CN101592602A - 高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿井安全的防爆气体探测设备领域，涉及高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统。含有光源、采样吸收气室、探测器，微处理器，和放大器。在微处理器控制的交变信号驱动下，光源发出脉冲光，光在吸收气室内经过多次反射，经窄带滤光片选择出不同波长的光，由探测器转换为两路电信号，一路为探测信号，一路为参考信号。电信号经放大器放大，再经微处理器进行A/D转化，得到两路数字信号，用探测信号除参考信号得到其比值，计算气体对光的吸收率，微处理器根据标准的测量吸收率与浓度曲线，用非线性校正算法得到被测气体的浓度值。使用本系统，光能利用率和检测灵敏度高，成本低，稳定性高，响应时间快及寿命长，生产工艺简单。

Description

高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统

技术领域

本发明属于矿井安全的防爆气体探测设备领域，特别涉及基于非色散红外吸收技术的一种高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统，

瓦斯的主要成分是甲烷，甲烷是易燃、易爆气体，在空气中的爆炸下限约为5％，上限为15％。煤矿中瓦斯的检测是有关安全生产的首要问题，因此开发一种安全可靠高灵敏度，高稳定性，快响应小体积的瓦斯检测系统具有重要的社会意义和经济意义。

当前国内煤矿采用的绝大多数的瓦斯传感器是催化燃烧式的。该类检测技术相对落后，检测范围窄，有中毒现象，因而造成误报或是失效即不报警，其可靠性差，标定时间周期短，标定成本高，工作中需在有氧环境下工作，不能检测100％LEL浓度等缺点。

世界先进国家多采用红外检测类的报警器，但所采用的某些技术对中国的国情不适合，有的产品体积大，如general monitor’s的报警器，有些产品光能利用率不高，响应时间偏长如City的CH4红外传感器。这些产品中几乎无一例外的是高成本，导致报警器价格昂贵，难以普及。

利用待测气体对红外光谱的吸收特性，来检气体浓度的技术近年来有很大的发展。其中采用红外差分原理的传感器具有抗干扰能力强，实时测量精度高、免维护等优点，它作为一种快速、准确的气体分析技术目前已在煤矿瓦斯浓度检测预警中得到应用。

红外瓦斯传感器的原理如下：红外光通过瓦斯气体，瓦斯分子对特定波长的光具有吸收功能，在理想情况下，其吸收服从朗伯-比尔吸收定律。只要知道光通过的有效吸收光程与分子在特定波长上的吸收系数，利用测量入射光与出射光的比值，就可以测出瓦斯的绝对浓度。

此类红外瓦斯传感器至少包括一个红外辐射源、一个采样吸收气室和一个探测器。通过探测器的带通滤光片选择两个不同波长的光可以构成差分探测，目标气体对一个波长的光吸收较大，光信号随目标气体浓度的增加而减小，目标气体对另一个波长的光基本不吸收，可用来监视红外光强度变化的参考信号。但是光必须经过足够的光程，瓦斯才能充分吸收光波，使光波通过瓦斯前后有较大的差异，从而使传感器对瓦斯更敏感。其缺点为：1.物理尺寸较大，气室中气体交换至稳定需要的时间也更长。2.需要的光能量也大，且光束做到均匀一致很困难。3.随环境温度的变化，光路变化较大，对测量精度有影响。

利用反射使光在吸收室内多次通过气体，增加有效光学吸收长度而减少物理体积，是非常有效的做法。在设计吸收气室时，有两种方案：一是非聚焦系统，利用光学积分球概念，光线多次反射后，使吸收腔内光密度趋于一致，由于没有光线聚焦在接收器表面，而是接收腔内均匀的光强，所以，优点是信号稳定性好，不受光路偏移的影响，温度工作范围宽，生产工艺简单。但其缺点为，光能利用率低，光信号中信噪比低。二是聚焦类光学吸收腔，通常以光源为物通过光学系统成像于接收器上，但此类吸收腔有效光程不易做长，由于选择了成像设计，一是光学调整复杂，二是对光路偏移影响较大，随工作环境的变化，其稳定性有所牺牲。但光能利用率很高。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提出了该系统包括光源、吸收气室、探测器组成的传感器，微处理器和放大器；其特征在于，所述吸收气室由两高反射率的反射镜反射面相对放置，形成准光学谐振腔，或非光学谐振腔吸收气室；光源和探测器同固定在一个反射镜侧，或分别固定在两个反射镜的反射面侧；光源在CPU微处理器输出的脉冲电源的脉冲驱动下发出两路脉冲光光束，两路脉冲光光束通过探测器的带通滤光片选择出两个不同信号波长的探测光和参考光，以目标气体对该两种光吸收率不同而构成差分探测；两路脉冲光光束经两个反射镜的反射面来回反射，多次反射后形成多次光路折叠，使光源与探测器之间符合成像关系，该光束进入探测器的接收面，形成探测器在以光源为物的光学系统共轭成像的位置，或将探测器设置在光路上离焦位置上，由此提高光信号的信噪比及提高探测数据的稳定性及测量精度。

