应用简介
这是 ADI 公司关于气体检测器的第二篇文章,包含 NDIR(非色散红外)气体检测器解决方案和 PID(光离子)气体检测器解决方案。第一篇文章介绍基于电化学传感器的微功耗有毒气体检测器。


NDIR 传感器基于吸收光谱学理论:特定气体吸收特定的红外波长,气体浓度与吸收的红外光量成正比。NDIR 检测器的优势是灵敏度高、使用寿命长、维护工作量少并且安全可靠,主要缺点是成本高。NDIR 气体检测器常用于检测甲烷和二氧化碳,应用行业有采矿、农业、石油和化工等。


PID 传感器主要由紫外光和电离室构成。紫外光激发气体分子,产生电子和离子,从而获得与电离室中气体浓度相关的电流。PID 气体检
测器的优势是灵敏度高、响应快速、精度高并且安全可靠,但其成本也很高,而且 PID 检测器的选择性不好。因此,PID 气体检测器一般
用于检测化学、油气和航空等行业中的挥发性有机化合物(VOC),如芳烃、酮类和醛类。


系统设计考虑因素
可靠性
精度、抗干扰能力以及良好的长期稳定性,这些都是 NDIR 和 PID 设计需要考虑的重要因素。为了实现这一目标,可靠的气体检测器需要低漂移的精确信号链。


分辨率
为了充分发挥传感器动态范围的优势,NDIR 和 PID 检测器的信号链和电源设计需要考虑低噪声和高分辨率要求。


ADI 公司 NDIR 解决方案
下图是 NDIR 气体检测器的系统框图,包括 NDIR 传感器、带通滤波器、微控制器(集成 ADC)、电源管理和通信接口。

 

 

注:上述信号链代表气体检测器设计。模块的技术要求可能不同,但下表列出的产品代表满足部分要求的 ADI 解决方案。

 

 

NDIR 气体传感器包含的光源由灯驱动电路以低频驱动。热电传感器输出的小信号大致呈锯齿形,须进行放大和滤波。带通放大器用于
使基频信号通过并降低链路噪声,其输出大致为正弦波。ADC 获得检测通道和参比通道的幅度,其比值与气体浓度相关。


可靠性:ADI 公司致力于提供精确、低漂移的信号链产品,如零漂移放大器、低噪声和低漂移基准电压源、高精度 ADC 等,以帮助设计师构建精确、稳定的系统。根据具体应用,ADC 可以是独立的或 MCU 集成的。


分辨率:NDIR 传感器的输出电压为毫伏(mV)级,为了实现 0.1%分辨率,信号调理电路输入级的噪声应为 1 µV 左右。信号链的常用带宽小于 10 Hz,因此噪声以放大器的 1/f 噪声(0.1 Hz 至 10 Hz)为主。ADI 公司超低 1/f 噪声的零漂移放大器可帮助设计师实现高分辨率。


ADI 公司 PID 解决方案
下图是 PID 气体检测器的系统框图,包括 PID 传感器、跨导放大器、低通滤波器、微控制器(集成 ADC)、电源管理和通信接口。

 

 

PID 气体传感器包含一只紫外灯,它由灯驱动电路以大约 100 KHz 的脉冲频率驱动。当气体分子吸收高能紫外光时就会发生电离,产生电子和离子。电离室的高压驱使这一弱电流流经跨导放大器并转换成电压。经过放大和低通滤波后,该电压信号进入 24 位Σ-Δ型 ADC。


可靠性:与 NDIR 系统类似,超低偏置电流 TIA、低漂移或零漂移放大器以及高性能 ADC 有利于设计师实现精确、稳定的信号链。


分辨率:ADI TIA 不仅偏置电流非常低,而且电流噪声也非常低。利用 MCU 集成的 24 位Σ-Δ型 ADC,设计师可以实现很高分辨率的 PID 系统。如果设计师需要更高分辨率,应考虑使用独立的 ADC。