CN100510713C - 智能型红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

一种智能型红外气体传感器，包括用于容纳气体并能与外界进行气体交换的腔室、光源和至少一个光电元件，其中，所述光源发出的光经过所述腔室后到达光电元件，所述光电元件根据所到达的光的强度输出光强信号；其特征在于，所述传感器还包括：信号处理电路，与所述光电元件相连，用于处理所述光强信号，得到待测气体的浓度信号；外壳；所述外壳内设置有至少一层过滤膜，以所述过滤膜为界线，所述外壳一侧具有用于与外界交换气体的开孔，另一侧封闭，将所述腔室包围在所述外壳内。采用了本发明的技术方案后，传感器能够直接输出表示气体浓度的信号，并且能防尘防潮，使传感器能独立使用，应用起来方便灵活。

Description

智能型红外气体传感器

技术领域

本发明涉及一种气体传感器，具体涉及一种智能型红外气体传感器。

背景技术

气体检测在地震预报、矿井安全、石油勘探、大气物理、医疗卫生、污染源监测、高压设备故障诊断、化工过程控制、冶金等传统工业，乃至现在所有的新技术如生物科学、微电子学及新型材料等领域均有着越来越广泛的应用。

气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。气体传感器通常以气敏特性来分类，主要可分为：半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光学型气体传感器、高分子气体传感器等。

其中，光学型气体传感器中的红外气体传感器是目前研究的热点之一，其具备以下优点：

(1)能测量多种气体：除了单原子的惰性气体和具有对称结构元极性的双原子气体外，大多数有机和无机等多原子分子气体都可以用红外传感器测量；

(2)测量范围宽：能够测量的气体浓度上限为100％，下限可以是百万分之一；

(3)灵敏度高：可以测量出气体浓度的微小变化；

(4)精度高、稳定性好：一般最少能达到3-5级精度；

(5)具有良好的选择性：特别适用于对多组分气体混合气中某一待分析组分的测量，当混合气中其它组分浓度发生变化时，并不影响待分析组分的测量；

(6)可靠性高，寿命长；

红外气体传感器的原理如下：

当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯—比尔(Lambert-Beer)吸收定律。当光强为k，波长为λ的光束入射到气室中，气室中的样品在λ处具有吸收线或吸收带，气室出射光的光强则为k-Δ。

由介质的吸收性质知道，当光通过待测气体时，一部分光被气体吸收，一部分光被气体散射，其规律可用比尔定律描述：I＝Ioe^-αCL。其中Io为通过待测气体前的光强，I为光信号通过待测气体后的光强，C为待测气体的浓度，L是光所通过的待测气体的长度，α是待测气体的吸收系数。为了便于测量，将上式改写成：

$C=\frac{1}{\mathrm{\αL}}\ln \left(\frac{\mathrm{Io}}{I}\right)$

由上式可以看出，只要知道光通过待测气体的程长L以及待测气体分子的吸收系数α，就可以通过测量I与Io的比值求得待测气体的浓度。

现有的红外气体传感器输出的是电信号，这个信号为通过待测气体后的光的光强信号；在应用时，还需要在外部专门对该电信号进行计算，才能得到待测气体的浓度信号，对于应用而言非常的不方便；因为无法独立使用，红外气体传感器的使用范围受到很大局限。

另外，光源发出的光波必须经过足够长的光路，待测气体才能充分吸收光波，从而使测量结果更为准确；因此红外气体传感器中的气室往往需要达到一定长度，这不仅使得传感器体积过大，而且光强不易均匀，实现整个气室中的气体交换也比较复杂，因此测量的准确度会受到影响；而且环境潮气和灰尘对光电元件会造成损害，使其测量性能下降，这个情况和温度变化都会对测量准确度造成影响。

发明内容

针对以上不足，本发明提供了一种智能型红外气体传感器，能够直接输出表示气体浓度的信号，使红外气体传感器能够在测量中独立使用，并且能防尘防潮，从而使其在测量时更加方便灵活，扩大了其应用范围。

