开发一种用于检测分析呼出的CO2浓度的低成本非分光红外技术系统外文翻译资料

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开发一种用于检测分析呼出的CO₂浓度的低成本非分光红外技术系统

T.A.Vincent,B.Urasinska-Warwick,J.W.Gardener

School of Engineering,University of Warwick,Coventry,UK

摘要：呼出的气息的成分中含有与我们身体健康相关的重要信息。测量呼出CO₂的浓度可以帮助诊断人们呼吸道疾病和确定人体代谢速率。本文开发出的一种低成本的非分光红外技术（NDIR）传感器，其测量的CO₂检测范围从百万分之一（ppm）到人类呼吸中的5%水平。将一个创新锁定放大器系统与硅热电堆红外检测器联用，使得10Hz驱动信号能够在高频噪声中恢复。实验证明在干燥和潮湿条件之间，本文开发的传感器具有优异的稳定性（在25％相对湿度下plusmn; 10％）和重复性（对于25％湿度增加plusmn;0.2％）。响应时间通常是2.4秒,受到基于微机电系统（MEMS）宽带红外所需的低驱动频率的限制。当前系统的分辨率约为10ppm的CO₂。进一步细化的信号处理和更高的驱动频率能够使传感器检测更低的CO₂浓度，测量下限为1ppm。现有的性能表明借助于侧流分析仪，本文的CO₂浓度传感器能够适用于呼出的气体监测。

1. 引言

呼出气体中的CO₂浓度可以帮助诊断人们的呼吸系统疾病,并提供一个对人体健康非侵入性的观察。在临床护理中，CO₂分析仪和代谢率分析器通过呼出的CO₂浓度来告知医生一个人的健康水平。然而当前一代的商业设备昂贵,在临床实践中的应用往往会受到局限。我们在这里介绍的CO₂原型设备,是以一个低成本的解决方案分析呼出的CO₂浓度为目标，且人们可以通过一种易读的方式来得知最终结果,如用智能手机或笔记本电脑。测量每次呼吸的CO₂浓度，传感器需具有高动态响应和高鲁棒性的湿度水平。从呼吸样本中精确地测定代谢速率,需要知道产生的CO₂体积和O₂的消耗体积。为了精准的预测，我们需要在吸入的气体和呼出的气体的环境条件下进行差分测量。

当我们开始记录对吸入和呼出的气体连续测量数据时，气体传感器将会接触波动的湿度、温度和流速水平。我们都知道呼出的气体中含有挥发性的有机化合物（VOC），CO₂传感器必须对有机化合物不敏感。非色散红外(NDIR)传感器可以提供对呼出气体分析所需的响应时间，并对目标气体具有选择性。我们开发的呼吸传感器已经通过了在预期的呼出气体的浓度范围的测试。本文采用的锁定放大器系统可以从原始红外线（IR）热电堆检测器输出中存在的噪声中恢复对CO₂的响应。但是本文所提出的设计受到较低的驱动频率限制；希望可以用更高的驱动频率来得到更快的响应速度和去除低频噪声。该传感器已经在干燥环境和25%RH下进行测试。

1.1背景

NDIR传感器对特定气体的浓度会有线性响应，因为IR产生的红外辐射被红外发射源和检测器之间的气体吸收。在IR光谱中，利用不同的红外吸收带可以使传感器对预期的气体的响应是特定的。CO₂能强烈吸收的波长是4.3mu;m的红外辐射波^[1]。呼出气体中还包含VOC和其它被红外线吸收的气体，例如CO，但是浓度只有十亿分之一（ppb）至百万分之一(ppm)。发射源和检测器之间的IR路径长度决定传感器能够检测的气体浓度范围; 该关系可由比尔定律进行描述。较长的光路使得气体被吸收的路程变长，信号会呈指数下降。 因此，会产生较大的差分响应，可以用来区分较低的气体浓度。

