CN103868855A - 基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统及方法，包括红外光源、参考气室、检测气室、偏转反光镜、一个红外光电探测器和偏转装置。偏转装置带动光源或一片反射镜产生偏转，使得光路在参考气室和检测气室之间切换，分时到达红外探测器，红外探测器通过比对前后两次探测到的光信号的强度，并以两者的比值的常用对数作为检测信号，然后根据标定样本通过多项式拟合将其转换成气体浓度。本发明由于采用的是一个红外传感器，因此，本发明除了有助于消除光源漂移带来的影响外，还可以消除由于传感器的特性漂移带来的影响。

Description

基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统及方法

技术领域

本发明属于气体成分及浓度的光谱在线分析领域，具体涉及基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统及方法。

背景技术

红外光谱法几乎可以实现所有极性气体的定量分析，且工作过程中既不消耗任何材料，也不产生任何废弃物，而且还可以长期工作，维护费用低，因此是气体在线分析的一种重要方法。对于某些特定的场合，其所需要检测的气体成分很少，例如，某些脱硝应用中只需要检测NO即可，碳排放量检测则只要检测CO₂即可。直接采用光谱仪来分析虽然准确性高，但成本过高，这种情况下，常用单色光或者窄带光来对某种气体进行在线检测。由于可消除光源的特性漂移，环境参数带来的影响，双光路法是极性分子气体红外检测的重要方法，特别是近年来，随着激光技术的发展，红外激光的波长可在一定范围内调整，而且可以锁定在某一个波长，使得气体的检测选择性非常高。常规的双光路法采用两个红外探测器(或者一个探测器上有两个探测单元)分别对参考光路和检测光路进行探测，如图1所示，现有的双光路法采用两个红外探测器，一个红外光源1发出的光经抛物体反射镜2反射后，进入由同步电机3带动的切光片4，然后经滤波气室5进入参考气室6，参考气室6中充氮气；另一个红外光源1发出的光经抛物体反射镜2反射后，进入由同步电机3带动的切光片4，然后经滤波气室5进入检测气室7，检测气室7中为被分析气体；经过参考气室6的光及经过检测气室7的光分别经过相应的红外探测器8，再经放大器完成气体的检测。由于长时间使用后，两个红外探测器的特性也会发生一定的漂移，而且两个红外探测器这种漂移往往很难保持一致，这给气体的检测结果带来了偏差。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统及方法，其有助于消除环境变化、光源漂移给气体分析结果带来的影响外，还可以消除由于红外探测器的特性漂移带来的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统，包括红外光源、参考气室、检测气室、偏转反射镜和一个红外探测器，红外光源发出的光经偏转反射镜反射进入参考气室，当使反射镜或红外光源发生偏转时，红外光源发出的光经偏转反射镜反射进入检测气室，光路在参考气室和检测气室之间切换，分时到达红外探测器，红外探测器经调理电路与微处理器相连接。

所述偏转反射镜与参考气室之间设置有参考光路固定反射镜，偏转反射镜与检测气室之间设置有检测光路固定反射镜。

所述红外光源或者偏转反射镜发生偏转是通过偏转装置实现的。

所述偏转装置为步进电机或曲柄滑块机构。

所述偏转反射镜或红外光源发生偏转的频率范围为0.1-100Hz，偏转角度范围为[-30°,30°]。

所述红外光源为固定波长红外激光器、波长可调谐激光器或宽带红外光通过滤光片后得到的窄带红外光。

所述参考气室和检测气室是两个结构和材料完全相同的气室。

所述红外探测器为基于光电效应的光子探测器或基于热效应的热探测器；微处理器为单片机或数字处理器。

基于光路偏转的双光路单传感器气体红外系统的检测方法，红外光源发出的光经偏转反射镜反射进入参考光路固定反射镜，经参考光路固定反射镜反射进入参考气室，当红外光源或偏转反射镜发生偏转时，红外光源发出的光经偏转反射镜反射进入检测光路固定反射镜，经检测光路固定反射镜反射进入检测气室，参考气室中充氮气，检测气室中的气体则处于流动状态，从检测气室的进气口进入，从出气口排出；通过偏转反射镜或红外光源，使光路在参考气室和检测气室之间切换，分时到达红外探测器，红外探测器实时探测光信号，并通过调理电路将光信号调理成电信号，再由微处理器采集，微处理器通过比对前后两次探测到的光信号的峰值，并以两者的比值的常用对数作为检测信号，并将对该检测信号进行二次或三次多项式运算的结果作为气体浓度检测结果，完成气体的检测。

