CN102608064A - 用于co气体高精度检测的三通道红外气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于CO气体高精度检测的三通道红外气体传感器，它包括MCU控制模块、测量气室、分别设置在所述测量气室两端的红外光源模块和三通道红外气体探测器、信号处理电路模块、信号输出电路模块和电源电路模块，所述MCU控制模块连接所述红外光源模块，所述三通道红外气体探测器依次连接所述信号处理电路模块和所述MCU控制模块，所述MCU控制模块连接所述信号输出电路模块以便通过所述信号输出电路模块将所述MCU控制模块运算处理后的信号输出，所述电源电路模块分别连接红外光源模块、三通道红外气体探测器、信号处理电路模块和MCU控制模块以提供电源电压。本发明具有设计科学、测量精度高、使用寿命长的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外气体传感器，具体的说，涉及了一种用于CO气体高精度检测的三通道红外气体传感器。
背景技术
众所周知，CO是无色无味的有毒气体，在化工厂、矿井、钢铁冶炼等行业中，往往会产生大量的CO，而日常生活所用的天燃气中也含有大量的CO，因此检测CO对维护工业安全生产、预防中毒和保障生命安全具有非常重大的意义。在传统的CO检测装置成熟技术中，主要是采用催化或电化学传感器，而此类传感器却存在着易中毒、检测精度低、使用寿命短等缺点，因此，具有良好发展前景的红外CO气体传感器检测技术受到了业内人士的普遍重视，但是，CO2气体对红外CO气体传感器的测量特别是低浓度的测量影响比较大，为了消除CO2的干扰，通常是在气路前方加上过滤装置，滤去待测CO气体中的CO2气体，但这种方法的效果不是很好，而且还需要定期更换过滤物质，极为不便。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种设计科学、测量精度高、使用寿命长的用于CO气体高精度检测的三通道红外气体传感器。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于CO气体高精度检测的三通道红外气体传感器，它包括MCU控制模块、测量气室、分别设置在所述测量气室两端的红外光源模块和三通道红外气体探测器、信号处理电路模块、信号输出电路模块和电源电路模块；其中，所述红外光源模块包括宽带红外光源，所述三通道红外气体探测器包括三个波长分别为4.0um、4.26um、4.6um的滤光片、与波长为4.0um的滤光片对应的参考通道、与波长为4.26um的滤光片对应的CO2通道和与波长为4.6um的滤光片对应的CO通道，所述红外光源模块的宽带红外光源与所述三通道红外气体探测器的三个滤光片对应设置；所述MCU控制模块连接所述红外光源模块以控制所述红外光源模块的宽带红外光源向所述测量气室发射三种波长的红外光线；所述三通道红外气体探测器依次连接所述信号处理电路模块和所述MCU控制模块以便将所述参考通道、所述CO2通道和所述CO通道采集的三个输出信号经过所述信号处理电路模块处理后传输给所述MCU控制模块；所述MCU控制模块连接所述信号输出电路模块以便通过所述信号输出电路模块将所述MCU控制模块运算处理后的信号输出；所述电源电路模块分别连接所述红外光源模块、所述三通道红外气体探测器、所述信号处理电路模块和所述MCU控制模块以提供电源电压。
基于上述，它还包括温度补偿模块，所述MCU控制模块连接所述温度补偿模块以便根据所述温度补偿模块采集的传感器实际工作温度进行数据补偿，所述电源电路模块连接所述温度补偿模块以提供电源电压。
基于上述，所述温度补偿模块包括温度电压转化器U4、运算放大器U3和电阻R31，所述温度电压转化器U4的电压输出端接所述运算放大器U3的同相输入端，所述电阻R31的一端接所述运算放大器U3的同相输入端，所述电阻R31的另一端接电源，所述运算放大器U3的反相输入端接所述运算放大器U3的输出端，所述运算放大器U3的输出端作为所述温度补偿模块的输出端，所述温度电压转化器U4的温度感应端作为所述温度补偿模块的温度输入端。
