红外气体传感器内部结构

气体传感器的原理一、引言气体传感器是一种能够检测气体浓度的仪器，广泛应用于环境监测、工业生产、医疗卫生等领域。

本文将详细介绍气体传感器的原理，包括气体传感器的分类、工作原理、结构组成和应用领域等方面。

二、气体传感器的分类根据检测原理不同，气体传感器可以分为化学式传感器和物理式传感器两类。

1.化学式传感器化学式传感器是指利用化学反应来检测气体浓度的传感器。

其基本原理是将目标气体与特定的反应物接触，通过观察反应物发生变化或者检测反应物与目标气体之间发生的电信号来判断目标气体浓度。

常见的化学式传感器有电化学型、光学型、红外型等。

2.物理式传感器物理式传感器是指利用物理性质来检测气体浓度的传感器。

其基本原理是通过观察目标气体与某种物质之间产生的变化来判断目标气体浓度。

常见的物理式传感器有热导型、热敏电阻型、质谱型等。

三、气体传感器的工作原理气体传感器的工作原理是基于目标气体与传感器材料之间的相互作用。

当目标气体进入传感器时，它会与传感器材料发生反应或者对其产生影响，从而导致传感器电学或物理性质发生变化。

通过测量这种变化，可以计算出目标气体的浓度。

1.化学式传感器的工作原理以电化学型气体传感器为例，其工作原理是将目标气体与特定电极接触，在电极表面发生一系列化学反应后产生电信号。

该电信号可以被放大并转换成数字信号输出。

光学型和红外型气体传感器的工作原理类似，只不过它们利用不同的光谱特性来检测目标气体浓度。

2.物理式传感器的工作原理以热导型气体传感器为例，其工作原理是将目标气体与热敏元件接触，在热敏元件表面产生温度变化。

该温度变化可以通过测量热敏元件的电阻值来计算出目标气体浓度。

热敏电阻型和质谱型气体传感器的工作原理类似，只不过它们利用的物理性质不同。

四、气体传感器的结构组成气体传感器由传感器芯片、信号处理电路、温度补偿电路和外壳等部分组成。

1.传感器芯片传感器芯片是气体传感器最核心的部分，它包括了检测元件和信号转换电路。

高分辨率红外二氧化碳CO2气体传感器二氧化碳气体传感器描述：红外二氧化碳传感器利用NDIR技术检测CO2气体浓度。

传感器内部有一个红外光源，一个双元件红外探测器，一个独特的光波导让气体扩散进去，ARM7内核微处理器，输出电压与电源极性无关。

传感器可以设置为线性电压输出，全量程0.4V-2.0V参考供电电源负极，或者设置为催化燃烧格式输出，通常零点是中间电压，相对于检测管脚在满量程点的电压是100mV。

此外，通过串口连接可以读取输出值和访问内部配置。

通信连接点3系的Prime2是焊盘，5系的Prime2是管脚。

内部的集成电路可以实现的功能如驱动光器件，提取检测信号，把信号强度转化为浓度，进行温度补偿和量化输出值等。

在催化燃烧配置时，Prime2可以在满足电源供电要求的条件下，不改变电路并完全替代催化燃烧传感器。

当Prime 2用于恒流催化燃烧电路时，外围元件需要满足电源要求。

二氧化碳气体传感器特性：★原装进口传感器,且体积全球最小；★可检测空气中上百种可燃及有毒有害气体的浓度和泄露；★采用先进微处理技术, 响应速度快, 测量精度高, 稳定性好；★具有良好的搞干扰性能, 使用寿命长达8年;★电压和串口同时输出特点, 方便客户调试使用,★传感器出厂精准标定,使用现场无须标定, 关键参数自动识别；★全量程范围温度数字自动跟踪补偿, 保证测量准确性；★更换时无须标定；★全最简化的外围电路, 生产简单, 操作方便;软件自动校准,★在可直接输出0.4-2V, 0-1.6V, 0-4V, 0-5V等电压信号和TTL电平信号;★安全型电路设计, 可带电热拔插操作;★PPM, %VOL, mg/m3三个单位显示；★防高浓度气体冲击的自动保护功能；外观描述所有尺寸以mm为单位（±0.1mm，除非标注）。

Rx和Tx 3系的为焊盘输出格式Prime1可以配置为催化燃烧格式输出或线性电压输出。

两种格式都不受电源极性影响，如下所示：线性电压设置:温度补偿在标定气体浓度水平的零点和量程点都有温度补偿。

NDIR红外气体传感器的基本概述NDIR红外气体传感器（Non-dispersive Infrared Gas Sensor）是一种利用红外辐射原理检测气体浓度的传感器。

