CN104596971A - 一种用于探测气体的传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于探测气体的传感器系统，包括二极管激光器、温度控制器、电流控制器、矩形管状气室、反射镜、步进电机、凸轮、进气口、出气口、探测器、数据采集卡、计算机；二极管激光器与温度控制器和电流控制器连接，矩形管状气室设置在二极管激光器的右侧，反射镜、凸轮设置在矩形管状气室的内部，反射镜的一端固定，另一端支撑在凸轮上，步进电机与凸轮连接，且步进电机设置在矩形管状气室的下部，进气口设置在矩形管状气室左侧上部，出气口设置在矩形管状气室的右侧下部，探测器设置在矩形管状气室右侧上部，数据采集卡与探测器连接，计算机与数据采集卡连接。本发明具有灵敏度高，响应速度快，稳定性好，可靠性高，维护简单的优点。

Description

一种用于探测气体的传感器系统

技术领域

本发明涉及气体检测领域，具体涉及一种用于探测气体的传感器系统。

背景技术

甲烷气体的精确和低成本测量在环境监测、煤矿安全生产、煤层气开发利用等方面都具有重要意义。当前气体监测手段主要分为化学和光谱学方法。相比于化学检测手段，光谱技术具有非接触、远距离、响应快的优点、使用寿命长等优势，可以在同一波段作多组分检测，实现实时非接触测量，尤其针对不易接近、难以取样的危险或敌对环境。当前光谱学气体监测方法中尤其以吸收光谱技术为主流，其中在小范围气体监测中应用较为广泛的主要有差分光学吸收光谱技术(DOAS)、可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术。DOAS广泛用于紫外和可见波段范围，种类仅限于对该波段的窄吸收光谱线的气体成分，可同时监测多种成分，但受水汽和气溶胶影响较大。TDLAS的缺点是对光源单模输出要求高，波长对温度敏感，需要严格控温，难以在复杂环境中应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于探测气体的传感器系统，灵敏度高，响应速度快，稳定性好，可靠性高，维护简单。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于探测气体的传感器系统，包括二极管激光器、温度控制器、电流控制器、矩形管状气室、反射镜、步进电机、凸轮、进气口、出气口、探测器、数据采集卡、计算机；二极管激光器与温度控制器和电流控制器连接，矩形管状气室设置在二极管激光器的右侧，反射镜、凸轮设置在矩形管状气室的内部，反射镜的一端固定，另一端支撑在凸轮上，步进电机与凸轮连接，且步进电机设置在矩形管状气室的下部，进气口设置在矩形管状气室左侧上部，出气口设置在矩形管状气室的右侧下部，探测器设置在矩形管状气室右侧上部，数据采集卡与探测器连接，计算机与数据采集卡连接。

优选的，所述的矩形管状气室的上表面和下表面为水银镜面。

优选的，所述的矩形管状气室一端设置有石英红外窗口。

优选的，所述数据采集卡与所述步进电机相连。

优选的，还包括备用电源，用于为上述用电设备供电。

本发明具有以下有益效果：

实现了在复杂工业环境下对甲烷气体浓度的精确检测，在具备一般光谱技术高选择、快速响应的基础上，通过采用生产工艺简单的凸轮实现了吸收光程的较大程度的改变，大大增加了吸收光程，为信噪比与测量精度的提高提供了条件，降低了测量装置的复杂度，实现了气体浓度的高精度测量，提高了测量的信噪比，具有灵敏度高，响应速度快，稳定性好，可靠性高，维护简单的优点。

附图说明

图1为本发明实施例一种用于探测气体的传感器系统的结构示意图，

图2为本发明实施例一种用于探测气体的传感器系统中矩形管状气室的结构示意图。

图3为本发明实施例一种用于探测气体的传感器系统中光线反射角度的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-2所示，本发明实施例提供了一种用于探测气体的传感器系统，包括二极管激光器1、温度控制器2、电流控制器3、矩形管状气室4、反射镜5、步进电机6、凸轮7、进气口8、出气口9、探测器10、数据采集卡11、计算机12；二极管激光器1与温度控制器2和电流控制器3连接，矩形管状气室4设置在二极管激光器1的右侧，反射镜5、凸轮7设置在矩形管状气室4的内部，反射镜5的一端固定，另一端支撑在凸轮7上，步进电机6与凸轮7连接，且步进电机6设置在矩形管状气室4的下部，进气口8设置在矩形管状气室4左侧上部，出气口9设置在矩形管状气室4的右侧下部，探测器10设置在矩形管状气室4右侧上部，数据采集卡11与探测器10连接，计算机12与数据采集卡11连接。

