CN106979824A - 一种非分光红外乙烯气体传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非分光红外乙烯气体传感器及其测量方法，包括红外光源、主气室、修正气室、红外滤光片阵列和红外探测器阵列；主气室、修正气室顶部与红外光源相接，主气室、修正气室底部与红外滤光片阵列相接，主气室、修正气室分别设有进气孔和出气孔，主气室、修正气室底部安装多个以十字交叉排列的红外滤光片阵列，红外滤光片阵列分别与红外探测器阵列连接；红外光源输入端与光源驱动电路连接，光源驱动电路输入端与控制电路连接，控制电路输入端与信号处理电路连接，信号处理电路输入端与红外探测器阵列连接。本发明利用气体对特征波长红外光的吸收情况确定气体的浓度，有效解决现有气体传感器温度漂移严重、难以集成化的问题。

Description

一种非分光红外乙烯气体传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及非分光红外(NDIR)传感器设计技术领域，尤其涉及一种非分光红外乙烯气体传感器及其测量方法。

背景技术

随着社会经济和科学技术的不断进步，气体检测技术在日常生活及生产的应用范围越来越广泛，具体集中于工业、农业、环境保护、医疗等领域。乙烯作为一种催熟剂，它的浓度信息对于水果行业或者部门具有重要价值，乙烯气体检测系统的建立将减少运输损失，减少废物管理的费用并且可以限制不必要的运输。

目前气体检测技术主要依赖于气体传感器进行，常见的气体传感器有：电化学传感器、催化燃烧式传感器、固态传感器、光电离传感器、红外传感器等。通过分析比较，红外气体传感器因其良好的选择性、响应速度快、不易中毒和老化、防爆性好、信噪比高等优点，越来越多的民用红外气体传感器走进人们的生活。其原理是基于朗伯-比尔定律和红外光谱吸收原理的，朗伯-比尔定律具体公式为：I＝I₀e^-αcl，其中I₀为没有气体吸收时，红外光源的光强，I为有气体吸收时，红外光源的光强，α为气体吸收系数，c为腔内气体浓度，l为红外光光程。

红外气体传感器又可分为分光型和非分光型，由于非分光型红外气体传感器光学气室结构简单，易于设计和维护，所以实际应用中大多采用非分光乙烯红外气体传感器。但是由于它的一些缺点也限制了NDIR系统的应用，一方面传统NDIR系统的灵敏度受探测器、噪声红外源灵敏度以及红外源和探测器之间的光程影响，另一方面传统NDIR系统一般采用双通道系统，存在成本高、探测下限高等问题。有鉴于此，有必要对现有的红外气体传感器予以改进以解决上述问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种非分光红外乙烯气体传感器及其测量方法，该乙烯气体传感器具有不同光程的双气室结构，温漂小，有效地消除了传感器的特性漂移带来的影响，成本低，市场应用价值大；该传感器利用气体对特征波长红外光的吸收情况确定气体的浓度，并且有效解决现有气体传感器温度漂移严重、难以集成化的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种非分光红外乙烯气体传感器，其特征在于：包括依次连接的光源驱动电路、敏感探头、信号处理电路、控制电路；所述敏感探头包括红外光源、主气室、修正气室、红外滤光片阵列和红外探测器阵列；所述主气室、修正气室顶部与红外光源相接，所述主气室、修正气室底部与红外滤光片阵列相接，所述主气室、修正气室分别设有进气孔和出气孔，所述主气室、修正气室下部之间安装有固定架，所述主气室内侧下部安装有支撑盘，所述主气室和修正气室底部均设置多个以十字交叉排列的红外滤光片阵列，所述红外滤光片阵列分别与红外探测器阵列连接，所述红外探测器阵列与PCB板相连；所述PCB板包含光源驱动电路、信号处理电路和控制电路，所述红外光源输入端与光源驱动电路连接，所述光源驱动电路输入端与控制电路连接，所述控制电路输入端与信号处理电路连接，所述信号处理电路输入端与红外探测器阵列连接。

上述控制电路包括依次连接的AD转换器、信号隔离器、微处理器。

上述微处理器具体采用的是STM32芯片，且微处理器与USB端口连接。

上述光源驱动电路包括运算放大器OPA 547、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、光源R_IR；所述运算放大器OPA 547的同相输入端与微处理器输出端相连，反相输入端与第一电阻R1一端、第二电阻R2一端均相连，所述运算放大器OPA 547输出端与第一电阻R1另一端、第三电阻R3一端和光源R_IR一端相连，第二电阻R2另一端、第三电阻R3另一端和光源R_IR另一端均接地。

