CN105067554A - 一种有关ndir红外sf6传感器装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外传感器技术领域，具体是一种利用红外光谱吸收原理的有关NDIR红外SF6传感器装置及方法，包括光学腔体、MEMS光源、红外探测器、探测器电路板和主电路板，光学腔体包括内光管、透气膜和外套壳体，传感器光学腔体采用对流式扩散结构和双层透气膜结构；主电路板电路包括电源管理电路及传感器红外光源驱动电路，传感器红外光源驱动电路为恒功率驱动；主电路板上设有输出接口UART、RS-485串行通信电路、4-20mA变送器电路。本装置采用对流式扩散设计，响应时间快，双层透气膜设计响应时间短，提高湿气干扰能力；采用恒定功率驱动电路，探测器信号放大采用仪表放大形式，使得模组在硬件上的模拟信号的长期稳定性有所提高；输出接口多样化，兼容性高。

Description

一种有关NDIR红外SF6传感器装置及方法

[技术领域]

本发明涉及红外传感器技术领域，具体是一种利用红外光谱吸收原理的有关NDIR红外SF6传感器装置及方法。

[背景技术]

随着当今科技的发展，SF₆气体的应用领域不断扩展，如：电力、环保、冶金和微电子等众多领域。在电力行业，SF₆主要用作电气绝缘介质和灭弧剂。SF₆作为绝缘介质，在保证电气设备运行安全可靠的同时，可使设备小型化，降低了设备成本。目前大多数大功率变压器、高压断路器、气体绝缘组合开关电器、互感器等都使用SF₆做绝缘介质，极大地降低了火花放电和电弧对设备造成的危害。另外，SF₆还用于各种加速器、超高压蓄电器、同轴充气电缆和微波传输的绝缘介质。

全球每生产大约8500吨SF₆气体中，约有一半以上用于电力行业，其中，80％用于中高压电力设备中。SF₆用于电气设备中，一方面可使设备小型化，另一方面增强了绝缘设备的可靠性。但是，由于电力设备的制造工艺、安装方法和设备老化等因素，高压设备中的SF₆气体也会存在泄漏现象。SF₆气体一旦发生泄漏，对电力设备、人身安全和环境的危害表现在四个方面：第一，SF₆气体的绝缘强度和灭弧能力取决于SF₆气体的密度。当SF₆气体泄漏时，会导致设备的绝缘强度降低，以及断路器等气室的开断容量降低，影响电力设备的可靠运行。第二，由于水分等杂质的影响，电弧放电会导致SF₆产生分解，而这些分解物会对人的皮肤、黏膜等产生刺激作用，如果大量吸入，会引起肺水肿和头晕，甚至有致人死亡的可能。第三，SF₆是人造温室效应气体之一，并具有严重的危害，因为SF₆气体比CO₂对温室效应的影响大得多。此外，SF₆气体性质稳定，难以分解，当在环境中达到一定量时，会对环境产生严重影响。

针对这一问题，《电业安全工作规程》(发电厂和变电站部分)规定，装有SF6设备的配电室必须保证SF₆浓度小于1000ppm，除须装设强力通风装置外，还必须安装能报警的氧含量和SF₆气体浓度检测装置。可见，为保障人员安全和设备正常工作，对高压设备附近SF₆含量的检测具有十分重要的意义，而且，越早发现泄漏也就越能降低危险的可能性。

国内市场SF₆传感器模组，市场占有量最大的是德国smartgas的SF₆模组。从2008年至今，该模组一直是国内电力行业内最大的供应商。这个模组的不足之处是零点漂移频繁，用户需要定期校准零点；光学核心部分是塑料镀金，材质脆，容易破碎；默认工作温度范围是0到50度，不适合宽的温度范围，比如从-20到60℃，国内一些电力高压设备安装位置有的在野外，环境温度超过50度也是常有的；采用海面做透气膜，透气性好，但是抵抗湿气的能力差；接口单一，只有UART输出，把基本的电源+、电源地-、RX、TX四线制硬件上做成三线制，即把RX和TX复用，增加客户硬件上复杂度和软件上的解码难度。

[发明内容]

本发明针对以上SF6传感器模组存在的工作温度范围小、抵抗湿气能力差、零点漂移和客户接口单一等问题，在结构设计和电路设计上做了对应性的改进，设计一种使用温度范围宽泛、减少湿气干扰、气体扩散速度快、性能稳定并可提供多种客户接口的有关NDIR红外SF6传感器装置及方法。

