CN101470075B

CN101470075B - 气体浓度测量装置

Info

Publication number: CN101470075B
Application number: CN 200710305061
Authority: CN
Inventors: 周慧玲; 武志刚; 梁恺; 颜彦; 石川; 岑建; 叶继伦
Original assignee: Shenzhen Mindray Bio Medical Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Mindray Bio Medical Electronics Co Ltd
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: CN101470075A

Abstract

本发明公开了一种气体浓度测量装置，包括光源；传感器，用于感测光信号并将所述光信号转换成电信号后输出；光源限形孔，其位于所述光源和所述传感器之间的光路上，用于改变所述光源射出的光束形状，所述光源限形孔的形状与传感器的感光区域的形状相匹配；可旋转斩波轮，位于所述光源和传感器之间，所述斩波轮上开有至少两个滤光通孔；至少两个滤光片，所述滤光片分别安装于所述滤光通孔中，用于透过特定波段的带通光；测量气室，用于容纳被测气体，所述测量气室设置于所述斩波轮和传感器之间的光路上，所述光源发出的光顺序经过滤光片和测量气室后照射到所述传感器上。本发明设计简单，成本低，对气体浓度检测的一致性好，准确性和稳定性高。

Description

气体浓度测量装置

【技术领域】

本发明涉及气体检测领域，具体涉及一种用于气体浓度测量的测量装置。

【背景技术】

目前在医疗设备领域的气体浓度检测仪的测量原理一般都是基于非色散红外光谱分析技术，即根据被测气体对某一波段红外光的吸收特性，选择特定波段的红外光通过气体样本，红外光的衰减量与被测气体样本的浓度符合Beer-Lambert定律。由于不同的被检测气体对特定波长的红外光有吸收作用，测量经吸收衰减后的光强就可以计算得到被测气体中感兴趣的组分含量。例如，现有用来检测混合气体中气体浓度的测量设备与方法，包括对人体呼吸气体中二氧化碳(CO2)、笑气(N₂O)、麻醉气体(如地氟醚(Desflurane)、异氟醚(Isoflurane)、氟烷(Halothane)、七氟醚(Sevoflurane)、氨氟醚(Enflurane)等气体浓度进行测量的一些装置，利用了红外光谱吸收原理，从待测气体中抽取一定量的样本送入检测气室中，通过一个红外探测器，测量经过检测气室后的一组特定波长的红外光强。如CO₂浓度检测仪利用CO₂分子在红外光波长4.26um处有一个显著的吸收峰，通过检测4.26um波段红外光的衰减量来计算出相应的CO₂浓度，而N₂O浓度检测仪则利用N₂O分子在红外光波长3.9um处有一个显著的吸收峰，通过检测3.9um波段红外光的衰减量来计算出相应的N₂O浓度。

对应不同的波段采用同一探测器和信号处理电路，在同一时刻只能保证一种气体在某一特定检测范围区域内的精度，然而，医用气体浓度检测领域内常需要同时检测多种气体，现有的一种做法是采用透光片轮和安装在透光片轮上的若干滤光片，透光片轮可旋转，宽光谱的红外光依次透过滤光片，得到与被测气体相对应的窄带光，窄带光通过充有被测气体的气室后照射在传感器上，传感器将光信号转变为电信号输出到后续的处理器进行处理，从而可检测出不同光通道的光吸收情况。但这种方案存在着以下缺点：