上述信号处理电路包括依次连接的信号放大器、信号滤波器、功率放大器，所述功率放大器输出端与AD转换器输入端连接。

上述红外光源的型号为MTRL-17。

上述修正气室和主气室侧壁均设有绝缘绝热板，绝缘绝热板为镀金反射壁面。

上述的一种非分光红外乙烯气体传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通以电源，由抽气泵抽气，进气孔以一定的速率通入标准气体(乙烯浓度为0)；

步骤二：微处理器输出周期性控制信号，所述周期性控制信号为方波，光源驱动电路给红外光源供电，光源辐射出波长范围为1～20μm的红外光波，辐射光波所产生的热量对主气室和修正气室同时进行周期性地传热；

步骤三：红外光源辐射出的红外光大部分入射到主气室经过多次反射后，到达滤光片阵列，经滤光片滤光使得10.5μm的红外光出射到红外探测器阵列上，红外探测器阵列对出射的10.5μm红外光强度进行探测；小部分光入射到修正气室经过多次反射后，到达滤光片阵列，经滤光片滤光使得10.5μm的红外光出射到红外探测器阵列上，红外探测器阵列对出射的10.5μm红外光强度进行探测；其中红外光源通过主气室达到探测器得到的光强信号为I₀，同理，红外光源通过修正气室达到探测器得到的光强信号为I′₀；

步骤四：红外探测器阵列在探测10.5μm红外光强度后产生电压信号，通过信号处理电路进行信号调理，并将调理后的电压信号通过AD转换器转换为数字信号，该信号包含了测量环境的共模信号，例如环境温度的影响，其中气体经主气室得到的平均电压信号为u₀，经修正气室得到的平均电压信号为u′₀，由于得到的电压信号正比于光强信号，所以有：

u₀＝k₁I₀

u′₀＝k₂I′₀

式中k₁和k₂分别为主气室和修正气室的比例因子；

步骤五：将主气室和修正气室得到的数字信号进行相除，去除温度漂移等共模信号对数字信号的影响；

步骤六：重复步骤一到步骤四的过程，不同的是通入不同乙烯浓度的气体，其中红外光源通过主气室达到探测器得到的光强信号为：

式中I₀为没有气体吸收时，红外光源经主气室到达探测器的光强，I₁为有气体吸收时，红外光源经主气室到达探测器的光强，α为气体吸收系数，c为腔内气体浓度，l₁为红外光经主气室的光程；同理，红外光源通过修正气室达到探测器得到的光强信号为：

式中I′₀为没有气体吸收时，红外光源经修正气室到达探测器的光强I₂为有气体吸收时，红外光源经修正气室到达探测器的光强，l₂为红外光经修正气室的光程；气体经主气室得到的平均电压信号为：

u₁＝k₁I₁

气体经修正气室得到的平均电压信号为：

u₂＝k₂I₂

将主气室和修正气室得到的数字信号进行相除，到气体浓度与电压的关系：

对于这个确定的系统，α、l₁和l₂为常数，u₀、u′₀也已测出，所以上式可简化成：

c＝k(ln u₁-ln u₂+m)

式中m＝ln u′₀-ln u₀；

步骤七：根据通入不同乙烯浓度的气体得到变化的数字信号，并拟合曲线关系；

步骤八：当进行未知气体探测时，将标定后的传感器接通电源，通入外界气体(乙烯浓度为0)，重复步骤二至步骤五，检查装置是否正常运行；

步骤九：将标定后的传感器放置于待测气体中，接通电源，由抽气泵抽气，进气孔以一定的速率通入待测气体，重复步骤六，根据得到数字信号的大小来计算出待测气体的浓度。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用双气室反射结构，结合阵列形式，集成化程度高；

(2)本发明采用单通道模式，除了有助于消除温漂带来的影响外，还可以消除传感器的特性漂移带来的影响，成本低、探测参比一体化，符合传感器小型化，智能化发展趋势。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明敏感探头的纵向剖视图。

