CN109799206A - 一种非分光型红外气体传感器及其运行方式 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非分光型红外气体传感器的气室结构，其包括气腔壳及分别与其两端相连的发射端、接收端；气腔壳的侧壁上设置进气孔和出气孔；发射端设置红外光源及位于其前端的机械斩波装置；接收端设置高频响应红外探测器。本发明还涉及一种非分光型红外气体传感器及其运行方式，该传感器包括上述气室结构、通过气管分别与气室结构连接的进气接口和出气接口、通过电缆分别与气室发射端和接收端相连的主控板以及与主控板相连的报警器、显示器和气体浓度输出接口。本发明采用机械调制红外光源及高频响应热释电探测器，在技术装置上总体采用模块化设计，其气室结构采用普通的直气室结构，生产工艺难度较小而且抗恶劣环境影响的能力较强。

Description

一种非分光型红外气体传感器及其运行方式

技术领域

本发明涉及光电及微机电系统技术领域，尤其涉及一种非分光型红外气体传感器及其运行方式，其可应用于环化领域中有毒有害气体及挥发性液态危化品的检测分析。

背景技术

我国当前面临的毒品形势严峻。国际毒潮泛滥，涉毒国家和地区继续扩大，毒品来源、毒品种类、毒品产量、吸毒人数持续增多。从技术层面上讲，随着科学技术的高速发展，化学合成类毒品将成为全球范围滥用最为广泛的毒品。可以断言，今后问世的很多新型毒品，无不依赖化学物品作为原料和配剂。化学合成类毒品的出现对传统的毒品构成冲击，其原料的非原生性和生产的便捷性使之异军突起。从毒品加工工艺上讲，没有易制毒化学品，就没有精制的毒品。易制毒化学品是指规定管制的可用于制造麻醉药品和精神药物的化学原料及配剂。近年来随着国际上冰毒、摇头丸等合成毒品滥用问题的蔓延，我国易制毒化学品犯罪也日趋严重。境外贩毒组织与境内不法分子相互勾结，以生产各种化工产品为掩护，在境内开设工厂，疯狂生产各种新型毒品，制毒方法从最初简单的提炼方法发展到化学合成方法。

目前对于疑似易制毒化学品的准确识别主要是根据显色反应进行，显色反应是将试样中被测组分转变成有色化合物的化学反应。根据易制毒化学品的物理化学性质，利用基于显色反应的方法，对《联合国禁止非法贩运麻醉药品和精神药物公约》严格管制的22种以及“金三角”地区大量用于制造毒品的氯化亚砜、氯化铵、硫酸钡、氯化钯、三氯甲烷及醋酸钠等化学品进行了定性检测。这种方法需要多种化学试剂和多步测试观察才能获得结果，检测过程耗时费力，难以实现快速识别。除了显色反应，常用的易制毒化学品探测技术还有：气相色谱技术、拉曼光谱技术、离子迁移谱技术、X射线技术等。

传统的安检设备对固体的检测效果不错，但对液态被测物却效果不明显。液体易制毒在常温下通常呈液态，具有组分均匀、流动性好、运输方便、隐蔽性强、易藏难查等特点，增加了安检工作的难度。毒品走私分子通常将液态易制毒伪装成瓶装饮料、灌装食品、乳液、发胶等随行李通过安检人员的检查。当前，国内外针对液体易制毒探测的手段，按照技术原理不同主要有以下几种：气相色谱技术(GC)、离子迁移谱技术(IMS)、质谱技术(MS)、场离子测谱技术(FIS)、双能X射线探测技术、双能X射线CT探测技术、中子探测技术、激光拉曼光谱、电磁探测技术等。这些技术手段，对有特定形状、背景不太复杂以及挥发性较强的待测物检查效果较为良好，但对液体易制毒的检测都有一定的技术缺陷，比如，质谱技术、场离子测谱技术、气相色谱技术以及离子迁移谱技术对挥发性较弱的易制毒化学品探测会产生漏报，对密封包装的液态易制毒无法探测；X射线CT探测技术很难把液态易制毒化学品与日常用品的有机材质从密度或者原子序数方面准确区分开；X射线成像技术只能观察存储液体的容器形状，很难分辨液体的种类；中子探测技术对被检物造成污染等。