所述进行二次或三次多项式运算的具体过程为：设红外光通过参考气室时红外探测器探测到的信号峰值为p₁，红外光通过检测气室时红外探测器探测到的信号峰值为p₂，且p₁和p₂是红外探测器相邻两次探测到的信号峰值，则该双光路气体红外检测系统所检测到的信号取为s=log(p₁/p₂)，其中log(·)为常用对数算子，c=ls³+ms²+ns为气体检测系统的检测结果，其中l、m和n为实验标定的常数，c为气体浓度结果，若l为0，则为二次多项式标定，否则为三次多项式标定；

l、m和n的确定方法如下：

1)给定三组以上的标准气体作为样本，样本各自的浓度遍及其检测范围；

2)将标准气体分别注入到检测气室中，待检测信号稳定后，分别测得信号s的值分别为S=[s₁,s₂,s₃,…]，s₁,s₂,s₃,…均为连续10次以上的测量结果的均值，它们对应的气体浓度值分别为C=[c₁,c₂,c₃,…]；

3)采用偏最小二乘法进行多项式逼近，求取参数P=[l,m,n]；

P=inv(SAS^T)SAC^T

式中，A为只有主对角线上参数为非零的方阵，其维数与样本数量相同，且满足关系A₁₁≤A₂₂≤A₃₃≤…，A₁₁、A₂2、A₃₃、…是由用户设定的加权系数。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明中光源或偏转反射镜来回偏转，使得光源发出的红外光来回偏转，从而使得光路在参考气室和检测气室之间切换，分时到达红外探测器，红外探测器探测的信号经过调理后，传输给微处理器系统，能够实现气体的检测，本发明结构简单，测量结果准确。本发明由于采用的是一个红外传探测器，因此，这种方法除了有助于消除光源漂移及环境变化，如温度所带来的影响外，还可以消除由于红外探测器的特性漂移带来的影响，省去常规气体红外检测装置中红外探测器的光调制系统。

附图说明

图1为常规双光路气体红外检测系统结构图;

图2为反射镜偏转的基于光偏转的单传感器双光路气体检测装置的光路图;

图3为参考气室截面示意图;

图4为光源偏转的基于光偏转的单传感器双光路气体检测装置的光路图。

其中，1-红外光源；2-抛物体反射镜；3-同步电机；4-切光片；5-滤波气室；6-参考气室；7-检测气室；8-红外探测器；9-放大器；10-偏转反射镜；11-参考光路固定反射镜；12-检测光路固定反射镜；13-窗片；14-窗片紧固器；15-气室腔体；16-进气口；17-出气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

如附图2所示，一种基于光偏转的单传感器双光路气体检测系统包括红外光源1、偏转反射镜10、参考光路固定反射镜11、检测光路固定反射镜12、参考气室6、滤波气室5、偏转装置、检测气室7、一个红外探测器8及其调理电路，以及微处理器。红外光源1发出的光经偏转反射镜10反射再经参考光路固定反射镜11进入参考气室6，当使偏转反射镜10或红外光源1发生偏转时，红外光源1发出的光经偏转反射镜10反射再经检测光路固定反射镜12进入检测气室7，光路在参考气室6和检测气室7之间切换，分时到达红外探测器8，红外探测器8经调理电路与微处理器相连接。

红外光源1可以是固定波长红外激光器、波长可调谐激光器，还可以是宽带红外光通过滤光片后得到的窄带红外光，只要其发出的红外光包含所需要检测气体的吸收谱线的波长即可，例如，若所检测气体为CO₂，则光源发出的红外光谱包含的2.7μm波长的光即可，而所检测的气体若为NO₂，则光源发出的红外光谱包含的540nm波长的光即可。

参考气室6和检测气室7是两个结构和材料完全相同的气室，参考气室6其截面示意图如图3所示，参考气室6的气室腔体15中充氮气，出气口16和进气口17封死，窗片13通过窗片紧固器14固定在参考气室6两端，而检测气室7中的气体则处于流动状态，从气室的进气口进入，从出气口排出。

偏转反射镜10或红外光源1发生偏转是通过偏转装置实现的，偏转装置可以是步进电机，也可以是曲柄滑块机构。红外光源1发出的光直射在偏转反射镜10上，偏转装置带动偏转反射镜10来回摆动，从而使得红外光交替照射到参考光路固定反射镜11和检测光路固定反射镜12上，这两个固定反射镜使得光分别通过参考气室6和检测气室7后到达红外探测器8。

