CN110146460A - 一种带恒温控制功能的高灵敏多气体浓度检测系统及控制方法 - Google Patents
一种带恒温控制功能的高灵敏多气体浓度检测系统及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种带恒温控制功能的高灵敏多气体浓度检测系统及控制方法，属于气体传感器技术领域，该检测系统的气室采用反射式的结构，在气室设计得足够小的基础上，让红外光在腔壁上经过多次反射，继而透射到热释电探测器上，通过分析特定波长下红外光强度的变化来测定不同气体的浓度，最终通过WIFI模块采用无线传输将浓度信息在手机端上进行显示。另外采用带有石墨烯加热片的光学腔壁构成气室，对检测系统的环境温度进行控制，保证气体传感器气室内恒温，从而消除环境温度变化对检测结果的影响。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器技术领域，尤其涉及一种带恒温控制功能的高灵敏多气体浓度检测系统及控制方法。
背景技术
随着科技水平与社会经济的发展，多气体实时监测与分析在矿井勘探、化工生产、灾害预报、污染控制等各个领域的需求显得日益突出。在众多气体浓度的检测方法中，最常见的检测技术如下：一是电化学法，气体在电极处通过催化剂和高温作用发生氧化还原反应，促使电极之间的电信号发生改变，从而检测出待测气体的浓度，此方法检测精度不高、气体选择性较差，氧化还原反应的同时可能会产生有毒气体造成污染；二是紫外线电离法，水银灯放射出的紫外线照射到光电阴极上，逸出的光电子附着在待测气体分子上，从而产生离子在检测电阻上形成一定的电流，同时可以检测出待测气体的浓度，此方法的检测范围太小，且存在设备无法小型化的缺点；三是超声波法，在不同的气体介质中，超声波的传播速度有所不同，通过检测超声波在不同气体介质中从同一发射端到同一接收端的时间差值，可以检测出不同气体的浓度，此方法检测结果易受温度和湿度的影响，且存在检测范围较小的缺点；四是高压击穿法，根据浓度不同的气体有着不同的绝缘性能这一特性，在高压电极之间通入待测气体，电极之间的电信号会发生改变，从而检测出待测气体的浓度，此方法存在灵敏度较差的缺点，且无法进行长时间的在线检测。
非色散红外检测技术基于不同的气体分子存在不同的化学结构，对不同波段的红外光具有吸收作用，这种吸收作用服从朗伯-比尔定律，公式为：
I＝I0e-βCL
其中，I表示待测气体吸收过后的红外光光强，I0表示红外光源的辐射光强，β表示气体的吸光系数，C表示采样气室内待测气体的浓度，L表示红外光光程。红外光经过不同气体吸收过后分别可以通过相应的滤光片，最终到达热释电探测器的探头，探测元件将捕捉到的红外光信号转换成微弱的电信号，经过滤波放大和A/D转换之后，从而检测出待测气体的浓度。基于红外检测技术的气体传感器，具有相当高的检测精度和检测速度，制造成本相对传统的检测设备较低，不存在二次污染，不会造成检测设备的腐蚀以及人员伤亡，同时，具有良好的检测性和稳定性，能够抵抗各种温度、湿度的干扰，可以进行连续的长时间实时监测，方便后期检测设备维护与保养。
常用的非色散红外气体传感器在检测气体浓度的过程中，往往只能对单一气体浓度进行探测，如需进行多气体的检测，则需要在检测过程中切换多个滤波器，导致整个检测系统结构相当复杂。因此，为了优化整个传感器系统的结构，实现设备的小型化、便捷化，需要对现有非色散红外气体传感器的气室进行改进，解决气室中光路光程短的问题，还可测量多种气体，同时要尽量避免红外光在气室内的损耗，最终能够适应各种复杂的检测领域的使用。此外，环境温度对气体传感器测量结果有很大的影响，目前即使通过探测器的参考电路能够部分去除了温度对探测器测量结果的影响，温度也会显著影响气体吸收效率，从而导致气体浓度测量误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、精度高、性价比高、集成化高、带恒温控制功能的用于多气体检测的非色散红外气体传感器。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，由光学系统和外围电路组成，其中光学系统包括红外光源、聚光片、灯座、曲面反射镜、采样气室、热释电探测器、探测器支架、滤光片、透气膜，外围电路包括交流电源、滤波放大电路、温度检测电路以及由A/D转换器、 STM32单片机、TB6612FNG功率放大芯片、带有石墨烯加热片的光学腔壁的智能恒温控制电路；
