基于NDIR原理的CO2浓度传感器的制备与研究

摘要

人体呼吸的氧气经过血液循环运输到肺部参与人体新陈代谢，产生的二氧化碳通过呼吸作用排出到体外。作为人体代谢产物的呼吸二氧化碳可以反映人体新陈代谢和通气系统功能的变化。因此，呼吸气体中的二氧化碳浓度已经被认为与体温、呼吸、脉搏、血压、动脉血氧饱和度等同样的基本生命体征，在麻醉监测、重症监护、急诊医学等领域中广泛应用。传统应用CO2气体监测仪体积大、成本高、响应时间长，难以满足日常检测CO2气体在运动机能和代谢功能检测等方面的应用需求。 本论文围绕二氧化碳检测技术展开了研究，采用NDIR（Non-Dispersive Infrared）技术制备气体传感器，主要有以下工作： 1.在气室设计过程中同步做了光路仿真工作，对横截面为矩形和圆形的气室进行分析和探究，并通过辐照度分析得到得出圆形截面的气室相比于矩形截面的气室对红外光有更高的汇聚效果。选择使用十字交叉结构构建红外气体传感器的气室，并且得出10mm-30mm的光程长度范围为检测人体呼出二氧化碳（4%-6%）的理想长度范围。 2.本文对气体传感器进行了不同温湿度环境下的标定，并且得到了拟合曲线。通过对拟合曲线的进一步分析，将浓度标定结果和拟合曲线写入MCU中，最终得到在-20℃-50℃的温度条件下，0%-8%量程范围内，绝对误差小于0.5%，相对误差3%的CO2传感器。 3.此外还针对更高的光源调制频率进行了探究，并发现气体传感器的响应时间是和光源调制频率有关的，更高的调制频率可以带来更快的响应速度。将光源调制频率从2Hz提升至4Hz后，传感器的响应时间从3s降低至1s。 4.通过流体仿真发现了被测气体与气室进行交互的过程也会影响浓度检测的准确性和即时性。本文通过引入控制流速为350ml/min的压电微泵来为被测气体提供稳定的流速。气室内部由于进出气孔在一条轴线上而导致出现气流柱，这种现象会使气体传感器的有效光程长变短。在进气口处加入了由14个1mm*1mm的正方形通孔组成的扰流结构，使进入气室内的被测气体快速均匀地分散在整个气室中。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 CO2气体检测技术介绍与国内外研究历史与现状

1.2.1 CO2气体检测技术的分类

1.2.2 红外检测技术介绍与国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

1.4 本文的结构安排

第二章 红外气体检测理论基础

2.1 红外气体传感原理

2.1.1 朗伯-比尔定律

2.1.2 非分光红外（NDIR）法检测原理

2.1.3 双通道检测原理

2.1.4 浓度计算方法

2.2 气体传感器的仿真方法与软件

2.2.1 TracePro简介

2.2.2 COMSOL Multiphysics 简介

2.3 分离器件选型

2.3.1 红外光源的选型与性能参数

2.3.2 红外探测器的选型与性能参数

2.4 气体传感器的测试系统搭建

2.4.1 浓度标定系统

2.4.2 动态响应测试系统

2.5 本章小结

第三章 红外气体传感器设计与标定

3.1红外气体传感器的设计与仿真

3.1.1 气室长度计算

3.1.2 气室结构设计与光路仿真

3.2 气体传感器的电路设计及组装

3.3 浓度标定

3.4 温湿度标定

3.5 动态响应测试

3.6 本章小结

第四章 被测气体的扩散对红外气体传感器性能的影响

4.1 对红外气体传感器的气路仿真

4.2 压电微泵的引入与气路仿真

4.3 扰流结构的设计与引入

4.4 实际测试

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果