CN103528983B - 一种气体检测装置及气体检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体检测装置及气体检测方法，设置有红外光源、波长可调滤光器、分光片、两个红外光检测器和控制模块；所述红外光源发射红外光，射向波长可调滤光器；波长可调滤光器从接收到的红外光中选择特定波长的红外光通过，并射向所述的分光片；分光片将入射的红外光分成两束，一束射向第一红外光检测器，另一束射向待测气体，并穿过待测气体射向第二红外光检测器；两个红外光检测器根据接收到的红外光的强度生成与之对应的电信号输出至控制模块，经由控制模块计算出待测气体的浓度。本发明不仅可以减少温度等外部因素对测量结果的影响，而且还克服了红外光源和红外光检测器等器件随时间老化而出现的测量误差，提高了检测结果的精确度。

Description

一种气体检测装置及气体检测方法

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体地说，是涉及一种利用红外光对气体浓度进行检测的装置以及基于该装置设计的气体检测方法。

背景技术

目前，基于红外光技术设计的气体检测装置都是利用气体具有吸收特定波长红外光的特性设计而成的，通过检测气体吸收的特定波长的红外光线的强度来间接地计算出目标气体的浓度。

在这种气体检测装置中，大多都设置有红外光源、波长可调滤光器和一个红外光检测器。其中，红外光源用于发射红外光，射向波长可调滤光器；波长可调滤光器，即Fabry-Perot滤光器，用于选择特定波长的红外光通过，并将滤光后输出的特定波长的红外光射向待测气体；穿过待测气体的红外光被红外光检测器接收后，根据检测到的红外光线的强度生成与之对应的电信号输出至后续的处理器，进而通过处理器计算出待测气体的浓度。

这种气体检测装置根据红外光检测器检测到的红外光线的强度来测量目标气体的浓度，其检测方法对红外光源的精度要求非常高，需要使用单一波长的红外光，虽然理论上可以检测出气体浓度，但是，随着气体检测装置周围环境温度的变化以及装置中器件老化等问题的出现，会导致检测结果的精度明显下降。

发明内容

本发明为了解决现有的红外气体检测装置，其检测结果的精度会随周围环境温度的变化以及器件老化等问题的出现而明显下降的问题，提出了一种结构简单、检测误差小的气体检测装置，为更加精确地测量出目标气体的浓度提供了硬件上的支持。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种气体检测装置，设置有红外光源、波长可调滤光器、分光片、两个红外光检测器和控制模块；所述红外光源发射红外光，射向波长可调滤光器；所述波长可调滤光器从接收到的红外光中选择特定波长的红外光通过，并射向所述的分光片；分光片将入射的红外光分成两束，一束射向第一红外光检测器，另一束射向待测气体，并穿过待测气体射向第二红外光检测器；两个红外光检测器根据接收到的红外光的强度生成与之对应的电信号输出至控制模块，经由控制模块计算出待测气体的浓度。

进一步的，在所述气体检测装置中还设置有外壳，外壳围绕形成的腔室分成气室和非气室，在所述外壳上开设有与所述气室连通的进出气口，所述第二红外光检测器设置在所述的气室中；所述红外光源、波长可调滤光器和第一红外光检测器设置在所述的非气室中；所述分光片设置在气室与非气室之间。

为了避免外界光线通过进出气口进入气室，对待测气体的检测结果产生影响，优选将所述进出气口设计成由一个或者多个曲线形的夹缝形成的风道，进而在保证待测气体顺畅流通的同时，有效禁止外界光线进入外壳内部。

优选的，所述分光片为半透半反射透镜，通过所述波长可调滤光器选择通过的特定波长的红外光以恒定的入射角射向分光片，经分光片分成能量比恒定且相位和频率相同的两束红外光输出。

再进一步的，所述控制模块连接红外光源和波长可调滤光器，控制红外光源开启和关闭，并通过改变输出至波长可调滤光器的电压，调节波长可调滤光器的通过波长。

为了增加红外线在气室内的传播路径，以使穿过气室的红外线被待测气体充分吸收，在所述气体检测装置中还设置有反射镜，通过分光片分光输出的另一束红外光在穿过待测气体的过程中被反射镜进行多次反射后，射向所述的第二红外光检测器。

