一种高精度和高分辨率的DNIR二氧化碳传感器的制作方法

本发明涉及二氧化碳传感器，具体为一种高精度和高分辨率的dnir二氧化碳传感器。

背景技术：

1、非色散(dnir)二氧化碳传感器，以下简称“dnir_co2”。其作用在于检测人们工作或生活环境空气中的二氧化碳气体的浓度或康复病人呼出气体中二氧化碳的含量，并将获得的数据传送至中央处理单元进行分析，以便控制中心或医护人员作相应的处理。它根据敏感元和结构的不同可分为几种类型。本发明只涉及对单波长，单光束dnir_co2的电路的改进。所以，以下只对单波长，单光束dnir_co2的电路加以说明。

2、图1是现有技术的单波长，单光束dnir_co2的基本原理示意框图。其基本原理是利用二氧化碳气体对特定波长(4.26um)的红外线有选择吸收的特性，然后再通过对红外敏感元件(热释电)所接收到的红外线能量的强弱输出相应的电信号，来判断二氧化碳气体的浓度。二氧化碳浓度越低，其输出的电信号幅度越大，反之越小。当二氧化碳浓度为零时，输出幅度最大。由于这种热释电传感器对温度非常敏感，如果用直流信号直接驱动光源。则其接收到的信号再经放大后，会很容易因温漂而漂至放大器的线性区以外而无法得到准确的信号。又因这种温漂的频率是很低的，通常小于1hz。因此，其使用了电压为5v，周期30ms，1/4占空比的脉冲来驱动光源。图2是一款国外的单波长，单光束dnir_co2，与本发明相关的信号处理部分的原理框图及局部电路图。其采用+5v，gnd，-5v来给有源带通滤波电路供电。此时，热释电感应器输出信号经第一级隔直+滤波+放大，再经第二级有源带通滤波+放大电路处理后变成了几乎不受温漂影响的周期为30ms，过零点在2.048v的脉动正弦波信号。且由于后级采用单端输入16位a/d采样电路，直接对此正弦波信号进行采样，所以输出的不是过零点在0v的纯正弦波信号。如果要判断信号的强弱，就必须对正弦波正负半周的峰值进行采样，而这种a/d芯片无法对负电压信号进行采样。所以只能将正弦波的正负峰值都调整到0v以上。然后将获得的数据送到mcu控制单元(按照朗伯-比尔定律算法)进行处理，再通过通讯口将数据传送给上位机。其他附属电路(比如恒温电路、光源驱动、mcu等)不属于本发明涉及的内容，这里不再说明。

3、通过上述对现有技术电路的分析可知，其对二氧化碳浓度的分辨率不高原因有三个方面。

4、一、在供电电源为正负5v不变的情况下，当二氧化碳浓度为零时(最小时，也就相当于0标定)，也就红外线完全没有被吸收，此时热释电传感器接收的信号最强。因此，它输出的电信号幅度也是最大。此时，信号传送至有源带通滤波+放大电路，调整放大器的增益使输出幅度达到最大但还没有进入非线性区。这就是现有技术中信号增益的极限了。此时，如果给气室通以一定浓度和压力的二氧化碳气体，红外被吸收掉一部分，热释电传感器输出信号也会相应地减弱，如果二氧化碳浓度升高时，输出信号的幅度就会变小，反之变大，但不会超过0浓度气体的幅度。因此，带通滤波器的增益受到零浓渡气体的限制而无法进一步提高。

5、二、由于现有技术中带通滤波输出信号的过零点不在0v而是在2.048v。因此，放大器的放大区间只能在0v-+5v的范围内，而不是整个-5v-+5v的范围内，其放大区间只有供电源的一半。

6、三、在现有技术中，由于采用了单端输入的16位a/d采样芯片。首先由于单端输入无法抑制来自电源的共模干扰，使得采样分辨率有所下降。其次16位a/d芯片有效分辨率只有13-14位。也是分辨率不高的一个原因。