1、由于多通道的光共用同样的探头设计和后续信号处理电路，通道之间存在相互干扰，影响测量结果的一致性、准确性和稳定性。

2、传感器的响应度低。

【发明内容】

本发明的主要目的就是提供一种能够同时测量多种气体浓度的气体浓度测量装置，其传感器对光信号的响应度高、信噪比好。

本发明的次一目的就是提供一种能够同时测量多种气体浓度的气体浓度测量装置，其输出的信号一致性好、稳定性和准确性高且结构简单、成本低。

为实现上述目的，本发明提供一种气体浓度测量装置，包括：

光源，用于提供红外光；

传感器，用于感测光信号并将所述光信号转换成电信号后输出；

光源限形孔，其位于所述光源和所述传感器之间光路上，用于改变所述光源射出的光束形状，所述光源限形孔的形状与传感器的感光区域的形状相匹配；

可旋转斩波轮，位于所述光源和传感器之间，所述斩波轮上开有至少两个滤光通孔；

至少两个滤光片，所述滤光片分别安装于所述滤光通孔中，用于透过特定波段的带通光；

测量气室，用于容纳被测气体，所述测量气室设置于所述斩波轮和传感器之间的光路上，所述光源发出的光顺序经过滤光片和测量气室后照射到所述传感器上。

其中，所述传感器的感光区域的形状优选为方形，所述光源限形孔的形状优选为扇形或梯形或方形，且所述光源限形孔的宽度和长度分别等于或大于所述感光区域的宽度和长度。

在所述斩波轮的两侧分别紧贴有前盖板和后盖板，所述前盖板和后盖板上开有与滤光通孔相对应的通光孔，所述通光孔的形状与传感器的感光区域的形状相匹配。

所述滤光通孔和后盖板通光孔的形状为扇形或梯形或方形，所述滤光通孔和后盖板通光孔的宽度和长度分别等于或大于所述感光区域的宽度和长度。

在改进的实施例中，所述滤光片的光学参数配置至少根据中心波长、透过率和半波宽选定，所述斩波轮上各个滤光片的透过率和半波宽的乘积都属于同一数量级。

在另一改进的实施例中，所述探头还包括用于提供所述斩波轮旋转的同步信号的信号同步装置。

所述信号同步装置包括同步光源、一开设在所述斩波轮上的同步通光孔以及同步光探测器，所述同步光源发出的光经同步通光孔后照射到同步光探测器上，所述同步光探测器用于感测通过所述同步通光孔的光，并转换成电信号后输出。

本发明与现有技术比较的有益效果是：

1)本发明通过增设用于改变光源射出的光束形状的光源限形孔，并且使其形状配合传感器感光区域的形状，使传感器提高了对输出信号的响应度，由此提高了信噪比，保证了探头输出的关键信号的质量，从而进一步保证测量的准确性和稳定性。

2)本发明针对不同气体吸收光波段的选择性，设计出具有滤光参数不同的多个滤光片的单一探头，后续处理电路也只需要一路，从而使本发明既能完成对多个通道感兴趣的光波长的信号检测，又能降低通道之间的相互干扰，输出的信号一致性好、稳定性和准确性高；且较现有多路探测器和相应的信号处理电路进行组合的设计，本发明一体化的单路结构大大降低了系统的复杂程度，只需结合简单的时序控制与处理算法，即实现了用设计简单和成本低的硬件和软件获得符合精度预期的多种气体浓度检测结果。

3)通过信号同步装置可区分不同波段的信号，从而可连续检测多个周期的数据，使最终结果更准确。

【附图说明】

图1为本发明实施例的气体浓度测量装置的方框图；

图2为本发明一种实施例的气体浓度测量装置的结构示意图；

图3为本发明一种实施例的气体浓度测量装置的结构示意图。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【具体实施方式】

请参考图1和图2，气体浓度测量系统包括气体探头1(即浓度测量装置)和主控制系统8。气体浓度测量使用宽光谱红外光进行检测，探头1为红外探头，其结构如图2所示，包括宽光谱红外光源110、斩波轮140、斩波电机100、测量气室160和传感器170。宽光谱红外光源110提供含被测气体可吸收波段的宽光谱红外光；斩波轮140上开有至少两个滤光通孔，滤光通孔在斩波轮140上分布位置可设计为位于一个同心圆上，滤光通孔在随斩波轮140转动时可通过由光源110到传感器170的红外光，每个滤光通孔中安装有滤光片142，不同的滤光片142具有不同的中心波长，用于透过不同被测气体吸收峰的窄带光，因此探头可测量多个光通道。测量气室160用于容纳被测气体，其设置于所述斩波轮140和传感器170之间的光路上，且使由滤光片142滤过的窄带光束通过所述被测气体到达所述传感器。传感器170采用红外热释电传感器。

