CN109507140A - 一种高精度红外气体传感器及气体分析方法 - Google Patents
一种高精度红外气体传感器及气体分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高精度红外气体传感器及气体分析方法，采用两个红外光源、一个吸收气室腔体及一个探测器；测量时分时交替驱动两个红外光源，两个红外光源到探测器的光程不同，得到两个吸收偏差信号实现对被测气体浓度检测；本发明采用两个低成本光源和单探测器，解决了以往单光源单探测器气体传感器因温度、光源和气室老化造成长期漂移大、检测精度低的技术问题，可达到以往单光源双探测器的检测效果，同时解决了采用单光源双探测器结构成本高的技术问题；该方法为红外气体传感器在暖通空调HVAC(CO2)、燃气泄漏(CH4、C3H8等)、冷媒泄露(R32、R290、R744等)领域的大规模应用提供了低成本高精度的测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及气体分析领域，具体涉及一种高精度红外气体传感器及气体分析方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展和工业化进程加快，导致环境污染问题严重，尤其是各种有害、有毒气体排放导致的空气污染、雾霾等问题日益突出，严重影响了人们的健康和生活质量。同时，环境污染会导致有毒、有害危险气体对人类产生的危害，因此有必要对人们周围环境气体成分进行实时监测，急切需要能够实现实时测量的气体传感器。
近年来人们越来越关注室内或公共场所空气质量，如二氧化碳是室内空气质量监控的一项重要指标之一，在暖通空调HVAC(Heating,Ventilating and Air Conditioning采暖，通风以及空气调节)领域，利用二氧化碳传感器监测室内或车内的二氧化碳含量，在二氧化碳含量超过设定限度时，通过暖通空调中的通风系统引进新鲜空气，可以有效地提高能量利用效率，对于节能环保具有重要意义；另外，二氧化碳作为新型制冷剂R744的重要组成成分，由于其对大气臭氧层无破坏，ODP值为零、GWP值很小，将是未来空调技术的理想制冷剂，文献《二氧化碳制冷剂的应用研究》中提出：20世纪90年代初，挪威NTH-SINTEF开发了采用二氧化碳临界制冷循环的汽车空调样机，从1994年起BMW、DALMLERENZ、VOLVO、大众等欧洲著名公司发起了名为“RACE”的合作项目，联合欧洲著名高校、汽车空调制造商等研制二氧化碳汽车空调系统并已被很多国家作为汽车空调制冷剂的长期替代物，在实际应用时二氧化碳作为空调制冷剂一旦泄露将直接影响制冷效率，需配套二氧化碳气体传感器监测制冷剂泄露情况。再如在危险气体泄漏监测领域，当燃气热水器胶管由于受到腐蚀或者老化而破损时，燃气热水器周围管道的阀门由于老化而松动时，在破损处或松动处会有燃气逸出，造成甲烷或丙烷等燃气泄漏，燃气泄漏在空气中的含量超过一定限度时，会引起人体不适，有些会引发火灾甚至引起爆炸，因此使用气体传感器进行危险气体泄漏检测具有巨大的市场前景。
NDIR非分光红外光谱分析法作为一种重要的气体分析方法，常用于气体的定量分析。运用NDIR对被测气体进行分析的原理是：红外光照射被测气体，被测气体对特定波长的光具有吸收功能，根据朗伯—比尔吸收定律，在理想情况下，已知光的有效吸收光程与分子在特定波长上的吸收系数，利用被测气体吸收之前的光信号与吸收之后的光信号的比值可计算出被测气体的浓度。
与电化学气体传感器相比，应用NDIR原理的气体传感器具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好及寿命长的优势，因此红外气体传感器近年来得到快速发展。
专利文献WO02077619A2公开了一种红外气体传感器，采用单光源、单探测器、单气室结构实现气体浓度检测功能，这种气体传感器结构简单，成本低，缺陷在于当使用环境发生变化或者随着气体传感器使用时间增长，温度、光源和气室老化等各种因素会给气体传感器造成较大的数据漂移，检测精度低，需要进行标定。
专利文献US5347474A公开了一种用于校准长期漂移对NDIR气体传感器测量影响的方法，适用条件是夜间当人们离开办公场所后，若能定期通风，保证室内二氧化碳浓度基本稳定对气体传感器进行固定周期校准；但是随着气体传感器使用时间的增长会发生漂移，在相同的检测条件下二氧化碳浓度会出现偏差，根据得到的偏差量可以定期实现对传感器的自动校准。这种气体传感器校准方法在一定程度上能降低传感器的长期漂移，其缺陷在于其自动校准有很大的局限性，比如室内长期不通风时二氧化碳的浓度不稳定，尤其在农业大棚或者商场这些通风不畅的场合使用时，这种校准方法使用局限性很大，不能保证气体传感器测量准确性。
