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GSS的新傳感器技術(shù)為NASA提供了可穿戴式二氧化碳監(jiān)測

電子設(shè)計 ? 來源:電子設(shè)計 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2020-12-26 00:27 ? 次閱讀
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在一個只有人類呼吸的、自給自足的封閉系統(tǒng)中,隨著時間的推移,二氧化碳濃度會逐漸積累到一個對人體有害的水平。 因此,在人類存在的任何形式的航天器中,需要執(zhí)行去除二氧化碳和再生氧氣的有效機制。

由于不受重力影響,空氣在這些位置的移動方式不同。 氣體熱量不會上升,這反過來導(dǎo)致空氣混合顯著減少。 因此,國際空間站(ISS)上的乘客在飛船上的時間比我們其他人經(jīng)歷著更多的二氧化碳水平。 在地球上,它僅占空氣含量的0.03%(相當于0.23 mmHg的分壓)。 美國國家航空航天局設(shè)定的長航時航天器最大允許二氧化碳濃度是該數(shù)值的兩倍多,為0.07%(分壓為0.53毫米汞柱)。

雖然廣泛的陸地研究表明,這種增加的CO2的濃度對接觸者的長期健康沒有影響,但必須承認國際空間站上的船員仍然經(jīng)常出現(xiàn)急性二氧化碳毒性癥狀——如頭痛或嗜睡。

人們普遍認為,人類對微重力條件的適應(yīng)將導(dǎo)致太空中的宇航員對二氧化碳濃度升高變得更加敏感。 這不僅會導(dǎo)致身體不適,還會影響他們的認知能力和反應(yīng)時間——從而可能導(dǎo)致安全風險。平均而言,機組人員在國際空間站上停留約6個月,因此很好地掌握CO2濃度對人體的持續(xù)影響顯然具有重要價值。

考慮到實際操作的可行性,這就意味著我們無法(在技術(shù)上或經(jīng)濟上說)除掉足夠多的二氧化碳來復(fù)制一個和地球相同的環(huán)境條件,但國際空間站必須在空氣中存在的相對較高的環(huán)境二氧化碳濃度下正常運行。 然而,它的居住者必須在可接受的環(huán)境中生活和工作。

多年來,美國宇航局的科學(xué)家們一直想徹底調(diào)查二氧化碳濃度升高如何影響國際空間站機組人員執(zhí)行任務(wù)的能力,但是他們花了很長時間才找到一種方法來獲取足夠高精度的數(shù)據(jù)。 鑒于這一點,如前所述,在沒有重力影響的情況下,空氣混合不夠充分,通過壁掛式傳感器來準確反映機組人員接觸二氧化碳的情況,已被證明是一種不適合的方法。 相反,真正需要的是可穿戴式二氧化碳傳感器。

可穿戴式二氧化碳傳感器必須滿足幾個關(guān)鍵標準。 這些如下:

1.它必須是低功耗從而保證電池長時間使用——這樣可以在很長一段時間內(nèi)持續(xù)運行而無需再充電。

2.為了佩戴者舒適和方便,傳感器必須緊湊并且重量輕。

3.簡單的數(shù)據(jù)接口也很重要,這樣可以使獲取的信息易于訪問,同時使系統(tǒng)開發(fā)過程盡可能短且簡單。

在對市場上的CO2傳感器進行全面調(diào)查后,在美國宇航局技術(shù)轉(zhuǎn)讓計劃中工作的科學(xué)家們做出來最終選擇: 指定了蘇格蘭傳感器制造商SST和氣體傳感解決方案GSS共同開發(fā)的解決方案。 這兩家公司在原型設(shè)計階段與NASA保持聯(lián)系,提供行業(yè)領(lǐng)先的COZIR CO2傳感器的詳細性能信息,以便該設(shè)備可以在空間站的個人CO2監(jiān)測器上最大限度地利用起來。

負責執(zhí)行該項目的NASA團隊隨后圍繞COZIR傳感器構(gòu)建了一個定制設(shè)計的基板。該硬件提供了所有必要的功率調(diào)節(jié),處理,數(shù)據(jù)存儲和無線連接。 該團隊還設(shè)計了一個可以3D打印的外殼,并且可以輕松地夾在機組人員的衣服上(傳感器穿在他們的衣領(lǐng)背面)。

由于COZIR氣體傳感器采用了非常先進的光電子器件,這些低功率,高速非色散紅外(NDIR)器件可以覆蓋低至ppm CO2水平的測量范圍(0至5000ppm量程和±3%的精度)。 它們可以支持10年以上的使用壽命。該傳感器適用于此應(yīng)用的關(guān)鍵是它們的省電功能——設(shè)備僅有3.5mW的功耗在每秒2次采樣的頻率下。 這意味著它們比目前市場上的標準NDIR傳感器功耗低50倍。 另一個優(yōu)點是易于連接 - 方便的串行連接便于數(shù)據(jù)傳輸。

通過這些個人二氧化碳監(jiān)測器,可以在很長一段時間內(nèi)對宇航員的個人二氧化碳接觸進行簡單而不顯眼的跟蹤。 宇航員將能夠通過自定義iPad應(yīng)用程序直接查看自己的數(shù)據(jù)。此外,從機組成員獲得的所有數(shù)據(jù)集隨后將匯總并由研究人員使用,以更好地了解太空旅行期間二氧化碳接觸量增加的長期影響。 這不僅可以證明對國際空間站的工作人員非常有益,而且可以用于未來對火星的探測任務(wù)。

審核編輯:符乾江
聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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