红外探测器可以是基于光电效应的光子探测器，也可以是基于热效应的热探测器，如测辐射热器(Thermal Bolometer)，热电堆(Thermopile)及热电(Pyroelectric)元件。偏转的频率范围为0.1-100Hz，角度范围为-30°-30°。具体使用的偏转频率范围根据所选择的红外探测器的性能指标而定，例如AGM22型气体检测红外探测器的扫描周期可选择为：0.5s,5s,10s,20s。红外探测器实时探测光信号，调理电路及后续的信号微处理系统记录其检测结果。微处理器系统可以是单片机，也可以是数字处理器，调理电路主要是对探测器信号进行放大、滤波，放大倍数由所选微处理器系统的模拟数字转换器(A/D)所决定的。例如，51单片机自带A/D的输入信号范围为0-5V，则放大倍数应设置为光通过参考气室照射到探测器上时最大输出电压为4.8V左右时的值。滤波器用来滤除噪声，其通带截止频率与扫描频率对应；微处理器系统用来记录测试信号，并将其转换为气体浓度。

基于光路偏转的双光路单传感器气体红外系统的检测方法，红外光源1发出的光经偏转反射镜10反射进入参考光路固定反射镜11，经参考光路固定反射镜11反射进入参考气室6，当红外光源1或偏转反射镜10发生偏转时，红外光源1发出的光经偏转反射镜10反射进入检测光路固定反射镜12，经检测光路固定反射镜12反射进入检测气室7，参考气室6中充氮气，检测气室7中的气体则处于流动状态，从检测气室7的进气口16进入，从出气口17排出；通过偏转反射镜10或红外光源1，使光路在参考气室6和检测气室7之间切换，分时到达红外探测器8，红外探测器8实时探测光信号，并通过调理电路将光信号调理成电信号，再由微处理器采集，微处理器通过比对前后两次探测到的光信号的峰值，并以两者的比值的常用对数作为检测信号，并将对该检测信号进行二次或三次多项式运算的结果作为气体浓度检测结果，设红外光通过参考气室6时红外探测器8探测到的信号峰值为p₁，红外光通过检测气室7时红外探测器8探测到的信号峰值为p₂，且p₁和p₂是红外探测器相邻两次探测到的信号峰值，则该双光路气体红外检测装置所检测到的信号取为s=log(p₁/p₂)，其中log(·)常用对数算子，c=ls³+ms²+ns为气体检测系统的检测结果，其中l、m和n为实验标定的常数，c为气体浓度结果，若l为0，则为二次多项式标定，否则为三次多项式标定。

l、m和n的确定方法如下：

1)给定三组以上的标准气体作为样本，样本各自的浓度遍及其检测范围。例如，假定该检测装置用来监测CO₂，其浓度范围为体积分数0-20%，选定浓度分别为20%、5%、1%的CO₂以及氮气作为标准气体，即其浓度向量为C=[20,5,1,0]；

2)将标准气体分别注入到系统的检测气室中，待检测信号稳定后，分别测得其信号s的值分别为S=[s₁,s₂,s₃,…]，s₁,s₂,s₃,…均为连续10次以上的测量结果的均值，它们对应的气体浓度值分别为C=[c₁,c₂,c₃,…]；

3)采用偏最小二乘法进行多项式逼近，求取参数P=[l,m,n]。

P=inv(SAS^T)SAC^T

式中，A为只有主对角线上参数为非零的方阵，其维数与样本数量相同，且满足关系A₁₁≤A₂₂≤A₃₃≤…，A₁₁、A₂₂、A₃₃、…是由用户设定的加权系数。

本发明中也可以由光源偏转取代偏转反射镜偏转，如图4所示。偏转装置驱动光源来回偏转，光源发生的红外光照射到偏转反射镜上反射到参考光路固定反射镜11上，然后通过参考气室6到达红外光电探测器，或者偏转反射镜10反射到检测光路固定反射镜12上，然后通过检测气室7到达红外光电探测器。

本发明针对双红外探测器双光路气体红外在线分析过程中双红外探测器特性的漂移一致带来的影响，采用偏转装置带动光源或一片反射镜来回偏转，使得光源发出的红外光来回偏转，从而使得光路在参考气室和检测气室之间切换，分时到达红外探测器，红外探测器探测的信号经过调理后，传输给微处理器系统，该系统通过比对前后两次探测到的光信号的强度，并以两者的比值的常用对数作为气体检测装置的气体检测信号，然后根据标定样本获得的多项式，将其转换成气体浓度。本发明中由于采用的是一个红外探测器，因此，这种方法除了有助于消除环境变化、光源漂移给气体分析结果带来的影响外，还可以消除由于红外探测器的特性漂移带来的影响。