优选的，所述反射镜分布在气室的四周内壁上，以最大限度地增大红外光在气室中的反射次数，延长红外线在气室内的传播路径。

基于上述气体检测装置，本发明还提出了一种利用所述气体检测装置实现的气体检测方法，包括以下步骤：

a、启动红外光源发射红外光；

b、调节波长可调滤光器的通过波长，使其输出要求波长的红外光；

c、接收通过两个红外光检测器检测输出的红外光的强度信号，并将通过第一红外光检测器检测到的红外光的强度记为参考值V2，将通过第二红外光检测器检测到的红外光的强度记为检测值V1；

d、利用参考值V2和检测值V1计算待测气体的浓度。

为了提高检测结果的准确性，在所述调节波长可调滤光器的过程中，对波长可调滤光器的通过波长进行逐级调节，并在每一级调节后，分别检测通过两个红外光检测器检测输出的红外光的强度，记录该级波长的红外光所对应的参考值V2和检测值V1；查找V1/V2的最小值，利用所述最小值所对应的V1、V2值计算被待测气体吸收的红外光的强度，进而计算出待测气体的浓度。

优选的，在逐级调节波长可调滤光器的过程中，首先调节波长可调滤光器的通过波长小于待测气体吸收红外光的波长，然后逐级增大波长可调滤光器的通过波长，直到超出设定阈值为止。

所述设定阈值优选为大于待测气体能够吸收的红外光的波长。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的气体检测装置通过设置两个红外光检测器分别检测未通过被测气体的红外光的强度和经被测气体吸收后的红外光的强度，由此可以选择待测气体吸收红外光最活跃的波长段进行待测气体浓度的检测和计算，这样不仅可以减少温度等外部因素对测量结果的影响，而且还克服了红外光源和红外光检测器等器件随时间老化而出现的测量误差，提高了检测结果的精确度。此外，通过在装置中设置反射镜，利用反射镜对入射到气室中的红外光进行多次反射，从而延长了红外光的传播路径，有效增加了待测气体吸收红外光线的机会，提高了气体检测的灵敏度，尤其适合应用在居室、办公室、化工工厂等人类活动较为频繁的区域或者工业、汽车废气处理系统中。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的气体检测装置的一种实施例的结构示意图；

图2是图1所示气体检测装置的光路和电信号传播线路示意图；

图3是图1中波长可调滤光器的一种实施例的结构示意图；

图4是本发明所提出的气体检测方法的一种实施例的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

参见图1所示，本实施例的气体检测装置主要由红外光源1、波长可调滤光器2、分光片3、两个红外光检测器4、5和控制模块6等部分组成。其中，红外光源1用于发射红外光，可以采用红外发光二极管等发光器件进行装置的具体设计。通过红外光源1发射的红外光线最好能够覆盖红外光的整个波长范围，例如在1微米至10微米的连续波长范围内发射红外光，以满足不同种类的待测气体对不同波长红外光的吸收要求。通过红外光源1发射的红外光射向波长可调滤光器2，根据待测气体吸收红外光的波长范围调节波长可调滤光器2的通过波长，以输出特定波长段的红外光。通过波长可调滤光器2滤光输出的红外光射向分光片3，通过分光片3分成两束红外光，一束发射至第一红外光检测器4，另一束发射至待测气体，并穿过待测气体射向第二红外光检测器5，由第二红外光检测器5检测出经被测气体吸收后的红外光的强度。在本实施例中，所述的红外光检测器4、5可以选用热点堆、焦热点传感器等器件实现，接收红外光线并转换成电信号输出。通过红外光检测器4、5转换输出的电信号指示检测到的红外光线的强度，通过信号传输线路分别输出至控制模块6。所述控制模块6根据接收到的红外光线的强度计算出待测气体的浓度，并输出计算结果供测试人员观测，以完成待测气体的检测任务。

在本实施例中，所述分光片3优选采用半透半反射透镜，其布设位置应保证通过波长可调滤光器2滤光输出的红外光能够以恒定的倾斜入射角Q入射，如图1所示。所述入射角Q优选为锐角，由于入射角Q固定，因此通过分光片3可以反射和折射输出两束能量比恒定的反射光和折射光，且两束红外光的频率和相位相同。将发射输出的红外光射向第一红外光检测器4，折射输出的红外光射向气室中的待测气体，经由待测气体吸收后，射向第二红外光检测器5。

为了保证入射到第一红外光检测器4的红外光仅为通过分光片3反射输出的红外光，优选将所述的第一红外光检测器4布设在一个相对密闭的空间内，如图1所示，可以将第一红外光检测器4布设在一个三面封闭，仅一面开口且开口朝向分光片3反射面的腔室内，以避免其他光线射入到第一红外光检测器4上，进而对测量结果的计算精度产生干扰影响。