专利文献US5026992 A公开了一种红外探测器，采用单光源、单探测器、单气室结构，其特点在于通过低振幅电压和高振幅电压周期交替驱动光源，使同一光源在不同时刻以不同的光强照射被测气体，从而在气室中产生吸收偏差，利用同一光源在不同时刻的信号的比值作为中间变量得到被测气体的浓度，其优势在于可消除光源漂移的影响，然而被不同电压幅值的电源驱动的同一光源照射相同条件下的被测气体时，在不同时刻探测器接收到的信号差值大，会导致检测精度低。
专利文献CN2554623Y公开了一种气体浓度检测仪，采用单光源或双光源、双探测器、独立双气室结构，实际工作时，参考气室中封入一定浓度的氮气，测量气室充入被测气体，红外光源照射测量气室和参考气室，根据两个探测器输出的电信号比值得到被测气体的浓度，该方案可克服气体传感器因温度、光源和气室老化造成的漂移问题，缺陷是采用两个独立气室，很难加工的完全一致，采用双探测器成本高，不利于气体传感器结构微型化和低成本化。
专利文献US8178832B1公开了一种NDIR气体传感器，采用单光源、双探测器、单气室结构，优势在于将现有技术中两个独立气室改进为一个连通气室，其利用一个红外光源交替照射被测气室的两个部分，红外光源到两个探测器之间的光程不同，从而在单气室中形成吸收偏差，其缺陷在于探测器的成本在整个传感器成本中占比大，采用双探测器会大辐增加传感器的成本，并且光源容易老化或损坏，单光源寿命有限，不能保证气体传感器的持续使用。
专利文献DE19925196C2公开了一种NDIR气体传感器，采用双光源、单探测器结构，两个光源基于测量腔体对称定位，两个光源到探测器的路径长度相同，缺陷在于第一光源用作检测长期工作，第二光源用作参考，在第一光源在预定的使用寿命后切换第二光源工作，两个光源采用不同的脉冲间歇工作，这种光源不对称的工作模式使得第一光源老化后，第二光源仅作为备用光源使用，不利于气体传感器的长期稳定性和高精度测量。
综上所述，现有的低成本(USD8-10)单光源单探测器红外气体传感器在检测精度、可靠性和成本方面存在缺陷，双探测器红外气体传感器可以保证精度和可靠性，但是其成本高(USD15-20)。在民用暖通空调(HVAC)、汽车电子等需要传感器配套的应用领域，对成本控制非常严格，高成本限制了传感器在这些需求量在百万级别的领域的市场化。因此，目前急需开发一款低成本、高精度、长寿命、高可靠性的红外气体传感器。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明提出一种采用双光源、单探测器的红外气体传感器，其优势在于：1、实现高精度检测：通过将同一探测器在不同时刻的检测结果的比值作为中间变量得到被测气体的浓度，能够减小温度和气室老化等因素对光源的影响，解决了以往单光源单探测器红外气体传感器受温度、光源和气室老化等因素影响大，传感器漂移大的技术问题；2、实现低成本化：仅通过增加一个低成本的光源，解决了采用双探测器红外气体传感器成本高、不利于大规模批量应用的技术问题；3、长寿命、高可靠性：由于红外气体传感器采用两个光源周期交替工作，能够有效缩短每个光源的工作时间，相对于单光源单探测器传感器，相当于延长了工作寿命，并且一旦其中一个光源损坏，另一个光源仍可继续工作，切换到单光源单探测器工作模式，确保了继续实现检测功能，可靠性高。
发明内容包括：
第一方面公开了一种高精度红外气体传感器，包括一腔体，用于容纳被测气体，还包括位于腔体内的第一光源和第二光源用于照射被测气体，第一光源和第二光源分时由发出均匀电压脉冲的电源交替驱动发光；
一探测器，用于接收从第一光源发出并由被测气体吸收后的光并产生第一电信号，和用于接收从第二光源发出并由被测气体吸收后的光并产生第二电信号；
及一处理单元，用于对探测器产生的第一电信号和第二电信号进行处理，得到被测气体的浓度。
优选的，第一光源断开电压和第二光源接通电压之间设置一定的时间间隔，用以消除或者减小探测器输出电信号延时带来的影响。
优选的，处理单元接收探测器检测到的第一电信号与第二电信号，并根据二者输出电信号的强度比值作为中间变量，计算出被测气体浓度。
优选的，第一光源发出的光到探测器之间的光程与第二光源发出的光到探测器之间的光程不同。
优选的，第一光源和第二光源被不同的电压幅值的电源分时交替驱动发光。
优选的，第一光源的电压幅值与第二光源的电压幅值的比值等于第一光源发出的光到探测器之间光程与第二光源发出的光到探测器之间光程的比值，以此来降低探测器接收第一光源和第二光源的光信号的差值。
优选的，第一光源发出的光到探测器之间的光程不小于第二光源发出的光到探测器之间的光程。
优选的，第一光源的电压幅值不小于第二光源的电压幅值。
另一方面还公开一种气体分析方法，应用于第一方面中任一项所述的高精度红外气体传感器，包括以下步骤：
