基于NDIR和PID的气体检测解决方案

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本文ADI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。

NDIR解决方案

下图NDIR气体检测器系统框图，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。


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。

PID解决方案

下图PID气体检测器系统框图，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。

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