本发明采用的技术方案是：

一种智能型红外气体传感器，包括用于容纳气体并能与外界进行气体交换的腔室、光源和至少一个光电元件，其中，所述光源发出的光经过所述腔室后到达光电元件，所述光电元件根据所到达的光的强度输出光强信号；其特征在于，所述传感器还包括：信号处理电路，与所述光电元件相连，用于处理所述光强信号，得到待测气体的浓度信号；

外壳；所述外壳内设置有至少一层过滤膜，以所述过滤膜为界线，所述外壳一侧具有用于与外界交换气体的开孔，另一侧封闭，将所述腔室包围在所述外壳内。

进一步地，所述光电元件的感光面上设置有窄带滤光片，用于滤出相应波长的光给光电元件。

进一步地，所述至少一个光电元件包括两个光电元件，第一光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出待测气体会吸收的光波给该光电元件，第二光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出待测气体不吸收的光波给该光电元件；

所述信号处理电路通过第一、第二光电元件输出的两个光强信号的关系判断所述光电元件工作是否正常或腔室中光路是否受到污染，实现所述传感器的自诊断。

进一步地，所述至少一个光电元件包括两个光电元件，第一光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出待测气体会吸收的光波给该光电元件，第二光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出待测气体不吸收的光波给该光电元件；

所述信号处理电路将第二光电元件输出的光强信号作为参考基准值，对第一光电元件输出的光强信号进行计算，得到待测气体的浓度信号。

进一步地，所述至少一个光电元件包括两个光电元件，第一光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出第一待测气体会吸收的光波给该光电元件；第二光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出第二待测气体会吸收的光波给该光电元件；

所述信号处理电路分别处理两个光电元件输出的光强信号，得到第一待测气体浓度信号和第二待测气体浓度信号。

进一步地，所述光源为可见光-红外光源。

进一步地，所述光电元件为热释电红外光电元件或红外热电堆光电元件。

进一步地，所述智能型红外传感器还包括：温度传感器，用于根据所述智能型红外传感器的环境温度输出温度信号；

所述信号处理电路与所述温度传感器相连，用于根据所述温度信号对所述浓度信号进行校正。

进一步地，所述信号处理电路包括：放大电路、A/D转换电路和数字信号处理器；

所述放大电路与所述光电元件相连，用于将所述光强信号放大；

所述A/D转换电路与所述放大电路相连，用于将所述放大后的光强信号转换为数字光强信号；

所述数字信号处理器与所述A/D转换电路相连，用于根据所述数字光强信号计算得到待测气体的浓度信号。

进一步地，所述放大电路包括至少一个前置放大电路和至少一个二级放大电路；

所述前置放大电路与光电元件相连，用于将所述光强信号放大；

所述二级放大电路与前置放大电路相连，用于将所述放大后的光强信号再放大；

所述A/D转换电路与二级放大电路相连，用于将再放大后的光强信号转换为数字光强信号。

进一步地，所述腔室的内壁由顶平面、底平面以及弧形侧壁围成，所述内壁上涂覆有反光材料，所述顶平面具有用于与外界交换气体的开孔，所述光源与至少一个光电元件放置在所述腔室内，所述光源与光电元件的放置位置与所述侧壁的弧度及顶平面至底平面的距离相配合，使光源发出的光经过所述腔室内壁的反射而汇聚至所述光电元件上。

进一步地，所述侧壁的弧度使侧壁形成为一个第一椭圆球体的局部和至少一个第二椭圆球体的局部，所述第一与第二椭圆球体的第一焦点重合于所述腔室外，第二焦点分别位于所述腔室内，在第一椭圆球体的第二焦点处放置所述光源，第二椭圆球体的第二焦点处放置所述光电元件；所述底平面与顶平面平行，所述第一焦点到所述顶平面的距离与所述顶平面到底平面的距离相等。

