CN102419311A - 一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外气体探测器，具体涉及一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器。本传感器括电源电路、传感器前端放大电路、光源光强控制电路、在线编程电路、MCU微控制器、LCD显示电路、通讯电路和声光报警电路。特征在于光源光强控制电路由一个可编程恒流源控制器、一个数字电位器、一个固定电阻以及一个场效应晶体管组成。微控制器根据探测器参比单元输出的光强信号动态调整光源光强控制电路中数字电位器的电阻，以改变恒流源的电流恒定值，进而控制发射光强，使探测器参比单元接收到的红外光强始终逼近预先标定的数值，从而实现红外气体传感器的自动校准。

Description

一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器

技术领域

本发明涉及红外气体探测器，具体涉及一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器。

背景技术

基于非分光红外(NDIR)技术原理的红外气体传感器广泛应用于气体分析的各个领域，为改变煤矿井下安全监测系统一直使用需频繁校对的催化瓦斯传感器的现状，越来越多的研究机构相继开发出用于煤矿井下的基于NDIR原理的红外气体传感器，表明有越来越多的人意识到用更为先进的红外气体传感器来替代长期以来一直在煤矿使用的催化瓦斯传感器已经成为发展趋势。

尽管基于NDIR技术的红外气体传感器在上世纪90年代初就引入我国煤矿试用，但经过了20多年，红外气体传感器仍然未能在煤矿广泛普及推广使用，一直没有既适应于煤矿井下恶劣环境，同时又具有较高性价比，并且能充分体现红外传感器优越性的产品是红外气体传感器长期不能在煤矿大范围推广使用的重要原因。

将原先广泛应用于实验室的红外气体传感器应用于煤矿井下，需要解决的重要问题是传感器必须适应煤矿井下的恶劣工作环境。这个问题如果不能很好得到解决，红外气体传感器在实验室环境中具有的优势将会被环境恶劣所带来的劣势所取代。

在煤矿井下，红外气体传感器除了需克服较长光程需求与体积空间有限的矛盾、防尘防潮与响应时间的矛盾、温度变化与探测器输出信号稳定性的矛盾、水汽影响与探测器输出信号变化等矛盾外，还有一个需要解决的问题就是如何解决环境条件变化对红外传感器计算浓度准确性产生影响的问题。

在影响红外传感器计算浓度准确性的因素中，环境温度的变化是其中一个主要因素，对于因环境温度变化引起的红外传感器计算浓度准确性变化的问题，已经有不少解决方案。

中国专利200620098454.8分别在红外发射组件与红外接收组件中安置微型加热器使发射光源和红外探头处于恒温状态，以减小环境温度变化对传感器计算浓度准确性的影响。除了以上通过主动控制局部温度的技术措施外，用被动方式来适应温度变化的技术也被采用，中国专利200720307032.1、200710063467.0、200720188521.X、200620111569.6均通过增设温度传感器来校准红外传感器计算浓度。

以上专利技术在一定程度上解决了因温度变化所导致的红外气体传感器应用于煤矿井下时所存在的红外传感器计算浓度出现偏差的问题。

除了温度因素外，红外传感器光源光强的变化也是影响红外传感器计算浓度准确性的重要因素。

影响光源光强的因素是多样性的，对于NDIR常采用的广谱光源而言，光强会受光源电压、电流的波动而波动；与普通钨丝光源一样，广谱光源的光强还会随着使用时间的延长而发生变化。在广泛使用的广谱光源中，光源的光强并不是在整个使用过程中保持不变的。在连续工作模式中，光源的光强会随着使用时间的延长先逐渐下降然后逐渐趋近于稳定；但在电调制的脉冲工作模式中，光强会随着使用时间的延长而出现先逐渐减弱，随后又逐渐变强的变化。这就是很多高性能红外气体分析仪都采用机械斩波的方式进行光调制的主要原因。

不少基于电调制的广谱光源红外气体传感器在传感器连续使用几个月后，即使传感器气室没有受到污染，也同样出现光强远远大于标定初期光源强度的情况，其结果是计算浓度低于实际浓度，导致传感器发生这类软失效的主要原因就在于光源光强随工作时间的延长会出现先是平稳减弱然后又逐渐增强直至最终损坏。

在依靠反射光线来延长光程的气室结构中，光强的强弱严重依赖于反射面的反射率。当反射面的反射率发生变化时，光强会相应发生较大的变化。在煤矿井下，煤尘浓度很高，煤尘颗粒大小从几百纳米到几毫米不等，很小的煤尘微粒会逐渐附着于气室内壁上，导致反射面的反射率大幅度下降，这对于基于反射来延长光程的气室结构来说，由此所导致的光强衰减是非常大的，需要鉴别光强的衰减到底是因浓度还是反射面受污染引起的。