为了实现上述目的，设计一种有关NDIR红外SF6传感器装置，包括光学腔体、MEMS光源、红外探测器、探测器电路板和主电路板，所述的光学腔体包括内光管10、透气膜1和外套壳体2，所述的内光管10与外套壳体2为紧配合结构，两端间隙部分灌满环氧树脂，外套壳体2和主电路板9之间通过螺钉8固定，外套壳体2右部探测器电路板上的6芯排针13与主电路板9焊接在一起，外套壳体2顶部和底部均设有透气槽；所述的光源5设在外套壳体左内腔的光源侧板7上，探测器11焊接在探测器侧板12上；所述的传感器光学腔体采用对流式扩散结构和双层透气膜结构；所述的主电路板电路包括电源管理电路及传感器红外光源驱动电路，所述的传感器红外光源驱动电路为恒功率驱动；所述的主电路板上设有输出接口UART、RS-485串行通信电路、4-20mA变送器电路以及单总线的三线制UART接口电路。

所述的对流式扩散结构为：外套壳体2是一种长方体外形，顶端开透气槽，贴有透气膜1，底部开放，侧板上设有较长透气槽，并罩有透气罩6，所述的外套壳体2和主电路板利用螺钉8和排线13连接。

内光管10圆周上设有透气孔，圆周包裹透气罩6，红外光源5和探测器11分别安装在内光管10的左右两端，红外光源5的电源引线顺着外套壳体2内侧引到对面探测器侧板12上。

所述的电源管理电路由MCU控制电路、信号采集与调理电路、温度补偿电路、光源驱动电路、接口/通讯电路组成，所述的电源管理电路的信号端连接MCU控制电路的信号端，在MCU控制电路的三个数模信号转换端分别设有信号采集与调理电路及温度补偿电路，在MCU控制电路的两个输出信号端分别连接光源驱动电路及接口/通讯电路。

所述的传感器红外光源驱动电路由芯片U9的1号管脚连接电阻R11、R12及三极管Q6的集电极，三极管Q6的发射极连接LAMP+端，并抽头一端串联电阻R14及电阻R28后接地，电阻R14及电阻R28之间引出一端作为输出端Vout，芯片U9的2号管脚连接至VIN7V输入端，芯片U9的3号管脚连接高电平电压VCC5V，并抽头一端连接电容C7后接地，芯片U9的5号、7号、9号管脚接地，芯片U9的15号管脚接U10的2号管脚，3号管脚接电阻R61后接地，并抽头一端连接电阻R60后接高电平电压VCC5V，电阻R61两端并联电容C33，U10的8号管脚接VIN7V，并抽头一端接极性电容C52后接地，极性电容C52两端并联电容C32，U10的1号管脚连接电阻R24后接至三极管Q6的基极，U10的1号管脚抽头两端，一端连接二极管D2后接至三极管Q7的集电极，三极管Q7的发射极接地，三极管Q7的基极连接电阻R27后接至DRIVER端，U10的1号管脚另一端连接极性电容C6，所述的芯片U9采用功率监视芯片MAX4211EEUE。

所述的RS-485串行通信电路的运算放大器模块U4A的4号管脚连接TXD端，运算放大器模块U4A的2号、3号管脚相接后接至EN_SP端，并抽头一端连接电阻R77后接地，U4A的1号脚接电阻R76后接至VCC3.3V，U4A的6号管脚接有电阻R71后接至VCC5V，并抽头一端依次连接电阻R74、保险丝F1后作为485A输出端，运算放大器模块U4A的7号管脚依次连接电阻R75、保险丝F2后接至485B输出端，运算放大器模块U4A的6号、7号管脚之间并联电阻R73，电阻R73两端并联稳压管D5及D6，稳压管D5及D6的负极接地，运算放大器模块U4B的一端接VCC5V，另一端接地，，运算放大器模块U4B的两端并联电容C48。

所述的4-20mA变送器电路由芯片U16控制，芯片U16的1号管脚接高电平电压VCC8V，并抽头一端连接电容C61后接地，芯片U16的2号管脚接至三极管Q11的发射极，并抽头一端连接电阻R83后接至MOS管Q12的源极，芯片U16的3号管脚接三极管Q11的集电极后接至MOS管Q12的门极，三极管Q11的基极连接至MOS管Q12的源极，MOS管Q12的漏极连接电阻R84后接至4-20mA输出端，电阻R84的另一端连接电容C63后接地，电容C63两端并联电阻R89，MOS管Q12的漏极另抽出一端连接电容C62后接地，芯片U16的4号、5号管脚之间连接电容C64，芯片U16的9号、10号管脚相连后接地，芯片U16的6号管脚接电阻R88,芯片U16的7号管脚连接电阻R85后接地，并抽头一端连接电阻R86后接高电平电压VCC5V。