进一步地，所述至少一个第二椭圆球体的局部包括两个第二椭圆球体的局部；所述至少一个光电元件包括两个光电元件；两个第二椭圆球体的第二焦点处各放置一个光电元件。

进一步地，两个第二椭圆球体各自的焦点连线在底平面上的投影，与所述第一椭圆球体的焦点连线在底平面上的投影的延长线的夹角相等。

进一步地，光从光源发出，经内壁反射到达光电元件的光路长度应保证待测气体能充分吸收光波。

进一步地，所述顶平面的开孔的总面积以恰能满足通气要求为准。

进一步地，所述过滤膜为疏水性膜。

进一步地，所述过滤膜为微孔过滤膜，其微孔直径的范围为0.2微米到3微米。

采用了本发明的技术方案后，传感器能够直接输出表示气体浓度的信号，这个信号可以是模拟或数字信号，使传感器应用起来方便灵活；而且采用优化方案后，可以缩小传感器体积，提高测量准确度，还可以根据需要测量一个以上气体的浓度；同时该传感器可具备自诊断功能。

附图说明

图1是本发明中光在智能型红外气体传感器腔室中反射的原理示意图；

图2是本发明智能型红外气体传感器应用实例的测量部分结构示意图；

图3是本发明的智能型红外气体传感器应用实例的外壳仰视图；

图4是沿图5中A-A线的剖视图；

图5是本发明的智能型红外气体传感器应用实例的气室俯视图；

图6是沿图7中A-A线的剖视图；

图7是本发明的智能型红外气体传感器应用实例的通气反射板俯视图；

图8是沿图9中A-A线的剖视图；

图9是本发明智能型红外气体传感器应用实例的腔室原理示意图；

图10是本发明智能型红外气体传感器应用实例的框图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

在下文中，待测气体是指要检测其浓度的那种气体；气体是指智能型红外气体传感器所处环境中的气体，其中可能混有一定浓度的待测气体，也可能不存在待测气体。

本发明提供了一种智能型红外气体传感器，可以直接输出表示待测气体浓度的信号，该信号可以是数字信号，也可以是模拟信号，如电压值；也可以是数字信号，如符合RS-232，RS-485，CANBUS标准的信号等；另外，浓度信号可以是一种或多种气体的。

所述智能型红外气体传感器包括用于容纳气体并能与外界进行气体交换的腔室、光源、至少一个光电元件、温度传感器和信号处理电路；

所述光源发出的光经过所述腔室后到达光电元件；

所述光电元件根据所到达的光的强度输出光强信号；

所述温度传感器用于根据所述传感器的环境温度输出温度信号；该温度传感器的感温头可以放在腔室中，或放在能与腔室进行气体交换的环境中。

所述信号处理电路与光电元件相连，用于根据所述光强信号计算得到待测气体的浓度信号；该信号处理电路还与温度传感器相连，用于根据温度信号修正所述浓度信号。

为消除环境气体干扰、光强不均匀等因素产生的测量结果的基线漂移，可以设置两个光电元件，其感光面均设置有窄带滤光片，该滤光片用于滤出特定波长的光波；第一光电元件用于测量能被待测气体吸收的那个波长的光波的强度，输出测量信号，其感光面上设置的窄带滤光片滤出待测气体会吸收的那个波长的光波给该光电元件；第二光电元件用于测量待测气体不吸收的光波的强度，输出参考信号，其感光面上设置的窄带滤光片滤出待测气体不吸收的光波给该光电元件。参考信号能对测量信号起到修正的作用，从而使测量结果更为精确。

所述信号处理电路将第二光电元件输出的光强信号作为比较用的参考基准值，对第一光电元件输出的光强信号进行计算，得到待测气体的浓度信号；另外，引入参考信号后，还可对传感器内光电元件的自诊断，通过测量信号和参考信号的关系来判断传感器内光电元件的好坏或正常与否，或是判断光路是否受到污染，从而最终判断传感器是否正常。这是因为两个光强信号的关系在一定范围内是确定的，比如其比值必然会在一定的数值区间之内(即待测气体浓度为0到为100％时所对应的比值)，比值在这个区间之外就说明传感器不正常；这样就可以从一定程度上避免光电元件损坏或性能不正常、或光路被污染所导致的测量结果错误。从而实现对传感器的自诊断功能。