此外，煤矿井下频繁通断的大电流用电设备很多，这些用电设备的供电电缆往往与气体传感器的电源线、信号输出线共同布置，供给强电设备的大电流变化必然会影响到传感器的供电，导致传感器光源的电压和电流出现相应的波动，造成即使在温度不变时，红外传感器的光源发射出的光强仍然会出现较大变化的不稳定情况。

为解决以上问题，基于NDIR原理的红外传感器通常采用具有双元探测器的参比技术来克服环境变化所带来的影响。具有双元探测器的参比技术的核心要点是采用两个红外探测单元来构成红外气体探测器，这两个红外探测器具有2个相同的红外敏感元，在2个红外敏感元上分别覆盖不同波长的窄带滤光片，一个窄带滤光片的通带中心波长与被检测气体的吸收波长相同，另一个窄带滤光片的通带中心波长被设定于与被检测气体吸收波长相近但不会被常见气体吸收的波长位置处。后者称为参比滤光片，覆盖参比滤光片的单元称为参比探测器单元。由于参比探测器单元的输出信号电压受环境温度、气室污染程度等影响造成的光强变化的影响，但不受气体浓度变化的影响，因此，通过参比探测器单元的输出信号变化可以消除外部环境导致的光强变化。

但是，由于双元探测器每个敏感元的参数不完全相同、双元滤波片的透过率不相等以及不同探测器、不同气室、不同放大电路、不同传感器所用器件的材料、加工工艺过程中参数存在着较大的离散性，这将导致不同探测器输出信号受光强变化而变化的关系不是等比或等量变化关系，很难用同一个参数固定的算法来去确定。换言之，每生产一个传感器，都必须进行不同浓度、不同温度、不同光源电压、不同光源电流以及不同气室污染程度条件下探测器输出电压与计算浓度相关关系的标定。这样，才能得出针对该探测器以及由此探测器和特定放大器、特定气室所组成的红外气体传感器的浓度计算回归分析方程和相应的修正参数。而所得到的方程和修正参数仅仅针对该台传感器具有准确性。更换被标定传感器的任何一个部件或者重新组装该台传感器，都会引起已经标定的参数不再符合重新装配的传感器所对应的新的特征参数的现象出现，如果忽视这一点，将导致重新组装的传感器计算浓度的准确性会出现较大偏差。

由于以上问题的存在，对每一台红外气体传感器的标定工作变得异常复杂，需要耗费大量的人工和标准气体，使红外气体传感器成本进一步增加。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器，这种传感器与现有技术需要对每台传感器进行多浓度条件、多环境温度、多电压电流情况下进行标定的过程不同，仅需对红外气体传感器进行不同浓度下的气体浓度-探测器输出电压的简单标定，即可在不同的环境条件下自动完成校准。为煤矿使用的红外气体传感器消除环境条件变化所进行的修正参数的标定提供了一种全新的解决办法。

本发明所采用的技术方案是：

一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器，包括电源电路、传感器-前端放大电路、光源光强控制电路、在线编程电路、MCU微控制器、LCD显示电路、通讯电路和声光报警电路，其特征在于，所述光源光强控制电路由一个光源、一个可编程恒流源控制器、一个固定电阻、一个数字电位器、一个场效应晶体管以及MCU微控制器组成。

所述光源光强控制电路的光源为广谱光源，光源的一端与电源相连接，另一端与可编程恒流源控制器的输入端相连接。

所述光源光强控制电路的可编程恒流源控制器的输入端与广谱光源的一端相连接，可编程恒流源控制器的输出端与一固定电阻相连接，可编程控制器的设置端与数字电位器的移动臂端相连接。

所述光源光强控制电路的固定电阻的一端与可编程恒流源控制器的输出端相连接，另一端与场效应晶体管的漏极以及数字电位器的低端相连接。

所述光源光强控制电路的数字电位器的移动臂端与可编程控制器的设置端相连接，数字电位器的低端与场效应晶体管的漏极相连，数字电位器的电源端与电源相链接，数字电位器的地线端与电源的地线相连接，数字电位器的数据线端和时钟线端分别与MCU微控制器的数据线端和时钟线端相连接。