图2是本发明探测器阵列的俯视图。

图3是本发明信号处理电路框图。

图4是本发明测量方法流程图。

图5是本发明光源驱动电路电路图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，一种非分光红外乙烯气体传感器，其特征在于：包括依次连接的光源驱动电路、敏感探头、信号处理电路、控制电路；所述敏感探头包括红外光源1、主气室9、修正气室3、红外滤光片阵列5和红外探测器阵列8；所述主气室9、修正气室3顶部与红外光源1相接，所述主气室9、修正气室3底部与红外滤光片阵列5相接，所述主气室9、修正气室3分别设有进气孔7和出气孔4，所述主气室9、修正气室3下部之间安装有固定架6，所述主气室9内侧下部安装有支撑盘10，所述主气室9、修正气室3底部均设置多个以十字交叉排列的红外滤光片阵列5，所述红外滤光片阵列5分别与红外探测器阵列8连接；所述红外探测器阵列8与PCB板11相连；所述PCB板11包含光源驱动电路、信号处理电路和控制电路模块；所述红外光源1输入端与光源驱动电路连接，所述光源驱动电路输入端与控制电路连接，所述控制电路输入端与信号处理电路连接，所述信号处理电路输入端与红外探测器阵列8连接。

红外光源1在光源驱动电路驱动下，向外辐射宽谱红外光，其波长范围在1～20μm，满足仪器对红外光波长范围的需要。主气室9与修正气室3内壁镀金，使得待测气体在气室中进行多次反射，充分吸收的红外光，侧壁由绝缘绝热板2构成，其中主气室9侧端设有进气孔7，修正气室3侧端设有出气孔4，通过进出气孔与待测气体环境相通。两个气室共用一个红外光源1，安装在气室的顶部，红外滤光片阵列5分别安装在两个气室的底部，下接红外探测器热电堆阵列，用于探测出射红外光光强，阵列呈十字交叉结构，并与进出气孔连成的斜对角线错开，保证测量的精确度。

如图5所示，所述光源驱动电路包括运算放大器OPA 547、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、光源R_IR，其中运算放大器OPA 547的同相输入端与微处理器输出端相连，反相输入端与第一电阻R1一端、第二电阻R2一端均相连，运算放大器OPA 547输出端与第一电阻R1另一端、第三电阻R3一端和光源R_IR一端相连，第二电阻R2另一端、第三电阻R3另一端和光源R_IR另一端均接地。其中电路电源电压为8；运算放大器的同相输入端输入电压是高电平为5，低电平为0的周期性方波；第一电阻和第二电阻调节电路的放大以提供红外光源之间的电压为之间；第三电阻与光源并联，通过分流来保护红外光源。

本实施例中，所述红外光源1为MTRL-17。

本实施例中，所述修正气室3与主气室9侧壁均设有绝缘绝热板2，绝缘绝热板2为镀金反射壁面。

本实施例中，所述微处理器为但不限于STM32芯片，且微处理器与USB端口连接。

本实施例中，所述控制电路包括依次连接的AD转换器、信号隔离器、微处理器，所述信号处理电路包括依次连接的信号放大器、信号滤波器、功率放大器，所述功率放大器输出端与AD转换器输入端连接。

如图4所示，一种非分光红外乙烯气体传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通以电源，由抽气泵抽气，进气孔7以一定的速率通入标准气体乙烯浓度为0；

步骤二：微处理器输出周期性控制信号，所述周期性控制信号为方波，光源驱动电路给红外光源1供电，光源辐射出波长范围为1～20μm的红外光波，辐射光波所产生的热量对主气室9和修正气室3同时进行周期性地传热；

步骤三：红外光源1辐射出的红外光大部分入射到主气室9经过多次反射后，到达滤光片阵列5，经滤光片滤光使得10.5μm的红外光出射到红外探测器阵列8上，红外探测器阵列8对出射的10.5μm红外光强度进行探测；小部分光入射到修正气室3经过多次反射后，到达滤光片阵列5，经滤光片滤光使得10.5μm的红外光出射到红外探测器阵列8上，红外探测器阵列8对出射的10.5μm红外光强度进行探测；其中红外光源通过主气室9达到探测器8得到的光强信号为I₀，同理，红外光源通过修正气室3达到探测器8得到的光强信号为I′₀；