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方式仅限于此，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的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统，其特征在于，包括红外光源（1）、参考气室（6）、检测气室（7）、偏转反射镜（10）和一个红外探测器（8），红外光源（1）发出的光经偏转反射镜（10）反射进入参考气室（6），当使偏转反射镜（10）或红外光源（1）发生偏转时，红外光源（1）发出的光经偏转反射镜（10）反射进入检测气室（7），光路在参考气室（6）和检测气室（7）之间切换，分时到达红外探测器（8），红外探测器（8）经调理电路与微处理器相连接。

2.根据权利要求1所述的基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统，其特征在于，所述偏转反射镜（10）与参考气室（6）之间设置有参考光路固定反射镜（11），偏转反射镜（10）与检测气室（7）之间设置有检测光路固定反射镜（12）。

3.根据权利要求1所述的基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统，其特征在于，所述红外光源（1）或者偏转反射镜（10）发生偏转是通过偏转装置实现的。

4.根据权利要求3所述的基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统，其特征在于，所述偏转装置为步进电机或曲柄滑块机构。

5.根据权利要求1、3或4所述的基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统，其特征在于，所述偏转反射镜（10）或红外光源（1）发生偏转的频率范围为0.1-100Hz，偏转角度范围为[-30°,30°]。

6.根据权利要求5中所述的基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统，其特征在于，所述红外光源为固定波长红外激光器、波长可调谐激光器或宽带红外光通过滤光片后得到的窄带红外光。

7.根据权利要求1或6中任意一项所述的基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统，其特征在于，所述参考气室（6）和检测气室（7）是两个结构和材料完全相同的气室。

8.根据权利要求1中所述的基于光路偏转的双光路单传感器气体红外检测系统，其特征在于，所述红外探测器（8）为基于光电效应的光子探测器或基于热效应的热探测器；微处理器为单片机或数字处理器。

9.根据权利要求7所述的基于光路偏转的双光路单传感器气体红外系统的检测方法，其特征在于，红外光源（1）发出的光经偏转反射镜（10）反射进入参考光路固定反射镜（11），经参考光路固定反射镜（11）反射进入参考气室（6），当红外光源（1）或偏转反射镜（10）发生偏转时，红外光源（1）发出的光经偏转反射镜（10）反射进入检测光路固定反射镜（12），经检测光路固定反射镜（12）反射进入检测气室（7），参考气室（6）中充氮气，检测气室（7）中的气体则处于流动状态并从检测气室（7）的进气口（16）进入，从出气口（17）排出；通过偏转反射镜（10）或红外光源（1），使光路在参考气室（6）和检测气室（7）之间切换，分时到达红外探测器（8），红外探测器（8）实时探测光信号，并通过调理电路将光信号调理成电信号，再由微处理器采集，微处理器通过比对前后两次探测到的光信号的峰值，并以两者的比值的常用对数作为检测信号，并对该检测信号进行二次或三次多项式运算的结果作为气体浓度检测结果，完成气体的检测。

10.根据权利要求9所述的基于光路偏转的双光路单传感器气体红外系统的检测方法，其特征在于，所述进行二次或三次多项式运算的具体过程为：设红外光通过参考气室（6）时红外探测器（8）探测到的信号峰值为p₁，红外光通过检测气室（7）时红外探测器（8）探测到的信号峰值为p₂，且p₁和p₂是红外探测器相邻两次探测到的信号峰值，则该双光路气体红外检测系统所检测到的信号取为s=log(p₁/p₂)，其中log(·)为常用对数算子，c=ls³+ms²+ns为气体检测系统的检测结果，其中l、m和n为实验标定的常数，c为气体浓度结果，若l为0，则为二次多项式标定，否则为三次多项式标定；

l、m和n的确定方法如下：

1)给定三组以上的标准气体作为样本，样本各自的浓度遍及其检测范围；

2)将标准气体分别注入到检测气室中，待检测信号稳定后，分别测得信号s的值分别为S=[s₁,s₂,s₃,…]，其中，s₁、s₂、s₃、…均为连续10次以上的测量结果的均值，它们对应的气体浓度值分别为C=[c₁,c₂,c₃,…]；

3)采用偏最小二乘法进行多项式逼近，求取参数P=[l,m,n]；

P=inv(SAS^T)SAC^T

式中，A为只有主对角线上参数为非零的方阵，其维数与样本数量相同，且满足关系A₁₁≤A₂₂≤A₃₃≤…，A₁₁、A₂₂、A₃₃、…是由用户设定的加权系数。

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