(1)在腔体内充入已知浓度的被测气体；
(2)第一光源和第二光源发出的光以一定的周期分时交替照射腔体内已知浓度的被测气体，当第一光源照射腔体内被测气体时，探测器根据接收的光强输出第一电信号，当第二光源照射腔体内被测气体时，探测器根据接收的光强输出第二电信号；
(3)处理单元中的放大电路对输出的第一电信号进行放大，得到对应处理后的第一电信号，处理单元中的同一放大电路对第二电信号进行同样倍数的放大，得到对应处理后的第二电信号，计算出经过处理后的第一电信号和第二电信号输出电信号的强度比值；
(4)多次向腔体中充入已知不同浓度的被测气体，重复上述步骤(1)-(3)，得到多组第一电信号和第二电信号经过处理后输出电信号的强度比值；
(5)将步骤(4)中得到的多组第一电信号和第二电信号经过处理后输出电信号的强度比值和已知浓度的被测气体的浓度值进行拟合算法，得出第一电信号和第二电信号的强度比值和已知被测气体浓度之间的关系式；
(6)在腔体内充入未知浓度的被测气体，重复上述步骤(2)-(3)，计算出第一电信号和第二电信号经过处理后输出电信号的强度比值并带入步骤(5)确定的关系式，得出被测气体的浓度。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明涉及一种高精度红外气体传感器及气体分析方法，通过光路部分设置两个红外光源、一个吸收气室腔体以及一个探测器可实现气体浓度检测，通过分时开关交替驱动第一光源和第二光源发光，第一光源和第二光源到探测器的光程不相等，被测气体对第一光源发出的光与第二光源发出的光存在吸收偏差，因此通过一个探测器采用分时方法可以得到达两个气体吸收信号，根据探测器输出的两路信号可以得到被测气体的浓度。本发明通过设置两个低成本的光源和单通道探测器，解决了以往单光源单探测器结构的气体传感器因为温度、光源和气室老化造成长期漂移大、检测精度低的技术问题，同时采用双光源、可以达到以往单光源双探测器结构的气体传感器的测试性能，解决了以往单光源双探测器气体传感器成本高的问题。该方法为红外气体传感器在暖通空调HVAC(CO2)、燃气泄漏(CH4、C3H8等)、冷媒泄露(R32、R290、R744等)等领域的大规模应用提供了低成本高精度的测量方法。
应当理解的是，以上描述是示例性的，并不能限制本发明的范围。
附图说明
图1是本发明实施例一示出的高精度红外气体传感器的一种结构示意图；
图2是本发明实施例一示出的高精度红外气体传感器的第二种结构示意图；
图3是本发明实施例一示出的高精度红外气体传感器的第三种结构示意图；
图4是本发明实施例一示出的传感器的光源电压以及探测器输出的电信号的第一种示意图；
图5是本发明实施例一示出的传感器的光源电压以及探测器输出的电信号的第二种示意图；
图6是根据本发明实施例一中表3的数据进行数据拟合得到的曲线图；
图7是根据本发明实施例二示出的高精度红外气体传感器的一种结构示意图；
图8是根据本发明实施例三中表4的数据进行数据拟合得到的曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例一
请参考图1，本发明的实施例公开了一种高精度红外气体传感器，包括一腔体10、位于腔体10内的二红外光源、一探测器13以及一处理单元，在本实施例中，二所述红外光源分别为第一光源11和第二光源12。
所述腔体10用于容纳被测气体，二所述红外光源用于照射被测气体，所述探测器13用于探测二所述红外光源发射并且达到探测器13的光强，所述探测器13根据接收的光强输出对应的电信号，所述处理单元用于对探测器13输出的电信号进行处理，得到被测气体的浓度。
第一光源11与探测器13在腔体10内形成检测通道11a，第二光源12与探测器13在腔体10内形成参考通道12a。检测通道11a和参考通道12a相互连通。第一光源11和第二光源12到探测器13之间的光程不相等，以使被测气体对第一光源11发出的光与对第二光源12发出的光存在吸收偏差。
第一光源11和第二光源12可以位于探测器13同一侧也可以位于探测器13的不同侧，本实施例中以所述第一光源11和所述第二光源12位于所述探测器13不同侧进行举例说明，所述第一光源11和所述第二光源12位于所述腔体10的相同一侧，所述探测器13位于所述腔体10内相对所述第一光源11和第二光源12的另一侧。
检测通道11a和参考通道12a分别位于所述探测器13中心轴线的两侧，并且所述检测通道11a的中心轴线和参考通道12a的中心轴线均与所述探测器13的中心轴线保持相同的角度。将所述检测通道11a的中心轴线和所述参考通道12a的中心轴线之间的夹角设置为保持一定角度α，检测通道11a中心轴线与参考通道12a中心轴线之间的角度α的范围为0°≤α＜180°。