为了获得满足要求的入射角Q，在设计波长可调滤光器2和分光片3之间的相对位置时，若通过波长可调滤光器2输出的红外光不能以设定的入射角Q直接射入分光片3，则可以在波长可调滤光器2与分光片3之间增设一反射镜10，如图1所示，利用反射镜10改变通过波长可调滤光器2滤光输出的红外光线的传播路径，以按照设定角度Q射入分光片3。这种设计方式可以缩短波长可调滤光器2与分光片3之间的距离，方便气体检测装置的整体结构设计。

将所述红外光源1、波长可调滤光器2、分光片3、两个红外光检测器4、5和反射镜10统一布设在一个外壳9中，如图1所示，将通过所述外壳9围绕形成的腔室分成可以流通待测气体的气室和隔绝待测气体的非气室，并在外壳9上开设两个进出气口8，连通所述的气室。所述的两个进出气口8优选开设在外壳9的相对两侧，例如外壳9左右两侧的下方，当其中一个进出气口8作为进气口引入待测气体时，另外一个进出气口8即可作为出气口将气室内的待测气体排出至外界。

为了避免外界的光线通过进出气口8射入外壳9所围成的内腔，进而射向气室，对通过分光片4折射输出的红外光束产生干扰影响，导致计算出的测量结果出现误差，本实施例优选将所述的进出气口8设计成由一个或者多个曲线形的夹缝形成的风道，如图1所示，进而在保证待测气体顺畅流通的同时，可以有效隔离外界光线，确保测量结果的准确性。

将所述红外光源1、波长可调滤光器2、第一红外光检测器4和反射镜10布设在非气室中；分光片3布设在气室与非气室之间；第二红外光检测器5布设在气室中，接收被待测气体吸收后输出的红外光。

在本实施例中，为了延长通过分光片3折射输出的红外光线的传播路径，以增加待测气体吸收红外光线的机会，本实施例在所述气室中还设置了反射镜7，如图1所示，优选布设在气室的四周内壁上，通过多面反射镜7对分光片3折射输出的红外光线进行多次反射，进而使得被测气体能够充分吸收红外光线，以提高气体检测的灵敏度。

通过分光片3折射输出的红外光线被多面反射镜7进行多次反射后，最终射入第二红外光检测器5，由第二红外光检测器5根据接收到的红外光线的强度生成与之对应的电信号，输出至控制模块6，通过控制模块6计算出待测气体的浓度。

为了方便对待测气体进行检测，本实施例优选将外壳1及内置于外壳1中的各部件单独设计，形成装置中的传感器部分，用于放置在待测气体中，对待测气体进行检测，并生成检测信号通过线缆传输至后台控制模块，以计算生成待测气体的浓度。

在本实施例的控制模块6中具体设计有供电控制电路、A/D转换电路、处理器和输出接口电路，参见图2所示。其中，供电控制电路连接红外光源1，并接收处理器输出的控制信号。当检测过程开始时，处理器输出开机信号至供电控制电路，通过供电控制电路向红外光源1供电，开启红外光源1发射红外光线。通过红外光源1发射的红外光射入波长可调红外滤光器2，经由波长可调红外滤光器2过滤出特定波长的红外光发射至分光片3。所述分光片3对入射的红外光进行反射和折射，输出两束能量比恒定且频率和相位相同的反射光和折射光，分别射向第一红外光检测器4和待测气体，并经由待测气体吸收后，射向第二红外光检测器5。通过第一红外光检测器4接收到的红外光由于没有经过待测气体，因此可以反映出红外光被待测气体吸收前的强度大小，进而转换成与该强度相对应的电信号，发送至A/D转换电路，经由A/D转换电路进行模拟量到数字量的转换处理后，形成参考值V2输出至处理器。通过第二红外光检测器5接收到的红外光由于是经过待测气体吸收后的红外光，因此可以反映出红外光被待测气体吸收了多少的量，根据吸收的红外光的量，便可间接地计算出待测气体的浓度。本着这个原则，本实施例利用第二红外光检测器5接收穿过待测气体的红外光，并根据接收到的红外光线的强度生成与之对应的电信号，发送至A/D转换电路，经由A/D转换电路转换成数字量，作为检测值V1，输出至处理器，同参考值V2一起，参与气体浓度的计算过程。通过处理器计算生成的检测结果可以通过输出接口电路转换成后级终端设备所需的模拟量信号或者数字量信号对外输出。