它由红外光源、气体室、红外滤波器、检测器以及电子信号处理电路等组成。

这种传感器主要用于测量空气中的气体浓度，如CO2、CO、CH4等。

NDIR传感器的工作原理是通过红外吸收特性来检测气体浓度。

当红外光源照射到气体室中的气体时，气体中的特定组分会吸收特定波长的红外光，吸收光的强度与气体浓度成正比。

检测器接收红外光，并通过与光源的参考信号进行比较，计算出气体的浓度值。

为了提高传感器的性能，NDIR传感器通常使用窄带滤波器，以选择性地传递特定波长的红外光。

这样可以排除其他波长的干扰光，提高气体浓度的测量精度。

NDIR传感器有许多优点。

首先，它具有高度可选择性。

通过选择不同的滤波器，可以检测多种气体，从而适应不同的应用需求。

其次，NDIR传感器灵敏度高，可检测到极低浓度的气体。

同时，它对温度和湿度的依赖性也较小，可以在不同的环境条件下进行可靠的气体浓度测量。

此外，NDIR传感器具有快速响应时间和长寿命的特点。

然而，NDIR传感器也存在一些局限性。

首先，由于传感器本身的设计和结构复杂，其制造成本较高。

另外，一些特定的气体分子如氧气（O2）和水蒸气（H2O）具有较高的红外吸收能力，这可能会导致测量上的干扰。

此外，NDIR传感器的响应时间较慢，无法实现实时监测。

为了克服这些问题，研究者们正在不断改进NDIR传感器的设计和技术。

他们提出了多通道测量、温湿度补偿和智能算法等方法来提高传感器的性能。

此外，一些新型材料的应用也为NDIR传感器的发展提供了新的可能性。

总之，NDIR红外气体传感器是一种重要的气体浓度检测工具。

它通过利用红外光的吸收特性来测量气体浓度，具有高度可选择性、高灵敏度和稳定性等优点。

随着技术的发展，NDIR传感器在环境监测、工业安全和室内空气质量监测等领域的应用将会越来越广泛。

甲烷气体传感器（型号：MH-441D）使用说明书版本号：1.0实施日期：2020.09.14郑州炜盛电子科技有限公司Zhengzhou Winsen Electronic Technology Co.,Ltd声明本说明书版权属郑州炜盛电子科技有限公司（以下称本公司）所有，未经书面许可，本说明书任何部分不得复制、翻译、存储于数据库或检索系统内，也不可以电子、翻拍、录音等任何手段进行传播。

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郑州炜盛电子科技有限公司MH-441D 甲烷气体传感器产品描述MH-441D 甲烷气体传感器是一款通用型智能红外气体传感器（以下简称传感器），运用非色散红外（NDIR ）原理对空气中存在的甲烷气体进行检测，具有很好的选择性，无氧气依赖性；该传感器是将成熟的红外吸收气体检测技术与微型机械加工、精良电路设计紧密结合而制作出的小巧型高性能传感器。

使用方便，可直接用来替代催化燃烧元件，广泛应用于存在甲烷及爆炸性气体的各种场合。

传感器特点 高灵敏度、高分辨率、低功耗、响应时间快 提供UART 、模拟电压等多种输出方式温度补偿，卓越的线性输出，优异的稳定性、使用寿命长抗水汽干扰、不中毒，可直接替换催化燃烧原理传感器主要应用暖通制冷与室内空气质量监控工业过程及安全防护监控农业及畜牧业生产过程监控技术指标表1产品型号MH-441D 检测气体甲烷工作电压 3.6～5V DC (需由安全栅供电)平均电流＜85mA测量范围0～10%Vol 范围内可选（详见表2）接口电平3.0V输出信号UART0.4～2V （需经过安全栅输出）预热时间3min 响应时间T90＜30s 工作温度-20～60℃工作湿度0～95%RH （无凝结）外形尺寸Φ20×22.2mm重量35g 寿命＞5年防护等级IP54电源端、通讯端本安参数Ui=7.5VDC ，Ii=265mA ，Pi=0.5W ，Ci=10μF ，Li=0mH图1:传感器结构图常用量程和精度表2气体名称分子式量程分辨率小数位备注甲烷CH 40～5.00%Vol0.01%Vol 2位温度补偿0～10.00%Vol 2位100%LEL1%LEL无产品尺寸图图2：产品尺寸图引脚定义MH-441D 引脚定义表3引脚名称引脚说明Pin 2V+电压输入Pin 1GND Pin 4Vout (0.4～2V)Pin 3UART （RXD ）0～3.0V 数据输入Pin 5UART （TXD ）0～3.0V 数据输出图3：引脚定义模拟电压输出Vout 输出电压范围（0.4～2V ），对应气体浓度（0～满量程）。

摘要摘要本文设计一种基于红外吸收原理的可燃气体传感器，采用电调制非色散红外技术，由于多数可燃气体在波长为3.40μm处拥有其特征吸收峰，所以针对可燃气体选用滤光片中心波长为3.40μm，此滤光片对应的输出信号为测量信号，为保证传感器测量值的可靠性及长期稳定性，再选用一个滤光片作为参考信号，由于多数气体在4.00μm左右的波长处均无吸收，因此第二个滤光片中心波长选为4.00μm，此滤光片对应的输出信号即为参考信号。

