基于非分散红外原理的热电堆传感器原理分析及电路设计

 非分散红外(NDIR)光谱仪常被用来检测气体和测量碳氧化物(例如一氧化碳和二氧化碳)的浓度。一个红外光束穿过采样腔，样本中的各气体组分吸收特定频率的红外线。通过测量相应频率的红外线吸收量，便可确定该气体组分的浓度。之所以说这种技术是非分散的，是因为穿过采样腔的波长未经预先滤波;相反地，光滤波器位于检波器之前，以便滤除选定气体分子能够吸收的波长之外的所有光线。

图1所示电路是一个基于NDIR原理的热电堆气体完整电路。该电路针对二氧化碳检测优化，但采用不同滤光器的热电堆之后亦可精确测量多种气体的浓度。

印刷电路板(PCB)采用Arduino扩展板尺寸设计，并与Arduino兼容平台板EVAL-ADICUP360对接。信号调理由低噪声放大器AD8629 和 ADA4528-1以及精密模拟微控制器ADuCM360实现，该微控制器集 成可编程增益放大器、双通道24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)和ARM Cortex-M3处理器。

热电堆由通常串联(或偶尔并联)的大量热电偶组成。串联热电偶的输出电压取决于热电偶结与基准结之间的温度差。该原理称为塞贝克效应，以其发现者Thomas Johann Seebeck命名。

本电路使用运算放大器AD8629放大热电堆输出信号。热电堆输出电压相对较小(从几百微伏到几毫伏)，需要高增益和极低的失调与漂移，以避免直流误差。热电堆的高内阻特性(典型值为84 kΩ)需要低输入偏置电流的放大器以最大程度地减少误差，而AD8629的偏置电流仅为30 pA(典型值)。该器件随时间和温度变化的漂移极低，在校准温度测量后不会引入额外误差。与ADC采样速率同步的脉冲光源最大程度地减少低频漂移和闪烁噪声引起的误差。

AD8629在1 kHz下的电压噪声频谱密度仅为22 nV/√Hz，低于热电堆37 nV/√Hz的电压噪声密度。

AD8629在10 Hz下的电流噪声频谱密度也非常低，典型值仅为5 fA/√Hz。该电流噪声流过84 kΩ热电堆，10 Hz时的噪声贡献仅为420 pV/√Hz。

图1. NDIR气体检测电路(原理示意图：未显示所有连接和去耦)

采用低噪声放大器ADA4528-1作为缓冲的共模电压为200mV，因此NTC和热电堆信号输出满足ADuCM360缓冲模式输入的要求：ADuCM360 ADC缓冲模式输入为AGND + 0.1 V至约AVDD - 0.1 V。CN-0338 Arduino扩展板兼容其它类型的仅有单端输入ADC的Arduino兼容平台。

该电路的斩波频率范围为0.1 Hz至5 Hz，可通过软件选择。低压差稳压器 ADP7105 l生成稳定的5 V输出电压以驱动红外光源，并由ADuCM360控制开关。ADP7105具有软启动功能，可消除冷启动光源时产生的浪涌电流。

ADuCM360集成双通道、24位、Σ-Δ型ADC，在3.5 Hz至3.906 kHz的可编程速率范围内可同步采样双热电堆单元。NDIR系统的数据采样速率范围限制在3.5 Hz至483 Hz之间，以便具有最佳的噪声性能。

热电堆检测器工作原理

为了理解热电堆，有必要回顾热电偶的基本理论。

如果在绝对零度以上的任意温度下连接两种不同的金属，则两种金属之间会产生电位差(热电EMF或接触电位)，此电位差是结温的函数(参见图2中的热电EMF电路)。

如果两根导线在两处相连，则形成两个结点(参见图2中连接负载的热电偶)。如果两个结点的温度不同，则电路中产生净EMF，并有电流流过，电流由EMF和电路总电阻决定(参见图2)。如果其中一根导线断开，则断点处电压等于电路的净热电EMF;并且如果该电压可以测得，便可利用其计算两个结点之间的温度差(参见图2中的热电偶电压测量)。记住，热电偶测量两个结点之间的温度差，而非一个结点处的绝对温度。只有当另一个结点(通常称为基准结点或冷结)已知的情况下，测量结点处的温度才可测得。