所述后级终端设备可以是显示设备，将处理器生成的检测结果显示出来，供测试人员观测。

检测过程结束后，处理器输出关机信号至供电控制电路，控制供电控制电路停止向红外光源1供电，以关闭红外光源1。

由于不同待测气体吸收红外光线的波长范围各不相同，为了调节通过波长可调红外滤光器2滤光输出的红外光的波长范围满足待测气体的吸收要求，本实施例在所述控制模块6中还设置有一驱动电路，参见图2所示，连接所述的处理器，接收处理器输出的波长调节信号，进而转换成相应的驱动电压施加至波长可调红外滤光器2，控制波长可调红外滤光器2通过特定波长的红外光。

作为所述波长可调红外滤光器2，本实施例优选采用现有的Fabry-Perot干涉滤光器进行系统设计，其结构参见图3所示，包含衬底21，形成在衬底21上下两侧的抗反射膜22，通过抗反射膜22形成于衬底21上的第一镜23和通过牺牲层形成于第一镜23上方的第二镜24，所述第一镜23和第二镜24面对面设置。

通过蚀刻孔28蚀刻牺牲层，在所述第一镜23和第二镜24之间形成有间隙27。当外力施加于第二镜24上时，第二镜24能够相对于第一镜23发生位移。在第一镜23的一个表面上设置第一电极25；在第二镜24的一个表面上设置第二电极26，可以通过将高浓度的杂质掺杂物施加到所述第一镜23和第二镜24的表面上而分别形成所述的第一电极25和第二电极26。将所述第一电极25和第二电极26面向对方设置。

在本实施例中，所述衬底21可以由硅、石英等材质制成。所述第一镜23和第二镜24以及第一电极25和第二电极26均为薄层，可以采用钼、硅、氮化硅、氧化硅等材料制成。由此形成的波长可调红外滤光器2不仅体积小，而且能很容易地利用微型电动机械系统（MEMS）技术制造生成。

所述波长可调红外滤光器2，在第一电极25与第二电极26之间施加电压时，在第一电极25与第二电极26之间产生静电吸引力，第二镜24在静电吸引力的作用下相对于第一镜23发生位移，进而改变间隙27的距离D。因此，通过调节施加在第一电极25与第二电极26之间的电压，即可以无极方式调节间隙27的距离D。通过调节间隙27的距离D，当等于间隙27的距离D一半或者四分之一的特定波长的红外光在第一镜23与第二镜24之间发生多重反射，形成干涉时，该特定波长的红外光就会通过波长可调滤光器2发射出来，发送至红外光检测器4、5。

在调节波长可调红外滤光器2的通过波长时，可以根据待测气体的类型进行合理的设定。在本实施例中，若待测气体为单一气体时，例如单一的二氧化碳气体或者单一的甲烷气体等，则可以根据该单一气体所能吸收的红外光的波长，选定以该波长为中心的一定范围的波长段作为波长可调红外滤光器2的通过波长；若待测气体为多种气体，例如包含有一氧化碳、二氧化碳和甲烷的混合气体，则可以调节波长可调红外滤光器2的通过波长范围位于1微米到10微米之间。

基于图1所示的气体检测装置结构，下面对气体检测方法的具体执行过程进行详细地阐述，结合图4所示。

本实施例的气体检测方法为了提高检测结果的精确度，在计算气体浓度时，优选在通过波长可调红外滤光器2滤光输出的红外光的波长刚好为该待测气体吸收红外光最活跃的波长段时，利用该波长段的红外光被待测气体吸收后的强度值计算待测气体的浓度，由此获得的检测结果相比利用其他波长段的红外光检测生成的测量结果，其准确性更高。

基于上述设计思想，设计检测步骤如下：

S401、开始准备过程；

将本实施例的气体检测装置放入待测气体中，并保证待测气体能够通过装置上的进出气口8在装置内的气室中正常顺畅流通。

S402、开启红外光源1，发射红外光；

在检测过程开始时，通过处理器控制供电控制电路为红外光源1供电，进而开启外光源1发射红外光线。

S403、向波长可调红外滤光器2施加电压U，以调节波长可调红外滤光器2的通过波长；

在本实施例中，优选在检测开始时，首先调节通过波长可调红外滤光器2滤光后输出的红外光线的波长小于待测气体吸收红外光的波长。由于待测气体所能吸收的红外光的波长段可以事先知道，因此可以选定一个小于该波长段的特定波长，作为波长可调红外滤光器2通过波长的初始值，然后根据该初始值确定需要施加到波长可调红外滤光器2的电压大小U=U1，通过处理器控制驱动电路生成该大小的电压施加到波长可调红外滤光器2的两个电极，通过调节波长可调红外滤光器2的间隙距离D，实现对波长可调红外滤光器2的通过波长的调节。

