摘要：本文介绍了一种非色散红外线CO2气体传感器，结合中红外线固态光源/探测器的组合，调整使之与二氧化碳气体的光谱吸收特性相匹配。注塑成型光学器件提供低成本制造，连续运行功耗<3.5mW和脉冲能量每次测量模式<6mJ，使用太阳能电池的自供电操作，同时展示了无线功能。描述了两种路径不同长度（20mm和70mm）的性能。该传感器在温度从-25℃到50℃环境下显示的输出特性是不变的，读数精度等级一般为±3％。
1. 引言
关于二氧化碳（CO2）浓度水平的信息是空气质量监测和控制的重要要素。二氧化碳是一种隐伏的气体，因此浓度的变化是难以为人类所察觉。CO2在低浓度时是**的（通常<1000ppm），然而长时间暴露在中等水平（>5000ppm）可导致与健康有关的一系列问题，如病态楼宇综合症[1,2]造成疲劳症状。
当前和即将出台的法规要求建设环境空气质量[3,4]的*优控制在于二氧化碳气体的监测。此外，采用二氧化碳等气体监测范围内的需求控制通风系统，用于建筑采暖通风和空调，作为一种除了减少能源消耗控制室内空气质量监控的手段。
在工业环境中产生的二氧化碳占主导地位，例如，在酿酒，饮料，包装业，冷藏库等，在8小时工作时间根据大多数标准允许的二氧化碳浓度*高可达5000 ppm。在这种情况下，二氧化碳气体监测必须确保服从工业健康和**的要求。通常这样的水平在人是二氧化碳主要来源的家庭或办公室环境中是没有发现的。
当前和新兴的建筑室内空气质量和工业**市场需要实时连续监测CO2浓度水平，在许多情况下通过立法规定，推动创造高容量低成本，功耗低的二氧化碳气体传感器。日益增长的无线网络CO2传感器的需**强调低功耗，对电池操作的水平，并*终**功率/自供电技术。
目前有两种类型的气体传感器通常用于监测空气中二氧化碳浓度，即非色散红外（NDIR）和固体电解质传感器。NDIR传感器具有长期稳定，**性和CO2测量的功耗方面的性能优势。因此，NDIR传感器是使用*广泛的实时测量二氧化碳的传感器。固体电解质类型有成本优势，但产品的性能不够好，不允许他们除了极少数苛刻应用外的任何应用。
NDIR法是检测气体的光学方法。这依赖于一个事实，即许多气体吸收特定波长的红外光。它利用通过一个定义长度的通道和测量气体吸收特定波长光线的多少是可以计算出气体的浓度。对于二氧化碳，常用的波长为4.26um，这是二氧化碳的强烈吸收，但不被所有其他常见的气体或水蒸气吸收的波长。
当前NDIR 二氧化碳气体传感器使用白炽灯泡和热释电光源/探测器相结合，随之而来的高功耗——通常是50~200mW。这就导致需要安装硬连接或电池寿命短，这是昂贵的，而且违背了多种无线传感器安装在建筑、交通运输系统的立法需求和**，以及工业应用中使用的便携式传感器的需要。
此外，白炽灯光源额外限制使用在要求低功耗的应用，如延长稳定时间（通常>10分钟）和能力受限脉冲（通常<4Hz）持续时间短的测量。此外，输出波长漂移与灯泡的寿命，必须使用复杂的参考光学和光学过滤。
在本文中，描述的是低功耗NDIR二氧化碳气体传感器，基于固态中红外发光二极管（LED）和光电二极管（PD）。 LED提供高源发射率，调制速率快，室温工作无须老化和更多的部署成本比激光二极管有效实用的气体传感器[5]。
描述具体的性能优势，包括低功耗（<3.5mW），快速稳定时间（<2s）和脉冲持续时间短测量的能力。此外，固态LED/ PD组合的本身波长稳定使之允许使用简化和成本低的注射成型反射光学系统，没有定期调整传感器组件的要求。
1. 传感器的构造
本文中所描述的NDIR传感器包括一个狭窄的带隙的III-V LED光源和光电二极管检测器。中红外辐射发射到一个定义了气体扩散的光路和室，减少在光传输过程中的红外波长的光学结构。电子和内在的固件控制LED / PD的驱动电流/电压，脉冲和信号处理。输出参数是稳定在传感器的工作温度范围的二氧化碳气体的浓度。灵敏度是由光路长度决定的。
传感器组成部分和装配说明如下。