还可以用一个传感器测量两个待测气体的浓度，所述至少一个光电元件包括两个光电元件，第一光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出第一待测气体会吸收的光波给该光电元件；第二光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出第二待测气体会吸收的光波给该光电元件；

所述信号处理电路分别处理两个光电元件输出的光强信号，得到第一待测气体浓度信号和第二待测气体浓度信号。

在实际应用中，也可以测量多个气体的浓度信号，只要设置相应数量的光电元件，并且每个光电元件的感光面上设置窄带滤光片，每个窄带滤光片分别能滤出各待测气体吸收的光波的窄带滤光片即可。

所述信号处理电路包括：放大电路、A/D转换电路和数字信号处理器；

所述放大电路包括至少一个前置放大电路和至少一个二级放大电路；所述前置放大电路与光电元件相连，用于将所述光强信号放大；所述二级放大电路与所述前置放大电路相连，用于将所述放大后的光强信号再放大；

所述A/D转换电路与所述二级放大电路相连，用于将再放大后的光强信号转换为数字光强信号；

所述数字信号处理器(DSP)与所述A/D转换电路及温度传感器相连，用于根据所述数字光强信号计算得到气体浓度信号，并根据所述温度信号对所述浓度信号进行校正。

这里，只要在数字信号处理器中设定光通过待测气体的光程长、待测气体分子的吸收系数以及光没被吸收时的光强值，就可以根据光经过待测气体后的光强值——即上文中的测量信号来计算出待测气体的浓度并输出对应信号；在引入参考信号时，将参考信号作为光没被吸收时的光强信号来计算气体浓度，这样可以排除外界干扰因素对测量结果的影响。

数字信号处理器对数字光强信号的校正，则是根据实验建立的温度与浓度信号之间的数学模型来进行的；数字信号处理器根据这个数学模型对不同温度时计算得到的浓度信号进行补偿后，成为最终输出的浓度信号。

所述腔室一般位于传感器的气室中，也可以由气室和传感器的其它组成部分形成；所述腔室的内壁由顶平面、底平面以及弧形侧壁围成；所述内壁上涂覆有反光材料，比如可以镀金；所述顶平面具有用于与外界交换气体的开孔；所述光源与至少一个光电元件放置在腔室内。所述光源为可见光-红外光源，即该光源所发出的光的光谱范围是从可见光到红外光，也就是光波的波长范围是从1μm到20μm。所述光电元件有一感光面，上面设置有窄带滤光片；当光线照射到该感光面时，窄带滤光片滤出相应波长的光波给光电元件，即将待测气体会吸收的那个波长的光波滤出；光电元件将光强转换为电信号输出。所述光源与光电元件的放置位置与所述侧壁的弧度及顶平面至底平面的距离相配合，使光源发出的光经过所述腔室内壁的反射而汇聚至所述光电元件上。顶平面上开孔的位置没有具体限定，开孔面积的总和只需恰能够保证通气要求，即应使顶平面上其余部分的面积尽可能大，其实就是使顶平面中能够用于反射的表面的面积尽可能大。

所述侧壁的弧度使侧壁形成为一个第一椭圆球体的局部和至少一个第二椭圆球体的局部，为方便叙述，将侧壁上形成第一、第二椭圆球体的局部的部分分别称为第一、第二椭圆球面；所述第一与第二椭圆球体的第一焦点P重合于所述腔室外，第二焦点分别位于腔室内；所述底平面与顶平面平行，所述第一焦点P到所述顶平面的距离与所述顶平面到底平面的距离相等。