一种有关NDIR红外SF6传感器装置的制造方法，电路板上设有光源驱动电路，控制红外光源发出脉冲红外光，经过光学腔体汇聚，使得光线进入探测器敏感面，探测器敏感面接收到红外光线后，产生微弱电信号，经过电路板上模拟放大电路，滤波、放大然后进入电路板上的CPU的AD输入口，AD转换后变成数字信号，CPU对信号一系列处理，查表运算，最后计算气体浓度值；

包括以下步骤：

a.将内光管、光源、探测器、小灯板、探测器侧板、透气膜、高温导线全部装配好之后，然后整体胶封在外套壳体内，光学腔体装配体与电路板的固定螺钉和6芯排针连接在一起，电路板有电源管理模块、光源驱动模块、信号放大模块以及输出接口模块几个部分；

b.传感器制作完毕后，需要高低温循环，然后进行温度、浓度二维标定试验，得到二维标定数据表格，CPU处理后的特征数据，需要通过查表计算，最后得到气体浓度数值；

c.SF6红外气体传感器完成光源驱动、信号采集与调理、温度测量以及数据通信功能，红外探测器输出测量信号、参考信号比较微弱，需经过信号采集与调理电路放大滤波送入单片机的A/D转换口，温度补偿电路测量环境温度变化，将温度信号送入单片机A/D转换口，经过单片机A/D转换，并通过程序算法处理后得到数字量，随后将这些数字量由接口/通讯电路送入到上位机；

d.所述的红外光源恒功率驱动电路基于功率监视芯片MAX4211，通过采集光源两端的电压和电流，并经反馈环节维持电流与电压的乘积保持动态平衡，MAX4211EUEE芯片集成了一个电流检测电阻和一个模拟乘法器，其中电流检测电阻是用来检测负载电流，它提供的模拟输出电压是正比于该负载电流，这个电压送到乘法器，乘以光源两端的电压，得到一个正比于功率的电压，MAX4211EUEE通过采集负载电流和光源电压达到功率平衡；

e.恒功率电路模拟乘法器要求输入电压Vin应接近1V，因此，通过电阻R14、R28分压使得Vin接近1V，电阻R60、R61分压得到LM358的第三脚电压正比于输出功率，且正比率为1V/W，设置该引脚电压为0.45V即可获得450mW的输出功率，DRIVER信号连接到单片机的I/O口，由单片机I/O口驱动，选用占空比为50％，调制频率为0.64Hz电压脉冲对红外光源进行驱动；

f.电源电路采用DC/DC电路，将用户供电电压转换为8V，再利用LDO电路，实现8V到7V的转换，8V到5V的转换，5V到3.3V的转换；

g.对外接口电路有RS232通讯电路、RS485电路与4-20mA变送器接口电路，RS232接口用于传感器与上位机之间的短距离通信，通过上位机读取传感器信息，RS485接口是用于多负载长距离传输，4-20mA变送器接口采用4-20变送器电路，当气体的浓度值超过某一特定值时，进行报警，所述的RS485采用双绞线差分传输方式，将其中一线定义为A，另一线定义为B，A、B之间的正电平为+2～+6V，表示逻辑状态为“1”，A、B之间的负电平为-2～-6V，表示逻辑状态为“0”，RS485标准的最大传输距离约为1200m，最大传输速率为10Mbps，所述的RS485采用SP485E芯片作为RS485转换器，该芯片使用5V供电，所述的4-20mA变送器电路选用XTR111芯片，其中电压与电流转换关系与设置电阻Rset有关，即电阻R85，该电阻的选取原则为：其中，Vin为第6引脚的输入DAC电压的值，Iout为输出电流，最小值为4mA，最大值为20mA。

本发明同现有技术相比，其优点在于：

1.本装置采用对流式扩散设计，响应时间快，双层透气膜设计既保证了传感器响应时间短，又提高湿气干扰能力；

2.其中的传感器红外光源驱动电路采用恒定功率驱动电路，探测器信号放大采用仪表放大形式，使得模组在硬件上的模拟信号的长期稳定性有所提高；

3.设有UART接口、UART单总线接口、485接口，提供MODBUSRTU、MODBUSASCII和自定义协议、4-20mA接口，输出接口多样化，兼容性高；

4.核心内光管采用金属材料，内光管两端安装孔同轴加工，保证不同温度下，光线的角度不发生变化，有利于宽的环境温度范围。

[附图说明]

图1是本发明的分解结构示意图；

图2是本发明的结构剖视图；

图3是本发明硬件系统总体架构框图；

图4是本发明中传感器红外光源驱动电路原理图；

图5是本发明中电源管理模块框图；

图6是本发明中通讯接口示意图；

图7是本发明中RS-485串行通信电路图；

图8是本发明中4-20mA变送器电路图；

图中：1.透气膜2.外套壳体3.高温导线4.红外窗口5.红外光源6.透气罩7.光源侧板8.螺钉9.主电路板10.内光管11.探测器12.探测器侧板13.排线14.环氧树脂；