其中，采样气室包括采样气室一和采样气室二，采样气室一由带有石墨烯加热片的光学腔壁构成，红外光源镶嵌在聚光片内，并通过灯座固定到采样气室一的光学腔壁上，曲面反射镜一和曲面反射镜二分别粘贴在采样气室一的光学腔壁上，封装了六个窄带滤光片的探测器通过支架与采样气室一固定到一起，且与红外光源固定在采样气室的同一端，温度传感器封装在采样气室一内，并在采样气室一进气端封装好透气膜，采样气室一整个镶嵌到由塑料构成的采样气室二上；
探测器连接到采样气室外的滤波放大电路，放大后的信号经过A/D转换电路模数转换之后送入STM32单片机；
STM32单片机连接有电源电路、调制电路、WIFI模块、温度采集电路以及智能温控电路；
温度采集电路测量采样气室一内的实时温度传输给STM32单片机，单片机则根据接受到的温度信号利用智能恒温控制电路实现采样气室恒温；
STM32单片机还与调制电路相连，用于控制红外光源的频率和强度。
作为本发明一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的进一步优选方案，所述聚光片为高透光率亚克力LED透镜，用于将LED红外光源发出的发散式的红外光汇聚成任意需要的角度，所述灯座用于将整个光源固定到采样气室内。
作为本发明一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的进一步优选方案，所述采样气室一为圆筒型复合结构，由带有石墨烯加热片的光学腔壁构成，铝合金光学内壁镀有一层铜膜，且镶嵌有两个曲面反射镜，红外光在气室中反射两次后最终透射到热释电探测器上，所述曲面反射镜为SiO2，用于对红外光具有良好的反射性，且反射过程中不会对红外光的能量产生削弱作用。
作为本发明一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的进一步优选方案，所述采样气室二为长方体结构，采用塑料材质制成，可与采样气一组合成整体气室，其右侧设计有入气口和出气口，用于标定和检测过程中进行气体交换。
作为本发明一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的进一步优选方案，所述热释电探测器为六通道形式，且封装了六个滤光片，分别通过红外光以及被五个待测气体吸收过的红外光，且整个探测器通过支架固定在采样气室内；所述滤光片选用中心波长分别为 3.95μm、4.66μm、4.26μm、3.3μm、7.30μm、1.57μm的窄带滤光片。
作为本发明一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的进一步优选方案，所述过滤网为mv-2fg-01防水透气膜，其孔径小于水珠10000倍，使水分无法通过，微孔通道在膜内结成网状立体结构，均匀密集的微孔分布，使灰尘遇到阻隔，达到有效的防尘效果；
所述滤波放大电路为仪表放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。
作为本发明一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的进一步优选方案，所述温度检测电路采用Pt100铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而变化，用于实时监测采样气室内部的环境气温；所述A/D转换器采用AD7195；所述STM32单片机的芯片型号为STM32F407；所述智能温控电路采用以TB6612FNG芯片为核心的反馈电路。
一种基于带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的控制方法，具体包含如下步骤；
步骤1，选取PID算法对采样气室内的温度进行智能控制，采用以TB6612FNG功率放大芯片为核心的反馈电路；
步骤2，设定温度控制的目标值，其中目标值为50℃，单片机输出占空比可变的PWM信号给TB6612FNG功率放大芯片，功率放大后驱动石墨烯加热片加热；
步骤3，带有石墨烯加热片的光学腔壁对采样气室内部进行加温，温度传感器采集当前采样气室内的温度值；
步骤4，将当前温度值与设定温度值之间的偏差作为反馈电路输入值，并由相应的控制算法计算得到系统的控制量；