由于所述检测通道11a和所述参考通道12a共用一个探测器13，并且所述探测器13的探测面积有限，同时所述检测通道11a和所述参考通道12a内部互相连通，以使所述探测器13能够接收从所述第一光源11和第二光源12发射出来的光。
请参考图2，当探测器13的探测面积足够大，检测通道11a和参考通道12a可平行设置，此时探测器13接收到的光强信号最强，此时的角度α＝0°。
请参考图3，作为一种可选的实施方式，所述检测通道11a的中心轴线和参考通道12a的中心轴线均与所述探测器13的中心轴线之间的角度不相等。
图1、2、3为三种对射式双光源单探测器气体传感结构。
请参考图1和图2，在所述腔体10的侧壁上的相对两侧分别设置了进气口14和出气口15，供被测气体流入和流出所述腔体10。此时红外气体传感器还包括一抽气元件，以促进被测气体在进气口14和出气口15之间快速流通。
请参考图3，在腔体10的侧壁上设置了至少一通气孔16，供被测气体向腔体10扩散。
请参考图4和图5，第一光源11和第二光源12被均匀脉冲序列交替驱动，由于存在延时，在每一个周期内，当第一光源11被电压V1驱动并发光时，探测器13探测到的光信号逐渐增大，因此其输出的电信号也逐渐增大。而当第一光源11断开电压V1并停止发光时，探测器13探测到的光信号逐渐减小，探测器13输出的电信号也逐渐减小。当第二光源12被电压V2驱动时，探测器13输出的电信号的变化规律也基本相同。
因此在一个周期内，根据通常第一光源11断开电压的时间和第二光源12接通电压的时间之间的间隔t不同，探测器13输出的电信号会出现如图4-5中的两种情形。
请参考图4，在每一个周期内，当第一光源11断开电压V1时，探测器13探测到的光信号US呈逐渐减小的趋势，直到光信号US减小到一个稳定的值且不再减小时，第二光源12接通电压V2，此时第一光源11断开电压V1到第二光源12接通电压V2之间的时间间隔为t1，这种情形下可以保证探测器13探测到的光信号US较完整，检测精度高、功耗低。
请参考图5，在每一个周期内，当第一光源11断开电压V1时，探测器13探测到的光信号US呈逐渐减小的趋势，光信号US减小还未达到一个稳定的值且仍在减小时第二光源12接通电压V2，此时第一光源11断开电压V1到第二光源12接通电压V2之间的时间间隔为t2，且t2<t1，这种情形下探测器13探测到的两个光信号US和UR有交叉，相对于图4的方案，检测精度相对较低、功耗较高。
当所述腔体10中充满被测气体，并且所述第一光源11和所述第二光源12被同样幅值的电压驱动时，由于所述第一光源11发出的光经过较长的传输距离，进而将被更多的被测气体吸收，被测气体对所述第一光源11发出的光与对所述第二光源12发出的光存在吸收偏差。因此所述第一光源11发光时，所述探测器13的输出电信号(即为第一电信号)总是小于所述第二光源12发光时所述探测器13的输出电信号(即为第二电信号)。即经过检测通道11a的光在所述探测器13输出的第一电信号US小于经过参考通道12a的光在所述探测器13上输出的第二电信号UR。
将检测通道11a的长度记为L1，参考通道12a的长度记为L2，其中L2＜L1，在本实施例中，仅以L2＝L1/2进行举例说明。
当检测通道11a的长度L1为参考通道12a的长度L2的两倍时，被测气体对所述第一光源11发出的光的吸收量为对所述第二光源12a发出的光的吸收量的两倍。
所述第一光源11和第二光源12可以被同样电压幅值的电源驱动，此外，所述第一光源11和第二光源12也可以被不同电压幅值的电源驱动，以使所述第一光源11发出的光强信号为所述第二光源12发出的光强信号的两倍左右，进而确保探测器13在不同时刻从检测通道11a和参考通道12a探测到的光信号的差值不会太大。请参考图4和图5，第一光源11被电压幅值为V1的电源驱动，所述第二光源12被电压幅值为V2的电源驱动，设定V2＜V1，以此能够确保所述探测器13在不同时刻从检测通道11a和参考通道12a探测到的光信号的差值不会太大，从而能够确保所述探测器13输出的第一电信号US和第二电信号UR经过处理单元的处理后，处于同一个量程范围内，进而能提升本传感器的分辨率，所述处理单元内包括有处理器和用于放大所述探测器13输出第一电信号和第二电信号的放大电路。
例如，当所述第一光源11和第二光源12均被5V的电源驱动，若经过检测通道11a的光在所述探测器13上输出的第一电信号的峰值US＝0.1V时，由于参考通道12a的长度L2为检测通道11a的长度L1的一半，在理论上，经过参考通道12a的光在所述探测器13上产生的输出第二电信号的峰值UR为经过检测通道11a的光在所述探测器13上输出的第一电信号的峰值US的两倍，即UR＝2US＝0.2V。