7、基于此，本发明设计了一种高精度和高分辨率的dnir二氧化碳传感器，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高精度和高分辨率的dnir二氧化碳传感器，以解决上述背景技术中提出的现有技术中单波长、单光束dnir二氧化碳传感器对检测二氧化碳浓度分辨率、精度不高的缺陷问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高精度和高分辨率的dnir二氧化碳传感器，包括热释电传感器、隔直一级放大积分电路、二级放大带通滤波电路m1、差输入24位a/d采样电路m2、数据处理器和上位机；

3、所述二级放大带通滤波电路m1与所述差输入24位a/d采样电路m2之间设置分别设置有纯交流正弦波信号转直流信号电路mz1、带温度补偿的直流信号产生电路mz2、差分放大电路mz3、全差分输出放大电路mz4；

4、所述热释电传感器用于采集二氧化碳浓度电压信号，并将采集的二氧化碳浓度电压信号输入到隔直一级放大积分电路中；

5、所述隔直一级放大积分电路将接收的二氧化碳浓度电压信号转换成变形的脉冲信号，将变形的脉冲信号输入到二级放大带通滤波电路m1中；

6、所述二级放大带通滤波电路m1将变形的脉冲信号转换为纯交流正弦波信号，并将纯交流正弦波信号输入到差分放大电路mz3中的-in端；

7、所述带温度补偿的直流信号产生电路mz2利用数据处理器的控制输出一路直流信号，将所述直流信号输入到差分放大电路mz3中的+in端；

8、所述差分放大电路mz3将接收的两路直流信号进行差分放大，将放大的直流信号输入到全差分输出放大电路mz4中的-i端；

9、所述全差分输出放大电路mz4将接收的放大的直流信号转换成两路相位相反的直流信号，将同相信号输入到差输入24位a/d采样电路m2的-ain端，反相信号输入到差输入24位a/d采样电路m2的+ain端；

10、所述差输入24位a/d采样电路m2将接收的信号转换成数字信号，并将所述数字信号通过spi1口与数据处理器相互通讯，所述数据处理器按照比尔-朗伯定理进行运算后，转变成与二氧化碳传感器浓度完全对应的数字量，通过通信口传送给上位机。

11、优选的，二级放大带通滤波电路m1包括运算放大器u401a，所述运算放大器u401a的6号引脚与隔直一级放大积分电路的输出端连接，用于接收隔直一级放大积分电路输送过来的变形的脉冲信号；所述运算放大器u401a的6号引脚与隔直一级放大积分电路之间依次串联有电阻r410和电容c408，所述电阻r410与电容c408之间串联一个电阻r411，且电阻r411的一端连接至agnd；运算放大器u401a的5号引脚直接连接至agnd，且运算放大器u401a的5号引脚与6号引脚之间并联一个电容c407；运算放大器u401a的6号引脚与7号引脚之间并联一个电阻r412；运算放大器u401a的7号引脚与电容c408之间并联一个电容c409；运算放大器u401a的7号引脚与纯交流正弦波信号转直流信号电路mz1连接，利用运算放大器u401a将输入的变形的脉冲转变成过零点在0v的纯交流正弦波信号。

