0338用戶(hù)指南中的CN-0338源代碼中。

NTC熱敏電阻驅(qū)動(dòng)器

集成NTC溫度傳感器的特點(diǎn) 熱電堆如下：

R千= 100 kΩ
β = 3940

熱敏電阻驅(qū)動(dòng)器的戴維寧等效電路如圖8所示。 R3和R4分壓電阻串聯(lián)提供670.3 mV電壓源 與 103.6 kΩ。驅(qū)動(dòng)電壓為670.3 mV ? 200 mV = 470.3 mV。

圖8.NTC熱敏電阻驅(qū)動(dòng)器等效電路。

當(dāng) R千25°C時(shí)= 100 kΩ，熱敏電阻兩端的電壓為231 mV， 因此，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，PGA增益設(shè)置為4。

ADuCM360中的靈活輸入多路復(fù)用器和雙通道ADC允許 同時(shí)對(duì)熱電堆信號(hào)和溫度進(jìn)行采樣 用于補(bǔ)償漂移的傳感器信號(hào)。

紅外光源驅(qū)動(dòng)器

選用的燈絲光源是國(guó)際光技術(shù)公司 MR3-1089，帶拋光鋁反射器，需要驅(qū)動(dòng)電壓 5.0 V，150 mA，可實(shí)現(xiàn)最大紅外發(fā)射和最佳系統(tǒng) 性能。燈的熱量保持光學(xué)元件的溫度 反射器高于環(huán)境反射器，有助于防止冷凝 在潮濕的環(huán)境中。

白熾燈在冷（關(guān)閉）時(shí)電阻低，可以 在接通的瞬間導(dǎo)致電流浪涌。帶軟質(zhì)的調(diào)節(jié)器 啟動(dòng)函數(shù)可用于解決此問(wèn)題。

低壓差穩(wěn)壓器ADP7105具有可編程使能功能 可與通用輸入/輸出引腳一起使用的引腳 ADuCM360使能/禁用燈電壓。軟啟動(dòng)電容， 10 nF 的 C6 提供 12.2 ms 的軟啟動(dòng)時(shí)間，約為 0.125×最小斬波步進(jìn)時(shí)間為100毫秒。

燈導(dǎo)通電流（~150 mA）很大，因此需要仔細(xì)設(shè)計(jì)電路 并且需要布局以防止燈開(kāi)關(guān)脈沖耦合 進(jìn)入小熱電堆輸出電壓。

注意確保燈返回路徑不會(huì)流過(guò)敏感的 熱電堆檢測(cè)器接地返回路徑。燈電流不得使用 與處理器相同的返回路徑;否則可能會(huì)導(dǎo)致電壓偏移 錯(cuò)誤。強(qiáng)烈建議使用單獨(dú)的穩(wěn)壓器 用于燈驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理部分。

ADP7105燈驅(qū)動(dòng)器直接由外部電源供電 電源連接到 EVAL-ADICUP360 板。

軟件注意事項(xiàng)

同步斬波和采樣

為了測(cè)量氣體濃度，兩者的峰峰值信號(hào)值 必須對(duì)參考通道和活動(dòng)通道進(jìn)行采樣。ADuCM360包括 兩個(gè)24位Σ-Δ型ADC，ADC工作在連續(xù)采樣模式。 可編程增益放大器，增益選項(xiàng)為1、2、4、8、16、32、64和 128 個(gè)驅(qū)動(dòng) ADC。

默認(rèn)斬波頻率設(shè)置為 0.25 Hz，默認(rèn)采樣 速率設(shè)置為 10 Hz。但是，斬波頻率可以在 軟件頻率范圍為 0.1 Hz 至 5 Hz，ADC 采樣速率范圍為 3.5 Hz 至 483赫茲。軟件確保采樣率至少為30倍 斬波頻率。

對(duì)于0.25 Hz的默認(rèn)斬波頻率，將獲取熱電堆數(shù)據(jù) 在 2 秒半周期的最后 1.5 秒以 10 Hz 的速率，以確保 信號(hào)已穩(wěn)定。前 500 毫秒內(nèi)的數(shù)據(jù)將被忽略（消隱 時(shí)間）。也可以在軟件中設(shè)置兩個(gè)邊緣的消隱時(shí)間。 請(qǐng)注意，NTC熱敏電阻數(shù)據(jù)是在消隱時(shí)間內(nèi)獲取的。

校準(zhǔn)程序：理想比爾-朗伯方程

由于燈具和熱電堆的特性不同， 電路必須首先校準(zhǔn)，并在更改 熱電堆或燈。

建議將整個(gè)組件放置在封閉的腔室中 可以注入已知 CO2 濃度的氣體，直到所有現(xiàn)有氣體 腔室中的氣體被沖洗掉。穩(wěn)定幾分鐘后， 然后可以進(jìn)行測(cè)量。

校準(zhǔn)方法和算法顯示在以下步驟中 理想的比爾-朗伯方程：

1. 輸入以下命令：sbll校準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)比爾-蘭伯特 校準(zhǔn)）。

2.注射低濃度，xMO<>，或零氣體（氮?dú)猓?，并穩(wěn)定 商會(huì)。

3. 將 CO2 濃度輸入終端。

4. 系統(tǒng)測(cè)量 ACTMO<>、有源的峰峰值輸出 低濃度氣體中的檢測(cè)器。

5. 系統(tǒng)測(cè)量參考文獻(xiàn)MO<>，基準(zhǔn)電壓源的峰峰值輸出 低濃度氣體中的檢測(cè)器。

6. 系統(tǒng)測(cè)量低氣溫度，TMO<>.

7. 注入濃度為 x 的高濃度 CO2卡爾，進(jìn)入腔室。

8. 將 CO2 濃度輸入終端。

9. 系統(tǒng)測(cè)量 ACT卡爾裁判卡爾和校準(zhǔn) 溫度，T卡爾.