当所述处理单元中的处理器的基准电压为3V时，为了使经过参考通道12a的光在所述探测器13上输出的第二电信号UR和经过检测通道11a的光在所述探测器13上输出的第一电信号US经过处理后处于同一量程范围内，需要将经过参考通道12a的光在所述探测器13上输出的第二电信号UR＝0.2V放大15倍，即经过参考通道12a的光在所述探测器13上输出的第二电信号UR经过处理后，对应的电压范围UR1为0～3V，而此时将经过检测通道11a的光在所述探测器13上输出的第一电信号放大15倍后，对应的电压范围US1为0～1.5V。
由于处理器的采样位数是固定的，如果将所述探测器13的浓度量程范围定位0～3000ppm，则经过检测通道11a的光在所述探测器13上输出的第一电信号经过处理后US1的分辨率为2ppm/mV，经过参考通道12a的光在所述探测器13上输出的第二电信号经过处理后UR1的分辨率为1ppm/mV。
当所述第一光源11与所述第二光源12分别被不同幅值的电源驱动时，例如当所述第一光源11被5V的电源驱动，所述第二光源12被电压幅值为V2的电源驱动时，若经过检测通道11a的光在所述探测器13上输出的第一电信号的峰值US＝0.1V，只要能确保第一光源发出的光强信号为第二光源发出的光强信号的两倍，由于检测通道11a的长度L1为参考通道12a的长度L2的两倍，则经过参考通道12a的光在所述探测器13上产生的输出第二电信号的峰值UR约等于经过检测通道11a的光在所述探测器13上产生的输出第一电信号的峰值US，即UR＝US＝0.1V。
当所述处理单元中的处理器的基准电压为3V时，需要将经过检测通道11a的光在所述探测器13上输出的第一电信号US和经过参考通道12a的光在所述探测器13上输出的第二电信号UR均放大30倍，即第一电信号US及第二电信号UR经过放大处理后，对应的电压范围UR1与US1均为0～3V。
由于处理器的采样位数是固定的，如果将所述探测器13的浓度量程范围定位0～3000ppm，则经过检测通道11a的光在所述探测器13上输出的第一电信号经过处理后US1的分辨率与经过参考通道12a的光在所述探测器13上输出的第二电信号经过处理后UR1的分辨率均为1ppm/mV，，分辨率显著提升。因此将第一光源11与所述第二光源12设置为分别被不同幅值的电源驱动第一光源11与所述第二光源12分别被不同幅值的电源驱动，并且V2＜V1时，可以有效提高本传感器的分辨率。
上述被测气体可以是二氧化碳(CO2)、水蒸汽(H2O)、烃、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)或者一氧化二氮(N2O)等对红外光有明显吸收的气体。
本探测器的具体检测过程为：
所述第一光源11发光，位于检测通道11a中的被测气体对所述第一光源11发出的光进行吸收，经过吸收后的光到达所述探测器13，所述探测器13输出第一电信号US，随后所述处理单元中的放大电路对第一电信号US进行放大，得到处理后的第一电信号US1。
所述第二光源12发光，位于参考通道12a中的被测气体对所述第二光源12发出的光进行吸收，经过吸收后的光到达所述探测器13，所述探测器13输出第二电信号UR，随后所述处理单元中的放大电路对第二电信号UR进行同样倍数的放大，得到处理后的第二电信号UR1。
所述处理单元中的处理器根据经过处理后的第一电信号US1与第二电信号UR1的比值R与其中存储的关系式得到被测气体的浓度，R＝US1/UR1＝US/UR。
由于温度漂移对所述检测通道和所述参考通道的影响一致，因此二者的比值能有效减小漂移所导致的测试误差。
通过多次在不同温度下，向所述腔体10中通入已知浓度的被测气体CO2，得到经过处理后的第一电信号US1(表1)、第二电信号UR1(表2)。
表1：向腔体10中通入已知浓度CO2得到的第一电信号值US1
表2：向腔体10中通入已知浓度CO2得到的第二电信号值UR1
进一步的通过表1、表2得到US1与UR1的比值R，R＝US1/UR1(表3)。
表3：向腔体10中通入已知浓度CO2得到的第一电信号值US1、和第二电信号值UR1比值R
通过表3可知当充入的已知浓度的被测气体时，在不同温度下，经过处理后的第一电信号US1与第二电信号UR1的比值R＝US1/UR1基本上保持不变；
例如，当被测气体CO2的浓度为460ppm时，在-10℃的温度下，比值R为0.862，在10℃的温度下，比值R为0.861，在30℃的温度下，比值R为0.860，在50℃的温度下，比值R为0.858，其中，在50℃的温度下的比值R数值最小，在-10℃的温度下的比值R数值最大，前者的数值为后者数值的99.5％；
当被测气体CO2的浓度为1600ppm时，在-10℃的温度下，比值R为0.850，在10℃的温度下，比值R为0.849，在30℃的温度下，比值R为0.848，在50℃的温度下，比值R为0.846，其中，在50℃的温度下的比值R数值最小，在-10℃的温度下的比值R数值最大，前者的数值为后者数值的99.5％；
