CN108444935B - 一种非分光红外气体传感器的温度补偿方法及补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非分光红外气体传感器的温度补偿方法，该温度补偿方法将不同标定浓度气体在不同温度下通过非分光红外气体传感器后，记录各气体浓度下探测器接收到的光强信号与温度关系，从而计算分析不同气体浓度不同温度下的光源功率补偿量；然后根据环境温度变化，根据计算得到的光源功率补偿量控制红外光源的功率大小，从而保持探测器接收的光强不变，实现实时温度补偿。本发明采用调节光源功率的温度补偿方法，有助于消除温漂带来的影响，测量精度更高，符合传感器智能化发展趋势。
Description
技术领域
本发明属于非分光红外传感器领域，具体涉及一种基于调节光源功率的非分光红外气体传感器的温度补偿方法及补偿装置。
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，具体集中在矿井探测、化工产业监测、废水处理装置等方面。目前气体检测技术主要依赖于气体传感器进行。红外气体传感器因其使用寿命长、性价比高、响应速度快、稳定性好等优点而被广泛应用。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红外气体传感器。
温度是影响非分光红外气体传感器的主要因素之一。一方面，环境温度的变化会引起探测电路中晶体管和感应电阻等参数发生变化，造成静态工作点的不稳定，使探测电路动态参数不稳定而引起误差。目前最典型的双惠斯顿电桥温度漂移补偿结构需要在不同温度下调整电阻值，操作繁琐，并且补偿效果差强人意。另一方面，温度也显著影响了气体的吸收效率，降低了测量精度。有鉴于此，有必要对现有的红外气体传感器的温度补偿装置予以改进以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能够实时进行温度补偿的方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种非分光红外气体传感器的温度补偿方法，该温度补偿方法将不同标定浓度气体在不同温度下通过非分光红外气体传感器后，记录各气体浓度下探测器接收到的光强信号与温度关系，从而计算分析不同气体浓度不同温度下的光源功率补偿量；然后根据环境温度变化，根据计算得到的光源功率补偿量控制红外光源的功率大小，从而保持探测器接收的光强不变，实现实时温度补偿。
具体步骤如下：
步骤一，将非分光红外气体传感器放入高低温实验箱中，调节高低温实验箱的温度使温度为-10℃；
步骤二，通以电源，由抽气泵抽气，进气孔以一定的速率通入一定浓度待测气体；
步骤三，单片机输出周期性控制信号，通过光源驱动电路给红外光源供电，光源辐射出红外光波；
步骤四，红外光源辐射出的红外光在光学气室经过气体吸收后，到达探测器，此时探测到光强信号为I，对应电压信号为V；
步骤五，调节高低温实验箱的温度，使温度在-10~60℃均匀变化，记录探测信号V与实验箱内温度T的关系，经过计算与分析，得到同一浓度不同温度下的光源功率补偿量；
步骤六，改变气体浓度，重复步骤一至步骤五，得到不同浓度不同温度下的光源功率补偿量，将补偿量写入单片机，单片机脉宽调制控制恒流源的电流大小，进而控制光源功率大小，从而保持探测器接收端光强不变，实现实时温度补偿。
其中，单片机输出的周期性控制信号为方波。
本发明还提供了一种基于调节光源功率的非分光红外气体传感器温度补偿装置，该温度补偿装置与非分光红外气体传感器相连，包括单片机、光源驱动电路、温度传感器；所述温度传感器和光源驱动电路分别与单片机相连；所述光源驱动电路与非分光红外气体传感器的红外光源相连；非分光红外气体传感器的探测器与所述单片机相连。
其中，光源驱动电路包括运算放大电路和恒流源控制的开关电路；所述单片机输出电压经运算放大电路放大后，开启恒流源控制的开关电路，接通红外光源。
运算放大电路采用基于LM358的运算放大电路；所述开关电路采用基于MOS管2N7002的恒流源控制的开关电路。
红外光源采用HSL5_115。
本发明相比现有技术具有以下优点：
（1）本发明采用调节光源功率的温度补偿方法，有助于消除温漂带来的影响，测量精度更高，符合传感器智能化发展趋势。同时光源驱动电路采用恒流源控制电路，提高了对气体浓度测量的精确度；
（2）本发明温度补偿装置标定方法简单实用，补偿效果好。
附图说明
图1为本发明温度补偿装置的结构示意图；
图2为图1中光源驱动电路的电路图；
图3为本发明温度补偿方法的流程图；
图4为本发明温度补偿方法的实例补偿效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明一种基于调节光源功率的非分光红外气体传感器的温度补偿装置，非分光红外气体传感器包括红外光源、带有进出气孔的光学气室以及带有红外滤光片的探测器，温度补偿装置包括依次连接的温度传感器、单片机、光源驱动电路。
如图1所示，温度传感器将外界温度信号送给单片机，单片机根据温度信号控制DAC输出端电流，DAC输出端与光源驱动电路输入端相接，红外光源经光源驱动电路对其通电后，向光学气室辐射宽谱红外光，红外光穿过光学气室经待测气体吸收到达探测器，探测器接收端探测到光强信号，光强信号转化为电信号送给单片机做信号处理得到浓度信息。