基于上述，所述红外光源模块包括恒功率集成电路芯片U5、运算放大器U6、微恒流电路、三极管Q1和Q2、电阻R11-R19、二极管D1和宽带红外光源，所述微恒流电路包括三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、电阻R110和电阻R111，所述电阻R110的两端连接所述三极管Q3的基极和集电极，所述三极管Q3的集电极连接电源，所述三极管Q4的基极接所述三极管Q3的发射极，所述三极管Q4的集电极接所述三极管Q3的集电极，所述三极管Q4的发射极接所述三极管Q5的基极，所述电阻R111的两端连接所述三极管Q5的基极和发射极，所述三极管Q5的集电极接所述三极管Q3的基极，所述三极管Q5的发射极作为所述微恒流电路的输出端；所述恒功率集成电路芯片U5的功率输出引脚Pout接所述运算放大器U6的反相输入端，所述运算放大器U6的同相输入端通过所述电阻R13连接电源，所述电阻R14的一端连接所述运算放大器U6的同相输入端，所述电阻R14的另一端接地，所述运算放大器U6的输出端接所述电阻R15的一端，所述电阻R15的另一端接所述三极管Q1的基极；所述三极管Q1的基极接所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极通过所述电阻R19接所述三极管Q2的集电极，所述三极管Q2的基极接所述电阻R18的一端，所述电阻R18的另一端作为所述红外光源模块的输入端连接所述MCU控制模块，所述三极管Q2的发射极接地；所述三极管Q1的集电极接所述电阻R12的一端，所述电阻R12的另一端接电阻R11的一端，所述电阻R11的另一端接所述微恒流电路的输出端，所述恒功率集成电路芯片U5的功率控制正引脚RS+接所述电阻R11的一端，所述恒功率集成电路芯片U5的功率控制负引脚RS-接所述电阻R11的另一端，所述恒功率集成电路芯片U5的逻辑电压引脚LE和抑制电压引脚INHIBIT接地；所述三极管Q1的发射极接所述宽带红外光源的一端，所述宽带红外光源的另一端接地，所述电阻R16的一端接所述宽带红外光源的一端，所述电阻R16的另一端接所述电阻R17的一端，所述电阻R17的另一端接所述宽带红外光源的另一端，所述电阻R17的一端连接所述恒功率集成电路芯片U5的电压输入引脚Vin。
基于上述，所述信号处理电路模块包括三路信号放大电路、滤波电路和A/D转换电路，所述信号放大电路包括两个运算放大器、信号滤波器、六个电阻、四个电容；所述第一电阻的一端接所述第一运算放大器的反相输入端，所述第一电阻的另一端接参考基准电压，所述第二电阻和所述第一电容的两端并联在所述第一运算放大器的反相输入端和输出端，所述第一运算放大器的同相输入端接所述第三电容的一端，所述第三电容的另一端接参考基准电压，所述第五电阻的一端接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第五电阻的另一端作为所述信号放大电路的输入端连接所述三通道红外气体探测器的信号输出端；所述第三电阻的一端接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第三电阻的另一端接参考基准电压，所述第四电阻和所述第二电容的两端并联在所述第二运算放大器的反相输入端和输出端，所述第二运算放大器的同相输入端接所述第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端接参考基准电压，所述第四电容的一端接所述第一运算放大器的同相输入端；所述第一运算放大器的输出端接所述信号滤波器的输入端，所述第四电容的另一端接所述信号滤波器的输出端，所述信号滤波器连接参考基准电压，所述第二运算放大器的输出端作为所述信号放大电路的输出端。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体的说，在本发明中，三通道红外气体探测器向MCU控制模块输出参考通道、CO2通道和CO通道采集的三个输出信号，MCU控制模块通过处理输出信号即可得出CO的浓度；通过设置温度补偿模块，消除了环境温度对传感器精确度的影响；其具有设计科学、测量精度高、使用寿命长的优点。
附图说明
图1是本发明的电路结构框图。
图2是红外光源模块的电路原理图。
图3是信号放大电路的电路原理图。
图4是温度补偿模块的电路原理图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，一种用于CO气体高精度检测的三通道红外气体传感器，它包括MCU控制模块、测量气室、分别设置在所述测量气室两端的红外光源模块和三通道红外气体探测器、信号处理电路模块、信号输出电路模块和电源电路模块。