当被测气体CO2的浓度为5000ppm时，在-10℃的温度下，比值R为0.831，在10℃的温度下，比值R为0.830，在30℃的温度下，比值R为0.829，在50℃的温度下，比值R为0.827，其中，在50℃的温度下的比值R数值最小，在-10℃的温度下的比值R数值最大，前者的数值为后者数值的99.5％。
由此可见，通过本实施例公开的传感器结构而形成的比值R在不同温度下基本保持不变，从而减小了温度漂移对气体传感器检测精度的影响。
利用实验中获取的多组被测气体CO2的浓度C和比值R＝US1/UR1的数据，根据最小二乘法进行数据拟合，得到被测气体CO2的浓度C和比值R＝US1/UR1＝US/UR之间的关系式，将此关系式存储在处理单元的处理器中，当探测器13探测到光信号时，根据检测结果得到比值R＝US1/UR1，并将比值R代入关系式，即得到被测气体的浓度C。
在本实施例中，根据表3中的数据进行数据拟合，可以得到如图6中所示的四条曲线，并得到四个比值R和浓度C和浓度关系式，从图6示出这四条曲线几乎重合，因此通过本发明的设计，基本上可以忽略温度对本实施例公开的高精度红外气体传感器的影响。
实施例二：
请参考图7，本发明的实施例公开了一种高精度红外气体传感器，其与实施例一中公开的高精度红外气体传感器的区别在于：是一种反射式双光源单探测器光路结构，通过改变第一光源11、第二光源12及探测器13的设置方式，进而增加光程，使得第一电信号、第二电信号比值变化大，提高分辨率，这种反射式光路结构优势在于光程增加了，但气体传感器整体尺寸不会变大，同时提高了测量精度，普适性更高。具体方式是本实施例中第一光源11和第二光源12位于探测器13同一侧，第一光源11发射的光经过腔体10的内壁反射后到达探测器13，第一光源11发出的光到探测器13之间的光程较长，处理单元接收探测器13检测到的第一电信号与第二电信号比值作为中间变量计算被测气体浓度。在腔体10的内壁上镀了一层反射膜，反射膜可以为金/银反射膜。
实施例三：
一种气体分析方法，应用于实施例一中所述的气体分析仪中，包括以下步骤：
步骤S1：在所述腔体10内充入已知浓度的被测气体，在本实施例中以被测气体为CO2进行举例说明；
步骤S2：所述第一光源11与所述探测器13之间的腔体10内形成检测通道11a，所述第二光源12与所述探测器13之间的腔体10内形成参考通道12a，所述第一光源11和第二光源12发出的光以一定的周期互相交替发光，从而交替照射所述检测通道11a和参考通道12a内已知浓度的被测气体CO2，请参考图4-5，当所述第一光源输出高电平V1驱动并发光时，所述第二光源不发光，所述第一光源11沿着检测通道11a照射已知浓度的被测气体CO2，经已知浓度的被测气体CO2吸收后的光被所述探测器13接收，并由所述探测器13根据接收的光强输出第一电信号US，当所述第二光源输出低电平V2驱动并发光时，所述第一光源不发光，所述第二光源12沿着参考通道12a照射已知浓度的被测气体CO2，经已知浓度的被测气体CO2吸收后的光被所述探测器13接收，并由所述探测器13根据接收的光强输出第二电信号UR；
步骤S3：由于检测通道11a和参考通道12a的在所述腔体10内的长度不一致，因此已知浓度的被测气体CO2对所述第一光源11发出的光与对所述第二光源12发出的光存在吸收偏差，为了便于所述处理单元中的处理器对输出信号进行读取和计算，所述处理单元中的放大电路对经过检测通道11a的光在所述探测器13上输出的第一电信号US进行放大，得到处理后的第一电信号US1，所述处理单元中的同一放大电路对经过参考通道12a的光在所述探测器13上输出的第二电信号UR进行同样倍数的放大，得到处理后的第二电信号UR1，计算出穿过检测通道11a后的光在所述探测器13上经过处理后输出的第一电信号US1与穿过参考通道12a后的光在所述探测器13上经过处理后输出的第二电信号UR1的强度比值R，R＝US1/UR1＝US/UR。
步骤S4：通过向所述腔体10中多次充入不同已知浓度C的被测气体，重复步骤S1-S3的操作，可以得到多组R值。
这些不同已知浓度C的被测气体为高精度的已知浓度的气体，在实际实验过程中测定的一组实验数据如下表4所示：
表4：多次测量已知浓度C的被测气得到多组R值
| 浓度C(ppm) | R |
| 460 | 0.869 |
| 800 | 0.862 |
| 1600 | 0.849 |
| 3000 | 0.830 |
| 5000 | 0.810 |
步骤S5：通过差值法/最小二乘法拟合出所述检测通道11a输出的第一电信号US与参考通道12a输出的第二电信号UR的强度比值R和已知被测气体浓度C之间的关系式；