如图1所示，在第一椭圆球体的第二焦点处放置所述光源，第二椭圆球体的第二焦点处放置所述光电元件；点P在底平面上的投影点为P’，由上文可知，点P和点P’到所述腔室顶平面的距离相等，并且两点的连线L垂直于所述顶平面，因此点P’可以看作是点P相对于所述顶平面的镜像点。光源所发出的光进入腔室后是发散的，由于椭圆球面的特点是可以精确汇聚一个焦点的发出的光线到另一个焦点，因此照射到第一椭圆球面的那部分光线经过该椭圆球面的反射后都会向点P汇聚，这次反射为第一次反射。但是由于顶平面的阻挡，这部分光线会在照射到顶平面时被反射，这次反射为第二次反射；根据光的反射原理可知，这部分光线经顶平面反射后的光路，与没有顶平面时的光路相对于顶平面是镜像对称的，因此这部分光线第二次反射后都会汇聚到点P对于板内表面的镜像点，即点P’上。这些光线经过点P’又反射到顶平面上，这次反射为第三次反射；由光的反射原理可知，这部分光线第三次反射后的光线，与第二次反射后的光路对于线L是轴对称的，但光的行进方向相反；因此这部分光线经过点P’反射后到达顶平面的过程，可以看成是这部分光线从P’点沿第二次反射后的光路返回顶平面的过程，由光路可逆原理可知，这部分光线到达顶平面并被反射(此次反射为第四次反射)后，其光路的反向延长线必然都经过点P，可以将这些光线看成是由点P处发出的光线，因此当它们照射到第二椭圆球面时必然就会汇聚至该椭圆球面第二焦点上，即光电元件上。

由上文可知，当第二椭圆球面与第一椭圆球面具有相同尺寸，或比第一椭圆球面大，并且第二椭圆球体的焦点连线在底平面上的投影，与所述第一椭圆球体的焦点连线在底平面上的投影的夹角为180度时，能有最多的光线汇聚到光电元件上。当第一椭圆球体与第二椭圆球体具有相同尺寸时，第一焦点P在底平面上的投影点P’应处于底平面的中心点。

光源发出的光，照射到第一椭圆球面上并经过顶平面、底平面及第二椭圆球面反射的光线能够汇聚到光电元件上，而照射到其它部分的光线，只有少数能够到达光电元件，因此光电元件测量到的光波主要来自于经过第一椭圆球面、顶平面、底平面及第二椭圆球面反射的那部分光。当这部分光在照射到光电元件前，均经过五次反射，光波经过的光路长度为以下光路长度之和：光从光源到第一椭圆球面的光路、从第一椭圆球面到顶平面的光路、从顶平面到底平面的光路、从底平面再到顶平面的光路、顶平面到第二椭圆球面的光路、和从第二椭圆球面到光电元件的光路。部分光线从光源到达光电元件的光路长度能保证待测气体充分吸收光波即可。因此能够用体积较小的气室保证光路的长度，而且体积较小的气室与外界环境进行气体交换时也比较简单；再者，气室的体积缩小也使传感器中加入信号处理电路更加容易。

当使用两个光电元件时，可以把它们都放置在第二椭圆球体的焦点处；另一种实现方式是，所述至少一个第二椭圆球体的局部包括两个第二椭圆球体的局部；两个第二椭圆球体的第二焦点处各放置一个光电元件。此时，为了使，两个第二椭圆球体各自的焦点连线在底平面上的投影，与所述第一椭圆球体的焦点连线在底平面上的投影的延长线的夹角相等。从光源发出的光分别被两个第二椭圆球体反射后分别汇聚到各自焦点处的光电元件上，从而实现了单光源双光束。

所述光电元件可采用热释电红外光电元件或红外热电堆光电元件，在实际应用中，也可以根据需要采用相应的光电元件。

腔室中的顶平面、底平面的概念只为说明方便，并不成为其上下关系的限制。实际应用中，也可以互换，比如在底平面上开孔来实现气体交换。

为了防尘防潮，该智能型红外气体传感器还可以包括包括一个外壳；所述外壳内设置有至少一层过滤膜，以所述过滤膜为界线，所述外壳一侧具有用于与外界交换气体的开孔，另一侧封闭，将所述腔室包围在所述外壳内。所述过滤膜为疏水性微孔过滤膜，其微孔直径的范围为0.2微米到3微米。

下面用一个应用实例对本发明进行更为详细的阐述。

本应用实例为煤矿用的智能型红外甲烷传感器，可以用于检测煤矿中的甲烷浓度；待测气体甲烷对3.33μm波长的红外光有一极强的吸收峰，而煤矿常见杂质气体中的水蒸气和二氧化碳对此波长的光波并无明显吸收；利用该光谱特性来实现甲烷的检测。