指定图1为本发明的摘要附图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作进一步说明，这种装置的结构和原理对本专业的人来说是非常清楚的。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。

本发明温度范围宽泛，并能减少湿气干扰、气体扩散速度快、性能稳定并可提供多种客户接口的NDIR红外SF₆传感器装置。其中工作温度范围的扩展依靠选择合适材料和装配工艺实现，抵抗湿气干扰和提高传感器的气体扩散速度是依靠优化设计结构来完成的；零点漂移和客户接口多样化是依靠硬件电路的优化改进实现的。

本装置分为光学腔体装配体和电路板两大部分。其中光学腔体装配体采用对流式扩散结构和双层透气膜设计，电路板按照功能分块设计。

如图1及图2所示，本装置由内光管、外套壳体、红外光源、探测器以及电路板等组成，内光管与外套壳体为紧配合结构，外套壳体的三周侧边设有筋板，较长侧边有两段稍微短一些，有利于气体进入，又具备相当的机械强度，内光管与外套壳体两端间隙部分灌满环氧树脂，外套壳体和主电路板之间通过螺钉固定，外套壳体右部探测器电路板上的6芯排针与主电路板焊接在一起，外套壳体顶部和底部均设有透气槽；光源设在外套壳体左内腔的光源侧板上，探测器焊接在探测器侧板上；内光管和外套壳体顶部都贴有防水透气膜，粘结材料采用使用环氧树脂，结实牢靠，这种双层设计基本保证高湿环境下，内光管圆周开有透气孔，气体可以从内光管周围自由扩散，内光管内部没有水滴凝结，提高自由扩散的速度，从而缩短传感器的响应时间，大幅度降低湿气干扰。内光管材质采用导热性很好的铜管或者铝管，使得内光管处于温热状态。内光管外层紧密贴有一层防水透气罩，透气罩缠绕在内光管外表面，在接缝处采用环氧树脂粘结，使得防止热能散失，与内光管紧贴的外套壳体采用塑料材质，不宜散热，这样光源外壳散发的余热全部封闭在内，使得内光管的温度高于环境温度2到5度左右。这样设计非常巧妙地利用了余热，避免环境湿气在内光管内壁凝结成液滴，提高了传感器抵抗湿气干扰的问题，无需外部加热，利用自身的热量解决这个问题。

本发明中红外光源采用MEMS红外光源，可以发出15um以下的红外光，性能稳定，调制频率100Hz时，强度可以到1Hz时的六分之一，红外探测器采用热释电探测器，内部集成运放，信噪比高。红外光源焊接在光源侧板上，光源引线一端焊接在光源侧板侧边，另外一端焊接在探测器侧板上。该引线材料采用高温导线，顺着内光管侧壁和外套壳体内壁夹缝，连接到探测器侧板，顺着外套壳体内壁引到探测器侧板一端焊接，实现给光源供电。

MEMS红外光源的聚光罩前端使用环氧树脂粘结一个宽光谱高透过率的红外窗口，材料可以选择BaF2。该窗口可以透过从2.5到12um的红外光，在12um处的透过率可以达到80％，在SF6测量波长10.6um的透过率达到90％，在参考波长3.9um处的透过率达到95％。安装红外窗口的意义有2个好处：一个是隔绝外界气体与MEMS光源发热体直接接触，一方面延长MEMS光源使用寿命，另外一个方面隔绝可燃气体与发光体直接接触，成为引爆隐患；另外一个是避免气流大小对光源发热平衡的影响，提高产品稳定性。

红外探测器安装在内光管的另外一端，且内光管端部探测器安装孔，设计为台阶沉孔，和探测器外围尺寸配合，并设置有探测器定位槽，保证探测器的安装位置固定，提高产品装配一致性。探测器的4个管脚以及2根高温导线共6根，焊接在探测器侧板上。

其中光学腔体装配体是红外气体传感器设计一个核心环节，各个光学组件装配细节和各个组件的品质共同决定着传感器的光学指标，从而最终也影响着传感器的使用性能。该光学腔体装配体采用内光管和外防护壳分离式结构，该分离式结构设计简化了制造工艺，降低了制造和维护成本。详细来说，利用分离式腔体结构，具有以下两个方面的优点：