其中，所述红外光源模块包括宽带红外光源，所述三通道红外气体探测器包括三个波长分别为4.0um、4.26um、4.6um的滤光片、与波长为4.0um的滤光片对应的参考通道、与波长为4.26um的滤光片对应的CO2通道和与波长为4.6um的滤光片对应的CO通道，所述红外光源模块的宽带红外光源与所述三通道红外气体探测器的三个滤光片对应设置；所述MCU控制模块连接所述红外光源模块以控制所述红外光源模块的宽带红外光源向所述测量气室发射三种波长的红外光线；所述三通道红外气体探测器依次连接所述信号处理电路模块和所述MCU控制模块以便将所述参考通道、所述CO2通道和所述CO通道采集的三个输出信号经过所述信号处理电路模块处理后传输给所述MCU控制模块；所述MCU控制模块连接所述信号输出电路模块以便通过所述信号输出电路模块将所述MCU控制模块运算处理后的信号输出；所述电源电路模块分别连接所述红外光源模块、所述三通道红外气体探测器、所述信号处理电路模块和所述MCU控制模块以提供电源电压。
通过所述三通道红外气体探测器的CO2通道和CO通道的设置，解决了传统探测器必须设置CO2过滤装置的问题，不仅能消除CO2的影响，还能同时测量出CO2和CO的浓度。
如图2所示，所述红外光源模块包括恒功率集成电路芯片U5、运算放大器U6、微恒流电路、三极管Q1和Q2、电阻R11-R19、二极管D1和宽带红外光源，所述微恒流电路包括三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、电阻R110和电阻R111，所述电阻R110的两端连接所述三极管Q3的基极和集电极，所述三极管Q3的集电极连接电源，所述三极管Q4的基极接所述三极管Q3的发射极，所述三极管Q4的集电极接所述三极管Q3的集电极，所述三极管Q4的发射极接所述三极管Q5的基极，所述电阻R111的两端连接所述三极管Q5的基极和发射极，所述三极管Q5的集电极接所述三极管Q3的基极，所述三极管Q5的发射极作为所述微恒流电路的输出端；所述恒功率集成电路芯片U5的功率输出引脚Pout接所述运算放大器U6的反相输入端，所述运算放大器U6的同相输入端通过所述电阻R13连接电源，所述电阻R14的一端连接所述运算放大器U6的同相输入端，所述电阻R14的另一端接地，所述运算放大器U6的输出端接所述电阻R15的一端，所述电阻R15的另一端接所述三极管Q1的基极；所述三极管Q1的基极接所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极通过所述电阻R19接所述三极管Q2的集电极，所述三极管Q2的基极接所述电阻R18的一端，所述电阻R18的另一端作为所述红外光源模块的输入端连接所述MCU控制模块，所述三极管Q2的发射极接地；所述三极管Q1的集电极接所述电阻R12的一端，所述电阻R12的另一端接电阻R11的一端，所述电阻R11的另一端接所述微恒流电路的输出端，所述恒功率集成电路芯片U5的功率控制正引脚RS+接所述电阻R11的一端，所述恒功率集成电路芯片U5的功率控制负引脚RS-接所述电阻R11的另一端，所述恒功率集成电路芯片U5的逻辑电压引脚LE和抑制电压引脚INHIBIT接地；所述三极管Q1的发射极接所述宽带红外光源的一端，所述宽带红外光源的另一端接地，所述电阻R16的一端接所述宽带红外光源的一端，所述电阻R16的另一端接所述电阻R17的一端，所述电阻R17的另一端接所述宽带红外光源的另一端，所述电阻R17的一端连接所述恒功率集成电路芯片U5的电压输入引脚Vin。恒功率集成电路芯片U5和微恒流电路的运用提高了电路的稳定性和精确性，在所述MCU控制模块的控制下，所述宽带红外光源以稳定的功率向所述测量气室发射宽带红外光线。
如图3所示，所述信号处理电路模块包括三路信号放大电路S1、S2和R，滤波电路和A/D转换电路，其中所述信号放大电路支路S1包括两个运算放大器U1、U2，信号滤波器N1，六个电阻（R21-R26）、四个电容（C1-C4），所述电阻R21的一端接所述运算放大器U1的反相输入端，所述电阻R21的另一端接2V参考基准电压，所述电阻R22和所述电容C1的两端并联在所述运算放大器U1的反相输入端和输出端；所述运算放大器U1的同相输入端接所述电容C3的一端，所述电容C3的另一端接2V参考基准电压，所述电阻R25的一端接所述运算放大器U1的同相输入端，所述电阻R25的另一端作为所述信号放大电路S1的输入端连接所述三通道红外气体探测器的信号输出端；所述电阻R23的一端接所述运算放大器U2的反相输入端，所述电阻R23的另一端接2V参考基准电压，所述电阻R24和所述电容C2的两端并联在所述运算放大器U2的反相输入端和输出端；所述运算放大器U2的同相输入端接所述电阻R26的一端，所述电阻R26的另一端接2V参考基准电压，所述电容C4的一端接所述运算放大器U2的同相输入端。