对于具有一定挥发性的化学品如液态易制毒化学品，目前较适合的检验方法是红外吸收光谱法。红外吸收光谱法的原理如下所述：

物质的红外光谱，是其分子结构的反映，光谱图中的吸收峰，与分子中各基团的振动形式相对应。多原子分子的光谱与其结构的关系，一般是通过实验手段得到的。这就是通过比较大量已知化合物的光谱，从中总结出各种基团的吸收规律来。实验表明，组成分子的各种基团，如O—H、N—H、C—H、C═C、C≡C、C═O等，都有自己特定的光谱吸收区域，分子其它部分对其吸收位置影响较小。通常把这种能代表基团存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。绝大多数易制毒化学品都有其特征吸收峰。易制毒化学品对其特征谱段光谱能量的吸收在低浓度范围内遵循比尔-朗伯定律：

P＝P₀Exp(-kcl)

其中，P₀为光源所产生的能量，P为光源所产生的能量通过存在有毒有害气体的环境后所剩余的能量，k为有毒有害气体的光谱吸收系数，l为光源距光谱探测器的距离，c为有毒有害气体的浓度。

根据比尔-朗伯定律，在实际中就能检测出有毒有害气体的浓度。由于绝大多数易制毒化学品虽然在室温下呈液态，但具有一定挥发性，所以只要检测挥发气体的浓度即可达到对易制毒化学品的鉴别及报警功能。根据如上技术原理设计制备出的气体检测仪一般称之为红外气体传感器。

基于非分光型(non-difractive)光谱法的红外气体传感器在上个世纪九十年代国内就有人研究，但主要存在检测灵敏度较低及无法在特殊的恶劣环境条件下使用的问题。检测灵敏度较低及无法在特殊的恶劣环境条件使用，这两个问题是有一定关联度的。

首先是检测灵敏度较低的问题，导致红外气体传感器检测灵敏度较低的直接原因有两个：

1、对红外光源的调制采取电调制方式，即对红外光源的输入电压及电流进行周期性的调制，以输出一定频率的红外能量。这种调制方式的缺点在于对红外光源的输入电压及电流的稳定性要求极高，若输入电压及电流的波动范围在千分之一，则不同调制周期内红外能量的输出值的波动亦将是千分之一，辐射到红外探测器光敏元上产生的电压信号的波动值亦将在千分之一，这就间接降低了红外气体传感器的检测灵敏度。

2、对红外光的接收探测器采油了传统的低频响应红外探测器。非分光红外气体传感器的核心电子元器件是热释电红外传感器，传统的热释电红外传感器的最佳工作频率在0.1Hz-5Hz范围内，高于这个频率则红外探测器的响应度大幅下降，但在这样的低频条件下，红外探测器的白噪声就很高，这亦是红外气体传感器的检测灵敏度降低的罪魁祸首。

在如上两个直接原因的影响下，为了提高红外气体传感器的检测灵敏度，人们不得不在气室结构的光学系统上想办法，即采取复杂的椭球结构设计。椭球结构设计就是将气室内壁形状加工成椭球形状，再镀一层反射率极高的光学反射薄膜(一般是金或银薄膜)，其优点首先是由于光子能量在气室内运动时得到了多次的反射或折射的增强，所以接收端的能量输入相对增加，从光学的角度讲就是光程得到了相对的增加。无论是接收端的能量输入相对增加，或是光程得到了相对的增加，其最终结果就是系统的检测灵敏度提高；其次，椭球形状气室结构设计的另一优点是发射端及接收端可以并列放置在同一側，这将大大降低气室的体积。气室内壁椭球形状设计有其独到的优点，但有带来如下问题：

首先是椭球形状气室结构的加工难度的问题：椭球形状气室结构的加工(椭球形状的形成及表面光洁度的保证)是很难的，尤其是在批量生产阶段；而且气室内壁椭球形状表面的光学反射薄膜(一般是金或银薄膜)的镀膜技术亦是难点，因为椭球形状气室结构的表面的镀膜均匀性是很难保证的。

其次是椭球形状气室结构设计抗恶劣环境影响的能力较差的问题。由于椭球形状气室结构的内壁具有相当高的表面光洁度及光学反射率，这就要求进入该气室的待测气体必须是洁净的，任何灰尘、颗粒的存在都将严重影响光子的反射从而影响系统的检测精度；任何少量的水汽及其它腐蚀性气体的存在都将对内壁的金属薄膜的反射效率产生影响从而影响系统的检测精度。因此，采用椭球形状气室结构设计的非分光红外气体传感器不适宜在复杂及恶劣环境下使用。