(1)该结构实现红外探测器与红外光源的同轴安装。红外探测器是NDIR气体传感器的核心部件，传感器检测精度很大程度取决于红外探测器的性能高低，为了确保红外探测器得到较强的稳定信号，光线入射角要控制在正负15度以内，最好是入射角为0度，那样探测器的探测率达到最大值。因此在内光管一端精确加工红外探测器安装孔，在另外一端加工红外光源安装孔，内光管两端的安装孔加工，最好在同一台机床上完成，以期获得最好的同轴度。即使在红外探测器侧板和光源侧板上焊接孔位置有一定的偏差，仍然能够保证光源和探测器安装孔的同轴性，从而确保红外光源、探测器和内光管位于同一光学中心轴上。

光源与探测器同轴安装设计具有以下三个方面优点：(a)红外探测器入射光线垂直照射敏感面时，入射角为零，探测器的探测率最大；(b)环境温度变化引起的热胀冷缩使得光学腔体沿着轴线方向伸缩，只是引起吸收光程的微小变化，入射光线偏移最小，从而受到环境温度干扰就越小；而且内光管材质采用金属，在工业环境温度-40到70度范围内，温度化带来的弯曲变形基本可以忽略，也就是说基本可以忽略由此引起的入射光线的偏移。(c)有利于提高传感器生产装配的一致性，提高传感器性能的一致性。

(2)采用分离式腔体结构，相对传统一体化加工，结构简化。内光管和外防护壳可以分别开模具制作，批量加工，从而实现模块化和标准化，带来的结果就是传感器加工大幅度降低，成本也不到以往技术的1/3。

湿气干扰是红外气体传感器设计和使用中一个必须考虑和解决的问题。湿气干扰从2个方面影响传感器信号输出：一个是水气在红外波段瀑布式吸收引起交叉干扰；另外一个是水气在光学组件的反光面上凝结成液滴，直接影响光线的反射和传输。这2种类型的干扰问题就其严重性来说，水气凝结带来的误差会更大，比交叉干扰引起的误差要大得多，必须解决。大型设备可以采用加热方式来解决这个困扰，比如带加热功能的浴室反光镜，带加热功能的汽车反光镜以及在红外气体分析仪器中使用加热带，都可以解决水气在光学表面凝结问题。但是传感器受尺寸和功耗考虑，难以采用这个加热的办法。本发明采用透气膜和透气罩组成的双层透气膜，间隙不大于2个毫米，构成一个局部小空间，收集红外光源的散热，使得内光管内温度总比外防护壳的温度高2度以上，从而保证水气不会在内光管内壁上凝结。

光学腔体装配体与电路板依靠2端的固定螺钉和6芯排针连接在一起。电路板有电源管理模块、光源驱动模块、信号放大模块以及输出接口模块几个部分，特别在红外光源驱动电路模块、信号放大和输出接口方面解决了现有传感器长期稳定性和输出多样性问题。

电路板上设置有红外光源驱动电路模块，控制红外光源发出脉冲红外光，经过光学腔体汇聚，使得光线进入探测器敏感面。探测器敏感面接收到红外光线后，产生微弱电信号，经过电路板上模拟放大电路，滤波、放大然后进入电路板上的CPU的AD输入口，AD转换后变成数字信号，CPU对信号一系列处理，查表运算，最后计算气体浓度值。气体通过透气膜自由扩散进入腔体，吸收特定波长的红外线，对应波长的测量通道的电压发生变化，那么对应数字变化量越大，表示气体浓度越高，从而达到测量浓度的目的。参考通道信号仅仅与光源衰减和腔体内壁的污染有关，与气体浓度变化无关，二者参比就可以排除干扰，得到一个只对浓度信息变化的数值。

传感器制作完毕后，需要高低温循环，然后进行温度、浓度二维标定试验，得到二维标定数据表格，CPU处理后的特征数据，需要通过查表计算，最后得到气体浓度数值。

硬件系统总体架构框图如图3所示，主要完成光源驱动、信号采集与调理、温度测量以及数据通信等功能，红外探测器输出测量信号、参考信号比较微弱，需经过信号采集与调理电路放大滤波送入单片机的A/D转换口，温度补偿电路测量环境温度变化，将温度信号送入单片机A/D转换口。经过单片机A/D转换，并通过程序算法处理后得到数字量，随后将这些数字量由接口/通讯电路送入到上位机。

下面逐一介绍主电路板各个模块，第一个是红外光源驱动电路，如图4所示。

红外光源驱动电路有很多调制方式：如机械斩波调制，电调制等方式，由于机械斩波调制机械结构笨重繁琐、噪声干扰大，而电调制易于控制，因此，本发明采用电调制的方式进行光源驱动。常用的电调制有恒压式、恒流式以及恒功率式三种方式。