如图2所示，该智能型红外甲烷传感器包括外壳1、气室2、通气反射板3、印制板4、不锈钢网5、信号处理电路及温度传感器11。

所述气室2和通气反射板3共同组成腔室6，第一光电元件17、第二光电元件18、窄带滤光片19、20及光源21均放置在气室2中。所述光源21和光电元件17、18都安装在印制板4上，所述信号处理电路可以安装在该印制板4上，也可以安装在另外的印制板上。所述温度传感器11的感温头可以放置在所述气室2内，或者和信号处理电路固定在一处。

所述光源21为可见光-红外光源。

本实例中，光电元件17、18采用热释电红外光电元件，其所能测量的光谱范围至少从3.33μm到3.9μm；其中，第一红外光电元件17作为测量传感器，其感光面上设置的窄带滤光片19滤出波长为3.33μm的光波，该部分光波能被甲烷吸收，此红外光电元件17输出的光强信号为测量信号；第二红外光电元件18作为参考传感器，其感光面上设置的窄带滤光片20滤出波长为3.9μm的光波，该部分的光波不会被甲烷吸收，此红外光电元件18输出的光强信号为参考信号。在实际应用时，也可以通过设置不同的窄带滤光片使两个光电元件分别输出被不同待测气体吸收后的光的光强信号，从而达到用一个传感器同时测量两种待测气体浓度的效果。

如图3、4所示，所述外壳1为一不锈钢圆筒，外径为20mm，内径为17.6mm，高19mm；其顶面开有直径为14.2mm的开孔，用于与外界交换气体；为使气室2内气体干净，不让尘埃污染光路和光学系统，在所述外壳1的顶面装设过滤网和至少一层过滤膜，所述过滤膜装在外壳1顶面的开孔内侧，该过滤膜为疏水性的微孔滤膜，微孔直径的范围为0.2微米到3微米；本实施例里，该过滤膜厚度为20到30微米。；本应用实例中是以双层不锈钢网5作为过滤网，该不锈钢网5为圆形，直径17.5mm，单层的厚度为0.4mm；所述通气反射板3将该不锈钢网5及过滤膜从外壳1的内部紧压在其顶面上；该通气反射板3的另一面压在所述气室2的顶面上；所述印制板4被固定在气室2的顶面上。所述外壳1的底部用环氧树脂密封，外界环境中的气体只能通过外壳顶面开孔内的过滤膜及过滤网进入传感器中，所述过滤膜上的微孔直径比最小的水滴及粉尘颗粒小，比气体分子大几百倍，因此可达到防水、防尘的功能，同时并不影响透气。

如图5、6所示，所述气室2的外形为圆柱形，外径为17.5mm，高12.8mm，其顶面向气室内的方向开有用于容纳气体的腔室6；所述通气反射板3压在气室2的顶面上，其下表面作为腔室6的顶平面，为直径16mm的圆形板。

如图7、8所示，所述通气反射板8为圆柱形结构，直径17.5mm，厚0.4mm，其中心开有一个直径为2.8mm的大通气孔；另外，在该通气反射板8上还开有12个直径为1.8mm的小通气孔，这些小通气孔的圆心在以该板圆心为圆心，半径为6.2mm的圆周上均匀分布。该通气反射板的下表面用作所述腔室6的顶平面，该表面上除通气孔以外的部分为反射面；在实际应用中，该通气反射也可以采用其它设计方案，其设计原则是在能实现通气的前提下，保证反射面最大，即板上开孔的面积恰好能满足通气要求即可。