发明内容

为了克服现有技术中非分光红外气体传感器由于采用电调制红外光源及低频响应热释电探测器带来的检测灵敏度较低的技术问题，本发明提出了一种非分光型红外气体传感器，其采用机械调制红外光源及高频响应热释电探测器，在技术装置上总体采用模块化设计，其气室结构采用普通的直气室结构，生产工艺难度较小而且抗恶劣环境影响的能力较强，能够避免并解决采用椭球形状气室结构设计所带来的批量生产工艺难度较大及抗恶劣环境影响的能力较差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个目的是提供一种非分光型红外气体传感器的气室结构，其包括发射端、气腔壳和接收端，所述发射端与气腔壳的一端相连，所述接收端与气腔壳的另一端相连；所述气腔壳的侧壁上设置进气孔和出气孔；其中，所述发射端设置红外光源，在所述红外光源的前端安装机械斩波装置。

为了进一步地优化上述气室结构，本发明采取的技术措施还包括：

进一步地，所述接收端设置高频响应红外探测器。

进一步地，所述红外光源选用宽光谱光源，所述高频响应红外探测器选用薄膜型热释电探测器。

进一步地，所述气腔壳为中空圆柱体结构或具有椭球形状气室内壁的椭球形状气室结构，其由金属铝材料加工而成。更进一步地，所述气腔壳为中空圆柱体结构，其气腔壳为长度约为50～90mm，其内径及外径分别为8～12mm、10～20mm；更优选为长度为70mm，其内径及外径分别为10mm、150m。

进一步地，所述进气孔靠近发射端一侧，所述出气孔靠近接收端一侧。

本发明的第二个目的是提供一种具有任一上述的气室结构的非分光型红外气体传感器，其还包括：进气接口、出气接口、主控板、报警器、显示器、气体浓度输出接口；所述进气接口和出气接口通过气管分别与气腔壳上的进气孔和出气孔连接；所述主控板通过电缆分别与气室的发射端和接收端相连；所述报警器、显示器、气体浓度输出接口分别与主控板电连接。

为了进一步地优化上述非分光型红外气体传感器，本发明采取的技术措施还包括：

进一步地，所述主控板、气室结构均安装至外壳内部，所述显示器、报警器均安装至外壳前盖上；

进一步地，所述气体浓度输出接口包括模拟接口和数字接口，其与外壳前后盖相连。

进一步地，所述主控板内设置单片机或数字信号处理器。

进一步地，所述主控板内还设置电压信号采集单元、报警器控制信号输出单元、报警器反馈信号接收单元、数据输出单元。

进一步地，所述报警器为声光报警器，也可为本领域中任一合适的报警器；所述显示器为LCD显示器，也可为本领域中任一合适的显示器。

在上述非分光型红外气体传感器中，气室负责能量辐射、传输、接收，并将待测气体浓度信号转化为可处理的电信号；外壳起机械支撑及固定作用；主控板对各组成组件供电，向气室组件的红外光源及机械调制组件供电，实时采集二元热释电探测器两个通道的电压信号值，并同时按经验方程计算气体浓度，按控制软件设置要求提供浓度显示及报警模块的控制信号并接收其反馈信号，并具备数据输出功能；声光报警器的作用在于LCD显示气体浓度超出报警域值时，以声光方式报警。

本发明的第三个目的是提供一种任一上述的非分光型红外气体传感器的运行方式，其包括如下步骤：

步骤1)接入系统电源，主控板对发射端的光源驱动电路供电，以驱动宽光谱光源驱动电路工作，输出直流的宽光谱光能；

步骤2)所述直流的宽光谱光能经机械斩波装置处理后变成交变光能，并辐射出光子能量；

步骤3)接收端的红外探测器接收到光子能量后，将光能转换为电压信号；

步骤4)将电压信号经放大后输入到主控板进行处理，以计算气体浓度，并获得浓度数据；

步骤5)测得的浓度数据通过主控板显示于显示器，并可通过与主控板相连的气体浓度输出接口传送给关联设备，同时主控板根据测得的浓度数据确定是否驱动报警器。

为了进一步优化上述运行方式，本发明采取的技术措施还包括：

进一步地，所述宽光谱光能的光谱范围为2um-15um，所述交变光能的频率为10Hz-100Hz。

进一步地，所述LCD显示器上的气体浓度表示方式为百分体积比。

进一步地，所述主控板对电压信号的处理如下：接收端的光谱传感器输出的满量程的信号被放大到ADC转换器的全量程电压后，直接进入单片机或数字信号处理器，由单片机或数字信号处理器根据数学模型和预先测定的参数进行浓度的计算，进而得到浓度数据。

