完整的采用非分散红外(NDIR)技术的气体传感器电路

作者：Robert Lee 和 Walt Kester，ADI公司

简介

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原理的热电堆气体传感器完整电路。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。

热电堆传感器由通常串联（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放大热电堆传感器输出信号。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。

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