本发明设计的驱动电路是基于功率监视芯片MAX4211的恒功率电路，其工作原理是采集光源两端的电压和电流，通过反馈环节维持电流与电压的乘积保持动态平衡。MAX4211EUEE芯片集成了一个电流检测电阻和一个模拟乘法器。其中电流检测电阻是用来检测负载电流，它提供的模拟输出电压V_sense是正比于该负载电流。这个电压送到乘法器，乘以光源两端的电压，得到一个正比于功率的电压。MAX4211EUEE通过采集负载电流和光源电压达到功率平衡。MAX4211EUEE原理是将电流检测电阻连接在放大器RS+与RS-之间，当这个电阻中有电流通过时，就会有压降，该电压送至乘法器与光源反馈电压的乘积得到POUT端的电压V_POUT，该电压正比于输出功率：

V_POUT＝AV_POUT×V_sense×V_IN(1)

其中，AV_POUT为功率放大监视器的放大增益，V_IN为光源的反馈电压，由式(1)可知，恒功率电路是通过代表电流的V_sense以及代表光源电压的V_IN的共同调节来达到V_POUT的恒定。

基于上述恒功率电路的设计原理，本发明恒功率电路如图4所示。模拟乘法器要求输入电压Vin应接近1V，因此，通过电阻R14、R28分压使得Vin接近1V，即图4中的Vout电压接近1V。电阻R60、R61分压得到LM358的第三脚电压正比于输出功率，且正比率为1V/W，设置该引脚电压为0.45V即可获得450mW的输出功率。DRIVER信号连接到单片机的I/O口，由单片机I/O口驱动。本发明选用占空比为50％，调制频率为0.64Hz电压脉冲对红外光源进行驱动。

本设计对于电路的稳定性有很高的要求，这就需要电源电路具有很好的稳定性。在电源电路设计中需要考虑电源噪声问题。目前常用的直流稳压电源有线性电源和开关电源两大类。本发明电源管理框图如图5所示。对于本发明中的电源电路，先采用DC/DC电路，将用户供电电压转换为8V，再利用LDO(LowDropoutVoltage)电路，实现8V到7V的转换，8V到5V的转换，5V到3.3V的转换。

本发明的对外接口电路有RS232通讯电路、RS485电路与4-20mA变送器接口电路。通讯接口电路图如图6所示。其中，RS232接口用于传感器与上位机之间的短距离通信，通过上位机读取传感器信息。RS485接口是用于多负载长距离传输，4-20mA变送器接口也可以长距离传输，可用于设置报警功能。RS485电路是串行数据接口的标准。相比RS232通信距离短、速率低等缺点，RS485一方面弥补了这些不足，同时，它还增加了多点、双向通信能力，允许多个发送器连接到同一条总线上。RS485双绞线差分传输方式，将其中一线定义为A，另一线定义为B，A、B之间的正电平为+2～+6V，表示逻辑状态为“1”，A、B之间的负电平为-2～-6V，表示逻辑状态为“0”。RS485标准的最大传输距离约为1200m，最大传输速率为10Mbps。利用RS485标准，建立起了一个相对经济、具有高噪声抑制、高速率通信传输平台，该平台同时具有传输距离远、宽共模范围、控制方便等优点。本设计的RS485串行通信电路图如图7所示。本设计采用SP485E芯片作为RS485转换器，该芯片使用5V供电。

4-20mA.DC(1-5V.DC)信号制是国际电工委员会(IEC)过程控制系统用模拟信号标准。在工业现场一般大量采用电流来传输信号，采用电流信号的原因是不容易受干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警下限。为方便客户使用，本设计中采用了4-20mA变送器电路，当气体的浓度值超过某一特定值时，进行报警。4-20mA变送器电路选用XTR111芯片进行设计，具体电路图如图8所示。XTR111芯片构成的4-20mA电路能有效地实现电压电流的转换，并且相比AD694等电压电流转换芯片来说，价格便宜了很多。在图8所示的电路中，电压与电流转换关系与设置电阻Rset有关，即图8中的R85，该电阻的选取原则为：

$R_{SET}=10*\left(\frac{V_{VIN}}{I_{OLT}}\right)---\left(2\right)$

其中，Vin为第6引脚的输入DAC电压的值，Iout为输出电流，最小值为4mA，最大值为20mA。为了使运放的偏置电流为零，在芯片的第6引脚串接一个与Rset大小相等的电阻。在第7引脚，串入一个电阻R86，作用是在实现0-20mA与4-20mA转换时，绝对零点有时候存在误差，所以，通过使用该电阻略微提高该绝对零点，减小测量误差。

本发明给客户提供了灵敏度校准和清洁空气校准命令，方便客户根据现场需要调整精确度。

信号输出：模拟电压输出，UART输出，PWM波形输出，485(modbus三种协议可选，MODBUSRTU、MODBUSASCII或者MODBUS自定义)输出；

接口定义：4芯的2.54间距的插座作为用户接口。

232接口，VCCGNDRXTX

485接口，VCCGND485-A485-B

4-20mA接口，VCGND4-20mA

本发明使用的校准命令字如下：

零点校准：235731363621；返回#W166！

读数据：235237363521；返回#R765！

Claims (8)