与环境室条件相比，我们在高温（〜36℃）和极端水分湿度（接近完全水饱和度^[2]）下对人呼出的气体测量时，需要传感器对环境条件的变化情况不敏感。此外，我们需要传感器捕获到短暂的呼气时间，大约3秒。我们的目标是根据24小时内测量到的代谢率，计算出测试者的每日消耗的能量（EE），精确到1%。气室先前得到的实验数据表明，呼出CO₂的浓度测量必须精确到1.2%。开发呼吸分析仪的动力一方面源于危重病人的需求，另一方面也受到肥胖人群的经济状况的影响。通常估计，病人的恢复时间可能会受到他们摄入的热量的影响。

硅热电堆红外探测器对环境温度的变化非常敏感,并且由于产生的低电流，容易受到来自环境噪声的影响。目前已研制出的一种锁定放大器，是基于提取红外源的驱动信号对CO₂的响应原理制成的。在频率提取过程中，因为不需要高阶滤波器，传感器能够实现快速的反应。虽然CO₂分析仪和代谢车可以测量呼出气体中的CO₂浓度,但是不适合在社会中的常规使用。商业用的CO₂传感器可满足呼吸分析的需要^[3];然而我们报道的一种新型传感器，具有成本低,尺寸小,响应时间快和功耗低的特点。

1.2方法

我们的NDIR系统包括具有硅热电堆探测器(J21,Heimann,德国)的宽带红外微热板源(CCS102，剑桥CMOS传感器有限公司，英国)。本文使用4.3mu;m红外滤光片(180nm带宽)来检测待测量的CO₂,但尽量使其他气体例如CO和水蒸气的交叉敏感性最小化。我们将传感器安置在一个定制的不锈钢室(图1)，其可调路径长度在40mm和80mm之间。在干燥的气体或25% 相对湿度的条件下，我们用系统来测量5%至50 ppm的CO2浓度范围。在气体测试台上产生合成空气和CO2之间的气体混合物,通过虚拟仪器界面（LABVIEW）接口(国家仪器,v2014)控制。这个系统使用的正是我们的新型的手持式侧流呼吸分析仪来进行呼吸测试。如图1(c)所示^[4]。

图1：(a)NDIR气室传感器，显示红外发射器和热电堆探测器的印刷电路板(b)测流呼吸分析仪，包含O₂和CO₂的气体传感器和流速传感器（c）带锁定放大器的框图

对传感器进行一分钟或两分钟的CO₂脉冲测试，使浓度返回到合成空气的基线之间。本文通过质量流量控制器来设定CO₂的浓度，并且允许气体浓度可以阶跃性的变化(总流速0.5 SLPM)。IR发射器是由一个连续的10 Hz正弦信号脉冲驱动,该信号是由低成本微控制器产生(ATtiny85、Atmel、美国)。这种新型锁定放大器系统将从探测器接收到的信号与发射器源进行比较，并恢复正弦信号波形(见图2)。热电堆探测器的输出的波长在微波范围内。为了使信号的准确记录在一个USB数据采集模块上，我们使用两个增益级(因子~3000,以放大在pV范围内变化到mV范围的信号)来放大原始输出。跟随锁定放大器的带通滤波器用来去除10Hz信号上的噪声残余。正弦信号的振幅的变化对应于传感器所接触的CO₂的浓度变化。

1. 结果与讨论

相对于合成空气的基准，我们的台式原型系统受到50 ppm到5%CO₂的浓度限制。锁定放大器的操作如图2(a)至(c),其中处理原始的热电堆输出信号来分解CO₂的浓度,即带通滤波器(中心频率10 Hz)可以用来去除低频漂移和高频噪声。图2显示了使用约为40mm的较短的光学路径对低浓度的CO₂(50 ppm - 2.5%)的响应。由于气体被吸收地较多，80 mm路径长度用于对更高浓度的CO₂(0.5%到5.0%)的响应,参见图3(a)、(b)。本文选择系统的40mm路径长度，以便发现呼吸过程中相近的CO₂浓度(也许~ 4%^[2]);然而,如果存在更高的CO₂浓度，路径长度可以进一步减少。NDIR系统在实验过程对环境条件微小的变化很敏感。为了纠正实验期间的任何漂移，我们需要采集恢复后的正弦信号的振幅。同时将热电堆的响应相对与平均基线值进行归一化处理，以便实验直接比较。图2(d)展示了传感器以0.5%的CO₂浓度稳定回到基线(~1)的每个步骤。