进一步地，所述气体浓度输出接口包括模拟接口和数字接口，以用不同的方式传送给其他关联设备；所述其他关联设备包括便携式电子设备，例如手机、平板等，也可为固定安装地计算机等。

进一步地，所述驱动报警器的步骤如下：若所测得的浓度值等于或大于预先设定的、已存储于主控板单片机中的报警域值，主控板则驱动声光报警器以声光方式报警；若所测得的浓度值小于预先设定的、已存储于主控板单片机中的报警域值，主控板则不驱动声光报警器以声光方式报警。

进一步地，所述光子能量与气体浓度具有直接关系：光子的能量愈高，其所对应的电压信号愈强。在光程及发射端所能辐射出的光子的能量一定的情况下，光子的能量与待测气体的浓度有直接关系，它们之间的关系遵循比尔-朗伯定律：

P＝P₀Exp(-kcl)

其中P₀为发射端所产生的能量，P为所产生的能量通过存在有毒有害气体的环境后所剩余的能量，k为有毒有害气体的光谱吸收系数，l为发射端距光谱探测器的距离，c为有毒有害气体的浓度。

若空气环境中有待测气体存在则通过进气接口扩散到气室中，然后又通过出气接口扩散到空气环境中，形成动态循环。接收端的电压输出受气室中气体吸收的程度而变化，气体浓度越高，被吸收的光子愈多，接收端的输出电压越低；气体浓度越低，被吸收的光子越少，接收端输出的电压越高。

与现有技术相比，本发明采用上述技术方案具有以下有益效果：

1、该气体传感器在结构实现上采用模块化设计，整机由气室、外壳、主控板、声光报警器等部分组成，各组件之间的机械连接及电连接相对简单，具有较容易实现批量生产及在批生产过程中质量管理较易执行，而且售后维修较简单的优点。

2、该气体传感器在气室结构设计上，以简单的直气室结构代替了目前的基于椭球形状气室内壁的椭球形状气室结构，避免并解决了采用椭球形状气室结构设计所带来的批量生产工艺难度较大及抗恶劣环境影响的能力较差的技术问题，具有气室结构加工难度小，整机生产工艺难度较小，粉尘或潮湿气氛对气室光路影响相对较小因而抗恶劣环境影响的能力较强的优点。

3、该气体传感器在采用简单的直气室结构的前提下，由于采用了如下两个新型的设计，其检测灵敏度仍然可与采用复杂的椭球形状气室结构的气体传感器的检测灵敏度相貔美；若气室结构亦采用复杂的椭球形状气室结构设计，则检测灵敏度将得到大幅度提高。

(1)对红外光源的调制采取机械调制方式，即不对红外光源的输入电压及电流进行周期性的调制，而是直接供给直流电流电压以输出稳定的红外能量。在红外光源的前端加一机械斩波器对直流红外光源输出的能量进行调制，这就意味着红外光源的输入电压及电流的稳定性得到了间接的提高，红外光源的能量输出值的稳定性得到了间接的提高，辐射到红外探测器光敏元上产生的电压信号的波动值大幅度降低，这就间接提高了红外气体传感器的检测灵敏度。

(2)对红外光的接收探测器采用了新型的高频响应红外探测器。非分光红外气体传感器的核心电子元器件是热释电红外传感器，传统的热释电红外传感器的最佳工作频率在0.1Hz-5Hz范围内，高于这个频率则红外探测器的响应度大幅下降；而新型的高频响应红外探测器能在高频条件下工作，即在10Hz-100Hz频段内其红外探测器的响应度亦足与0.1Hz-5Hz低频范围内的响应度相当。由于在10Hz-100Hz这样的高频条件下，红外探测器的白噪声相对较低，所以这就使红外气体传感器的检测灵敏度得到了提高。

附图说明

图1为本发明一实施例中所述的一种非分光型红外气体传感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例中所述的一种非分光型红外气体传感器的气室结构示意图；

