CN108489924A - 一种敏感探头及非分光红外气体传感器检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于非分光红外气体传感器的敏感探头及非分光红外气体传感器检测系统，该敏感探头包括红外光源、光学气室、红外光片阵列和红外探测器阵列；光学气室上分别设有进气孔和出气孔，通过进气孔和出气孔与待测气体环境相通；红外光源设于光学气室头端；红外光片阵列和红外探测器阵列依次设于光学气室尾部；红外光片阵列包括多个探测滤光片和一个对比滤光片；红外探测器阵列包括多个红外探测器，分别与探测滤光片、对比滤光片一一对应的；当红外光源出射宽谱红外光后，依次经过光学气室、红外光片阵列后出射，进入红外探测器阵列。本发明利用红外光片阵列和红外探测器阵列能够同时进行多种气体浓度的测量。
Description
技术领域
本发明属于非分光红外传感器涉及技术领域，具体涉及一种能够进行多气体浓度检测的非分光红外传感器用敏感探头。
背景技术
随着天然气探测的发展，多气体监测的需求也越来越多。气体检测技术在生活及生产中应用范围也越来越广泛，具体集中在煤矿瓦斯监测系统、火灾探测系统、工业流程、空气质量监测等。对工业流程气体浓度检测所用的传感器主要有以下几种:一是催化燃烧式气体传感器，可燃性气体在催化剂作用下，在一定温度条件下进行燃烧反应，燃烧时电阻温度升高，电阻发生变化，变化值是待测气体浓度的函数，这种传感器只能检测可燃性气体，有局限性；二是半导体式气体传感器，利用一些金属氧化物半导体材料在一定的温度下其电导率随着环境气体成分变化而变化原理制造，这种方式稳定性差；三是热导式气体传感器，利用热量在不同气体中传递时具有的热传导能力不同，通过测量混合气体的热导率从而得到待测气体的体积百分含量，这种传感器受温度影响大，被测气体浓度不能太低，由于气体之间的热导率相近，抗干扰能力弱，只能测量两种组分气体；四是化学电池类传感器，它是一种消耗型的传感器，虽然灵敏度有所提高，但使用寿命短，一般只有1～2年。与它们相比红外气体传感器因其良好的选择性、不易中毒和老化、信噪比高、寿命长等优点，使用的越来越多。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：，其中为没有气体吸收时，红外光源的光强，为有气体吸收时，红外光源的光强，为气体吸收系数，为腔内气体浓度，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红外器传感器。然而，常用的非分光红外气体传感器在气体探测过程中，往往只能对单一气体浓度进行探测，而对于多种气体的测量，需要利用傅里叶分析仪和多个不同波长的半导体激光器，或者切换多个滤波器才能完成，其探测系统不仅结构复杂，而且体积庞大。同时，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，存在探测下限高等问题。
因此，需要对现有非分光红外气体传感器的气室和气体探测技术进行改进，使其不仅具有使用寿命长、可靠性好、稳定性好、测量精度高、抗干扰能力强的优点，解决气室中光路光程短和探测下限高等问题，还可测量多种气体，能够适应各种复杂的工业流程现场的使用。
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，提供一种用于非分光红外气体传感器、并可同时进行多种气体浓度测量的敏感探头。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于非分光红外气体传感器的敏感探头，包括红外光源、光学气室、红外光片阵列和红外探测器阵列；所述光学气室上分别设有进气孔和出气孔，通过进气孔和出气孔与待测气体环境相通；所述红外光源设于所述光学气室头端；所述红外光片阵列和红外探测器阵列依次设于所述光学气室尾部；所述红外光片阵列包括多个探测滤光片和一个对比滤光片；所述红外探测器阵列包括多个红外探测器，分别与探测滤光片、对比滤光片一一对应的；当红外光源出射宽谱红外光后，依次经过光学气室、红外光片阵列后出射，进入红外探测器阵列。