但是，要测量热电偶产生的电压却很困难。假设电压表连接第一个热电偶测量电路(参见图2中显示冷结的实际热电偶电压测量)。连接电压表的导线在连接处形成了更多的热电偶。如果这些额外的结点温度相同(无论温度是多少)，则中间金属法则表明它们对系统的总EMF没有净贡献。如果它们的温度不同，则产生误差。由于每一对不同的接触金属都会产生热电EMF——包括铜片/焊点、可伐/铜片(可伐是一种用于IC引线框架的合金)和铝/可伐(IC内的焊接)——在实际电路中，问题更为复杂，有必要极其谨慎地确保热电偶周边电路的所有结点对(除测量结点和基准结点本身)的温度相同。

图2. 热电偶原理

热电堆由大量热电偶串联而成，如图3所示。与单个热电偶相比，热电堆产生的热电电压要高得多。

图3. 多个热电偶组成热电堆

在NDIR应用中，经过滤波的脉冲红外光施加于串联有源结点;因此，结点加热，产生较小的热电电压。基准结点的温度由热敏电阻测量。

很多气体的正负电荷中心瞬态或稳态不重合。在红外频谱，气体可吸收特定频率，这种特性可以用来进行气体分析。当红外辐射射入气体中，并且当分子的自谐振频率与红外波长相匹配时，气体分子会根据原子的能级跃迁而与入射红外线产生谐振。

对于大部分红外气体检测应用而言，目标气体的成分是已知的，因此不需要气相色谱分析。然而，如果不同气体的吸收线重叠，那么系统就必须处理这些气体之间的相互干扰。

二氧化碳在4200 nm和4320 nm之间存在吸收峰值，如图4所示。

图4. 二氧化碳(CO2)的吸收频谱

红外光源的输出波长范围和水的吸收频谱同样决定了检测波长的选择。在3000 nm以下，以及4500 nm和8000 nm之间，水具有较强的吸收性。如果目标气体中有湿气(湿度高)，则在这些范围内，检测气体会受到较强的干扰影响。图5显示了二氧化碳吸收频谱与水的吸收频谱重叠。(所有吸收数据均来自HITRAN数据库)。

图5. 二氧化碳与水的吸收频谱重叠

如果将红外光施加在双热电堆上，并安装一对滤光器，使其中一个滤光器中心波长在4260 nm，而另一个中心波长在3910 nm，则通过测量两个热电堆的电压之比即可测得二氧化碳浓度。中心波长与二氧化碳吸收波长重叠的滤光器用作测量通道，中心波长在二氧化碳吸收波长以外的滤光器用作基准通道。使用基准通道后，可消除灰尘或辐射强度衰减引起的测量误差。二氧化碳和水蒸汽对3910nm的红外线几乎都没有吸收，注意这一点很重要;这使得该区域成为基准通道的理想地点。

NDIR检测中使用的热电堆具有相对较高的内阻，而50 Hz/60 Hz电源线噪声会耦合进入信号路径。热电堆的内阻可能为100 kΩ左右，导致热噪声成为系统内的主要噪声。例如，图1系统中选用的热电堆电压噪声密度为37 nV/√Hz。为了使系统拥有最好的性能，应该使输出尽可能大的信号，并且在电路中使用较低的增益。

使来自热电堆的信号最大化的最佳方法是使用具有高反射特性的腔室，这样做可以确保尽可能多的辐射进入检测器而不被腔室吸收。使用反射腔室来减少腔室吸收辐射量还可降低系统功耗，因为这样可以使用小功率的辐射源。

NDIR气体吸收的比尔-朗伯定律

测量通道的红外强度以指数关系递减，此关系称为比尔-朗伯定律：

其中：

1.I表示出射光强。

2.I0表示入射光强。

3.k表示特定气体和滤光器组合的吸收系数。

4.l表示光源与检测器之间的等效光学路径长度。

5.x表示气体浓度。

对于测量通道输出，存在相应的输出电压变化V0 – V：

其中：

1.FA表示相对吸收率。

2.V0表示入射光强对应输出。

3.V表示出射光强对应输出。

整理公式，并结合前面两个公式，可得：

如果k和l保持不变，FA可相对于x进行绘图，如图6所示(其中，kl = 115、50、25、10和4.5)。FA值随c增加，但最终在高气体浓度下饱和。

图6. 典型相对吸收率(kl = 4.5、10、25、50、115)