图3为本发明一实施例中所述的光源、机械斩波装置及红外探测器的位置关系示意图；

图4为本发明一实施例中所述的外壳与各部件的的位置关系示意图。

其中，附图标记为：

1-报警器；2-显示器；3-气体浓度输出接口；4-主控板；5-电缆；6-气管；7-进气接口；8-气室；9-出气接口；10-外壳；

81-发射端；82-进气孔；83-气腔壳；84-出气孔；85-接收端；86-红外光源；87-机械斩波装置；88-红外探测器。

具体实施方式

本发明涉及一种非分光型红外气体传感器的气室结构，其包括气腔壳及分别与其两端相连的发射端、接收端；气腔壳的侧壁上设置进气孔和出气孔；发射端设置红外光源及位于其前端的机械斩波装置；接收端设置高频响应红外探测器。本发明还涉及一种非分光型红外气体传感器及其运行方式，该传感器包括上述气室结构、通过气管分别与气室结构连接的进气接口和出气接口、通过电缆分别与气室发射端和接收端相连的主控板以及与主控板相连的报警器、显示器和气体浓度输出接口。本发明还涉及一种上述非分光型红外气体传感器的运行方式。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。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。

实施例1

本实施例涉及一种非分光型红外气体传感器，如图1所示，整机包括进气接口7、报警器1、显示器2、气体浓度输出接口3、主控板4、电缆5、气管6、进气接口7、气室8、出气接口9；其中，气室由发射端81、气腔壳83及接收端85组成，其中，报警器1具体为声光报警器、显示器2具体为LCD显示器，如图2～4所示。

各组件的连接关系如下：

发射端81与气腔壳83的一端相连，接收端85与气腔壳83的另一端相连；其中，气腔壳83为中空圆柱体结构，采用金属铝材料加工而成；进气接口7和出气接口9通过气管6分别与气室的气腔壳83连接，进气孔82和出气孔84分别设置在气室的气腔壳83侧壁上，进气孔82靠近发射端81一侧，出气孔84靠近接收端85一侧；主控板4通过电缆5分别与气室2的发射端81和接收端85相连，报警器1、显示器2、气体浓度输出接口3分别与主控板4相连。

应用实施例1

本实施例为实施例1所述的非分光型红外气体传感器的应用实施例。

本实施例以非分光型的甲烷CH₄气体传感器为例，气腔壳83为一长度为约70mm中空圆拄体，其内径及外径大小尺寸分别为10mm及15mm，采用金属铝材料加工而成；发射端81的光源选用IR715L型宽光谱光源(红外光源86)，前端外加一机械斩波装置87，接收端85的红外探测器88选用薄膜型高频响应热释电探测器。

各组件的功能描述如下：

气室2：负责能量辐射、传输、接收，并将CH₄气体浓度信号转化为可处理的电信号。

外壳10：起机械支撑及固定作用，还有CH₄浓度显示及输出的功能。

主控板4：对各组成模块供电；向气室组件的光源(选用IR715L型光源)和机械斩波装置供电；实时采集二元光谱探测器两个通道的电压信号值(通道1为测试通道，其窄带带通滤光片中心波长为3.35um、半峰宽为170nm；通道2为参比通道，其窄带带通滤光片中心波长为3.95um、半峰宽为90nm)，并同时按经验方程计算气体浓度；按控制软件设置要求提供浓度显示及报警模块的控制信号并接收其反馈信号。

报警器1：其为声光报警器，LCD显示气体浓度超出报警阈值(1.00％)时，以声光方式报警。

该气体传感器的工作过程如下：

1、系统电源启动后，主控板4对发射端81的光源驱动电路供电(8-18V)，以驱动宽光谱光源驱动电路工作，辐射红外能量。发射端81经机械斩波按100Hz频率辐射出宽光谱(光谱范围：100nm-5um)的光子。

2、在洁净的空气环境下，接收端85的薄膜型高频热释电探测器接收到发射端81辐射出的光谱范围在100nm-5um的光子的能量后，产生电压信号，经接收端的前放电路放大后通道1及通道2的电压信号分别为1680mV及850mV。

3、在光程及发射端所能辐射出的光子的能量一定的确情况下，光子的能量与待测气体的浓度有直接关系，它们之间的关系遵循比尔-朗伯定律：

P＝P₀Exp(-kcl)

其中P₀为发射端所产生的能量，P为所产生的能量通过存在有毒有害气体的环境后所剩余的能量，k为有毒有害气体的光谱吸收系数，l为发射端距光谱探测器的距离，c为有毒有害气体的浓度。