S404、将通过波长可调红外滤光器2滤光输出的红外光发射到分光片3上，利用分光片3分成能量比恒定且频率和相位相同的反射和折射两束光发出。

S405、通过分光片3反射输出的第一束红外光射向第一红外光检测器4，由第一红外光检测器4接收并生成与所述红外光强度相对应的电信号，发送至控制模块6。

S406、控制模块6接收第一红外光检测器4输出的电信号，并转换成数字量V2，作为参考值存储起来。

S407、通过分光片3折射输出的第二束红外光射向气室，经由气室内的反射镜7进行多次反射，并途中被待测气体吸收了部分能量后，射向第二红外光检测器5。

S408、第二红外光检测器5根据接收到的红外光的强度生成与之对应的电信号输出至控制模块6。

S409、控制模块6接收第二红外光检测器5输出的电信号，并转换成数字量V1，作为检测值存储起来。

S410、判断波长可调红外滤光器2的通过波长是否超过设定阈值，若没有超过设定阈值，则调节施加到波长可调红外滤光器2的电压U=U+△U，返回步骤S403；否则，执行后续步骤；

在本实施例中，所述设定阈值优选为大于待测气体所能吸收的红外光的波长段的波长，根据该设定阈值确定需要施加到波长可调红外滤光器2的电压大小，记为U2，可以通过判断U是否大于U2来确定是返回步骤S403重复执行步骤S403-S410，还是直接执行后续步骤S411。并且，在每次循环过程中，分组保存各次循环过程中生成的检测值V1和参考值V2。

S411、在已存储的各组检测值V1和参考值V2中，搜索V1/V2的最小值，产生该最小值时所使用的红外光的波长段即为待测气体吸收红外光最活跃的波长段。

S412、利用V1/V2的最小值所对应的检测值V1和参考值V2计算气室内被待测气体吸收的红外光的量，利用该吸收量进行待测气体浓度的计算。

S413、处理器将计算出的气体浓度发送至输出接口电路，以转换成数字量或者模拟量信号发送至外部的终端设备。

S414、处理器发出关机信号至供电控制电路，控制供电控制电路切断向红外光源1的供电，以关闭红外光源1。

S415、检测过程结束。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于气体检测装置的气体检测方法，

在所述气体检测装置中设置有红外光源、波长可调滤光器、分光片、两个红外光检测器和控制模块；所述红外光源发射红外光，射向波长可调滤光器；所述波长可调滤光器从接收到的红外光中选择特定波长的红外光通过，并射向所述的分光片；分光片将入射的红外光分成两束，一束射向第一红外光检测器，另一束射向待测气体，并穿过待测气体射向第二红外光检测器；两个红外光检测器根据接收到的红外光的强度生成与之对应的电信号输出至控制模块，经由控制模块计算出待测气体的浓度；

所述气体检测方法包括以下步骤：

a、启动红外光源发射红外光；

b、调节波长可调滤光器的通过波长，使其输出的红外光线的波长小于待测气体吸收红外光的波长，作为波长可调滤光器通过波长的初始值；

c、接收通过两个红外光检测器检测输出的红外光的强度信号，并将通过第一红外光检测器检测到的红外光的强度记为参考值V2，将通过第二红外光检测器检测到的红外光的强度记为检测值V1；

d、对波长可调滤光器的通过波长进行逐级调节，直到超出设定阈值为止，所述设定阈值为大于待测气体所能吸收的红外光的波长段的波长；在每一级调节后，分别检测通过两个红外光检测器检测输出的红外光的强度，记录该级波长的红外光所对应的参考值V2和检测值V1；

e、查找V1/V2的最小值，利用所述最小值所对应的参考值V2和检测值V1计算待测气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的气体检测方法，其特征在于：所述控制模块通过改变输出至波长可调滤光器的电压，调节波长可调滤光器的通过波长。

3.根据权利要求1所述的气体检测方法，其特征在于：通过分光片分光输出的另一束红外光在穿过待测气体的过程中被反射镜进行多次反射后，射向所述的第二红外光检测器。