如图2所示，光源驱动电路包括基于LM358的运算放大电路和基于MOS管2N7002的恒流源控制的开关电路。光源驱动电路具体包括运算放大器LM358，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，电容C1、C2、C3、C4和N型MOS管2N7002。电阻R1的一端与单片机相连，另一端与R2并联接LM358双运算器的同相输入端相连；R2的另一端接地；LM358供电电压为5V；R5的一端接LM358的输出端，一端接2N7002MOS管的G极；R6一端连接R5，一端接地，起到了分流的作用；R4的一端与R3并联接LM358反相输入端，一端接2N7002MOS管的S极，R3另一端接地；电容C1、C2、C3、C4作滤波用；光源一端接MOS管D极，一端接5V电压；单片机提供的电流经过LM358进行放大，导通MOS管2N7002，使得基于MOS管的恒流源控制电路开启，接通光源。当环境温度改变以后，单片机获得的温度传感器信号发生变化，单片机相应地调节DAC端口提供的电压，经过LM358进行放大，导通MOS管2N7002的同时改变了恒流源控制的开关电路的电流大小，从而改变了红外光源的功率。
如图3所示，本发明基于调节光源功率的红外气体传感器温度补偿装置的标定方法，具体步骤如下：
步骤一：将非分光红外气体传感器放入高低温实验箱中。调节高低温实验箱的温度使温度为常温；
步骤二：通以电源，由抽气泵抽气，进气孔以一定的速率通入一定浓度待测气体；
步骤三：单片机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，光源辐射出红外光波；
步骤四：红外光源辐射出的红外光在光学气室经过气体吸收后，到达探测器，此时探测到光强信号为I，对应电压信号为V；
步骤五：保证系统正常工作，调节高低温实验箱的温度，使温度在-10~60℃均匀变化，记录探测信号V与温度T的关系，经过计算与分析，得到同一浓度不同温度下的光源功率补偿量；
步骤六：改变气体浓度，重复步骤一至步骤五，得到不同浓度不同温度下的光源功率补偿量，将不同浓度、不同温度与光源功率补偿量的函数关系写入单片机，单片机根据补偿量进行脉宽调制，给恒流源相应的补偿信号，使恒流源电流大小改变，进而使得红外光源的输出功率发生相应改变，从而保持探测器接收端光强大小不变，最终实现实时温度补偿。
通过上述标定方法，当环境温度变化后，温度传感器探测到外界温度信号输送给单片机，单片机将此时温度下的补偿量通过脉冲调制端（PWM）输出，改变DAC 引脚输出电压，改变恒流源驱动电流的大小，使得红外光源的输出功率发生改变，补偿了由于不同温度下气体吸收效率变化和探测器接收端电路变化所导致的光强变化，从而使得在同一待测气体浓度下接收端光强大小保持不变，即某一浓度待测气体在不同温度下，接收端电压信号稳定，这样使得气体浓度和电压信号具有单一的函数关系，从而消除了温度对测量结果造成的干扰，最终准确、实时、高效地实现对气体的检测。
如图4所示，以CO气体为实例，调节高低温实验箱的温度，使温度在-10~60℃范围内每隔10℃均匀变化，在每个温度点上，调节气体浓度从200ppm变化到2000ppm。最终每个温度和浓度点持续进行30分钟的测试验证，从图4中可以看出，经过本发明温度补偿方法的处理之后，温度对于不同CO气体浓度的测量结果的影响基本可以忽略，测试结果的稳定性好，精度高。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种非分光红外气体传感器的温度补偿方法，其特征在于：该温度补偿方法将不同标定浓度气体在不同温度下通过非分光红外气体传感器后，记录各气体浓度下探测器接收到的光强信号与温度关系，从而计算分析不同气体浓度不同温度下的光源功率补偿量；然后根据环境温度变化，根据计算得到的光源功率补偿量控制红外光源的功率大小，从而保持探测器接收的光强不变，实现实时温度补偿；
包括以下步骤：
步骤一，将非分光红外气体传感器放入高低温实验箱中，调节高低温实验箱的温度使温度为-10℃；
步骤二，通以电源，由抽气泵抽气，进气孔以一定的速率通入一定浓度待测气体；
步骤三，单片机输出周期性控制信号，通过光源驱动电路给红外光源供电，光源辐射出红外光波；
步骤四，红外光源辐射出的红外光在光学气室经过气体吸收后，到达探测器，此时探测到光强信号为I，对应电压信号为V；
步骤五，调节高低温实验箱的温度，使温度在-10~60℃均匀变化，记录探测信号V与实验箱内温度T的关系，经过计算与分析，得到同一浓度不同温度下的光源功率补偿量；
步骤六，改变气体浓度，重复步骤一至步骤五，得到不同浓度不同温度下的光源功率补偿量，将补偿量写入单片机，单片机脉宽调制控制恒流源的电流大小，进而控制光源功率大小，从而保持探测器接收端光强不变，实现实时温度补偿。
2.根据权利要求1所述的温度补偿方法，其特征在于：所述单片机输出的周期性控制信号为方波。
3.一种采用权利要求1或2所述温度补偿方法的非分光红外气体传感器温度补偿装置，该温度补偿装置与非分光红外气体传感器相连，其特征在于：所述温度补偿装置包括单片机、光源驱动电路、温度传感器；所述温度传感器和光源驱动电路分别与单片机相连；所述光源驱动电路与非分光红外气体传感器的红外光源相连；非分光红外气体传感器的探测器与所述单片机相连。
4.根据权利要求3所述的温度补偿装置，其特征在于：所述光源驱动电路包括运算放大电路和恒流源控制的开关电路；所述单片机输出电压经运算放大电路放大后，开启恒流源控制的开关电路，接通红外光源。
5.根据权利要求4所述的温度补偿装置，其特征在于：所述运算放大电路采用基于LM358的运算放大电路；所述开关电路采用基于MOS管2N7002的恒流源控制的开关电路。
6.根据权利要求5所述的温度补偿装置，其特征在于：所述红外光源采用HSL5_115。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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