步骤四：红外探测器阵列8在探测10.5μm红外光强度后产生电压信号，通过信号处理电路进行信号调理，并将调理后的电压信号通过AD转换器转换为数字信号，该信号包含了测量环境的共模信号，例如环境温度的影响，其中气体经主气室9得到的平均电压信号为u₀，经修正气室3得到的平均电压信号为u′₀，由于得到的电压信号正比于光强信号，所以有：

u₀＝k₁I₀

u′₀＝k₂I′₀

式中k₁和k₂分别为主气室9和修正气室3的比例因子；

步骤五：将主气室9和修正气室3得到的数字信号进行相除，去除温度漂移等共模信号对数字信号的影响；

步骤六：重复步骤一到步骤四的过程，不同的是通入不同乙烯浓度的气体，其中红外光源通过主气室9达到探测器8得到的光强信号为：

式中I₀为没有气体吸收时，红外光源经主气室9到达探测器8的光强，I₁为有气体吸收时，红外光源经主气室9到达探测器8的光强，α为气体吸收系数，c为腔内气体浓度，l₁为红外光经主气室9的光程；同理，红外光源通过修正气室3达到探测器8得到的光强信号为：

式中I′₀为没有气体吸收时，红外光源经修正气室9到达探测器8的光强I₂为有气体吸收时，红外光源经修正气室3到达探测器8的光强，l₂为红外光经修正气室3的光程；气体经主气室9得到的平均电压信号为：

u₁＝k₁I₁

气体经修正气室3得到的平均电压信号为：

u₂＝k₂I₂

将主气室9和修正气室3得到的数字信号进行相除，到气体浓度与电压的关系：

对于这个确定的系统，α、l₁和l₂为常数，u₀、u′₀也已测出，所以上式可简化成：

c＝k(ln u₁-ln u₂+m)

式中m＝ln u′₀-ln u₀；

步骤七：根据通入不同乙烯浓度的气体得到变化的数字信号，并拟合曲线关系；

步骤八：当进行未知气体探测时，将标定后的传感器接通电源，通入外界气体乙烯浓度为0，重复步骤二至步骤五，检查装置是否正常运行；

步骤九：将标定后的传感器放置于待测气体中，接通电源，由抽气泵抽气，进气孔7以一定的速率通入待测气体，重复步骤六，根据得到数字信号的大小来计算出待测气体的浓度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种非分光红外乙烯气体传感器，其特征在于：包括依次连接的光源驱动电路、敏感探头、信号处理电路、控制电路；所述敏感探头包括红外光源(1)、主气室(9)、修正气室(3)、红外滤光片阵列(5)和红外探测器阵列(8)；所述主气室(9)、修正气室(3)顶部与红外光源(1)相接，所述主气室(9)、修正气室(3)底部与红外滤光片阵列(5)相接，所述主气室(9)、修正气室(3)分别设有进气孔(7)和出气孔(4)，所述主气室(9)、修正气室(3)下部之间安装有固定架(6)，所述主气室(9)内侧下部安装有支撑盘(10)，所述主气室(9)、修正气室(3)底部均设置多个以十字交叉排列的红外滤光片阵列(5)，所述红外滤光片阵列(5)分别与红外探测器阵列(8)连接，所述红外探测器阵列(8)与PCB板(11)相连；所述PCB板(11)包含光源驱动电路、信号处理电路和控制电路，所述红外光源(1)输入端与光源驱动电路连接，所述光源驱动电路输入端与控制电路连接，所述控制电路输入端与信号处理电路连接，所述信号处理电路输入端与红外探测器阵列(8)连接。

2.如权利要求1所述的非分光红外乙烯气体传感器，其特征在于：所述控制电路包括依次连接的AD转换器、信号隔离器、微处理器。

3.如权利要求2所述的非分光红外乙烯气体传感器，其特征在于：所述微处理器具体采用的是STM32芯片，且微处理器与USB端口连接。

4.如权利要求2所述的非分光红外乙烯气体传感器，其特征在于：所述光源驱动电路包括运算放大器OPA 547、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、光源R_IR；所述运算放大器OPA547的同相输入端与微处理器输出端相连，反相输入端与第一电阻R1一端、第二电阻R2一端均相连，所述运算放大器OPA 547输出端与第一电阻R1另一端、第三电阻R3一端和光源R_IR一端相连，第二电阻R2另一端、第三电阻R3另一端和光源R_IR另一端均接地。

5.如权利要求2所述的非分光红外乙烯气体传感器，其特征在于：所述信号处理电路包括依次连接的信号放大器、信号滤波器、功率放大器，所述功率放大器输出端与AD转换器输入端连接。

