CN107064039A - 一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器及其臭氧浓度的检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器及其臭氧浓度的检测方法，涉及大气监测设备技术领域。本发明是为了解决现有的目前市场上的紫外光吸收法臭氧检测设备存在的由于采用宽谱卤素灯作为检测光源而带来的成本高、体积大、功耗大、需要滤光片处理、受环境温度影响大、光源散射损耗大的问题。两个传感器水平扣合，其内腔形成气室，气室的两端分别有紫外光源和光电探测器，进气口管接嘴和出气口管接嘴分别设置在一号传感器座和二号传感器座的上、下连接处，并分别与气室连通；气室两端分别设置有紫外光源和光电探测器，紫外光源的入口和光电探测器的电信号输出端均设置有一个TEC恒温控制器，TEC恒温控制器用于控制工作温度。用于监测臭氧浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于臭氧监测传感器，属于大气监测设备技术领域。
背景技术
目前，臭氧检测大多采用化学式方法，但是化学式检测技术都是基于电化学方法，其检测过程耗时，精度低，寿命短、稳定性差，无法进行实时在线监测。并且目前市场上的紫外光吸收法臭氧检测设备存在由于采用宽谱卤素灯作为检测光源而带来的成本高、体积大、功耗大、需要滤光片处理、受环境温度影响大、光源散射损耗大的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有的目前市场上的紫外光吸收法臭氧检测设备存在的由于采用宽谱卤素灯作为检测光源而带来的成本高、体积大、功耗大、需要滤光片处理、受环境温度影响大、光源散射损耗大的问题。现提供一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器及其臭氧浓度的检测方法。
一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器，它包括一号传感器座、紫外光源、气室、进气口管接嘴、温补铂电阻、光电探测器、二号传感器座、两个TEC恒温控制器、探测器套筒压板、探测器套筒、出气口管接嘴、紫外光源套筒和紫外光源套筒压板，
一号传感器座和二号传感器座水平扣合，并在内腔形成气室，紫外光源设置在气室的一端，光电探测器设置在气室的另一端，
进气口管接嘴设置在一号传感器座和二号传感器座的上连接处，并与气室连通，出气口管接嘴设置在一号传感器座和二号传感器座的下连接处，并与气室连通；进气口管接嘴的底部设置有温补铂电阻，温补铂电阻用于对臭氧浓度进行温度补偿，
紫外光源通过紫外光源套筒设置在气室的一端，紫外光源套筒与紫外光源套筒压板固定连接，
光电探测器通过探测器套筒设置在气室的另一端，探测器套筒与探测器套筒压板固定连接，
紫外光源的入口和光电探测器的电信号输出端均设置有一个TEC恒温控制器，两个TEC恒温控制器分别用于控制紫外光源和光电探测器的工作温度。
根据一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器，气室的内壁上镀有金属反光层。
根据一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器实现臭氧浓度的检测方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、臭氧气体通过进气口管接嘴进入到气室内；
步骤二、启动光源调制电路，光源调制电路产生频率激励信号驱动紫外LED光源发光，紫外LED光源发出的光经过气室到达光电探测器上，紫外光源信号解调处理电路接收从光电探测器输出的光源进行处理，获得紫外光源的强度值；
步骤三、由于臭氧气体对紫外光具有吸收作用，所以，步骤二中的光源经过含有臭氧气体的气室后，光电探测器接收到的紫外光信号强弱将有所变化，再通过比尔-郎伯定律能够换算出臭氧气体对紫外光的吸光度，从而得到臭氧气体的浓度。
本发明的有益效果为：
采用窄带紫外LED光源作为检测光源，通过锁相放大技术提取微弱的光信号，本发明针对环境温度对监测传感器的影响问题，提出在紫外光源和光源探测器处分别安装TEC恒温控制器保证其工作温度，并且在气室上安装温补铂电阻，用以对臭氧浓度进行温度补偿。通过在气室内壁镀金属反光层，减少光源的散射损耗。本申请的传感器达到了小型化、低成本、高精度、快速进行臭氧浓度在线检测的目的，具有很高的实用价值。
本申请与现有技术相比，本申请具有以下优点：
本发明采用窄带紫外LED光源作为检测光源，实现了监测传感器的小型化、低功耗、低成本、无需滤光片等特点。采用锁相放大技术，通过调制、解调技术提高了监测传感器的精度，信噪比可以达到100dB，还可以去除由进气口管接嘴和出气口管接嘴引入的杂光干扰。在紫外光源和光源探测器处分别设置TEC恒温控制器，并且在气室设置温补铂电阻，提高了监测传感器的环境温度适应性。通过在气室内壁镀金属反光层，减少光源的散射损耗，提高了监测传感器的信号强度。
附图说明