图2:原始热电堆输出(a)与锁定放大器（b）参考正弦信号比较,然后输出滤波(c);(d)从纯氮气（0%CO₂)到5%的CO₂的基线为0.5%气体浓度梯度的传感器系统输出(相对于基准电压)

图3：传感器输出(相对于纯氮气的基线)，具有80mm的较长路径长度,显示检测CO₂ 在50 ppm到2.5%的范围内的检测,(a)干燥气体和(b)在恒定环境相对湿度为25%。

传感器的响应随着CO₂浓度呈指数的增加直至最终饱和点。图3(a)和(b)显示了系统在干燥气体和25%RH测试中，对湿度的弹性变化。传感器测试的CO₂浓度范围从50 ppm到2.5%。传感器输出结果显示出传感器良好的稳定性。在实验过程中，分别在干燥条件和25% RH条件下，使CO₂浓度从100 ppm变化到2.5%，对应平均变化分别为0.23%和0.10%。可以看到，增加湿度会使传感器输出的稳定性增加,但会将标准化读数降低了平均1.2%。

锁定放大器在所有的实验过程中保持频率锁定,不会产生来自其他频率的寄生尖峰。我们通过计算得到，传感器的最终输出达到90%(/ 90)的平均时间为2.4s。响应时间受到低驱动频率和最小滤波的部分限制。之前的实验证明，要达到我们1%的能量消耗(EE)计算目标的测量，CO₂浓度需要1.2%的准确范围之内。电流传感器输出已证明，该系统能够在允许的公差内测量CO₂浓度。然而,湿度引起的变化需要进一步的实验来验证，比如当这个系统受到类似于呼吸的湿度水平会对传感器响应产生的影响。该设置目前正在测试一个路径长度12 mm的侧流呼吸分析仪^[4]。

1. 结论

现已经开发的一种低成本的快速NDIR 二氧化碳传感器系统，能够以约10ppm的分辨率测量且测量浓度高达5％。锁相放大器设计用于从嘈杂的热电堆输出中提取小的CO₂信号。驱动器的频率（10Hz）目前受到MEMS 红外线源的慢响应时间（50ms）限制，但是可以在侧流系统中用于实时监测呼出气体。我们相信，我们的NDIR系统可以在低成本的互补金属氧化物半导体（CMOS）版本中实现，这将会支持未来的护理医学，而不仅仅是呼气分析的临床应用。

致谢

本文作者诚挚感谢Cambridge CMOS Sensors有限公司供应红外发射器，以及F. Courtney先生和I. Griffith先生帮助制造传感器外壳和印刷电路板。

参考文献

[1]T. Sawada, K. Masuno, et al. , Enhanced wavelength selective infrared emission using surface plasmon polariton and thermal energy confined in micro-heater, 2014 IEEE 27thMEMS, 2014, pp. 1179-1182.

[2]D. Zhao, D. Miller, et al., A personal device for analyzing carbon dioxide in real time and real breath: Experimental investigation and computational simulation, Sensors Actuators B., 183, pp. 627-635, 2013.

[3]C. Xu, P. V. Nielsen, G. Gong, L. Liu, and R. L. Jensen, Measuring the exhaled breath of a manikin and human subjects, Indoor Air, 25, 2, pp. 188-197, Apr. 2014.

[4]T. A. Vincent, A. Wilson, J. G. Hattersley, M. J. Chappell, and J. W. Gardner, “Design and modelling of a handheld side-stream breath sampling system for metabolic rate analysis,”International Symposium On Olfaction And Electronic Nose, Dijon, France, Jul. 2015.

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