6.如权利要求1所述的非分光红外乙烯气体传感器，其特征在于：所述红外光源(1)的型号为MTRL-17。

7.如权利要求1所述的非分光红外乙烯气体传感器，其特征在于：所述修正气室(3)和主气室(9)侧壁均设有绝缘绝热板(2)，所述绝缘绝热板(2)为镀金反射壁面。

8.采用如权利要求1所述的一种非分光红外乙烯气体传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通以电源，由抽气泵抽气，进气孔(7)以设定的速率通入标准气体；

步骤二：微处理器输出周期性控制信号，所述周期性控制信号为方波，光源驱动电路给红外光源(1)供电，光源辐射出波长范围为1～20μm的红外光波，辐射光波所产生的热量对主气室(9)和修正气室(3)同时进行周期性地传热；

步骤三：红外光源(1)辐射出的红外光大部分入射到主气室(9)经过多次反射后，到达滤光片阵列(5)，经滤光片滤光使得10.5μm的红外光出射到红外探测器阵列(8)上，红外探测器阵列(8)对出射的10.5μm红外光强度进行探测；小部分光入射到修正气室(3)经过多次反射后，到达滤光片阵列(5)，经滤光片滤光使得10.5μm的红外光出射到红外探测器阵列(8)上，红外探测器阵列(8)对出射的10.5μm红外光强度进行探测；其中红外光源通过主气室(9)达到探测器(8)得到的光强信号为I₀，同理，红外光源通过修正气室(3)达到探测器(8)得到的光强信号为I′₀；

步骤四：红外探测器阵列(8)在探测10.5μm红外光强度后产生电压信号，通过信号处理电路进行信号调理，并将调理后的电压信号通过AD转换器转换为数字信号，其中气体经主气室(9)得到的平均电压信号为u₀，经修正气室(3)得到的平均电压信号为u'₀，由于得到的电压信号正比于光强信号，所以有：

u₀＝k₁I₀

u'₀＝k₂I'₀

式中k₁和k₂分别为主气室(9)和修正气室(3)的比例因子；

步骤五：将主气室(9)和修正气室(3)得到的数字信号进行相除；

步骤六：重复步骤一到步骤四的过程，不同的是通入不同乙烯浓度的气体，其中红外光源通过主气室(9)达到探测器(8)得到的光强信号为：

$I_1=I_0{e}^{-{\mathrm{\αcl}}_1}$

式中I₀为没有气体吸收时，红外光源经主气室(9)到达探测器(8)的光强，I₁为有气体吸收时，红外光源经主气室(9)到达探测器(8)的光强，α为气体吸收系数，c为腔内气体浓度，l₁为红外光经主气室(9)的光程；同理，红外光源通过修正气室(3)达到探测器(8)得到的光强信号为：

$I_2=I_0^{\′}{e}^{-{\mathrm{acl}}_2}$

式中I′₀为没有气体吸收时，红外光源经修正气室(9)到达探测器(8)的光强I₂为有气体吸收时，红外光源经修正气室(3)到达探测器(8)的光强，l₂为红外光经修正气室(3)的光程；气体经主气室(9)得到的平均电压信号为：

u₁＝k₁I₁

气体经修正气室(3)得到的平均电压信号为：

u₂＝k₂I₂

将主气室(9)和修正气室(3)得到的数字信号进行相除，到气体浓度与电压的关系：

$c=\frac{{\mathrm{lnu}}_1-{\mathrm{lnu}}_2+{\mathrm{lnu}}_0^{\′}-{\mathrm{lnu}}_0}{-\mathrm{\α}(l_1+l_2)}$

对于这个确定的系统，α、l₁和l₂为常数，u₀、u'₀也已测出，所以上式可简化成：

c＝k(ln u₁-lnu₂+m)

式中m＝lnu'₀-lnu₀；

步骤七：根据通入不同乙烯浓度的气体得到变化的数字信号，并拟合曲线关系；

步骤八：当进行未知气体探测时，将标定后的传感器接通电源，通入外界气体，重复步骤二至步骤五，检查装置是否正常运行；

步骤九：将标定后的传感器放置于待测气体中，接通电源，由抽气泵抽气，进气孔(7)以设定的速率通入待测气体，重复步骤六，根据得到数字信号的大小来计算出待测气体的浓度。