1.一种有关NDIR红外SF6传感器装置，包括光学腔体、MEMS光源、红外探测器、探测器电路板和主电路板，所述的光学腔体包括内光管(10)、透气膜(1)和外套壳体(2)，其特征在于所述的内光管(10)与外套壳体(2)为紧配合结构，两端间隙部分灌满环氧树脂，外套壳体(2)和主电路板(9)之间通过螺钉(8)固定，外套壳体(2)右部探测器电路板上的6芯排针(13)与主电路板(9)焊接在一起，外套壳体(2)顶部和底部均设有透气槽；所述的光源(5)设在外套壳体左内腔的光源侧板(7)上，探测器(11)焊接在探测器侧板(12)上；所述的传感器光学腔体采用对流式扩散结构和双层透气膜结构；所述的主电路板电路包括电源管理电路及传感器红外光源驱动电路，所述的传感器红外光源驱动电路为恒功率驱动；所述的主电路板上设有输出接口UART、RS-485串行通信电路、4-20mA变送器电路以及单总线的三线制UART接口电路。

2.如权利要求1所述的一种有关NDIR红外SF6传感器装置，其特征在于所述的对流式扩散结构为：外套壳体(2)是一种长方体外形，顶端开透气槽，贴有透气膜(1)，底部开放，侧板上设有较长透气槽，并罩有透气罩(6)，所述的外套壳体(2)和主电路板利用螺钉(8)和排线(13)连接。

3.如权利要求1所述的一种有关NDIR红外SF6传感器装置，其特征在于内光管(10)圆周上设有透气孔，圆周包裹透气罩(6)，红外光源(5)和探测器(11)分别安装在内光管(10)的左右两端，红外光源(5)的电源引线顺着外套壳体(2)内侧引到对面探测器侧板(12)上。

4.如权利要求1所述的一种有关NDIR红外SF6传感器装置，其特征在于所述的电源管理电路由MCU控制电路、信号采集与调理电路、温度补偿电路、光源驱动电路、接口/通讯电路组成，所述的电源管理电路的信号端连接MCU控制电路的信号端，在MCU控制电路的三个数模信号转换端分别设有信号采集与调理电路及温度补偿电路，在MCU控制电路的两个输出信号端分别连接光源驱动电路及接口/通讯电路。

5.如权利要求1所述的一种有关NDIR红外SF6传感器装置，其特征在于所述的传感器红外光源驱动电路由芯片U9的1号管脚连接电阻R11、R12及三极管Q6的集电极，三极管Q6的发射极连接LAMP+端，并抽头一端串联电阻R14及电阻R28后接地，电阻R14及电阻R28之间引出一端作为输出端Vout，芯片U9的2号管脚连接至VIN7V输入端，芯片U9的3号管脚连接高电平电压VCC5V，并抽头一端连接电容C7后接地，芯片U9的5号、7号、9号管脚接地，芯片U9的15号管脚接U10的2号管脚，3号管脚接电阻R61后接地，并抽头一端连接电阻R60后接高电平电压VCC5V，电阻R61两端并联电容C33，U10的8号管脚接VIN7V，并抽头一端接极性电容C52后接地，极性电容C52两端并联电容C32，U10的1号管脚连接电阻R24后接至三极管Q6的基极，U10的1号管脚抽头两端，一端连接二极管D2后接至三极管Q7的集电极，三极管Q7的发射极接地，三极管Q7的基极连接电阻R27后接至DRIVER端，U10的1号管脚另一端连接极性电容C6，所述的芯片U9采用功率监视芯片MAX4211EEUE。

6.如权利要求1所述的一种有关NDIR红外SF6传感器装置，其特征在于所述的RS-485串行通信电路的运算放大器模块U4A的4号管脚连接TXD端，运算放大器模块U4A的2号、3号管脚相接后接至EN-SP端，并抽头一端连接电阻R77后接地，U4A的1号脚接电阻R76后接至VCC3.3V，U4A的6号管脚接有电阻R71后接至VCC5V，并抽头一端依次连接电阻R74、保险丝F1后作为485A输出端，运算放大器模块U4A的7号管脚依次连接电阻R75、保险丝F2后接至485B输出端，运算放大器模块U4A的6号、7号管脚之间并联电阻R73，电阻R73两端并联稳压管D5及D6，稳压管D5及D6的负极接地，运算放大器模块U4B的一端接VCC5V，另一端接地，，运算放大器模块U4B的两端并联电容C48。

