CN104833645A - 一种量程可调型气体传感器、传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量程可调型气体传感器、传感系统及方法，该气体传感器包括由内筒和外筒组合成的封闭气室，气室上开有待测气体进气口和待测气体出气口，气室内一侧设有电调制宽带红外光源、窄带滤波片、双通道红外探测器，另一侧设有直角棱镜，电调制宽带红外光源、窄带滤波片、双通道红外探测器以及直角棱镜的中心位置均在同一基准面上，且直角棱镜的反射偏移量与电调制宽带红外光源和双通道红外探测器之间的间距相同。本发明克服气体传感器检测量程的单一性，设置多个检测量程档位，提高单个气体传感器的利用率；根据待测气体的实际浓度自动调整至最佳的检测量程，确保检测时透射比在最优范围内，减少了检测浓度偏差，提高了检测精度。

Description

一种量程可调型气体传感器、传感系统及方法

技术领域

本发明涉及一种量程可调型气体传感器、传感系统及方法，特别是涉及一种基于非分光红外(NDIR)原理、单气室双波长结构类型以及光程自动调节的气体传感器，属于红外气体传感器领域。

背景技术

气体传感器已广泛应用于化工、煤炭、冶金、电力、环境监测等众多场所，是确保正常生产、保障人员安全的重要工具。目前，国内外气体传感器最常用的类型主要包括：红外气体传感器、催化燃烧式气体传感器、半导体气体传感器、电化学气体传感器等，相比而言，基于NDIR原理的气体传感器具有选择性好、可靠稳定、反应迅速、不易中毒、使用寿命长等诸多优点。

NDIR型气体传感器的原理是基于红外线是一种电磁波，当一定频率的红外线照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和红外线的辐射频率一致，这个基团就会吸收该频率的红外线，产生振动跃迁或者转动跃迁。即当红外线通过待测气体时，这些待测气体分子对特定波长的红外线有吸收作用，其吸收关系服从朗伯-比尔吸收定律，分析可知待测气体的浓度检测与接收光强度、入射光强度、光程以及摩尔吸光系数有关。

NDIR型气体传感器的结构类型包括单气室单波长、双气室单波长以及单气室双波长等，相比而言，单气室双波长结构类型加工简单，可以有效消除一些问题所带来的干扰，提高测量精度，因为利用单气室双波长得到待测气体的浓度表达式与气室中非气体吸收的衰减系数无关，这样能够有效的消除气室问题所带来的干扰。此外表达式中测量波长的入射光强度和参考波长的入射光强度是比值的形式，这样能够一定程度上消除红外光源波动问题所带来的干扰。

目前，基于NDIR原理的气体传感器产品众多，但受限于检测量程的固定，降低了单个气体传感器的利用率，其次，在进行气体浓度检测时无法保证透射比(即接收光强度与入射光强度的比值)在最优的理论范围内，从而增加了检测浓度偏差，降低了气体传感器的检测精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种量程可调型气体传感器、传感系统及方法，不仅使气体传感器可适用于不同浓度的检测环境，提高单个气体传感器的利用率，而且基于透射比的最优值，减少检测浓度偏差，提高气体传感器的检测精度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种量程可调型气体传感器，包括由内筒和外筒组合成的封闭气室，气室上开有待测气体进气口和待测气体出气口，气室内一侧设有电调制宽带红外光源、窄带滤波片、双通道红外探测器，另一侧设有直角棱镜，所述电调制宽带红外光源、窄带滤波片、双通道红外探测器以及直角棱镜的中心位置均在同一基准面上，且直角棱镜的反射偏移量与电调制宽带红外光源和双通道红外探测器之间的间距相同，外筒可沿气室的轴线方向相对内筒移动；所述电调制宽带红外光源发出的红外线由直角棱镜反射后，射向窄带滤波片，由窄带滤波片滤波后被双通道红外探测器接收。

优选的，所述气室的内壁为镀金反射膜。

一种传感系统，包括如上所述量程可调型气体传感器，还包括连接滑块、滑动轨道、舵机、微控制单元、光源驱动单元、信号处理单元、A/D转换单元以及输出单元，所述连接滑块一端固定于外筒外壁，另一端置于滑动轨道上，连接滑块还与舵机连接，舵机旋转带动连接滑块在滑动轨道上滑动，舵机与微控制单元连接，微控制单元分别与光源驱动单元、A/D转换单元以及输出单元连接，光源驱动单元与电调制宽带红外光源连接，A/D转换单元与信号处理单元连接，信号处理单元与双通道红外探测器连接。

优选的，所述微控制单元的型号为MSP430F149。

一种传感方法，利用如上所述传感系统实现，将光程公式中的透射比T设为定值，该定值大小为浓度偏差最小时对应的透射比T_o，配制已知浓度为c_i的气体，其对应的光程为将上述光程转换为舵机的旋转角度存储在微控制单元中；将已知浓度为c_i的气体在对应光程为l_i的传感系统中检测，记录各个浓度气体对应输出的参比电压和测量电压并存储在微控制单元中；得到c_i、l_i、旋转角度之间的对应关系；