所述探测器包括探测光电元件A和探测光电元件B两个红外光电元件，两个不同信号波长的探测光和参考光在进入探测器的接收面时，具有探测信号波长的探测光束进入与它相适应的探测光电元件A，具有参考信号波长的参考光束进入与它相适应的探测光电元件B，探测器将两种光信号转换为电信号后，经信号放大器进行放大，再经A/D转换器转化，得到的两路数字信号，输送至CPU微处理器进行数据处理，比较二者，计算出气体对信号波长光的吸收率，然后再根据标准的测量吸收率与浓度曲线，采用非线性校正算法得到被测气体的浓度值，

所述光源选择升降温速度快的光源，并加脉冲调制电源，产生周期性的探测信号，从而提高反应速度，降低功耗。

所述吸收气室由凹形球面反射镜、凸形球面反射镜或平面反射镜中的两个以反射面对置组合而成。

所述吸收气室的两个反射镜组合形式为两个凹形球面反射镜、一个凹形球面反射镜和一个凸形球面反射镜或一个凹形球面反射镜和一个平面反射镜。

所述放大器，采用低飘移的模拟放大电路和窄带滤波电路，将从窄带放大器来的信号通过A/D转换器，将两路测量信号近似地处理成频率与驱动频率相同的三角函数变化信号，其振幅代表接收到的光能量。

本发明的有益效果：

本发明涉及的瓦斯浓度传感系统，是一种基于非色散红外吸收技术而构成的气体检测系统，利用瓦斯对特定波长光的吸收率随浓度的变化来检测环境中气体的浓度。其特点为：光能利用率和检测灵敏度高，成本低，功耗低，稳定性高，响应时间快及寿命长，体积小，工作温度范围宽，生产工艺简单，该传感器的结构比以往仪器将大大简化，易于批量生产，可以降低成本，传感器的成本也不到以往技术的1/4，能在中国的大中小型的煤矿都广泛使用、得以普及。

附图说明

图1为本发明高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统的结构示意图。

图2为本发明高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统的吸收腔结构示意图。

图3为本发明红外瓦斯传感器系统的放大部分电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明设计方法作进一步说明：

图1为本发明高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统的结构示意图；由光源1、吸收气室2和探测器3连接构成气体探测传感器，信号放大器4的输入同探测器3的输出连接，信号放大器4的输出通过A/D转换器5和CPU微处理器8连接，CPU微处理器8的驱动信号端通过脉冲驱动9连接到光源1；CPU微处理器8的输出还分别连接液晶显示器6和RS232接口7。

上述吸收气室2由两高反射率的反射镜反射面相对放置，形成准光学谐振腔，或非光学谐振腔吸收气室；光源1和探测器3同固定在一个反射镜侧，或分别固定在两个反射镜的反射面侧；光源1在CPU微处理器8输出的脉冲电源的脉冲驱动下发出两路脉冲光光束，两路脉冲光光束通过探测器3的带通滤光片选择出两个不同信号波长的探测光和参考光，以目标气体对该两种光吸收率不同而构成差分探测；两路脉冲光光束经两个反射镜的反射面来回反射，多次反射后形成多次光路折叠(如图2所示)，使光源1与探测器3之间符合成像关系，使光束进入探测器3的接收面，形成了探测器3在以光源1为物的光学系统共轭成像的位置，或将探测器3设置在光路上离焦位置上，由此提高光信号的信噪比及提高探测数据的稳定性及测量精度。