12、优选的，纯交流正弦波信号转直流信号电路mz1包括运算放大器u402，且运算放大器u402的8号引脚与运算放大器u401a的7号引脚连接，用于接收二级放大带通滤波电路m1输送过来的纯交流正弦波信号；运算放大器u402的8号引脚与运算放大器u401a的7号引脚之间串联一个电阻r413；运算放大器u402的2号引脚gnd连接，1号引脚串联一个电阻r414，且电阻r414的一端agnd连接；运算放大器u402的1号引脚与4号引脚之间并联一个电容c413；运算放大器u402的4号引脚串联一个电阻r418，且电阻r418的另一端与运算放大器u402的1号引脚之间并联一个电阻r416，所述电阻r418与电阻r416之间串联一个电容c415，且电容c415的一端连接至agnd；运算放大器u402的8号引脚与5号引脚之间并联一个电容c412；运算放大器u402的5号引脚串联一个电阻r417，且电阻r417的另一端与运算放大器u402的8号引脚之间并联一个电阻r415，电阻r417与电阻r415之间串联一个电容c414，且电容c414的一端连接至agnd；运算放大器u402的3号引脚连接一个+5v的电源，+5v的电源另一端连接一个电容c410，电容c410的一端连接至agnd；运算放大器u402的6号引脚连接一个-5v的电源，-5v的电源另一端连接一个电容c411，电容c411的一端连接至agnd，电阻r417和电阻r418之间安装有一个双二极管d401，且电阻r417与双二极管d401的1号引脚连接，电阻r418与双二极管d401的2号引脚连接，在双二极管d401的1号引脚和2号引脚之间并联一个电容c416，在双二极管d401的3号引脚连接一个运算放大器u403a，且运算放大器u403a的3号引脚与双二极管d401的3号引脚之间串联有电阻r420和电阻r421，双二极管d401的3号引脚与电阻r420分别串联有一个电阻r419、一个电容c416，且电阻r419靠近双二极管d401的3号引脚设置，电容c416靠近电阻r420设置，电阻r420和电阻r421之间串联一个电容c417，电阻r421与运算放大器u403a的3号引脚之间串联一个电容c418，电阻r419、电容c416、电容c417和电容c418都连接至agnd；运算放大器u403a的2号引脚与1号引脚之间直接连接，利用运算放大器u402输出两路相位相反的正弦波信号，这两路正弦波信号经双二极管d401整流后变成脉动的直流信号，又经电阻r419、电阻r420、电阻r421和电容c416、电容c417、电容c418组成的双π型滤波器滤波后变成了平滑的直流信号，将平滑的直流信号送至运算放大器u403a进行阻抗变换输出ush直流信号。

13、优选的，带温度补偿的直流信号产生电路mz2包括运算放大器u401b，所述运算放大器u401b的5号引脚与数据处理器连接，且运算放大器u401b的5号引脚与数据处理器之间串联一个电阻r422，所述电阻r422与运算放大器u401b的5号引脚之间串联一个电容c421，且电容c421的一端连接至agnd；运算放大器u401b的6号引脚和7号引脚直接连接；运算放大器u401b的8号引脚连接有一个+5v的电源，且+5v的电源另一端连接有一个电容c419，电容c419的一端连接至agnd；运算放大器u401b的6号引脚连接有一个-5v的电源，且-5v的电源另一端连接有一个电容c420，电容c420的一端连接至agnd，利用运算放大器u401b将来自数据处理器的信号进行阻抗变换输出uz直流信号。

14、优选的，差分放大电路mz3包括运算放大器u403b，所述运算放大器u403b的5号引脚与运算放大器u401b的7号引脚连接，用于接收ush直流信号，且运算放大器u403b的5号引脚与运算放大器u401b的7号引脚之间串联一个的电阻r423；运算放大器u403b的6号引脚与运算放大器u403a的1号引脚连接，用于接收uz直流信号，且运算放大器u403b的6号引脚与运算放大器u403a的1号引脚之间串联一个电阻r424；运算放大器u403b的5号引脚与电阻r423之间串联一个电阻r425，且电阻r425的一端连接至agnd，电阻r425的两端之间并联一个电容c421；运算放大器u403b的6号引脚和7号引脚之间并联一个电阻r426，所述电阻r426的两端并联一个电容c422；运算放大器u403b的8号引脚连接有一个+5v的电源，且+5v的电源另一端连接有一个电容c419，所述电容c419的一端连接至agnd；运算放大器u403b的6号引脚连接有一个-5v的电源，且-5v的电源另一端连接有一个电容c420，所述电容c420的一端连接至agnd，利用运算放大器u403b将输入的uz直流信号和ush直流信号做差值运算，并将差值运算后的信号放大转换为uco2直流信号。