图1为具体实施方式四所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器的原理示意图；
图2为具体实施方式一所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器的主视图；
图3为图2为A-A处剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器，它包括一号传感器座1、紫外光源2、气室3、进气口管接嘴4、温补铂电阻5、光电探测器6、二号传感器座7、两个TEC恒温控制器9、探测器套筒压板10、探测器套筒11、出气口管接嘴13、紫外光源套筒14和紫外光源套筒压板15，
一号传感器座1和二号传感器座7水平扣合，并在内腔形成气室3，紫外光源2设置在气室3的一端，光电探测器6设置在气室3的另一端，
进气口管接嘴4设置在一号传感器座1和二号传感器座7的上连接处，并与气室3连通，出气口管接嘴13设置在一号传感器座1和二号传感器座7的下连接处，并与气室3连通；进气口管接嘴4的底部设置有温补铂电阻5，温补铂电阻5用于对臭氧浓度进行温度补偿，
紫外光源2通过紫外光源套筒14设置在气室3的一端，紫外光源套筒14与紫外光源套筒压板15固定连接，
光电探测器6通过探测器套筒11设置在气室3的另一端，探测器套筒11与探测器套筒压板10固定连接，
紫外光源2的入口和光电探测器6的电信号输出端均设置有一个TEC恒温控制器9，两个TEC恒温控制器9分别用于控制紫外光源2和光电探测器6的工作温度。
本实施方式中，一号传感器座1和二号传感器座7连接后构成传感器的外壳，紫外光源2、气室3、温补铂电阻5、光电探测器6、探测器套筒压板10、探测器套筒11、紫外光源套筒14和紫外光源套筒压板15均位于一号传感器座1和二号传感器座7的内部。图3中，气室置于传感器中间位置，紫外光源通过紫外光源套筒、紫外光源套筒压板及固定螺钉8安装在气室的一端，光电探测器通过探测器套筒压板、探测器套筒及固定螺钉8安装在气室的另一端，进气口管接嘴及出气口管接嘴通过螺纹连接分别置于气室的上下两侧。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器作进一步说明，本实施方式中，紫外光源2为紫外LED光源，光电探测器6为光敏管，两个TEC恒温控制器9均采用珀尔帖效应制成的器件。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器作进一步说明，本实施方式中，紫外LED光源的波长为253.7nm。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器作进一步说明，本实施方式中，它还包括光源调制电路和紫外光源信号解调处理电路，
光源调制电路产生频率激励信号用来驱动紫外LED光源发光，紫外LED光源发出的光经过气室3到达光电探测器6上，光电探测器6的电信号输出端连接紫外光源信号解调处理电路的输入端，紫外光源信号解调处理电路用于对接收到的紫外光源进行处理，获得紫外光源的强度值。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器作进一步说明，本实施方式中，紫外光源信号解调处理电路采用锁相放大技术提取光信号。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器作进一步说明，本实施方式中，它还包括铂电阻测温装置，铂电阻测温装置设置在气室3内，铂电阻测温装置用于检测臭氧气体的温度。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器作进一步说明，本实施方式中，两个TEC恒温控制器9内部包括型号为MAX1978的芯片、TEC模块和比例积分微分补偿网络，
利用型号为MAX1978的芯片对TEC模块进行闭环自动控制，通过比例积分微分补偿网络驱动TEC模块。
本实施方式中，型号为MAX1978的芯片需要比例积分微分补偿网络的配合来对TEC模块进行闭环自动控制及驱动TEC模块。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器作进一步说明，本实施方式中，利用螺钉8将探测器套筒11和测器套筒压板10之间固定连接；利用螺钉8将紫外光源套筒14和紫外光源套筒压板15之间固定连接。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器作进一步说明，本实施方式中，气室3的内壁上镀有金属反光层。
本实施方式中，在气室内部，通过镀金属反光层，光源散射光被反光层多次反射，到达光电探测器，减少光损耗。
具体实施方式十：根据具体实施方式五至九任一项所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器实现臭氧浓度的检测方法，本实施方式中，所述方法包括以下步骤：
步骤一、臭氧气体通过进气口管接嘴4进入到气室3内；
步骤二、启动光源调制电路，光源调制电路产生频率激励信号驱动紫外LED光源发光，紫外LED光源发出的光经过气室3到达光电探测器6上，紫外光源信号解调处理电路接收从光电探测器6输出的光源进行处理，获得紫外光源的强度值；