为提高传感器的响应度，对探头结构进行改进，探头1还包括位于光源110和斩波轮140之间的光源限形孔122，本实施例在靠近宽光谱红外光源110的前方即其出光位置处设置有光源盖板120，光源限形孔122开设在光源盖板120上或容纳光源110的容器上，光源110发出的分散态的红外经该光源限形孔122变成平行的规则光束，然后到达滤光片142。斩波轮140入光一侧和出光一侧还分别设有用于固定滤光片的前盖板130和后盖板150，前盖板130和后盖板150上分别开设有不同形状的对应于滤光通孔(相当于滤光片的形状)的通光孔。其中，前盖板通光孔132配合滤光通孔做到尽量大的面积，有利于光线通过；后盖板通光孔152大小和光源盖板通光孔122以及传感器170的感光区域形状和面积配合。在红外热释电传感器170的感光形状和面积确定的情况下，光源限形孔122、滤光通孔和后盖板通光孔152的宽度略大于或等于传感器170的感光区域的宽度，同时光源限形孔122、滤光通孔和后盖板通光孔152的长度也略大于传感器170的感光区域的长度，以保证有效利用传感器的感光面积。一般红外热释电传感器170的感光区域为方形，与之配合，光源限形孔122的形状最优选择为方形，其次为扇形和梯形，滤光通孔的形状以及后盖板通光孔152的形状，最优选择为扇形，其次为梯形和方形。又一种实施例中，光源限形孔122的形状采用长方形，滤光通孔的形状采用方形，后盖板通光孔152形状选择为梯形。以上通孔的形状及尺寸的配合能够提高传感器对信号的响应度，提高信噪比。

在测量时，斩波电机100带动斩波轮140旋转，滤光片142跟随斩波轮140旋转，红外光通过不同的滤光片142后，得到不同波长的光束，不同波长的光束通过测量气室160，并被其中的相应的被测气体吸收后射出；按照各滤光片142所滤光的次序，传感器170感测通过测量气室160后的窄带光强并转换成模拟电信号输出。

另外，光源限形孔122还可以设置在斩波轮140和传感器之间，这样只需要考虑光源限形孔122的形状与传感器感光区域的形状配合即可，而不需要考虑斩波轮140的滤光通孔和后盖板通光孔152的形状。

所述光源采用带有反射镜的宽光谱红外光源，反射镜将所述光反射向传感器，提高光源的发光效率。

另外，采用较薄的滤光片和斩波轮，将所述光源和斩波轮尽量靠近，降低传感器的高度，使传感器的感光区域更接近测量气室，以使测量气室和传感器尽量靠近，使所述光源和斩波轮紧密配合、所述测量气室和传感器紧密配合。采用反射镜也可以使光线直射到传感器，这些都尽量缩短了光程，相对提高了信号响应度。

以下详细地介绍本具体实施方式气体浓度测量的原理。

宽光谱红外光源110发出的红外光经过安装在斩波轮140上的多个窄带滤光片142之后，成为对应滤光片142中心波长的窄带红外光；随着斩波电机100驱动斩波轮140旋转，带动各滤光片依次调制来自光源的红外光束，转换成不同波长的红外脉冲光束；各红外脉冲光束依序射出至测量气室160，被测量气室160中相应吸光特性的气体选择性吸收，不同波段红外光束的光强发生衰减后抵达红外热释电传感器170，红外热释电传感器170将光信号转化成模拟电信号输出后，再由主控制系统8进行处理。测量气室160输入和输出的光信号强度与气体浓度的变化规律满足Beer-Lambert定律：

I＝I₀·e^-αLC

式中，I₀、I分别为吸收前、后的红外光光强，α为选定波长下某种气体的吸收系数，L为被测气体的有效吸收光程，C为被测气体的浓度，在测量装置中I₀、α、L均保持不变，所以通过测量衰减后的光强，根据事先制定的衰减光强与气体浓度关系的曲线查表就可以得到被测气体的浓度。