4、若空气环境中有CH₄气体存在，而且假设其浓度为1.05％。则含有1.05％CH₄气体的空气必将通过进气接口7扩散到气室中，然后又通过出气接口9扩散到空气环中，形成动态循环。此时，经接收端85的前放电路放大后通道1及通道2的电压信号分别为1590mV及850mV。

5、经接收端85的前放电路放大后通道1及通道2的电压信号(分别为1590mV及850mV)输入到主控板4并直接进入单片机进行处理，由单片机根据数学模型和预先测定的参数进行浓度的计算，进而得到浓度数据为1.05％。

6、测得的1.05％浓度数据通过主控板4在外壳10前盖上的LCD显示器2上得以显示。

7、由于1.05％浓度数据大于通过遥控器所预先设定的、已存储于主控板单片机中的报警阈值1.00％，主控板4就驱动声光报警器1以声光方式报警。

8、测得的浓度数据在外壳10前盖上的LCD显示器2上实时显示的同时，还可通过与主控板6及前后盖相连的其他气体浓度输出接口3(模拟接口和数字接口)以不同的方式传送给其他关联设备。

下面来分析一下该应用实施例所得到的气体传感器的检测灵敏度：

1、在洁净的空气环境下，接收端85的薄膜型高频热释电探测器接收到发射端81辐射出的光谱范围在100nm-5um的光子的能量后，产生电压信号，经接收端的前放电路放大后通道1及通道2的电压信号分别为1680mV及850mV。

2、气室中充入浓度为1.05％的CH₄气体，此时，经接收端85的前放电路放大后通道1及通道2的电压信号分别为1590mV及850mV。

3、按循比尔-朗伯定律计算CH₄气体的吸收率K：L_n(1680/1590)＝1.05×10^-2×7K，得到K＝0.7491cm^-1。

4、将计算得到的CH₄气体的吸收率K代入比尔-朗伯定律的数学计算公式中，得到：L_n(V₀/V)＝7×0.7491C，其中V₀为在洁净环境中的电压信号值，V为在有CH₄气体存在的环境中的电压信号值。

5、将系统长期置于洁净环境中，采集电压信号值随时间的变化情况，即可估算出系统的检测灵敏度。

6、系统置于洁净环境中3分钟，其电压的波动值在1680mV±1mV，则按比尔-朗伯定律计算系统的检测灵敏度：L_n(V₀/V)＝7×0.7491C，V₀＝1680mV，V＝1680mV±1mV，则C＝1.14×10^-4，即114ppm。

7、在实际设计中取信噪比为2，即该系统的检测灵敏度可达228ppm。

对比实施例1

本实施例为采用常规的非分光型红外气体传感器的灵敏度分析。

若采用常规的非分光型红外气体传感器，对于同样的设计参数(即气腔壳为一长度为70mm中空圆柱体，其内径及外径大小尺寸分别为10mm及15mm，采用金属铝材料加工而成；发射端的光源选用IR715L型宽光谱光源，接收端的光谱探测器选用LHI814型低频响应热释电探测器)，则分析该气体传感器的检测灵敏度如下：

1、在洁净的空气环境下，接收端的LHI814型低频响应热释电探测器接收到发射端辐射出的光谱范围在100nm-5um的光子的能量后，产生电压信号，经接收端的前放电路放大后通道1及通道2的电压信号分别为1810mV及910mV。

2、气室中充入浓度为1.05％的CH₄气体，此时，经接收端的前放电路放大后通道1及通道2的电压信号分别为1720mV及910mV。

3、按循比尔-朗伯定律计算CH₄气体的吸收率K：L_n(1810/1730)＝1.05×10^-2×7K，得到K＝0.6939cm^-1。

4、将计算得到的CH₄气体的吸收率K代入比尔-朗伯定律的数学计算公式中，得到：L_n(V₀/V)＝7×0.6939C，其中V₀为在洁净环境中的电压信号值，V为在有CH₄气体存在的环境中的电压信号值。

5、将系统长期置于洁净环境中，采集电压信号值随时间的变化情况，即可估算出系统的检测灵敏度。

6、系统置于洁净环境中3分钟，其电压的波动值在1810mV±5mV，则按比尔-朗伯定律计算系统的检测灵敏度：L_n(V₀/V)＝7×0.6939C，V0＝1810mV，V＝1810mV±5mV，则C＝5.70×10^-4，即570ppm。