气室2及通气反射板3用铜或不锈钢制作，并整体镀金，从而达到防腐的作用，同时也使所述腔室的内壁具备高反射效率。

如图9所示，所述腔室6的内壁由顶平面、底平面以及弧形侧壁围成。所述侧壁的弧度使侧壁形成为一个第一椭圆球体的局部和两个第二椭圆球体的局部，为方便叙述，将侧壁上形成第一、第二椭圆球体的局部的部分分别称为第一、第二椭圆球面；所述第一与第二椭圆球体的第一焦点重合于所述腔室外，第二焦点分别位于所述腔室内；所述底平面与顶平面平行，所述第一焦点到所述顶平面的距离与所述顶平面到底平面的距离相等，为9.4mm。第一椭圆球体的第二焦点处放置光源21，两个第二椭圆球体的第二焦点处各放置一个光电元件。

如图6所示，气室2的顶端开设有三个与所述腔室6相通的、与气室2顶面垂直的圆柱形通道7、8、9，所述安装有光源21及光电元件17、18的印制板固定在气室2顶端，所述光源21通过通道7进入所述腔室6内，两个光电元件17、18分别通过通道8和9进入所述腔体6内。如图5所示，通道7的直径为3.3mm，通道8和9的直径为5.05mm，通道7和9的圆心距离为9.6mm，通道8圆心与通道7、9圆心连线的距离为4.8mm。

外界环境中气体经过过滤膜及不锈钢网5的过滤后，由通气反射板3上的通气孔进入腔室6内；所述光源21发射的光在腔室6内反射后汇聚到设置有窄带滤光片19、20的红外光电元件17、18的感光面上；光电元件17、18将作为光强信号的电信号输出给信号处理电路。

所述温度传感器11用于根据所述传感器的环境温度输出温度信号；所述信号处理电路包括：放大电路、A/D转换电路16和数字信号处理器12。

如图10所示，为本实例中智能型红外甲烷传感器的框图。

所述放大电路包括两个低噪声前置放大器13、14，和一个差分放大器15；所述低噪声前置放大器13、14分别与第一、第二光电元件17、18相连，用于将光电元件输出的光强信号放大；所述差分放大器15与两个前置放大器13、14相连，用于将所述放大后的光强信号再放大；

所述A/D转换电路16与所述放大电路相连，用于将所述再放大后的光强信号转换为数字光强信号；

所述数字信号处理器12与所述A/D转换电路16及温度传感器11相连，用于根据所述数字光强信号计算得到气体浓度信号，并根据所述温度信号对所述浓度信号进行校正。

如果两个光电元件输出的光强信号一个为参考信号，一个为测量信号，则数字信号处理器12将第二光电元件输出的光强信号作为参考基准值，对第一光电元件输出的光强信号进行计算，得到待测气体的浓度信号。也可以先通过对比两个光强信号来判断光电元件是否正常以及光室是否受到污染，从而实现对传感器的自诊断功能，正常时再计算待测气体的浓度。

如果两个光电元件输出的光强信号分别对应于两个待测气体，则数字处理器12分别处理两个光电元件输出的光强信号，计算得到第一待测气体浓度信号和第二待测气体浓度信号。

所述温度传感器11可以但不限于采用National Semiconductor的LM20或热电阻；所述数字处理器12可以但不限于采用Cypress公司的CY8C27X43的数字模拟混合可编程处理器，或Microchip公司的数字信号处理器(DSC)系列，如：dsPIC30F30XX

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (18)

1、一种智能型红外气体传感器，包括用于容纳气体并能与外界进行气体交换的腔室、光源和至少一个光电元件，其中，所述光源发出的光经过所述腔室后到达光电元件，所述光电元件根据所到达的光的强度输出光强信号；其特征在于，所述传感器还包括：信号处理电路，与所述光电元件相连，用于处理所述光强信号，得到待测气体的浓度信号；

外壳；所述外壳内设置有至少一层过滤膜，以所述过滤膜为界线，所述外壳一侧具有用于与外界交换气体的开孔，另一侧封闭，将所述腔室包围在所述外壳内。

2、如权利要求1所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：所述光电元件的感光面上设置有窄带滤光片，用于滤出相应波长的光给光电元件。

3、如权利要求2所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：所述至少一个光电元件包括两个光电元件，第一光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出待测气体会吸收的光波给该光电元件，第二光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出待测气体不吸收的光波给该光电元件；

