使用热释电传感器的气体检测技术
作者: 贸泽电子 Mark Patrick， KEMET电子Derick Stevens
气体检测应用
气体检测在许多工业和商业应用中都是重要方面。我们家中有气体探测器，可以保护我们免受烟雾和一氧化碳侵害。气体检测可以涵盖许多其它潜在来源，包括二氧化碳、二氧化氮和几种麻醉气体，其应用包括用于医疗诊断的二氧化碳排出量测量（称为二氧化碳分析）、智能建筑中的空气质量测量以及商用便携式气体分析检测器等。
本文将介绍使用热释电传感器的气体检测，并着重说明为什么这种方法比使用热电堆更有好处。基于热电堆的感测技术存在多个问题，例如稳定（settling）时间长，测量时间长以及对环境变化的敏感性等。我们将以红外测量为重点解释气体检测背后的原理，并讨论这种方法的优势。还将展示一种完整的系统方法，即通过I2C连接的传感器连接到微控制器主机。
气体检测无处不在，在家里，烟雾和一氧化碳传感器可为我们提供了保护，现代化办公室通过监测二氧化碳水平来保持空气质量的清新，工厂使用探测器来监测许多不同的气体，以实现过程控制和安全。电池电量监测是电动汽车最新近安全应用的一个实例。电池产生的气体可作为过载或异常运行的早期信号，之后可能发生一些温度变化。医院和医疗机构在各种临床和诊断设备中也使用气体检测传感器，一个应用实例是二氧化碳分析仪，这是一种便携式装置，可用于检测患者呼出的二氧化碳量。二氧化碳分析仪可以全面评估患者的呼吸和新陈代谢情况，这些经常在急诊室和急救人中使用。便携式手持式二氧化碳分析仪由电池供电，特别是在事故和紧急情况下使用时，需要快速、准确地给出结果。
气体检测方法
气体检测涉及针对特定气体存在时的红外线（IR）传感器，由于不同气体在某些特定波长处吸收更多的红外光能量，因此可以分析通过气体时的能量变化来检测气体类型。气体分子从红外源吸收能量，变得更容易运动，并处于激发状态，从而产生热量，这些特定气体的浓度越高，吸收的红外能量越多。
传统上，二氧化碳分析仪等气体检测设备是采用热电堆传感器。热电堆传感器使用热释电偶来检测气体分子中的温度变化，并生成与特定待检测气体浓度成比例的电压输出。
但是，热电堆传感器需要长达2分钟的稳定时间，也就是从设备启动，直到传感器达到稳定，然后才可能进行测量。另一个考虑因素是测量时间可能超过200毫秒。测量时间看起来不是非常长的持续时间，但是，对于电池供电的设计，传感器的运行时间肯定会对功耗曲线产生负面影响，需要频繁更换电池或充电。热电堆运行时需要额外的模拟电路，从而也增加了开发工作量和BOM成本。
气体检测的热释电方法是利用热释电效应，通过检测接收到的红外辐射量变化来创建输出电压。
图1：从热释电气体传感器的结构可看出主要组件。（来源KEMET）
图1所示为一个在近红外光谱中工作的热释电气体传感器。红外光源通过封闭的腔室到达传感器，光谱滤光片可以隔离光谱以匹配要检测的气体，并提供参考通道。从光源发射的红外光与传感器接收到的红外光之间的差异能够计算出气体的浓度。其中使用两个IR检测器，一个用于测量参考信号以确定其传输的能量，另一个用于检测通过特定气体后的能量。
图2突出显示了使用热释电传感器呼吸分析仪应用示例。脉冲红外光源通过气体管路和透射窗将红外能量传输到两个热释电传感器，一个传感器提供波长为3.9 µm的参考通道信号，第二个传感器用于检测4.26 µm的CO2波长。
图2：用于呼吸分析的CO2传感器示例。（来源KEMET）
采用热释电传感器设计二氧化碳气体检测系统
一个示范性的CO2气体传感器是KEMET USEQGSEAC82180。KEMET的QGS系列薄膜数字接口热释电传感器采用紧凑的表面贴装设计，具有极低的功率，它们执行气体测量的速度比基于热电堆的检测器快15倍。由于压电（PZT）材料的低热质量，它们能够非常快速地进行测量，并几乎立即可以进行初始化。而且，与基于热电偶的热电堆相比，基于PZT的传感器使用寿命更长。而且由于不需要额外的模拟电路，数字I2C接口可提供连接至微控制器主机的便捷方法。通过I2C接口连接的可编程ASIC器件集成在传感器内部，从而可以完全控制和配置模拟滤波器、放大器增益以及模数转换等器件参数。
与热电堆方法相比，利用KEMET的高灵敏度、快速响应时间压电传感器进行气体检测可降低功耗，延长电池使用寿命以及产品寿命周期，并降低维护成本。
QGS传感器系列提供两种运行模式：正常模式最大采样速率为1 kHz，或者低功耗模式最大采样速率为166 Hz。在正常模式下，典型功耗为22 µA，而在低功耗模式下仅为3.5 µA。掉电模式会禁用传感器，并将电流降低至为1.1 µA的典型值。
QGS传感器系列将所有关键的模拟信号链组件集成到一个封装中，并使用行业标准的I2C接口，极大地简化了电池供电二氧化碳分析仪所需的低功率CO2传感器的构建。
传感器读数存储在可通过I2C接口访问的多个寄存器中，整个测量和信号处理过程均由传感器内部进行管理，而不会给主机MCU增加任何资源负载。
完整的二氧化碳分析仪系统包括脉冲红外源，具有确定路径长度（通常为20-32 mm长）的气室，参考传感器通道和CO2气体传感器。红外源通常每秒脉冲最多40次。
校准过程是借助确定性算法来查找参考通道和气体通道之间的特定比率，随后可用于准确测量气体浓度。根据存储在I2C寄存器中的传感器值，使用Beer-Lambert方程线性化并确定精准的气体浓度水平。
图3展示了从CO2传感器读取的原始I2C寄存器值，其范围是0至100％的CO2浓度水平，需要注意曲线的非线性。 KEMET提供了一个应用笔记和一个Microsoft Excel工作表，可以帮助传感器线性化和气体浓度预测。
图3：跨越多个气体浓度值的原始CO2传感器测量值。（来源KEMET）
加快气体检测原型制作
为了协助开发气体检测系统，KEMET提供USEQGSK3000000 SMD CO2感测评估套件，参见图4。
该评估套件包含一个完整的测量系统，其中有两个KEMET传感器，USEQFSEA391180参考传感器和一个USEQGSEAC82180 CO2传感器。
图4：KEMET SMD CO2气体感测评估套件。（来源KEMET）
该套件包含一个主机意法半导体（STMicroelectronics） STM32F303K8T6微控制器，一个3D打印气体腔室以及一个KEMET 红外发射器和驱动器PCB。还提供Microsoft Windows软件用于配置传感器平台，采集和分析数据。
热释电气体传感器：实现快速、低功率集成气体检测的途径
与传统的热电堆红外传感器相比，热释电传感器用于便携式、电池供电气体检测设备具有许多优势。它们的低功耗、快速稳定时间和快速感测周期使产品开发人员能够极大地改进他们的设计。本文重点介绍了在医疗二氧化碳分析仪中采用的KEMET热释电非发散式红外CO2传感器，它可用于有许多潜在的应用，能够测量从0到100％的气体浓度。