所述的矩形管状气室4的上表面和下表面为水银镜面。

所述的矩形管状气室4一端设置有石英红外窗口13。

所述数据采集卡11与所述步进电机6相连。

还包括备用电源，用于为上述用电设备供电

本具体实施的监测方法为：二极管激光器1受电流控制器3与温度控制器2的调制，使其工作在稳定状态，输出稳定波长的光，输出光经由密封的石英红外窗口12进入矩形管状气室4，矩形管状气室4的上下表面均为水银镜面，可保证对光的高效反射，降低材料对光吸收造成的光强损失，其两侧有进气口8、出气口9。进入矩形管状的光经由步进电机6控制的反射镜5反射，步进电机6通过带动不等距的凸轮7转动，反射镜5的一侧固定，另一侧由转动的凸轮7支撑，通过凸轮7半径的变化可改变光源在反射镜上的入射角，从而改变反射角，经过反射镜的反射光入射到矩形管状气室4的上表面，并在气室中多次反射，最后由探测器10检测输出光强，探测器10将光强信号转换为电压信号输出，输出的电压信号经由数据采集卡11连接至计算机12，计算机负责后续的信号处理与结果的输出

如图3所示，本具体实施方式的检测原理为：气体的红外吸收遵循朗伯-比尔定律：

I＝I₀exp(-α(λ)CL)

其中，I为输出光强，I₀为输入光强，α(λ)为气体在波长λ处的吸收系数，C为吸收系数，L为吸收光程。

光程为L₁处的光强表达式为I₁＝I₀exp(-α(λ)CL₁)；

光程为L₂处的光强表达式为I₂＝I₀exp(-α(λ)CL₂)；

则两式相比可得 $\frac{I_1}{I_2}=\frac{\exp (-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)C{L}_1)}{\exp (-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λC}{L}_2\right))}=\exp \left(\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)C(L_2-L_1)\right);$

两边取对数可得lnI₁-lnI₂＝α(λ)C(L₂-L₁)，从而

$C=\frac{\ln I_1-\ln I_2}{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)(L_2-L_1)}$

由于探测器的输出信号为电压信号，其值正比于光强信号，所以有V₁＝kI₁，V₂＝kI₂，代入上式可得

$C=\frac{\ln V_1-\ln V_2}{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)(L_2-L_1)}$

这样，V₁，V₂可由探测器测得，α(λ)可通过气体的吸收表格查询得到，L₁，L₂可由对应的入射角计算得到，这样就可以计算出待测气体的浓度。

光程L₁，L₂的计算：

设入射光与反射镜之间的夹角为α，则此时反射镜上入射光线与反射光线的夹角为180-2α，经入射点作垂线，则垂线与反射光线的夹角β为90-2α，此后光线在气室的上下表面多次反射，由于上下表面平行，所以入射角均为90-2α，光线总的光程近似为

$\frac{K}{m}*2a=\frac{K}{2b\tan \mathrm{\β}}*2*\frac{b}{\cos \mathrm{\β}}=\frac{K}{\sin \mathrm{\β}}=\frac{K}{\cos 2\mathrm{\α}}$ (α从0-45度)。

实际操作中，先以小的步进角转动，从而改变入射角，并检测光强变化，即可根据光强值的大小确定光路中是否正好包含整数个反射回合，从而根据记录的入射角确定光程。

本具体实施方式通过转轴带动凸轮旋转，进而改变光线的入射角度。初始化中，当步进电机旋转时，如果反射光正好与探测器正对，则此时的光强信号最大，记录步进电机的步进角并根据公式计算光程，得出相应的入射角与吸收光程之间的关系并传输至计算机。此后，凸轮按照记录的入射角在计算机的控制下通过驱动电路旋转至特定角度，并将探测器的信号经数据采集卡传送至计算机。为了简化计算，特定角度选择吸收光程最长的6组，计算时，将第一组、第四组配对计算出C₁，第二组、第五组配对计算出C₂，第三组、第六组配对计算出C₃。将C₁，C₂，C₃取平均值作为最终测量结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于探测气体的传感器系统，其特征在于，包括二极管激光器、温度控制器、电流控制器、矩形管状气室、反射镜、步进电机、凸轮、进气口、出气口、探测器、数据采集卡、计算机；二极管激光器与温度控制器和电流控制器连接，矩形管状气室设置在二极管激光器的右侧，反射镜、凸轮设置在矩形管状气室的内部，反射镜的一端固定，另一端支撑在凸轮上，步进电机与凸轮连接，且步进电机设置在矩形管状气室的下部，进气口设置在矩形管状气室左侧上部，出气口设置在矩形管状气室的右侧下部，探测器设置在矩形管状气室右侧上部，数据采集卡与探测器连接，计算机与数据采集卡连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于探测气体的传感器系统，其特征在于，所述的矩形管状气室的上表面和下表面为水银镜面。

3.根据权利要求1所述的一种用于探测气体的传感器系统，其特征在于，所述的矩形管状气室一端设置有石英红外窗口。

4.根据权利要求1所述的一种用于探测气体的传感器系统，其特征在于，所述数据采集卡与所述步进电机相连。

5.根据权利要求1所述的一种用于探测气体的传感器系统，其特征在于，还包括备用电源，用于为上述用电设备供电。