所述信号处理电路通过第一、第二光电元件输出的两个光强信号的关系判断所述光电元件工作是否正常或腔室中光路是否受到污染，实现所述传感器的自诊断。

4、如权利要求2所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：所述至少一个光电元件包括两个光电元件，第一光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出待测气体会吸收的光波给该光电元件，第二光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出待测气体不吸收的光波给该光电元件；

所述信号处理电路将第二光电元件输出的光强信号作为参考基准值，对第一光电元件输出的光强信号进行计算，得到待测气体的浓度信号。

5、如权利要求2所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：所述至少一个光电元件包括两个光电元件，第一光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出第一待测气体会吸收的光波给该光电元件；第二光电元件的感光面上设置的窄带滤光片滤出第二待测气体会吸收的光波给该光电元件；

所述信号处理电路分别处理两个光电元件输出的光强信号，得到第一待测气体浓度信号和第二待测气体浓度信号。

6、如权利要求1所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：所述光源为可见光-红外光源。

7、如权利要求1所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：所述光电元件为热释电红外光电元件或红外热电堆光电元件。

8、如权利要求1所述的智能型红外气体传感器，其特征在于，还包括：温度传感器，用于根据所述智能型红外气体传感器的环境温度输出温度信号；

所述信号处理电路与所述温度传感器相连，用于根据所述温度信号对所述浓度信号进行校正。

9、如权利要求1所述的智能型红外气体传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括：放大电路、A/D转换电路和数字信号处理器；

所述放大电路与所述光电元件相连，用于将所述光强信号放大；

所述A/D转换电路与所述放大电路相连，用于将所述放大后的光强信号转换为数字光强信号；

所述数字信号处理器与所述A/D转换电路相连，用于根据所述数字光强信号计算得到待测气体的浓度信号。

10、如权利要求9所述的智能型红外气体传感器，其特征在于，所述放大电路包括至少一个前置放大电路和至少一个二级放大电路；

所述前置放大电路与光电元件相连，用于将所述光强信号放大；

所述二级放大电路与前置放大电路相连，用于将所述放大后的光强信号再放大；

所述A/D转换电路与二级放大电路相连，用于将再放大后的光强信号转换为数字光强信号。

11、如权利要求1所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：所述腔室的内壁由顶平面、底平面以及弧形侧壁围成，所述内壁上涂覆有反光材料，所述顶平面具有用于与外界交换气体的开孔，所述光源与至少一个光电元件放置在所述腔室内，所述光源与光电元件的放置位置与所述侧壁的弧度及顶平面至底平面的距离相配合，使光源发出的光经过所述腔室内壁的反射而汇聚至所述光电元件上。

12、如权利要求11所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：所述侧壁的弧度使侧壁形成为一个第一椭圆球体的局部和至少一个第二椭圆球体的局部，所述第一与第二椭圆球体的第一焦点重合于所述腔室外，第二焦点分别位于所述腔室内，在第一椭圆球体的第二焦点处放置所述光源，第二椭圆球体的第二焦点处放置所述光电元件；所述底平面与顶平面平行，所述第一焦点到所述顶平面的距离与所述顶平面到底平面的距离相等。

13、如权利要求12所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：所述至少一个第二椭圆球体的局部包括两个第二椭圆球体的局部；所述至少一个光电元件包括两个光电元件；两个第二椭圆球体的第二焦点处各放置一个光电元件。

14、如权利要求13所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：两个第二椭圆球体各自的焦点连线在底平面上的投影，与所述第一椭圆球体的焦点连线在底平面上的投影的延长线的夹角相等。

15、如权利要求11所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：光从光源发出，经内壁反射到达光电元件的光路长度应保证待测气体能充分吸收光波。

16、如权利要求11所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：所述顶平面的开孔的总面积以恰能满足通气要求为准。

17、如权利要求1所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：所述过滤膜为疏水性膜。

18、如权利要求1所述的智能型红外气体传感器，其特征在于：所述过滤膜为微孔过滤膜，其微孔直径的范围为0.2微米到3微米。

Images