所述探测器3包括探测光电元件A和探测光电元件B两个红外光电元件，两个不同信号波长的探测光和参考光在进入探测器3的接收面时，具有探测信号波长的探测光束进入与它相适应的探测光电元件A，具有参考信号波长的参考光束进入与它相适应的探测光电元件B，探测器3将两种光信号转换为电信号后，经信号放大器4进行放大，再经A/D转换器5转化，得到的两路数字信号，输送至CPU微处理器8进行数据处理，比较二者，计算出气体对信号波长光的吸收率，然后再根据标准的测量吸收率与浓度曲线，采用非线性校正算法得到被测气体的浓度值，

所述红外瓦斯传感器系统的结构还可以采用单光源，双探测器结构、采用双光源，双探测器结构或双光源、单探测器结构。在一个探测器的前面放置一个目标气体对应波长的带通滤波片，在另一个探测器的前面放置一个对应参考波长的带通滤波片。所述红外气体传感器带通滤波片可以放在探测器的前面，也可以放在光源的前面。

图3为本发明高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统的放大部分电路原理图；

图中401为低噪音放大器，402为放大器，403为气体，404为红外光，405为热敏电阻，406为脉冲驱动，407为气体信号，408为温度输出，409为参考输出。图中“GND”表示接地，R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9，R10表示电阻，C1，C2为电容。该放大器，采用低飘移的模拟放大电路和窄带滤波电路，将从窄带放大器来的信号通过A/D转换器，将两路测量信号近似地处理成频率与驱动频率相同的三角函数变化信号，其振幅代表接收到的光能量。

上述内容只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；但本发明的保护范围并不局限于上述内容，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内的基础上所做的任何方案的变形、变化或者替换，都应涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统，该系统包括光源、吸收气室、探测器组成的传感器，微处理器和放大器；其特征在于，所述吸收气室由两高反射率的反射镜反射面相对放置，形成准光学谐振腔，光源和探测器同固定在一个反射镜侧，或分别固定在两个反射镜的反射面侧；光源在CPU微处理器输出的脉冲电源的脉冲驱动下发出两路脉冲光光束，两路脉冲光光束通过探测器的带通滤光片选择出两个不同信号波长的探测光和参考光，以目标气体对该两种光吸收率不同而构成差分探测；两路脉冲光光束经两个反射镜的反射面来回反射，多次反射后形成多次光路折叠，使红外光源与探测器之间符合成像关系，该光束进入探测器的接收面，形成探测器在以光源为物的光学系统共轭成像的位置。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统，其特征在于，所述探测器包括探测光电元件A和探测光电元件B两个红外光电元件，两个不同信号波长的探测光和参考光在进入探测器的接收面时，具有探测信号波长的探测光束进入与它相适应的探测光电元件A，具有参考信号波长的参考光束进入与它相适应的探测光电元件B，探测器将两种光信号转换为电信号后，经信号放大器进行放大，再经A/D转换器转化，得到的两路数字信号，输送至CPU微处理器进行数据处理，比较二者，计算出气体对信号波长光的吸收率，然后再根据标准的测量吸收率与浓度曲线，采用非线性校正算法得到被测气体的浓度值。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统，其特征在于，所述光源选择升降温速度快的光源，并加脉冲调制电源，产生周期性的探测信号；

4.根据权利要求1所述的高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统，其特征在于，所述吸收气室由凹形球面反射镜、凸形球面反射镜或平面反射镜中的两个以反射面对置组合而成。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统，其特征在于所述吸收气室的两个反射镜组合形式为两个凹形球面反射镜、一个凹形球面反射镜和一个凸形球面反射镜或一个凹形球面反射镜和一个平面反射镜。

6.根据权利要求1所述的高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统，其特征在于，所述吸收气室两个反射镜组合形式为大、小两个凹形球面反射镜构成的非谐振腔式气室。

7.根据权利要求1所述的高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统，其特征在于，所述红外探测器的位置设置在光路上的离焦位置，使光源像的明暗分布，不至影响光束在红外探测器上的均匀性。

8.根据权利要求1所述的高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统，其特征在于，所述红外气体传感器采用单光源，双探测器结构，在一个探测器的前面放置一个目标气体对应波长的带通滤波片，在另一个探测器的前面放置一个对应参考波长的带通滤波片。

9.根据权利要求1所述的高灵敏度、高稳定性的红外瓦斯传感器系统，其特征在于，所述红外气体传感器采用双光源，双探测器结构，或单探测器结构，带通滤波片可以放在探测器的前面，也可以放在光源的前面。

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