步骤三、由于臭氧气体对紫外光具有吸收作用，所以，步骤二中的光源经过含有臭氧气体的气室3后，光电探测器接收到的紫外光信号强弱将有所变化，再通过比尔-郎伯定律能够换算出臭氧气体对紫外光的吸光度，从而得到臭氧气体的浓度。
Claims (10)
1.一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器，其特征在于，它包括一号传感器座(1)、紫外光源(2)、气室(3)、进气口管接嘴(4)、温补铂电阻(5)、光电探测器(6)、二号传感器座(7)、两个TEC恒温控制器(9)、探测器套筒压板(10)、探测器套筒(11)、出气口管接嘴(13)、紫外光源套筒(14)和紫外光源套筒压板(15)，
一号传感器座(1)和二号传感器座(7)水平扣合，并在内腔形成气室(3)，紫外光源(2)设置在气室(3)的一端，光电探测器(6)设置在气室(3)的另一端，
进气口管接嘴(4)设置在一号传感器座(1)和二号传感器座(7)的上连接处，并与气室(3)连通，出气口管接嘴(13)设置在一号传感器座(1)和二号传感器座(7)的下连接处，并与气室(3)连通；进气口管接嘴(4)的底部设置有温补铂电阻(5)，温补铂电阻(5)用于对臭氧浓度进行温度补偿，
紫外光源(2)通过紫外光源套筒(14)设置在气室(3)的一端，紫外光源套筒(14)与紫外光源套筒压板(15)固定连接，
光电探测器(6)通过探测器套筒(11)设置在气室(3)的另一端，探测器套筒(11)与探测器套筒压板(10)固定连接，
紫外光源(2)的入口和光电探测器(6)的电信号输出端均设置有一个TEC恒温控制器(9)，两个TEC恒温控制器(9)分别用于控制紫外光源(2)和光电探测器(6)的工作温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器，其特征在于，紫外光源(2)为紫外LED光源，光电探测器(6)为光敏管，两个TEC恒温控制器(9)均采用珀尔帖效应制成的器件。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器，其特征在于，紫外LED光源的波长为253.7nm。
4.根据权利要求3所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器，其特征在于，它还包括光源调制电路和紫外光源信号解调处理电路，
光源调制电路产生频率激励信号用来驱动紫外LED光源发光，紫外LED光源发出的光经过气室(3)到达光电探测器(6)上，光电探测器(6)的电信号输出端连接紫外光源信号解调处理电路的输入端，紫外光源信号解调处理电路用于对接收到的紫外光源进行处理，获得紫外光源的强度值。
5.根据权利要求4所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器，其特征在于，紫外光源信号解调处理电路采用锁相放大技术提取光信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器，其特征在于，它还包括铂电阻测温装置，铂电阻测温装置设置在气室(3)内，铂电阻测温装置用于检测臭氧气体的温度。
7.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器，其特征在于，两个TEC恒温控制器(9)内部包括型号为MAX1978的芯片、TEC模块和比例积分微分补偿网络，
利用型号为MAX1978的芯片对TEC模块进行闭环自动控制，通过比例积分微分补偿网络驱动TEC模块。
8.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器，其特征在于，利用螺钉(8)将探测器套筒(11)和测器套筒压板(10)之间固定连接；利用螺钉(8)将紫外光源套筒(14)和紫外光源套筒压板(15)之间固定连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器，其特征在于，气室(3)的内壁上镀有金属反光层。
10.根据权利要求5至9任一项所述的一种基于锁相放大技术的臭氧监测传感器实现臭氧浓度的检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、臭氧气体通过进气口管接嘴(4)进入到气室(3)内；
步骤二、启动光源调制电路，光源调制电路产生频率激励信号驱动紫外LED光源发光，紫外LED光源发出的光经过气室(3)到达光电探测器(6)上，紫外光源信号解调处理电路接收从光电探测器(6)输出的光源进行处理，获得紫外光源的强度值；
步骤三、由于臭氧气体对紫外光具有吸收作用，所以，步骤二中的光源经过含有臭氧气体的气室(3)后，光电探测器接收到的紫外光信号强弱将有所变化，再通过比尔-郎伯定律能够换算出臭氧气体对紫外光的吸光度，从而得到臭氧气体的浓度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20170818 |