氣體檢測與人類生活息息相關，例如：石化廠、煤氣站、油庫等場所對可燃氣體的監測；汽車尾氣、工業廢氣、城市霧霾的監控；還有家用煤氣、天然氣的泄漏爆炸的監測；以及針對裝修后有毒氣體（苯和甲醛）殘留濃度的檢測等等。從工業到民用，針對各種可燃有毒氣體的檢測無一不會用到氣體探測器。并且隨著智能物聯網的蓬勃發展，氣體探測器也被廣泛用在功能強大的物聯網上實時監控前天環境，為人類的安全保駕護航。

 

然而目前市場上的氣體探測器按原理可分為催化燃燒式、電化學、半導體式以及紅外四種。催化燃燒式探測器易中毒，電化學探測器壽命有限，半導體式探測器一致性較差。而紅外探測器反應靈敏，精度高，壽命長，優勢顯著。世健公司作為技術分銷商跟解決方案商，時刻關注市場需求，近期正式推出基于Microchip平臺，采用Axetris的紅外光源和Pyreos的傳感器所組成的紅外氣體檢測參考設計方案。通過此方案，客戶可以快速地評估MCU、光源以及傳感器的性能，縮短氣體檢測項目的設計周期。

 

該參考設計方案的原理：紅外光源發射出2-14μm的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，由帶4.26μm 波長的窄帶濾光片的紅外氣體傳感器進行探測，傳感器內置15位ADC，通過IIC進行數據采集，經過Microchip的Cortex® M0+ SAM D20進行數據分析處理，分析出的采樣數據通過通訊接口傳輸到上位機，然后通過配套軟件觀察不同探測器采集的數據及波形。方案框圖如下：

 

圖1 方案框圖

 

整個方案的硬件連接方式是micro USB轉USB線連接評估板和PC，選用12V直流電源適配器。作為一個參考設計，這個方案選用了Microchip公司的系列產品，包括基于Cortex M0+核的ATSAM D20作為的主控芯片，軌到軌的放大器MCP6H02用于驅動A紅外光源，和低噪聲的電源芯片MIC5253提供系統電源及接口芯片MCP2200。

 

而使用Pyreos公司的ezPyro是世界上最小的擁有數字接口超低功耗的熱釋電紅外傳感器。ezPyro 系列數字接口型傳感器內部集成了傳感器、模擬前端、15位Δ-Σ模數轉換、數字濾波器、FIFO以及中斷喚醒控制等部分，同時5.65_mm×3.7_mm×1.55_mm的封裝也大幅減小了設計整體體積。ezPyro熱釋電紅外傳感器的響應時間在毫秒級，相比競爭對手幾秒鐘的響應時間，可謂是不可同日而語。

 

此方案中使用的紅外光源EMIRS 50是通過緊湊的TO-46封裝，它可以提供帶保護帽或者帶反射面，這些結構可以配置藍寶石或氟化鈣、氟化鋇和鍺等材料的濾光片。Axetris紅外光源是緊湊型氣體檢測模塊的理想選擇。所有Axetris紅外光源都是基于微機械加工，電調制技術的熱輻射紅外光源。這個專利的設計提供了真實黑體的輻射特性從2-14μm，高輻射率和一個很長的使用壽命，它還具備極其快速的調制和低功耗的特性。Axetris紅外光源在這些年已經成功地集成在各種醫療、工業和安全應用上。典型的目標氣體是CO、CO2、制冷劑、CH4、Nox、呼吸性酒精氣體以及其他更多氣體。

 

當然，要確保方案整體的性能、提升系統測量精度，只有傳感器是不夠的。世健在配套芯片的選擇上也下了一番功夫。從方案的BOM清單中我們可以看到，世健的工程師特意選擇了Microchip的電源芯片MIC5253以及運算放大器MCP6H02等性能優異的外圍電子元器件，使得傳感器的特性最大限度地發揮出來。

 

除了硬件方面，世健的設計工程師也開發出了配套的軟件，開發者可以觀測到方案中不同傳感器通道的測試和分析數據。采樣數據由串口傳輸到上位機，通過軟件顯示測量譜圖，軟件的左側可以觀察參考通道和CO2通道所測量的數據，其中白色曲線是參考信號，紅色曲線是CO2檢測信號。經過雙通道的校準算法可以測量出氣體濃度值等等，軟件還可以保存采集數據。

 

運行NDIR.exe軟件時，請確保已經安裝NDIR驅動或者安裝Labview2014運行引擎和Labview visa 驅動(visa540_full.exe)，步驟如下：

 

 

圖2 軟件界面

 

世健公司的現場應用總監仇嘉洋表示：“通過采用Microchip公司高性能的基于Cortex-M0+的MCU及電源和接口產品，結合MEMS技術的紅外光源和傳感器，世健公司為客戶提供了完整的紅外氣體檢測解決方案，可廣泛應用于工業氣體排放、煤礦可燃有毒氣體泄漏監測、環境監測、醫療安全、智能樓宇、機車尾氣排放檢測等應用場景。”