1.1. LED/ PD 组合
光电子技术已被用于生产LED光源和在气体检测中的操作中红外波段的PD探测器。该技术是基于一个独特的pentanary AlGaInAsSb窄带隙的III-V材料的组合[7,8]。
可以调整LED和PD的光谱特性改变III-V材料的化学计量比[8]。
图1a表明LED和PD配置。图1b显示了安装了实际LED和PD的电子板，准备组装到光学和电子机箱。
此技术生产的LED和PD调整到一个相对狭窄的带宽。作为一对组合系统的带宽仍然窄。这种狭窄的带宽允许无需额外的光学过滤使用LED和PD，进一步降低成本和简化的光学设计。
LED和PD探测器是通过对LED和PD活跃区域[9]的分割来增强LED和PD的阻抗匹配把工作电压降低到2.5V。工作电压在2.5V与5V和3.3V电子接口非常适合。
1.1. 性能建模，光学和信号处理
详细的光学传感器的灵敏度和噪声建模已对CO2气体传感器所需的光程进行了必要的确认，覆盖所需的浓度范围，精度和数据处理。
图2说明了两种光路（20mm和70mm）的模型和测量噪声（实际的二氧化碳浓度的百分比表示）。模型表明没有一个光路可以提供从200ppm到100％浓度的满量程高精度（<±5％读数）。该模型利用二氧化碳的完整的吸收光谱的特性。
图2两种光路：20mm和70mm为模型的传感器噪声（实际的二氧化碳的浓度水平的百分比表示）。显示两种传感器光路的测量噪声。
需要至少两种光路提供精度<±5％的读数。 20mm光程是适合从5~100％的浓度水平，而70mm光程提供互补性的必须的精度从200ppm至5％。图3所示为20mm和70mm光程传感器的光学/电子组件，都是低成本，注射成型反射光。
(a) 大量程 (b) 环境
光程20mm 光程70mm
图3组合（a）大量程（实际大小直径为20mm，25mm长度，包括电子器件），和（b）环境传感器（注意周围无防护罩尺寸覆盖，直径42mm，厚度15mm，包括电子器件）
组合要求没有活跃的LED / PD 桥板和光学器件对齐。
这两个传感器的配置，可以校准从零到客户指定的*大范围。然而，大量程通常提供四个标准量程：0〜5％，0〜20％，0〜65％和0〜100％，而环境是提供三种标准的范围0〜5000ppm，0〜1％和0〜2％。
图4给出了信号处理方案。微控制器单元（MCU）周期性的发送一个速度非常快的脉冲序列给红外发光二极管（IR LED）然后通过一个增益级。已调制的红外光脉冲落到光电二极管检测器。
红外光的水平是由PD检测和增益级放大前被抓获MCU的模数转换器（ADC），从而使可用于处理数字版本。红外光水平的数字化处理的版本是由单片机，然后提供了一个串行数据输出，表明中红外LED和PD之间的二氧化碳目前浓度。
1. 性能规格
表1提供了两个光程配置的性能。
| 特性 | 大量程 20mm 光程 | 环境 70mm 光程 |
| 功率 (连续 ) | <3.5mW |
| 每次测量能量 (脉冲) | 6mJ |
| 上电稳定时间 | <2s |
| 峰值电流 | 33mA |
| 平均电流 | 1.1mA |
| 输入电压 | 3.3V |
| 精度 | ±3% (读数) |
| 标准量程 | 0 ~ 5%, 20%, 65%, 100% | 0 ~ 2000ppm, 1% , 2% |
| T90 | 4 secs | 30secs |
| 工作温度范围 (ºC) | 标准: 0 ~ 50 ºC; 扩展:-25 ºC ~ +50 ºC |
| 储藏温度(ºC) | -30 ~ +70 ºC |
| 相对湿度 | 0 ~ 95% RH (不凝结) |
| 尺寸规格 | 20mm x 25mm | 43mmx 15mm |
表 1 大量程(20mm 光程)和环境(70mm 光程)传感器的性能参数
图 5(a) 显示温度不改变性能的6个温度点 (-25, 0, 15, 25, 35,55ºC):