步骤5，继续驱动带有石墨烯加热片的光学腔壁对气室进行加热操作，从而逐渐地将温度控制在目标值范围内，并保持稳定。
作为本发明一种基于带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的控制方法的进一步优选方案，其特征在于，在步骤1中，选取PID算法对采样气室内的温度进行智能控制，用u(t) 表示系统的输出，e(t)表示温度控制的差值，则基于PID算法的温度智能控制系统的公式为：
其中，kp表示比例放大系数，ki表示积分参数，kd表示微分参数。
作为本发明一种基于带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的控制方法的进一步优选方案，基于不同的气体分子存在不同的化学结构，对不同波段的红外光具有吸收作用，用I0表示入射光的光强，I表示出射光的光强，C表示气体的浓度，L表示红外光穿过气体的有效路径，这种吸收作用服从朗伯-比尔定律，公式为：
dI/I＝-βdN
其中，β表示气体的吸光系数，由气体本身性质所决定，且为常数，N表示气体的分子数，对本公式积分后可得：
lnI＝-βN+C
当外界条件一定时，β满足线性关系β∝CL，则公式整理为：
I＝eCe-βN＝eCe-βCL＝I0e-βCL
对以上公式进行推导可得：
其中，A表示红外光吸收度；
多气体检测装置，封装了六个滤光片，分别对六个测试通道上的红外光信号进行采集，进而在同一环境内对五种气体的浓度进行检测，而每种气体之间会产生相互干扰，每种待测气体的测试通道得到的吸光度是所有待测气体吸光度的线性和，用Ei表示第i个测量通道上的红外光的总吸收度，表示第i个测量通道上的未被吸收过的红外光的光强，Ii表示第i个测量通道上的被吸收过的红外光的光强，βij表示第j个测量通道上的待测气体在第i个测量通道上的响应系数，Ci表示第i个待测气体的浓度，βi表示第i个待测气体的吸光系数，多种气体检测过程中各个测量通道上的红外光的总吸收度的表达公式为：
多种气体浓度公式为：
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明涉及的基于非色散红外检测技术的多气体检测系统，在同一环境下检测CO、 CO2、NH4、SO2、H2S五种气体的浓度，并且通过WIFI模块采用无线传输将浓度信息在手机端上进行显示，克服了以往气体传感器只能检测单一气体浓度的局限；
2、本发明涉及的基于非色散红外检测技术的多气体检测系统，选取了圆筒型的采样气室结构，并通过采取多次反射的形式，增加红外光的吸收路径，使得特定波段的红外光光强变化得更为明显，同时缩小了整个检测系统的体积，有利于设备的小型化、便捷化；
3、本发明涉及的基于非色散红外检测技术的多气体检测系统，选取了PID算法对采样气室内的温度进行智能控制，采用石墨烯加热片通过加热的方法，保持检测环境温度恒定，消除环境温度变化造成的检测误差，避免后期再进行温度补偿等一系列的操作。
附图说明
图1是本发明的传感器采样气室一的剖面图。
图2是本发明的传感器光学系统的主视图。
图3是本发明的带有石墨烯加热片的光学腔壁结构图。
图4是本发明的热释电探测器的剖面图。
图5是本发明的系统结构图。
图6是本发明的滤波放大电路图。
图7是本发明的智能温控电路图。
图8是本发明的PID智能温控流程图。
图9是本发明的气体净化流程图。
图10是本发明的浓度计算流程图。
图中：1.带有石墨烯加热片的光学腔壁，1-1.双面铝箔保温气泡膜，1-2.石墨烯加热片， 1-3.铝合金光学内壁，1-a.正电极，1-b.负电极，2.红外光源，2-1.灯座，3.聚光片，4.曲面反射镜一，5.曲面反射镜二，6.热释电探测器，6-1.探测器支架，7.透气膜，8.入气口，9.出气口， 10.温度传感器，11.采样气室一，12.采样气室二，13.中心波长为3.95μm的窄带滤光片，14. 中心波长为4.66μm的窄带滤光片，15.中心波长为4.26μm的窄带滤光片,16.中心波长为3.3μm 的窄带滤光片，17.中心波长为7.3μm的窄带滤光片，18.中心波长为1.57μm的窄带滤光片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
本发明设计了一种带恒温控制功能的基于非色散红外检测技术的高灵敏多气体传感器，根据不同气体能够吸收不同波段的红外光这一特性，在同一环境下分别检测CO、CO2、NH4、 SO2、H2S五种混合气体的浓度，以满足工业过程中对多种混合气体进行高灵敏高精确检测的要求。