对待测气体浓度进行检测时，调整舵机的初始角度，判断当前输出的参比电压和测量电压是否超过初始角度对应的参比电压和测量电压，若未超出则输出检测结果，若超出则调整舵机进入浓度为c₁的气体对应的旋转角度，再次进行上述判断，以此类推，直至输出检测结果，c_i为气体浓度，i＝1…n为自然数，K为摩尔吸光系数。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明量程可调型气体传感器，克服气体传感器检测量程的单一性，设置多个检测量程档位，可用于不同的检测环境，提高单个气体传感器的利用率。

2、本发明量程可调型气体传感系统，根据待测气体的实际浓度自动调整至最佳的检测量程，确保检测时透射比在最优范围内，减少了检测浓度偏差，提高了检测精度。

3、本发明传感方法，基于透射比最优值确定光程的基础上，根据检测量程与光程之间的关系，建立待测气体的浓度检测模型，从而使检测结果更精确，偏差更小。

附图说明

图1是浓度偏差随透射比T变化的关系曲线图。

图2是本发明量程可调型气体传感系统的整体架构图。

图3是本发明传感系统中气体传感器的结构示意图。

图4是本发明传感系统中气体传感器的正视图。

图5是本发明传感系统中气体传感器剖面A-A示意图。

图6是本发明传感系统的工作流程图。

其中：I为内筒，II为外筒，1为待测气体出气口，2为待测气体进气口，3为窄带滤波片(包含参比滤波片和测量滤波片)，4为双通道红外探测器(包含参比通道和测量通道)，5为电调制宽带红外光源，6为密封圈，7为镀金反射膜，8为直角棱镜，9为A/D转换单元，10为信号处理单元，11为光源驱动单元，12为微控制单元，13为输出单元，14为滑动轨道，15为连接滑块，16为舵机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图2所示，为本发明量程可调型气体传感系统的整体架构图，包括气体传感器、检测量程调节模块以及外围电路模块，如图3、图4、图5所示，为气体传感器的结构示意图，气体传感器由内筒I和外筒II组合形成一个气室，之间用密封圈6连接以保证气室的封闭性。气室内壁为镀金反射膜7，气室上设有待测气体出气口1和待测气体进气口2，利用气泵吸入待测气体，从待测气体进气口2进入气室，经过整个气室后从待测气体出气口1排出。气室左侧设有电调制宽带红外光源5、窄带滤波片3以及双通道红外探测器4，并且其中心位置在同一基准面上。双通道红外探测器4分别接收经过参比窄带滤波片和测量窄带滤波片滤波后的红外线，输出的两个通道分别包含红外光源与检测环境信息的参比通道以及包含待测气体浓度信息的测量通道。气室右侧设有直角棱镜8，其中心位置与电调制宽带红外光源5、窄带滤波片3以及双通道红外探测器4在同一基准面上，且直角棱镜8的反射偏移量与电调制宽带红外光源5和双通道红外探测器4之间的间距相同，从而使电调制宽带红外光源5发出的红外线经过直角棱镜8反射后能够被双通道红外探测器4接收。

本发明中检测量程调节模块由微控制单元12、滑动轨道14、连接滑块15以及舵机16组成。连接滑块15固定于气体传感器外筒II上，可在滑动轨道14上自由滑动。因为舵机16的旋转角与其控制端输入的脉宽调制信号有关，所以微控制单元12根据不同检测量程的需求，输出相应的脉宽调制信号，使舵机16旋转一定的角度，舵机16的旋转通过杠杆带动连接滑块15在滑动轨道14上滑动，从而改变了气体传感器的光程，即调整了检测量程。

本发明中的光程依据NDIR型气体传感器的基本原理是当红外线通过待测气体时，这些待测气体分子对特定波长的红外线有吸收作用，其吸收关系服从朗伯-比尔吸收定律I＝I_o·e^(-Kcl)，其中，I为接收光强度；I_o为入射光强度；K为摩尔吸光系数；c为待测气体浓度，l为光程，待测气体的浓度表达式为此外，将接收光强度I与入射光强度I_o的比值定义为透射比T，即则待测气体的浓度表达式为

已知lnT＝-Kcl，两边微分得两边同除以lnT得此时令ΔT＝1(即透射率为1个单位)，可得出检测浓度偏差随透射比T变化的关系曲线如图1所示。由图1分析可知当透射比T在20％～60％之间时，待测气体的检测浓度偏差较小，而当透射比T较大或者较小时，引起的检测浓度偏差都将增大，且当透射比T_o＝0.368时，引起的检测浓度偏差存在最小值 $\frac{\mathrm{\Δc}}{c}=-2.718.$