由于一般宽光谱光源多采用类黑体光源，光源输出的不同波段的原始光强有所差异，加上不同气体在选定的波段上对光的吸收能力也各有差异，因此，在采用同一探头和主控制系统时，为使测量结果更准确、稳定，还需要依据光路中关键器件的参数进行优选。因此在另一实施例中，探头1包括红外光源110、斩波轮140、斩波电机100、测量气室160和传感器170。斩波轮140上设有若干滤光片142，例如，所述滤光片可以包括二氧化碳滤光片、一氧化二氮滤光片、其它麻醉气体滤光片和参考滤光片，所述二氧化碳滤光片用于透过作为二氧化碳气体所对应的特征吸收峰的波段的带通光，所述一氧化二氮滤光片用于透过作为一氧化二氮气体所对应的特征吸收峰的带通光，所述其它麻醉气体滤光片用于透过作为其它麻醉气体所对应的特征吸收峰的带通光，所述参考滤光片用于透过不被任何气体所吸收的带通光。在设计滤光片142时根据中心波长、透过率和半波宽等光学参数来设计，半波宽是指带通滤光片的通带半宽度。中心波长根据所检测的气体而设定，已知4.26um处是二氧化碳(CO2)光谱的特征吸收峰，3.9um和4.56μm是笑气(一氧化二氮，N20)的吸收峰，8.55um、8.34μm和3.34um是其他麻醉气体的吸收峰，而在3.75um处，所有的气体吸收都非常小，相对吸收峰的吸收率可以忽略不计。因此用于检测二氧化碳气体的二氧化碳滤光片采用中心波长为4.26μm的红外波段，笑气滤光片采用中心波长为3.9μm或4.56μm的波段，其它麻醉气体滤光片采用中心波长为8.55um、8.34μm或者3.34um的波段。考虑到光源老化等原因，输出的光强会随时间发生变化，为适应这种老化的过程，以及消除光路上其他光学器件的不一致性，引入了参考通道作为原始光强的参考；参考滤光片的中心波长选择在3.75um的波段。根据不同中心波长的气体吸收特征和光源输出功率，可选择以特定透光率和半波宽参数相组合的窄带滤光片，使得原始输出光信号的幅度相匹配且检测信号的动态范围达到均衡，具体地，可以规定各窄带滤光片的透光率和半波宽的乘积保持在同一个数量级，即所有滤光片的透过率和该滤光片的半波宽的乘积中最大值与最小值的比值小于10。通过选择透过率和半波宽使所述斩波轮上各个光通道相互协调，趋于同一，降低多通道之间的相互干扰，从而使测量结果更准确、稳定。多个滤光片142在斩波轮140上呈同心圆排列，这些中心波长的滤光片在斩波轮上的安装顺序可根据传感器特性和探头结构特性来进行分配，最优的顺序为：参考滤光片，二氧化碳滤光片，一氧化二氮滤光片和其它麻醉气体滤光片，这样能进一步减小通道之间的干扰。

一种实施例就二氧化碳(CO2)、笑气(N₂O)以及麻醉气体(AG)混合气进行测量。其中，二氧化碳选择吸收4.26μm波段的红外光、笑气选择吸收3.9μm波段的红外光、麻醉气体(如地氟醚(Desflurane)、异氟醚(Isoflurane)、氟烷(Halothane)、七氟醚(Sevoflurane)、氨氟醚(Enflurane))选择吸收8.55μm波段的红外光。相应地，在斩波轮140的四个滤光通孔中分别安装中心波长对应为3.75μm、4.26μm、3.9μm和8.55μm的四种滤光片。