所述运算放大器U1进行信号的第一级放大，其的输出端接所述信号滤波器N1的输入端，所述电容C4的另一端接所述信号滤波器N1的输出端，使经过所述信号滤波器N1滤波后的信号在所述运算放大器U2的作用下进行第二级放大，以确保信号的放大倍数；所述信号滤波器N1连接参考基准电压，所述运算放大器U2的输出端作为所述信号放大电路S1的输出端。所述信号放大电路S1、S2和R分别是所述CO2通道、所述CO通道和所述参考通道采集的三个输出信号的放大电路。
为了进一步优化该三通道红外气体传感器，消除温度对传感器的影响，该传感器还可以设置温度补偿模块，如图4所示，所述温度补偿模块包括温度电压转化器U4、运算放大器U3和电阻R31，所述温度电压转化器U4的电压输出端接所述运算放大器U3的同相输入端，所述电阻R31的一端接所述运算放大器U3的同相输入端，所述电阻R31的另一端接电源，所述运算放大器U3的反相输入端接所述运算放大器U3的输出端，所述运算放大器U3的输出端作为所述温度补偿模块的输出端，所述温度电压转化器U4的温度感应端作为所述温度补偿模块的温度输入端。
所述MCU控制模块连接所述温度补偿模块的输出端以便根据所述温度补偿模块采集的传感器实际工作温度进行数据补偿，所述电源电路模块连接所述温度补偿模块以提供电源电压。
为了使电路更加稳定的运行，可以在各个电源输入处加入滤波电容，防止外界的干扰信号对电路的稳定性的影响。
具体使用该三通道红外气体传感器时，所述红外光源模块发出宽带脉冲红外光，所述三通道红外气体探测器输出三个输出信号：4.0um吸收峰处的参考通道输出信号 
、 4.26um吸收峰处的CO2通道输出信号
和4.6um吸收峰处的CO通道输出信号
，三个输出信号具有如下关系：
其中，表示4.0um处的光源强度，表示4.26um处的光源光强，表示4.6um处的光源光强，
表示三通道红外气体探测器在4.0um处的响应度，表示三通道红外气体探测器在4.26um处的响应度，表示三通道红外气体探测器在4.6um处的响应度，
表示测量气室的透射比，
表示CO2气体在4.26um处的透射比，
表示CO2气体在4.6um处的透射比，
表示CO气体在4.6um处的透射比。
由关系1-1得
1-2
由比尔朗伯定律
可知，气体的浓度和气体的透射比在吸收系数和吸收厚度一致的情况下具有一一对应的关系，因此，所述三通道红外气体探测器的三个输出信号：4.0um吸收峰处的参考通道输出信号、 4.26um吸收峰处的CO2通道输出信号
和4.6um吸收峰处的CO通道输出信号
之间的比值关系与CO2浓度和CO浓度具有对应关系。
先分别向所述测量气室中通入不同浓度的CO2，以建立关于CO2浓度、
与
的比值、
与的比值之间对应关系的CO2浓度查询表；接着分别向所述测量气室中通入不同浓度的CO，以建立关于CO浓度、
与
的比值之间对应关系的CO气体浓度查询表；最后向所述测量气室中通入待测CO气体，进行气体浓度测量，通过相关比值查询CO2浓度查询表和CO气体浓度查询表即可查得所要测量的CO气体浓度，同时还可以查得CO2气体的浓度。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (5)
1.一种用于CO气体高精度检测的三通道红外气体传感器，其特征在于：它包括MCU控制模块、测量气室、分别设置在所述测量气室两端的红外光源模块和三通道红外气体探测器、信号处理电路模块、信号输出电路模块和电源电路模块；其中，所述红外光源模块包括宽带红外光源，所述三通道红外气体探测器包括三个波长分别为4.0um、4.26um、4.6um的滤光片、与波长为4.0um的滤光片对应的参考通道、与波长为4.26um的滤光片对应的CO2通道和与波长为4.6um的滤光片对应的CO通道，所述红外光源模块的宽带红外光源与所述三通道红外气体探测器的三个滤光片对应设置；所述MCU控制模块连接所述红外光源模块以控制所述红外光源模块的宽带红外光源向所述测量气室发射三种波长的红外光线；所述三通道红外气体探测器依次连接所述信号处理电路模块和所述MCU控制模块以便将所述参考通道、所述CO2通道和所述CO通道采集的三个输出信号经过所述信号处理电路模块处理后传输给所述MCU控制模块；所述MCU控制模块连接所述信号输出电路模块以便通过所述信号输出电路模块将所述MCU控制模块运算处理后的信号输出；所述电源电路模块分别连接所述红外光源模块、所述三通道红外气体探测器、所述信号处理电路模块和所述MCU控制模块以提供电源电压。
2.根据权利要求1所述的用于CO气体高精度检测的三通道红外气体传感器，其特征在于：它还包括温度补偿模块，所述MCU控制模块连接所述温度补偿模块以便根据所述温度补偿模块采集的传感器实际工作温度进行数据补偿，所述电源电路模块连接所述温度补偿模块以提供电源电压。