所述光源光强控制电路中的场效应晶体管的漏极端分别与固定电阻和数字电位器的低端相连接，场效应管的栅极与MCU微控制器的调制信号控制端相连接，场效应晶体管的源极与电源的地线相连接。

与现有技术相比较，本发明用探测器参比单元来实时监测非浓度变化导致的环境条件变化，监测到的变化量反馈到红外气体传感器的MCU微控制器，微控制器根据探测器参比单元输出的光强信号动态调整光源光强控制电路中数字电位器的电阻以改变恒流源的电流恒定值，进而控制发射光强，使探测器参比单元接收到的红外光强始终逼近预先标定的数值，从而实现红外气体传感器的自动校准。

与现有技术人工标定和校准的开环方案相比，本发明实现了环境以及光源条件变化导致的光强变化——参比探测单元输出电压变化——可编程恒流源恒定电流调整修正——发射光强变化修正的闭环控制，让参比探测器接收到的红外光强始终保持在标定位置，进而实现了传感器的自动校准，免去了对每一台传感器均需进行多浓度条件、多环境温度、多电压电流情况下的标定工作，大大减少了标定工作内容，提高了校准的效率和准确性，解决了红外气体传感器大规模产业化生产所面临的低效高成本问题。

附图说明

图1为现有技术的光源驱动电路图。

图2为本发明的电路框图

图3为本发明的光源光强控制电路的电路图。

具体实施方式

如图1所示，现有技术的矿用红外气体传感器的光源驱动电路由光源31、固定电阻32、晶体管33、微控制器6组成。微控制器6输出的脉冲驱动光源31发出光强脉动的光线，脉动的光线经过气室后到达红外探测器，由红外探测器输出的光强信号进入微控制器6，微控制器6计算光强的衰减量并根据兰博-比尔定律计算出气体的浓度。

光源驱动电路中的晶体管可以是普通的双极型晶体管，也可以是场效应管。由微控制器6输出的脉冲开关控制信号IR-DRV进入到场效应晶体管的栅极(对于双极型晶体管而言是基极)控制电流的通断，形成用以调制光源的脉冲波形。

虽然可以改变占空比的大小来对光源的光强做有限的调整，但是，当占空比较小时，会引起光强的稳定性急剧下降，因此用脉宽调制方式对光强进行控制不能得到很好的光强稳定性。

光源的光强主要与流过光源的电流和施加于光源上的电压密切相关，通过改变施加于光源上电压的大小来改变光强，也可以在一定程度上控制光强，但光源在一定的工作电压范围内才能够稳定发光，工作电压过高，将使光源寿命急剧下降，过低，不足以点亮光源，同时，过低的工作电压同样会引起光源光强稳定性大幅度下降，这对于要求稳定性很高的气体传感器而言是不合适的。因此，在现有技术的光源驱动电路中，不能有效地控制光源的光强。

图2所示是本发明实施例的电路框图，如图所示，本发明的一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器，包括电源电路1、传感器-前端放大电路2、光源光强控制电路3、在线编程电路4、MCU微控制器5、LCD显示电路6、通讯电路7和声光报警电路8。以上电路中，除光源光强控制电路3外的其余电路都是成熟并已大量应用的公知技术，在本发明中不再叙述。

图3为本发明实施例中光源光强控制电路3的电路图。如图所示，本发明的光源光强控制电路由光源31、固定电阻32、场效应晶体管33、数字电位器34、可编程恒流源控制器35、微控制器6组成。

在本发明的实施例中，选用的光源1为IRL715，光源的波长高达4.4um，光源工作电压5V，工作电流115mA±10％，脉冲工作模式时，工作寿命40000小时，光源的一端与电源相连接，光源的另一端与可编程恒流源控制器35的输入端IN相连接。

在本发明的实施例中，所选择的可编程恒流源控制器35为LT3092，输入电压范围1.2V～40V，最大输出电流为200mA，初始电流精度1％，具有反向电压保护、反向电流保护、过流保护以及过热保护功能，是本质安全电路最佳的限流和恒流源控制器。可编程恒流源控制器35的输入端IN与光源的一端相连接，可编程恒流源控制器35的输出端OUT与固定电阻相32的一端连接，固定电阻的另一端与场效应晶体管33的漏极相连，可编程恒流源控制器35的设置端SET与数字电位器的高端H相连接。

在本发明的实施例中，固定电阻32选择为4.99欧姆，为低温票高精度的固定电阻，固定电阻的一端与可编程恒流源控制器35的输出端OUT相连接，固定电阻的另一端与场效应晶体管的漏极以及数字电位器的移动臂端W相连接。