根据气体吸收光谱的性质，光波选择吸收的特征还可以是：4.26μm处为二氧化碳的特征吸收峰，4.56μm处为笑气的吸收峰，8.34μm处为其他麻醉气体的吸收峰；或者，4.26μm处为CO2光谱的特征吸收峰，4.56μm处为笑气的吸收峰，3.34μm处为其他麻醉气体的吸收峰。相应地，可以在斩波轮140的四个滤光通孔中分别安装中心波长对应为3.75μm、4.26μm、4.56μm和8.34μm的四个滤光片，或者是，分别安装中心波长对应为3.75μm、4.26μm、4.56μm和3.34μm的四个滤光片。

通过对滤光片光学参数(中心波长、透过率及半波宽)的优选和探头结构的优化，进一步保证了本发明使用同一探头和主控制系统时，仅通过简单的单通路光源信号的幅度调节，就能达到所有路输出信号的幅度匹配，并且在传感器测量范围内满足测量所需的分辨率和精度。此外，还可以采用带有反射透镜的宽光谱红外光源，提高光源的出射功率以及提高信噪比，还可以进一步提高关键信号的质量，使测量结果更为准确和稳定。

请参考图3，在又一实施例中，探头1包括红外光源110、斩波轮140、斩波电机100、测量气室160和传感器170。斩波轮140上设有若干滤光片142。由于同时采用多种滤光片安装在同一斩波轮140上，为区分不同滤光片的输出，在探头上还设置有信号同步装置，由信号同步装置发出同步信号，主控制系统根据此同步信号获取各窄带光束信号的时序。优选的方案中，信号同步装置包括同步光源180、同步通光孔133和同步光探测器190。同步通光孔133设在所述斩波轮140上，且与滤波片142分布在不同的同心圆上，所述同步光源180发出的光通过所述同步通光孔133到达所述同步光探测器190。

斩波轮140旋转时，同步光源180发出的光束按照斩波轮140的旋转频率通过同步通光孔133，产生同步光脉冲信号，同步光探测器190感测同步光脉冲信号光强，并将其转换为同步电信号后输出到主控制系统8。这样，滤光片轮每旋转一圈即输出一个同步信号，气体浓度检测电信号和同步信号配合，这两个信号经主控制系统8处理后，最终获得各被测量气体的浓度，也可以是计算出被测气体浓度的中间结果。对于后者，技术人员能够根据该中间结果导出所要测量的气体浓度。同时，主控制系统8还可以通过必要的接口(如串行口)向外部输出信号波形和相关数据，或者送往显示设备显示。

信号同步装置的另一实施方案是：信号同步装置可以仅包括位于斩波轮140上的同步通光孔，同步通光孔与滤波片142分布在同一圆上，光源110射出的光通过同步通光孔照射到传感器，传感器输出相应的电信号从而获得同步信号。

本实施例还可以和上述的实施例组合为更好的实施例。

如图1所示，红外探头1与主控制系统8之间还设置了放大电路2和同步检测电路3，主控制系统8又包括A/D采样电路和处理与控制电路。放大电路2的输入端耦合到红外热释电传感器170的输出端，放大电路2的输出端耦合到A/D采样电路的输入端，A/D采样电路的输出端耦合到处理与控制电路的输入端。带有气体浓度测量信息的模拟电信号先经放大电路2的信号放大作用，再由A/D采样电路转换成数字电信号并送入处理与控制电路。同步检测电路3的输入端耦合到信号同步装置的输出端，同步检测电路3的输出端耦合到A/D采样电路的输入端。同步检测电路3接收由信号同步装置输出的同步信号，经A/D采样电路送入处理与控制电路。

气体浓度测量装置还可以进一步包括斩波电机转速检测电路儿和斩波电机转速控制电路10，斩波电机转速检测电路11检测端耦合到斩波电机100，斩波电机转速检测电路11的输出端耦合到处理与控制电路的相应输入端，斩波电机转速控制电路10的输入端耦合到处理与控制电路的相应输出端，斩波电机转速控制电路10的输出端耦合到斩波电机100的控制端。斩波电机转速检测电路11实时检测斩波电机100的转速，并将转速信号馈至处理与控制电路，处理与控制电路响应转速信号发出控制指令至斩波电机转速控制电路10，斩波电机转速控制电路10根据控制指令输出转速控制信号，控制斩波电机100转速的稳定，使红外探头1以稳定频率输出气体浓度测量电信号。