进一步的，探测滤光片阵列包括甲烷气体红外滤光片、二氧化碳气体红外滤光片、一氧化碳红外滤光片和对比滤光片；所述红外探测器阵列包括甲烷气体探测器、二氧化碳气体探测器、一氧化碳气体探测器和对比探测器。
进一步的，红外探测器阵列呈中心对称结构；各红外探测器采用铂电阻阵列，每个铂电阻阵列包括四个惠斯通电桥电路。
进一步的，各红外探测器的腔体内壁设有黑体材料涂层。
进一步的，光学气室呈四棱台状。
进一步的，光学气室的腔体内壁采用绝缘绝热材料，且内壁设有镀金反光层；所述红外光源采用柱状光源，且出射红外光与所述光学气室头端内壁处的镀金反光层垂直。
进一步的，进气孔和出气孔处设有过滤网。
本发明还提供了一种采用上述敏感探头的非分光红外气体传感器检测系统，该非分光红外气体传感器检测系统还包括单片机、脉冲分配器和多组控制处理单元；各组控制处理单元分别与各组铂电阻阵列一一对应；所述各组控制处理单元均包括放大电路、滤波电路、ADC转换器；所述单片机的控制端与脉冲分配器相连；各组铂电阻阵列分别与所述脉冲分配器相连，通过脉冲分配器依次快速连续接通产生的微弱电压信号依次经过对应控制处理单元的放大电路、滤波电路和ADC转换器后转换为数字信号，输送至单片机。
进一步的，本发明非分光红外气体传感器检测系统还包括无线通讯模块、手机；所述单片机通过所述无线通讯模块与手机通讯连接。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明利用红外光片阵列和红外探测器阵列能够同时进行多种气体浓度的测量，同时采用的单通道模式，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。
2、本发明采用四棱台形状的光学气室，增加了光程，提高了传感器灵敏度。
3、同时红外探测器采用阵列式惠斯通电桥电路，测量精度高，集成化程度高。
附图说明
图1为本发明敏感探头的结构示意图；
图2为图1中敏感探头的横向剖视图；
图3为组成红外探测器阵列的铂电阻阵列的结构示意图；
图4为图1中红外探测器阵列的电路图。
图中，1-红外光源，2-红外光源安装孔，3-四棱台光学气室，4-红外滤光片阵列，5-红外探测器阵列安装孔，6-红外探测器阵列，7-光源反射面，8-过滤网，9-光学腔体内侧壁，10-进气口，11-出气口，12-铂电阻阵列，13-控制处理单元。
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。
本发明提出一种多气体非分光红外传感器检测系统，包括依次连接的敏感探头、单元机以及控制处理单元。
结合图1、图2所示，敏感探头包括红外光源1、四棱台光学气室3、多种气体的红外滤光片阵列4以及红外探测器阵列6。红外光源安装孔2和红外探测器阵列安装孔5分别设于四棱台光学气室3的头端和尾部。光学腔体内侧壁9绝缘绝热且设有镀金反光层，使得待测气体在气室中进行多次反射，充分吸收其红外吸收峰波段的红外光，其中四棱台光学气室3设有进气孔10和出气孔11，通过进出气孔与待测气体环境相通，进出气口设有过滤网8，防止水、灰尘进入所述光学腔体附着在其内壁，影响红外光反射效果。红外光源1安装于红外光源安装孔2内，并与光源反射面7（即位于四棱台光学气室3头端处的镀金反光层平面）垂直，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，满足仪器对红外光波长范围的需要。红外光源安装孔2安装在气室的顶部，红外滤光片阵列4安装在气室的底部，包括四个滤光片，其中3个滤光片为探测滤光片，另一个为对比滤光片，选取了甲烷气体的红外吸收峰3.33 μm、选取了二氧化碳的红外吸收峰4.26 μm、选取了一氧化碳的红外吸收峰4.65 μm和选取了一个参考信号波长3.95 μm。红外滤光片阵列4下接红外探测器阵列6，包括与红外滤光片阵列4一一对应的甲烷气体探测器、二氧化碳气体探测器，一氧化碳气体探测器和对比探测器。红外探测器阵列6安装于红外探测器阵列安装孔5内，用于探测出射红外光光强，阵列呈中心对称结构，保证测量的精确度。红外探测器阵列6探测到的出射红外光光强信号经控制处理单元进行进一步处理。