15、优选的，全差分输出放大电路mz4包括运算放大器u405，所述运算放大器u405的1号引脚与运算放大器u403b的7号引脚连接，用于接收放大的直流信号，且运算放大器u405的1号引脚与运算放大器u403b的7号引脚之间串联有一个电阻r428；运算放大器u405的1号引脚与4号引脚之间并联一个电容c426；运算放大器u405的4号引脚串联一个电阻r432，且电阻r432远离电容c426设置，所述电阻r432远离运算放大器u405的4号引脚的一端与运算放大器u405的1号引脚之间并联一个电阻r430，所述电阻r430与电阻r432之间串联一个电容c428，所述电容c428的一端连接至agnd；运算放大器u405的2号引脚连接有输出偏置电路；运算放大器u405的5号引脚串联一个电阻r431；运算放大器u405的8号引脚串联一个电阻r427，且电阻r427的一端连接至agnd；运算放大器u405的5号引脚和8号引脚之间并联一个电容c425；运算放大器u405的8号引脚与电阻r431远离运算放大器u405的一端之间并联一个电阻r429，所述电阻r429和电阻r431之间串联一个电容c427，所述电容c427与运算放大器u405并联，且电容c427的一端连接至agnd，电阻r431和电阻r432远离运算放大器u405的一端之间并联一个电容c429，且电阻r431和电阻r432远离运算放大器u405的一端与差输入24位a/d采样电路m2连接，利用运算放大器u405将输入的uco2直流信号转换成全差分信号，分别通过电阻r431和电阻r432输出ain+信号、ain-信号。

16、优选的，输出偏置电路包括运算放大器u404a，所述运算放大器u404a的1号引脚与运算放大器u405的2号引脚连接，用于将运算放大器u405的输出ain+信号、ain-信号调节至0v以上，且运算放大器u404a的1号引脚与运算放大器u405的2号引脚之间串联一个电容c430，所述电容c430的一端连接至agnd，所述运算放大器u404a的1号引脚与2号引脚直接连接，所述运算放大器u404a的3号引脚串联一个电容c429，且电容c429的一端接地处理，所述电容c429与运算放大器u404a的3号引脚之间分别串联有电阻r433和电阻r434，所述电阻r434的一端连接至agnd，所述电阻r433的一端与差输入24位a/d采样电路m2连接，所述运算放大器u405的3号引脚和运算放大器u404a的8号引脚分别连接有一个+5v的电源，且+5v的电源另一端连接有一个电容c423，且电容c423的一端连接至agnd，所述运算放大器u405的6号引脚和运算放大器u404a的4号引脚都连接有一个-5v的电源，-5v的电源另一端连接有一个电容c424，且电容c424的一端连接至agnd。

17、优选的，差输入24位a/d采样电路m2包括24位a/d采样器u406，所述24位a/d采样器u406的3号引脚与电阻r431远离运算放大器u405的一端连接，用于接收运算放大器u405产生的ain+信号，所述24位a/d采样器u406的4号引脚与电阻r432远离运算放大器u405的一端连接，用于接收运算放大器u405产生的ain-信号，所述24位a/d采样器u406的5号引脚与电阻r433远离运算放大器u404a的一端连接，利用24位a/d采样器u406将输入的ain+信号、ain-信号转换成数字信号，所述24位a/d采样器u406通过spi1口将输送至数据处理器中。

18、优选的，数据处理器包括mcu芯片，所述mcu芯片用于接收24位a/d采样电路输送的数字信号，并按照比尔-朗伯定理进行运算后，转变成与二氧化碳传感器浓度完全对应的数字量，通过通信口传送给上位机，所述mcu芯片向带温度补偿的直流信号产生电路mz2输送dac信号，以及向输出偏置电路输送vref信号。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、1)本发明通过对二级放大带通滤波电路的改进可以将正弦波的输出范围扩大了一倍；

21、2)本发明通过增加的纯交流正弦波信号转直流信号电路、带温度补偿的直流信号产生电路、差分放大电路、全差分输出放大电路构成的“抵消”电路，从而使电源空间的利用率得以进一步提高；

22、3)本发明通过将16位单端输入改为差输入24位a/d采样电路，可抑制共模干扰并进一步提高传感器的分辨率；

23、综合以上三点，可以使单波长、单光束dnir二氧化碳传感器的分辨率提高一至二个数量级。

24、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。