本发明通过多点标定的方法，首先确定透射比在最优值T_o处，此时，待测气体的浓度表达式为其中摩尔吸光系数K对于每一种待测气体来说都是固定的，是一个常数，即可根据常用检测浓度点标定光程确定检测量程与光程之间的关系，建立待测气体的浓度检测模型。选取待测气体常用检测浓度点c₁、c₂、c₃...c_n，代入上式得到相对应的光程l₁、l₂、l₃...l_n，并将光程转换为舵机16的旋转角，最终得到不同检测量程档位与舵机16旋转角的关系模型，录入微控制单元12中。此外，待测气体浓度检测模型依据多点标定建立，配制标准浓度待测气体c₁，在相应的检测量程处进行检测记录双通道红外探测器4输出的参比电压V₀₁和测量电压V₁₁，以此类推，得到待测气体标准浓度c_n与相应参比电压V_0n和测量电压V_1n的关系模型，录入微控制单元12中。

本发明中外围电路模块由光源驱动单元9、信号处理单元10、A/D转换单元11、微控制单元12、输出单元13组成。光源驱动单元9驱动电调制宽带红外光源5发出稳定的红外线，并进行一定频率的调制，信号处理单元10对双通道红外探测器4输出的参比信号和测量信号进行放大及滤波处理，由A/D转换单元11将处理后的模拟信号转换为数字信号供微控制单元12进行数据分析，根据已经建立的待测气体浓度检测模型计算出对应的浓度值，最后经输出单元13输出。

如图6所示，为本发明传感系统的工作流程图，开始进行气体浓度检测时，系统首先询问用户是否自动检测，若进入自动检测，舵机调整气体传感器的检测量程至初始量程c₀，微控制单元根据双通道红外探测器输出的参比信号与检测信号判断此时检测气体的浓度是否超出了该检测量程，若未超出该检测量程，则输出检测信息；若超出该检测量程，则舵机调整气体传感器的检测量程至c₁，再由微控制单元进行如上判断，以此类推，直至气体传感器在最佳的检测量程上对待测气体进行检测。若已知待测气体的大概浓度范围，可手动输入检测量程，省去了系统自动判断检测量程的步骤，并且当微控制单元判断待测气体浓度已经超出手动输入的检测量程，系统会提示用户是否转为自动检测，用户可选择继续手动输入检测量程或者转为自动检测。此外，本传感系统还可根据输入的气体浓度上限值用于预警，即当气体传感器检测出待测气体的浓度大于上限值时进行报警提示。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种量程可调型气体传感器，其特征在于：包括由内筒和外筒组合成的封闭气室，气室上开有待测气体进气口和待测气体出气口，气室内一侧设有电调制宽带红外光源、窄带滤波片、双通道红外探测器，另一侧设有直角棱镜，所述电调制宽带红外光源、窄带滤波片、双通道红外探测器以及直角棱镜的中心位置均在同一基准面上，且直角棱镜的反射偏移量与电调制宽带红外光源和双通道红外探测器之间的间距相同，外筒可沿气室的轴线方向相对内筒移动；

所述电调制宽带红外光源发出的红外线由直角棱镜反射后，射向窄带滤波片，由窄带滤波片滤波后被双通道红外探测器接收。

2.如权利要求1所述量程可调型气体传感器，其特征在于：所述气室的内壁为镀金反射膜。

3.一种传感系统，包括如权利要求1或2所述量程可调型气体传感器，其特征在于：还包括连接滑块、滑动轨道、舵机、微控制单元、光源驱动单元、信号处理单元、A/D转换单元以及输出单元，所述连接滑块一端固定于外筒外壁，另一端置于滑动轨道上，连接滑块还与舵机连接，舵机旋转带动连接滑块在滑动轨道上滑动，舵机与微控制单元连接，微控制单元分别与光源驱动单元、A/D转换单元以及输出单元连接，光源驱动单元与电调制宽带红外光源连接，A/D转换单元与信号处理单元连接，信号处理单元与双通道红外探测器连接。

4.如权利要求3所述传感系统，其特征在于：所述微控制单元的型号为MSP430F149。

5.一种传感方法，利用如权利要求3所述传感系统实现，其特征在于：将光程公式中的透射比T设为定值，该定值大小为浓度偏差最小时对应的透射比T_o，配制已知浓度为c_i的气体，其对应的光程为将上述光程转换为舵机的旋转角度存储在微控制单元中；将已知浓度为c_i的气体在对应光程为l_i的传感系统中检测，记录各个浓度气体对应输出的参比电压和测量电压并存储在微控制单元中；得到c_i、l_i、旋转角度之间的对应关系；

对待测气体浓度进行检测时，调整舵机的初始角度，判断当前输出的参比电压和测量电压是否超过初始角度对应的参比电压和测量电压，若未超出则输出检测结果，若超出则调整舵机进入浓度为c₁的气体对应的旋转角度，再次进行上述判断，以此类推，直至输出检测结果，c_i为气体浓度，i＝1…n为自然数，K为摩尔吸光系数。