根据步骤S4测定数据的表2中的五组已知数据，运用差值法/最小二乘法可拟合出被测气体的浓度C与经过检测通道11a的光在所述探测器13上产生的输出第一电信号US和经过参考通道12a的光在所述探测器13上产生的输出第二电信号UR的强度比值R之间的关系式，并得到一条如附图8所示的曲线。
在本实施例中，根据表4中的数据可以得到被测气体的浓度C与经过检测通道11a的光在所述探测器13上产生的输出第一电信号US和经过参考通道12a的光在所述探测器13上产生的输出第二电信号UR的强度比值R之间的关系式为：
C＝-3095279R3+8346035R2-7543072R+2284012
将此关系式存储在处理单元的处理器中，在实际的操作中，不同的仪器，拟合的阶数不同，会导致得到的关系式有差别。
步骤S6：仪器出厂后，实际测量时直接从进气口14向所述腔体10内通入未知浓度的被测气体CO2，重复步骤(2)-(3)，所述第一光源11发出的光沿检测通道11a照射未知浓度的被测气体CO2后被所述探测器13接收，并根据接收的光强输出对应第一电信号USS，所述第二光源12发出的光沿与参考通道12a照射未知浓度的被测气体CO2后被所述探测器13接收，并根据接收的光强输出对应第二电信号URR，随后经过所述处理单元中的放大电路对第一信号USS和第二信号URR进行同样倍数的放大，得到对应处理后的第一电信号USS1和第二电信号URR1，依据计算出的第一电信号USS1和第二电信号URR1的强度比值R和步骤S5确定的关系式，得出未知浓度的被测气体浓度。
为了进一步验证采用本发明方案的效果，将本发明实施例采用双光源、单探测器的气体传感器分别与采用单光源、单探测器的气体传感器及采用单光源、双探测器的气体传感器进行对比测试，在相同的检测条件下，多次分别向不同气体传感器内部通入相同已知浓度的被测气体，在不同温度下对已知浓度的被测气体进行检测，得到电压信号值数据，分析温度变化对浓度的影响，进一步验证采用本发明技术方案双光源、单探测器的性能及优势。
(一)采用本发明双光源、单探测器的气体传感器测试，得到电压信号值的数据(表5：据表3中的比值R放大1000倍得到)。
表5：本发明实施例双光源、单探测器气体传感器电压信号值
以气体浓度为460ppm为例，当温度由-10℃升高至50℃时，电压信号值的变化量为2；而在温度为-10℃时，当气体浓度由460ppm升高至5000ppm时，电压信号值的变化量为58；则可知，温度变化造成电压信号值的变化量相对于不同浓度气体造成电压信号值的变化量的比值约为3.4％。即采用本发明双光源、单探测器的气体传感器中的温度变化对不同浓度气体造成电压信号值之间的差值有影响。
同样地，以气体浓度为800ppm为例，当温度由-10℃升高至50℃时，电压信号值的变化量为2；而在温度为-10℃时，当气体浓度由460ppm升高至5000ppm时，电压信号值变化量为58；则可知，温度变化造成电压信号值的变化量相对于不同浓度气体造成电压信号值的变化量的比值约为3.4％。
同样地，以气体浓度为1600ppm为例，当温度由-10℃升高至50℃时，电压信号值的变化量为1；而在温度为-10℃时，当气体浓度由460ppm升高至5000ppm时，电压信号值变化量为58；则可知，温度变化造成电压信号值的变化量相对于不同浓度气体造成电压信号值的变化量的比值约为1.7％。
(二)采用单光源、单探测器的气体传感器测试，得到电压信号值(表6)。
表6：单光源、单探测器气体传感器电压信号值
以气体浓度为460ppm为例，当温度由-10℃升高至50℃时，电压信号值的变化量为91；而在温度为-10℃时，当气体浓度由460ppm升高至5000ppm时，电压信号值的变化量为421；则可知，温度变化造成电压信号值的变化量相对于不同浓度气体造成电压信号值的变化量的比值约为21.6％。
以气体浓度为800ppm为例，当温度由-10℃升高至50℃时，电压信号值的变化量为85；而在温度为-10℃时，当气体浓度由460ppm升高至5000ppm时，电压信号值的变化量为421；则可知，温度变化造成电压信号值的变化量相对于不同浓度气体造成电压信号值的变化量的比值约为20.2％。
以气体浓度为1600ppm为例：当温度由-10℃升高至50℃时，电压信号值的变化量为59；而在温度为-10℃时，当气体浓度由460ppm升高至5000ppm时，电压信号值的变化量为421；则可知，温度变化造成电压信号值的变化量相对于不同浓度气体造成电压信号值的变化量的比值约为14.0％。
(三)采用单光源、双探测器的气体传感器测试，得到电压信号值的数据(表7：检测通道与参考通道比值放大1000倍得到)。
表7：单光源、双探测器气体传感器电压信号值