10. 系統(tǒng)計(jì)算零和 b：

使用理想測(cè)量未知濃度的 CO2 氣體 比爾-朗伯方程，執(zhí)行以下操作：

1.將未知濃度的氣體施加到腔室中并穩(wěn)定。

2. 測(cè)量ACT，即有源檢波器的峰峰值輸出。

3. 測(cè)量參考檢測(cè)器的峰峰值輸出 REF。

4. 以開(kāi)爾文為單位測(cè)量溫度 T。

5. 使用校準(zhǔn)中的零值。

6. 使用校準(zhǔn)中的 b 值

7.計(jì)算分?jǐn)?shù)吸光度：

計(jì)算濃度并應(yīng)用理想的氣體定律溫度 補(bǔ)償：

此過(guò)程假定 TMO<>= T卡爾.

請(qǐng)注意，CN-0338軟件將自動(dòng)執(zhí)行步驟2 通過(guò) 7.

校準(zhǔn)程序：修正比爾-朗伯方程

如果常數(shù) b 和 c 從測(cè)量中已知，請(qǐng)使用以下命令 程序。

1. 輸入以下命令：mbll校準(zhǔn)（修改后的比爾-蘭伯特 校準(zhǔn)）。

2. 輸入 b 和 c 常量。

3. 注入低濃度的 CO2 氣體，xMO<>（氮?dú)猓?，并穩(wěn)定 商會(huì)。

4. 將 CO2 濃度輸入終端。

5. 系統(tǒng)測(cè)量 ACTMO<>、有源的峰峰值輸出 低氣體檢測(cè)器。

6. 系統(tǒng)測(cè)量參考文獻(xiàn)MO<>，基準(zhǔn)電壓源的峰峰值輸出 低氣體檢測(cè)器。

7. 系統(tǒng)測(cè)量溫度，TMO<>.

8. 注入濃度為 x 的高濃度 CO2卡爾，進(jìn)入腔室。

9. 將 CO2 濃度輸入終端。

10. 系統(tǒng)測(cè)量 ACT卡爾裁判卡爾和校準(zhǔn) 溫度，T卡爾.

11. 系統(tǒng)計(jì)算零點(diǎn)和跨度：

使用改進(jìn)的 比爾-朗伯方程，執(zhí)行以下操作：

1.將未知濃度的氣體施加到腔室中并穩(wěn)定。

2. 測(cè)量ACT，即有源檢波器的峰峰值輸出。

3. 測(cè)量參考檢測(cè)器的峰峰值輸出 REF。

4. 以開(kāi)爾文為單位測(cè)量溫度 T。

5. 使用校準(zhǔn)中的零點(diǎn)和跨度值。

6. 使用先前確定的 b 和 c 值。

7. 計(jì)算分?jǐn)?shù)吸光度：

計(jì)算濃度并應(yīng)用理想的氣體定律溫度 補(bǔ)償：

此過(guò)程假定 TMO<>= T卡爾.

NTC熱敏電阻算法和計(jì)算

NTC熱敏電阻等效電路如圖9所示。

圖9.NTC熱敏電阻電路。

熱敏電阻兩端的電壓為

其中：
VCC 為 3.3 V。
RNTC是熱敏電阻電阻。

NTC熱敏電阻電阻可以表示為

哪里：
R千是溫度T下的熱敏電阻電阻0.
β是NTC熱敏電阻數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的參數(shù)。
RNTC是溫度T下的熱敏電阻電阻。

將兩個(gè)方程結(jié)合起來(lái)得到

在每個(gè)燈斬波時(shí)間間隔內(nèi)，ADC切換到NTC 采樣，如圖 10 所示。

圖 10.NTC和熱電堆采樣和燈斬波的時(shí)間。

用戶(hù)交互界面

EVAL-ADICUP360平臺(tái)板通過(guò)USB端口連接到PC。 該板顯示為虛擬 COM 設(shè)備。任何類(lèi)型的串口終端 可用于與EVAL-ADICUP360板進(jìn)行交互以進(jìn)行開(kāi)發(fā) 和調(diào)試。有關(guān)軟件操作的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱： 包含在CN-0338電路筆記中。

圖 11 顯示了分?jǐn)?shù)吸光度 （FA） 與 CO2 的函數(shù)關(guān)系 典型EVAL-CN0338-ARDZ板的濃度。

圖 11.典型EVAL-CN0338-ARDZ板的吸光度分?jǐn)?shù)與CO2濃度的關(guān)系。

EVAL-CN0338-ARDZ板的完整設(shè)計(jì)支持包 包括布局、物料清單、原理圖和源代碼可以 在 www.analog.com/CN0338-DesignSupport 找到。

測(cè)試設(shè)置的功能圖如圖 12 所示，以及 EVAL-CN0338-ARDZ Arduino 屏蔽板和 EVALADICUP360 的照片 Arduino兼容的平臺(tái)板如圖13所示。

圖 12.測(cè)試設(shè)置功能框圖。

圖 13.EVAL-CN0338-ARDZ板和EVAL-ADICUP360板照片。

總結(jié)

實(shí)現(xiàn)NDIR測(cè)量所需的模擬電子設(shè)備 需要精密的低噪聲放大和高分辨率模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換。本文中描述的電路是一個(gè)高度 采用ADuCM360精密模擬器件的集成解決方案 單片機(jī)執(zhí)行精密PGA功能，精密 Σ-Δ型ADC轉(zhuǎn)換，以及數(shù)字控制和處理。

Arduino 擴(kuò)展板兼容性允許快速原型設(shè)計(jì) NDIR 設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)特定情況定制軟件 申請(qǐng)要求。

審核編輯：郭婷