如图3和图4所示，所述红外探测器阵列6由四组铂电阻阵列12组成，所述铂电阻阵列12所在红外探测器腔体内壁涂有黑体材料，增加出射光的吸收效率，使得铂电阻的阻值改变更大。每组包含四个惠斯通电桥电路，其中R均为阻值相同的普通电阻，R11、R12、R13、R14、R21、R22、R23、R24、R31、R32、R33、R34、R41、R42、R43、R44均为阻值相同的铂电阻。如图4所示，各组铂电阻阵列分别与一组控制处理单元对应，各组控制处理单元均包括放大电路、滤波电路、ADC转换器。当该检测系统工作时，这四组铂电阻阵列12在单片机控制下通过脉冲分配器依次快速连续接通，铂电阻阵列电阻改变转化成微弱电压信号，经过放大电路和滤波电路，通过ADC转换器转换为数字信号输送给单片机，然后单片机根据数字信号变化的大小来计算出检测环境中CH4、CO2、CO气体的浓度，最后通过WIFI发送给手机APP，简化电路的同时，提高了测量精度。
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 (9)
1.一种用于非分光红外气体传感器的敏感探头，其特征在于：所述敏感探头包括红外光源、光学气室、红外光片阵列和红外探测器阵列；所述光学气室上分别设有进气孔和出气孔，通过进气孔和出气孔与待测气体环境相通；所述红外光源设于所述光学气室头端；所述红外光片阵列和红外探测器阵列依次设于所述光学气室尾部；所述红外光片阵列包括多个探测滤光片和一个对比滤光片；所述红外探测器阵列包括多个红外探测器，分别与探测滤光片、对比滤光片一一对应的；当红外光源出射宽谱红外光后，依次经过光学气室、红外光片阵列后出射，进入红外探测器阵列。
2.根据权利要求1所述的敏感探头，其特征在于：所述探测滤光片阵列包括甲烷气体红外滤光片、二氧化碳气体红外滤光片、一氧化碳红外滤光片和对比滤光片；所述红外探测器阵列包括甲烷气体探测器、二氧化碳气体探测器、一氧化碳气体探测器和对比探测器。
3.根据权利要求1或2所述的敏感探头，其特征在于：所述红外探测器阵列呈中心对称结构；各红外探测器采用铂电阻阵列，每个铂电阻阵列包括四个惠斯通电桥电路。
4.根据权利要求3所述的敏感探头，其特征在于：各红外探测器的腔体内壁设有黑体材料涂层。
5.根据权利要求1或2所述的敏感探头，其特征在于：所述光学气室呈四棱台状。
6.根据权利要求1或2所述的敏感探头，其特征在于：所述光学气室的腔体内壁采用绝缘绝热材料，且内壁设有镀金反光层；所述红外光源采用柱状光源，且出射红外光与所述光学气室头端内壁处的镀金反光层垂直。
7.根据权利要求1所述的敏感探头，其特征在于：所述进气孔和出气孔处设有过滤网。
8.一种采用权利要求1至7任一所述敏感探头的非分光红外气体传感器检测系统，其特征在于：所述非分光红外气体传感器检测系统还包括单片机、脉冲分配器和多组控制处理单元；各组控制处理单元分别与各组铂电阻阵列一一对应；所述各组控制处理单元均包括放大电路、滤波电路、ADC转换器；所述单片机的控制端与脉冲分配器相连；所述各组铂电阻阵列分别与所述脉冲分配器相连，通过脉冲分配器依次快速连续接通产生的微弱电压信号依次经过对应控制处理单元的放大电路、滤波电路和ADC转换器后转换为数字信号，输送至单片机。
9.根据权利要求8所述的非分光红外气体传感器检测系统，其特征在于：所述非分光红外气体传感器检测系统还包括无线通讯模块、手机；所述单片机通过所述无线通讯模块与手机通讯连接。
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