在本发明的实施例中，数字电位器34选择AD5259，AD5259是非易失、线性数字电位器，与机械电位器功能相似，但可通过线数字接口控制，允许多个器件进行通信。每个器件具有分离电位器或可变电阻的功能，具有256个抽头点。AD5259的电阻值为100kΩ，标称电阻的端到端温度系数为35ppm/℃，比率温度系数仅为5ppm/℃，非常适合低温漂可变电阻的应用。数字电位器34的高端H与可编程控制器35的设置端SET相连接，数字电位器34的移动臂端W与场效应晶体管的漏极相连，数字电位器34的电源端VDD和地端分别与电源以及电源的地线相连接，数字电位器34的数据线端SDA和时钟线端SCL分别与MCU微控制器5的数据线端SDA和时钟线端SCL相连接。

数字电位器34除了可以选用在本实施例中采用的AD5259外，凡具有I2C数据接口的不同厂家具有256抽头的数字电位器，均可按照本实施例的连接方式连接使用。如INTERSIL公司的ISL95811、MAXIM公司的MAX5418等数字电位器均可按照本实施例的连接方式进行连接。

在本发明的实施例中，可编程光源光强控制电路的场效应晶体管33选用AO3146场效应晶体管，晶体管33的漏极端与固定电阻32的一端以及数字电位器34的移动臂端W相连接，场效应管的栅极与MCU微控制器5的调制信号控制端IR DRV相连接，场效应晶体管33的源极与电源地线相连接。

在本发明的实施例中，MCU微控制器5选用的是数字信号处理控制器DSPIC33FJ256GP710，MCU微控制器5的光源调制信号控制端IR DRV与场效应晶体管33的栅极相连接，MCU微控制器5的数据端SDA和时钟端SCL分别与数字电位器34的数据端SDA和时钟端SCL相连接。

MCU微控制器5根据接收到的探测器参比单元输出的光强信号判别光强是否与没有甲烷浓度时标定的强度信号相等，当两者出现偏差，且偏差值超过预定范围时，MCU微控制器5向与数字电位器34数据端SDA和时钟端端SCL输出控制信号，改变数字电位器34的阻值大小，以改变光源的电流，进而改变发射光源的光强，使光强始终趋近于标定的强度，达到稳定光强，消除环境以及光源长时间工作带来的光强变化的目的。

由于光强能在传感器工作过程中始终趋近于初始标定光强，因此，不需再进行模拟不同温度、湿度以及气室污染程度下探测器输出信号强度的标定，极大地简化了标定过程，降低了标定成本，为矿用红外甲烷传感器的低成本化提供了一个全新的技术方案。

Claims (6)

1.一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器，包括电源电路、传感器-前端放大电路、光源光强控制电路、在线编程电路、MCU微控制器、LCD显示电路、通讯电路和声光报警电路，其特征在于，所述光源光强控制电路由一个光源、一个可编程恒流源控制器、一个固定电阻、一个数字电位器、一个场效应晶体管以及MCU微控制器组成。

2.权利要求1所述一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器，其特征在于，所述光源光强控制电路的光源为广谱光源，光源的一端与电源相连接，光源的另一端与可编程恒流源控制器的输入端相连接。

3.权利要求1所述一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器，其特征在于，所述光源光强控制电路的可编程恒流源控制器的输入端与广谱光源的一端相连接，可编程恒流源控制器的输出端与固定电阻的一端相连接，可编程控制器的设置端与数字电位器的高端相连接。

4.权利要求1所述一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器，其特征在于，所述光源光强控制电路的固定电阻的一端与可编程恒流源控制器的输出端相连接，固定电阻的另一端与场效应晶体管的漏极以及数字电位器的移动臂端相连接。

5.权利要求1所述一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器，其特征在于，所述光源光强控制电路的数字电位器的高端与可编程恒流源控制器的设置端相连接，数字电位器的移动臂端与场效应晶体管的漏极以及固定电阻的一端相连接，数字电位器的电源端与电源相连，数字电位器的地线端与电源的地线相连接，数字电位器的数据线端和时钟线端分别与微控制器的数据线端和时钟线端相连接。

6.权利要求1所述一种具有自动校准功能的矿用红外气体传感器，其特征在于，所述光源光强控制电路的场效应晶体管的漏极端分别与固定电阻的一端以及数字电位器的移动臂端相连接，场效应管的栅极与微控制器的调制信号控制端相连接，场效应晶体管的源极与电源的地线相连接。

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