以气体浓度为460ppm为例，当温度由-10℃升高至50℃时，电压信号值的变化量为20；而在温度为-10℃时，当气体浓度由460ppm升高至5000ppm时，电压信号值的变化量为136；则可知，温度变化造成电压信号值的变化量相对于不同浓度气体造成电压信号值的变化量的比值约为14.7％。
以气体浓度为800ppm为例，当温度由-10℃升高至50℃时，电压信号值的变化量为25；而在温度为-10℃时，当气体浓度由460ppm升高至5000ppm时，电压信号值的变化量为136；则可知，温度变化造成电压信号值的变化量相对于不同浓度气体造成电压信号值的变化量的比值约为18.4％。
以气体浓度为1600ppm为例，当温度由-10℃升高至50℃时，电压信号值的变化量为25；而在温度为-10℃时，当气体浓度由460ppm升高至5000ppm时，电压信号值的变化量为136；则可知，温度变化造成电压信号值的变化量相对于不同浓度气体造成电压信号值的变化量的比值约为18.4％。
通过对表5、6分析可知，采用本发明实施例双光源、单探测器的气体传感器优势在于：测量精度明显提高、测量一致性好，解决了采用单光源单探测器气体传感器因温度、光源和气室老造成长期漂移大、检测精度低的技术问题，提高了气体传感器的使用寿命，具备高度可靠性。
通过对表5、7分析可知，采用本发明实施例双光源、单探测器的气体传感器优势在于：测量精度明显提高、测量一致性好，解决了采用单光源双探测器气体传感器成本较高的技术问题。
本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高精度红外气体传感器，包括一腔体，用于容纳被测气体，其特征在于：
还包括位于腔体内的第一光源和第二光源用于照射被测气体，第一光源和第二光源分时由发出均匀电压脉冲的电源交替驱动发光；
一探测器，用于接收从第一光源发出并由被测气体吸收后的光并产生第一电信号，和用于接收从第二光源发出并由被测气体吸收后的光并产生第二电信号；
及一处理单元，用于对探测器产生的第一电信号和第二电信号进行处理，得到被测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的高精度红外气体传感器，其特征在于：第一光源断开电压和第二光源接通电压之间设置一定的时间间隔，用以消除或者减小探测器输出电信号延时带来的影响。
3.根据权利要求1所述的高精度红外气体传感器，其特征在于：处理单元接收探测器检测到的第一电信号与第二电信号，并根据二者输出电信号的强度比值作为中间变量，计算出被测气体浓度。
4.根据权利要求1所述的高精度红外气体传感器，其特征在于：第一光源发出的光到探测器之间的光程与第二光源发出的光到探测器之间的光程不同。
5.根据权利要求1所述的高精度红外气体传感器，其特征在于：第一光源和第二光源被不同的电压幅值的电源分时交替驱动发光。
6.根据权利要求4或5所述的高精度红外气体传感器，其特征在于：第一光源的电压幅值与第二光源的电压幅值的比值等于第一光源发出的光到探测器之间光程与第二光源发出的光到探测器之间光程的比值，以此来降低探测器接收第一光源和第二光源的光信号的差值。
7.根据权利要求6所述的高精度红外气体传感器，其特征在于：第一光源发出的光到探测器之间的光程不小于第二光源发出的光到探测器之间的光程。
8.根据权利要求7所述的高精度红外气体传感器，其特征在于：第一光源的电压幅值不小于第二光源的电压幅值。
9.一种气体分析方法，应用于权利要求1-8中任一项所述的高精度红外气体传感器，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在腔体内充入已知浓度的被测气体；
(2)第一光源和第二光源发出的光以一定的周期分时交替照射腔体内已知浓度的被测气体，当第一光源照射腔体内被测气体时，探测器根据接收的光强输出第一电信号，当第二光源照射腔体内被测气体时，探测器根据接收的光强输出第二电信号；
(3)处理单元中的放大电路对输出的第一电信号进行放大，得到对应处理后的第一电信号，处理单元中的同一放大电路对第二电信号进行同样倍数的放大，得到对应处理后的第二电信号，计算出经过处理后的第一电信号和第二电信号输出电信号的强度比值；
(4)多次向腔体中充入已知不同浓度的被测气体，重复上述步骤(1)-(3)，得到多组第一电信号和第二电信号经过处理后输出电信号的强度比值；
(5)将步骤(4)中得到的多组第一电信号和第二电信号经过处理后输出电信号的强度比值和已知浓度的被测气体的浓度值进行拟合算法，得出第一电信号和第二电信号的强度比值和已知被测气体浓度之间的关系式；
(6)在腔体内充入未知浓度的被测气体，重复上述步骤(2)-(3)，计算出第一电信号和第二电信号经过处理后输出电信号的强度比值并带入步骤(5)确定的关系式，得出被测气体的浓度。
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