3.根据权利要求2所述的用于CO气体高精度检测的三通道红外气体传感器，其特征在于：所述温度补偿模块包括温度电压转化器U4、运算放大器U3和电阻R31，所述温度电压转化器U4的电压输出端接所述运算放大器U3的同相输入端，所述电阻R31的一端接所述运算放大器U3的同相输入端，所述电阻R31的另一端接电源，所述运算放大器U3的反相输入端接所述运算放大器U3的输出端，所述运算放大器U3的输出端作为所述温度补偿模块的输出端，所述温度电压转化器U4的温度感应端作为所述温度补偿模块的温度输入端。
4.根据权利要求1所述的用于CO气体高精度检测的三通道红外气体传感器，其特征在于：所述红外光源模块包括恒功率集成电路芯片U5、运算放大器U6、微恒流电路、三极管Q1和Q2、电阻R11-R19、二极管D1和宽带红外光源；所述微恒流电路包括三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、电阻R110和电阻R111，所述电阻R110的两端连接所述三极管Q3的基极和集电极，所述三极管Q3的集电极连接电源，所述三极管Q4的基极接所述三极管Q3的发射极，所述三极管Q4的集电极接所述三极管Q3的集电极，所述三极管Q4的发射极接所述三极管Q5的基极，所述电阻R111的两端连接所述三极管Q5的基极和发射极，所述三极管Q5的集电极接所述三极管Q3的基极，所述三极管Q5的发射极作为所述微恒流电路的输出端；所述恒功率集成电路芯片U5的功率输出引脚Pout接所述运算放大器U6的反相输入端，所述运算放大器U6的同相输入端通过所述电阻R13连接电源，所述电阻R14的一端连接所述运算放大器U6的同相输入端，所述电阻R14的另一端接地，所述运算放大器U6的输出端接所述电阻R15的一端，所述电阻R15的另一端接所述三极管Q1的基极；所述三极管Q1的基极接所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极通过所述电阻R19接所述三极管Q2的集电极，所述三极管Q2的基极接所述电阻R18的一端，所述电阻R18的另一端作为所述红外光源模块的输入端连接所述MCU控制模块，所述三极管Q2的发射极接地；所述三极管Q1的集电极接所述电阻R12的一端，所述电阻R12的另一端接电阻R11的一端，所述电阻R11的另一端接所述微恒流电路的输出端，所述恒功率集成电路芯片U5的功率控制正引脚RS+接所述电阻R11的一端，所述恒功率集成电路芯片U5的功率控制负引脚RS-接所述电阻R11的另一端，所述恒功率集成电路芯片U5的逻辑电压引脚LE和抑制电压引脚INHIBIT接地；所述三极管Q1的发射极接所述宽带红外光源的一端，所述宽带红外光源的另一端接地，所述电阻R16的一端接所述宽带红外光源的一端，所述电阻R16的另一端接所述电阻R17的一端，所述电阻R17的另一端接所述宽带红外光源的另一端，所述电阻R17的一端连接所述恒功率集成电路芯片U5的电压输入引脚Vin。
5.根据权利要求1所述的用于CO气体高精度检测的三通道红外气体传感器，其特征在于：所述信号处理电路模块包括三路信号放大电路、滤波电路和A/D转换电路，所述信号放大电路包括两个运算放大器、信号滤波器、六个电阻、四个电容；所述第一电阻的一端接所述第一运算放大器的反相输入端，所述第一电阻的另一端接参考基准电压，所述第二电阻和所述第一电容的两端并联在所述第一运算放大器的反相输入端和输出端，所述第一运算放大器的同相输入端接所述第三电容的一端，所述第三电容的另一端接参考基准电压，所述第五电阻的一端接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第五电阻的另一端作为所述信号放大电路的输入端连接所述三通道红外气体探测器的信号输出端；所述第三电阻的一端接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第三电阻的另一端接参考基准电压，所述第四电阻和所述第二电容的两端并联在所述第二运算放大器的反相输入端和输出端，所述第二运算放大器的同相输入端接所述第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端接参考基准电压，所述第四电容的一端接所述第一运算放大器的同相输入端；所述第一运算放大器的输出端接所述信号滤波器的输入端，所述第四电容的另一端接所述信号滤波器的输出端，所述信号滤波器连接参考基准电压，所述第二运算放大器的输出端作为所述信号放大电路的输出端。
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