气体浓度测量装置还包括气泵14、控制气泵14工作的气泵控制电路13。待测量气体可通过气路由测量气室的入气口161采样至测量气室160，气泵14也通过气路与测量气室160连通，气泵14用于抽取待测量的气体进入测量气室160；气泵控制电路13的输入端耦合到处理与控制电路的相应输出端，气泵控制电路13的输出端耦合到气泵14的控制端，控制气泵14从测量气室的出气口162抽气；还包括流速检测电路12，流速检测电路12实时监测气泵14的抽气速率，其输出端耦合到处理与控制电路的相应输入端，处理与控制电路响应流速检测电路12的监测信号，通过气泵控制电路13控制所述气泵的动作，以达到稳定待测量的气体抽取速度的目的。可以在连通气泵14和测量气室160的气路上设置限流阀15，对气体流速进行限制。

本发明克服了现有的气体浓度测量装置结构复杂、成本高、测量一致性差的缺陷，采用一体化的单一探头和主控制系统设计，结合简单的控制算法，实现了同时获得符合精度预期的多种气体浓度。本发明的装置结构简单、成本低、易于量产、易于使用，且信噪比高，通道之间的相互干扰更小，并较以往设计提高了检测的一致性和测量装置长时间工作的稳定性和准确性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种气体浓度测量装置，其特征在于包括：

光源，用于提供红外光；

光源限形孔，其位于所述光源和所述传感器之间的光路上，用于改变所述光源射出的光束形状，所述光源限形孔的形状与传感器的感光区域的形状相匹配；

测量气室，用于容纳被测气体，所述测量气室设置于所述斩波轮和传感器之间的光路上，所述光源发出的光顺序经过滤光片和测量气室后照射到所述传感器上；

前盖板和后盖板，所述前盖板和后盖板紧贴在所述斩波轮的两侧，所述前盖板和后盖板上开有与滤光通孔相对应的通光孔，所述通光孔的形状与传感器的感光区域的形状相匹配。

2.如权利要求1所述的气体浓度测量装置，其特征在于：所述光源限形孔位于所述光源和所述斩波轮之间的光路上。

3.如权利要求2所述的气体浓度测量装置，其特征在于：所述传感器的感光区域为方形，所述光源限形孔的形状也为方形，且所述光源限形孔的宽度和长度分别等于或大于所述传感器的感光区域的宽度和长度。

4.如权利要求3所述的气体浓度测量装置，其特征在于：所述滤光通孔和后盖板通光孔的形状为方形，所述滤光通孔和后盖板通光孔的宽度和长度分别等于或大于所述感光区域的宽度和长度。

5.如权利要求3所述的气体浓度测量装置，其特征在于：所述滤光通孔和后盖板通光孔的形状为扇形或梯形。

6.如权利要求1所述的气体浓度测量装置，其特征在于：所述光源为带有反射镜的宽光谱红外光源。

7.如权利要求1至6中任一项所述的气体浓度测量装置，其特征在于：所述滤光片的光学参数至少根据中心波长、透过率和半波宽选定。

8.如权利要求7所述的气体浓度测量装置，其特征在于：所述滤光片包括二氧化碳滤光片、一氧化二氮滤光片、其它麻醉气体滤光片和参考滤光片，所述滤光片在斩波轮上的排列顺序是参考滤光片、二氧化碳滤光片、一氧化二氮滤光片和其它麻醉气体滤光片。

9.如权利要求1至6中任一项所述的气体浓度测量装置，其特征在于：还包括用于提供所述斩波轮旋转的同步信号的信号同步装置。

10.如权利要求9所述的气体浓度测量装置，其特征在于：所述信号同步装置包括同步光源、一开设在所述斩波轮上的同步通光孔以及同步光探测器，所述同步光源发出的光经同步通光孔后照射到同步光探测器上，所述同步光探测器用于感测通过所述同步通光孔的光，并转换成电信号后输出。