7.如权利要求1所述的一种有关NDIR红外SF6传感器装置，其特征在于所述的4-20mA变送器电路由芯片U16控制，芯片U16的1号管脚接高电平电压VCC8V，并抽头一端连接电容C61后接地，芯片U16的2号管脚接至三极管Q11的发射极，并抽头一端连接电阻R83后接至MOS管Q12的源极，芯片U16的3号管脚接三极管Q11的集电极后接至MOS管Q12的门极，三极管Q11的基极连接至MOS管Q12的源极，MOS管Q12的漏极连接电阻R84后接至4-20mA输出端，电阻R84的另一端连接电容C63后接地，电容C63两端并联电阻R89，MOS管Q12的漏极另抽出一端连接电容C62后接地，芯片U16的4号、5号管脚之间连接电容C64，芯片U16的9号、10号管脚相连后接地，芯片U16的6号管脚接电阻R88,芯片U16的7号管脚连接电阻R85后接地，并抽头一端连接电阻R86后接高电平电压VCC5V。

8.一种有关NDIR红外SF6传感器装置的制造方法，其特征在于电路板上设有光源驱动电路，控制红外光源发出脉冲红外光，经过光学腔体汇聚，使得光线进入探测器敏感面，探测器敏感面接收到红外光线后，产生微弱电信号，经过电路板上模拟放大电路，滤波、放大然后进入电路板上的CPU的AD输入口，AD转换后变成数字信号，CPU对信号一系列处理，查表运算，最后计算气体浓度值；

包括以下步骤：

a.将内光管、光源、探测器、小灯板、探测器侧板、透气膜、高温导线全部装配好之后，然后整体胶封在外套壳体内，光学腔体装配体与电路板的固定螺钉和6芯排针连接在一起，电路板有电源管理模块、光源驱动模块、信号放大模块以及输出接口模块几个部分；

b.传感器制作完毕后，需要高低温循环，然后进行温度、浓度二维标定试验，得到二维标定数据表格，CPU处理后的特征数据，需要通过查表计算，最后得到气体浓度数值；

c.SF6红外气体传感器完成光源驱动、信号采集与调理、温度测量以及数据通信功能，红外探测器输出测量信号、参考信号比较微弱，需经过信号采集与调理电路放大滤波送入单片机的A/D转换口，温度补偿电路测量环境温度变化，将温度信号送入单片机A/D转换口，经过单片机A/D转换，并通过程序算法处理后得到数字量，随后将这些数字量由接口/通讯电路送入到上位机；

d.所述的红外光源恒功率驱动电路基于功率监视芯片MAX4211，通过采集光源两端的电压和电流，并经反馈环节维持电流与电压的乘积保持动态平衡，MAX4211EUEE芯片集成了一个电流检测电阻和一个模拟乘法器，其中电流检测电阻是用来检测负载电流，它提供的模拟输出电压是正比于该负载电流，这个电压送到乘法器，乘以光源两端的电压，得到一个正比于功率的电压，MAX4211EUEE通过采集负载电流和光源电压达到功率平衡；

e.恒功率电路模拟乘法器要求输入电压Vin应接近1V，因此，通过电阻R14、R28分压使得Vin接近1V，电阻R60、R61分压得到LM358的第三脚电压正比于输出功率，且正比率为1V/W，设置该引脚电压为0.45V即可获得450mW的输出功率，DRIVER信号连接到单片机的I/O口，由单片机I/O口驱动，选用占空比为50％，调制频率为0.64Hz电压脉冲对红外光源进行驱动；

f.电源电路采用DC/DC电路，将用户供电电压转换为8V，再利用LDO电路，实现8V到7V的转换，8V到5V的转换，5V到3.3V的转换；

g.对外接口电路有RS232通讯电路、RS485电路与4-20mA变送器接口电路，RS232接口用于传感器与上位机之间的短距离通信，通过上位机读取传感器信息，RS485接口是用于多负载长距离传输，4-20mA变送器接口采用4-20变送器电路，当气体的浓度值超过某一特定值时，进行报警，所述的RS485采用双绞线差分传输方式，将其中一线定义为A，另一线定义为B，A、B之间的正电平为+2～+6V，表示逻辑状态为“1”，A、B之间的负电平为-2～-6V，表示逻辑状态为“0”，RS485标准的最大传输距离约为1200m，最大传输速率为10Mbps，所述的RS485采用SP485E芯片作为RS485转换器，该芯片使用5V供电，所述的4-20mA变送器电路选用XTR111芯片，其中电压与电流转换关系与设置电阻Rset有关，即电阻R85，该电阻的选取原则为：其中，Vin为第6引脚的输入DAC电压的值，Iout为输出电流，最小值为4mA，最大值为20mA。