由于参考信号理论上是稳定不变的，因此当传感器硬件系统出现老化、漂移等现象时，会导致测量信号发生变化，此时参考信号产生作用，可基本排除此类异常。

传感器选用ARM内核的微处理器作为整个系统的控制及运算单元，使用ARM 处理器自带的定时器产生中断信号，每次中断时驱动红外光源变换工作状态，从而实现红外光源的电调制。

光源发出的红外能量通过含有被测气体的腔体后，再经滤光片滤除其它波段的能量，最后到达探测器，探测器吸收能量后转换为电信号，电信号通过电路处理后，由处理器启动模数转换器对输入的模拟信号进行采样，由此模拟量转变为数字量，软件采用数字信号处理算法对数字量进行去噪和滤波，将实时测量数据和标定数据按公式进行计算，即可得到实时测量的气体浓度值。

经过实验测试，该传感器测量值准确、可靠、响应灵敏、体积小、功耗低，分辨率达到0.01%VOL，测试数据及性能指标达到预期。

关键词：红外气体传感器，气体浓度检测，NDIR，红外吸收ABSTRACTABSTRACTThis paper designed a kind of the combustible gas sensor based on infrared absorption principle, uses electric modulation non-dispersive infrared technology, because most of the combustible gas have absorption peak at about 3.40 microns wavelengths, so selection filter center wavelength of 3.40 microns to detecting combustible gas, the filter of the corresponding output signals called measure signals, to guarantee the reliability of the sensor measurement value and long-term stability, then choose a filter as the reference signal, because most of the gas at about 4.00 microns no absorption, so the second filter center wavelength is 4.00 microns, the second filter of the corresponding output signal is the reference signal. Due to the reference signal is stable in theory, so when the sensor hardware system appeared the phenomenon such as aging, drift, measuring signal changes, the reference signal can be the basic rule out such anomalies.Sensor selects the ARM microprocessor as the control of the whole system of the kernel and computing unit, ARM processor used to own a timer interrupt signal, each time interrupt driven infrared light source transformation work status, so as to realize the infrared light source modulation. Electric modulation infrared light source through the gas chamber to reach the pyroelectric detector with filter, pyroelectric detector output electrical signal, the electrical signal after amplification filter processing by the ARM processor to start the A / D conversion Digital signal processing algorithm to denoise and filter digital, real-time measurement data and calibration data calculated according to the formula, you can get real-time measurement of gas concentration value.After a large number of experiments, the sensor measurements accurate, reliable, responsive, small size, low power consumption, resolution 0.01% VOL, test data and performance indicators to achieve.Keywords: Infrared gas sensor, Gas concentration detection, NDIR, Infrared absorption目录第一章绪论 (1)1.1 研究意义 (1)1.2 红外气体传感背景 (1)1.2.1气体传感器的发展 (1)1.2.2国内外研究现状 (3)1.3 本文主要工作 (4)1.3.1主要研究内容 (4)1.3.2主要技术指标 (5)1.4 本论文的结构安排 (5)第二章传感器理论基础 (6)2.1 基础理论 (6)2.1.1气体浓度计算的理论 (6)2.1.2红外光谱的基础知识 (7)2.1.3分子能级与量子学相关知识 (8)2.1.4气体的红外吸收峰与分子结构的关系 (9)2.2 硬件开发工具 (14)2.3 软件开发环境 (15)2.4 本章小结 (16)第三章传感器硬件设计与实现 (17)3.1 传感器系统总体设计 (17)3.2关键器件选型 (18)3.2.1微处理器选型 (18)3.2.2红外光源选型 (20)3.2.3热释电探测器选型 (23)3.3电源管理电路设计 (29)3.4红外光源驱动电路设计 (30)3.5处理器及外围电路 (32)3.6模拟小信号处理电路设计 (35)3.7 PCB电路板设计 (38)3.8 硬件电路实现 (40)3.9 本章小结 (42)第四章传感器软件设计与实现 (43)4.1信号采集与数字信号处理 (43)4.2零点和灵敏度校准设计 (47)4.3数字通信模式及传输方式 (47)4.4数字通信协议设计 (49)4.5传感器浓度计算 (53)4.6软件调试 (55)4.7软硬件联合调试 (56)4.8本章小结 (59)第五章测试及数据分析 (60)5.1 传感器测试环境 (60)5.2传感器标定测试 (61)5.3 测试数据分析 (65)5.4 硬件参数测试 (66)5.5本章小结 (68)第六章结论 (69)6.1 全文总结 (69)6.2 下一步工作的展望 (70)致谢 (71)参考文献 (72)第一章绪论第一章绪论可燃气体常见于日常生活及日常生产中，如城市管网下水道积聚的沼气，矿井开采生产中产生的瓦斯、石化储运站储藏的可燃气体、煤气站储藏的可燃气体、家庭生活中天然气等。