7、在实际设计中取信噪比为2，即该系统的检测灵敏度可达1140ppm。

而相对于椭球形状气室结构，首先其加工难度的问题：椭球形状气室结构的加工(椭球形状的形成及表面光洁度的保证)是很难的，尤其是在批量生产阶段；而且气室内壁椭球形状表面的光学反射薄膜(一般是金或银薄膜)的镀膜技术亦是难点，因为椭球形状气室结构的表面的镀膜均匀性是很难保证的。

其次是椭球形状气室结构设计抗恶劣环境影响的能力较差的问题。由于椭球形状气室结构的内壁具有相当高的表面光洁度及光学反射率，这就要求进入该气室的待测气体必须是洁净的，任何灰尘、颗粒的存在都将严重影响光子的反射从而影响系统的检测精度；任何少量的水汽及其它腐蚀性气体的存在都将对内壁的金属薄膜的反射效率产生影响从而影响系统的检测精度。因此，采用椭球形状气室结构设计的非分光红外气体传感器不适宜在复杂及恶劣环境下使用。

由上述实施例可知，本发明所述的非分光型红外气体传感器与传统的结构相比较，检测灵敏度可得以大幅度提高。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种非分光型红外气体传感器的气室结构，其特征在于，包括发射端、气腔壳和接收端，所述发射端与气腔壳的一端相连，所述接收端与气腔壳的另一端相连；所述气腔壳的侧壁上设置进气孔和出气孔；

其中，所述发射端设置红外光源，在所述红外光源的前端安装机械斩波装置。

2.根据权利要求1所述的气室结构，其特征在于，所述接收端设置高频响应红外探测器；所述红外光源选用宽光谱光源，所述高频响应红外探测器选用薄膜型热释电探测器。

3.根据权利要求1所述的气室结构，其特征在于，所述气腔壳为中空圆柱体结构或具有椭球形状气室内壁的椭球形状气室结构，其由金属铝材料加工而成；所述进气孔靠近发射端一侧，所述出气孔靠近接收端一侧。

4.一种具有权利要求1～3中任一项所述的气室结构的非分光型红外气体传感器，其特征在于，还包括：进气接口、出气接口、主控板、报警器、显示器、气体浓度输出接口；所述进气接口和出气接口通过气管分别与气腔壳上的进气孔和出气孔连接；所述主控板通过电缆分别与气室的发射端和接收端相连；所述报警器、显示器、气体浓度输出接口分别与主控板电连接。

5.根据权利要求4所述的非分光型红外气体传感器，其特征在于，所述主控板、气室结构均安装至外壳内部，所述显示器、报警器均安装至外壳前盖上；所述气体浓度输出接口包括模拟接口和数字接口，其与外壳前后盖相连。

6.根据权利要求4所述的非分光型红外气体传感器，其特征在于，所述主控板内设置单片机或数字信号处理器；所述报警器为声光报警器，所述显示器为LCD显示器。

7.一种上述非分光型红外气体传感器的运行方式，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)接入系统电源，主控板对发射端的光源驱动电路供电，以驱动宽光谱光源驱动电路工作，输出直流的宽光谱光能；

步骤2)所述直流的宽光谱光能经机械斩波装置处理后变成交变光能，并辐射出光子能量；

步骤3)所述接收端的红外探测器接收到光子能量后，将光能转换为电压信号；

步骤4)将所述电压信号经放大后输入到主控板进行处理，以计算气体浓度，并获得浓度数据；

步骤5)测得的浓度数据通过主控板显示于显示器，并可通过与主控板相连的气体浓度输出接口传送给关联设备，同时主控板根据测得的浓度数据确定是否驱动报警器。

8.根据权利要求7所述的运行方式，其特征在于，所述宽光谱光能的光谱范围为2um-15um，所述交变光能的频率为10Hz-100Hz。

9.根据权利要求7所述的运行方式，其特征在于，所述主控板对电压信号的处理如下：所述接收端的光谱传感器输出的满量程的信号被放大到ADC转换器的全量程电压后，直接进入单片机或数字信号处理器，由单片机或数字信号处理器根据数学模型和预先测定的参数进行浓度的计算，进而得到浓度数据。

10.根据权利要求7所述的运行方式，其特征在于，所述驱动报警器的步骤如下：若所测得的浓度值等于或大于预先设定的、已存储于主控板单片机中的报警域值，主控板则驱动报警器报警；若所测得的浓度值小于预先设定的、已存储于主控板单片机中的报警域值，主控板则不驱动报警器报警。