该传感器的结构主要由光学系统和外围电路组成，其中光学系统包括了红外光源、聚光片、曲面反射镜、采样气室、热释电探测器、滤光片、透气膜，外围电路包括了交流电源、滤波放大电路、温度检测电路以及由A/D转换器、STM32单片机、TB6612FNG功率放大芯片、带有石墨烯加热片的光学腔壁的智能恒温控制电路。
本发明专利首先选取PID算法对采样气室内的温度进行智能控制，采用以TB6612FNG 功率放大芯片为核心的反馈电路，首先设定温度控制的目标值(50℃)，单片机输出占空比可变的PWM信号给TB6612FNG功率放大芯片，功率放大后驱动石墨烯加热片加热，最终带有石墨烯加热片的光学腔壁对采样气室内部进行加温，温度传感器采集当前采样气室内的温度值，再将当前温度值与设定温度值之间的偏差作为反馈电路输入值，并由相应的控制算法计算得到系统的控制量，再继续驱动带有石墨烯加热片的光学腔壁对气室进行加热操作，从而逐渐地将温度控制在目标值附近的一定范围内，并保持稳定。
本设计所述的PID温度智能控制，用u(t)表示系统的输出，e(t)表示温度控制的差值，则基于PID算法的温度智能控制系统的公式为：
其中，kp表示比例放大系数，ki表示积分参数，kd表示微分参数，调节kp可以加快系统的响应速度，调节ki可以消除静态误差和加快响应速度，调节kd可以控制系统的超调量，因此，在使用时只需调节这三个参数便可进行温度智能控制。
单片机驱动带有石墨烯加热片的光学腔壁，对采样气室进行温度智能控制，待气室温度趋于稳定(50℃)之后，将待测混合气体由入气口通入采样气室一，在经过透气膜时，气体分子自由通行，进入到采样气室二中，而待测气体中的水分和杂质被阻挡在外，实现防水。检测过后气体再从出气口排出，透气膜的作用在于消除水和杂质对检测结果的影响。单片机驱动红外光源使其发出2-20μm的红外光，在聚光片的作用下产生一束平行光，透射到曲面反射镜一上后，产生反射进而透射到曲面反射镜二上，经过第二次反射后，最终透射到热释电探测器上。在此期间，待测混合气体对红外光进行了不同程度的吸收作用，再分别通过热释电探测器的不同窄带滤光片上。其中，一个为参比滤光片，可以通过未被待测气体吸收过的红外光，其他为测量滤光片，可以通过被待测气体吸收过的红外光，这些红外光最终到达热释电探测器的探头上，探测元件将捕捉到到光信号转换成电信号，经过外部电路的滤波放大和A/D转换之后，通过WIFI模块采用无线传输将浓度信息在手机端上进行显示。
本设计所述检测方法为非色散红外检测法，基于不同的气体分子存在不同的化学结构，对不同波段的红外光具有吸收作用，用I0表示入射光的光强，I表示出射光的光强，C表示气体的浓度，L表示红外光穿过气体的有效路径，这种吸收作用服从朗伯-比尔定律，公式为：
dI/I＝-βdN
其中，β表示气体的吸光系数，由气体本身性质所决定，一般为常数，N表示气体的分子数。对本公式积分后可得：
lnI＝-βN+C
当外界条件一定时，β满足线性关系β∝CL，则公式整理为：
I＝eCe-βN＝eCe-βCL＝I0e-βCL
对以上公式进行推导可得：
其中，A表示红外光吸收度。
本专利所提出的多气体检测装置，封装了六个滤光片，分别对六个测试通道上的红外光信号进行采集，进而在同一环境内对五种气体的浓度进行检测，而每种气体之间会产生相互干扰，每种待测气体的测试通道得到的吸光度是所有待测气体吸光度的线性和。在此，用Ei表示第i个测量通道上的红外光的总吸收度，表示第i个测量通道上的未被吸收过的红外光的光强，Ii表示第i个测量通道上的被吸收过的红外光的光强，βij表示第j个测量通道上的待测气体在第i个测量通道上的响应系数，Ci表示第i个待测气体的浓度，βi表示第i个待测气体的吸光系数，多种气体检测过程中各个测量通道上的红外光的总吸收度的表达公式为：
多种气体浓度公式为：
其中，所述红外光源为LED红外光源，红外辐射波长区间为2-20μm，符合多气体检测对各种波长范围的要求。
其中，所述聚光片为高透光率亚克力LED透镜，将LED红外光源发出的发散式的红外光汇聚成任意需要的角度。
其中，所述曲面反射镜为SiO2，对红外光具有良好的反射性，且反射过程中不会对红外光的能量产生削弱作用。
其中，所述采样气室一为圆筒型复合结构，由带有石墨烯加热片的光学腔壁构成，铝合金光学内壁镀有一层铜膜，且镶嵌有两个曲面反射镜，红外光在气室中反射两次后最终透射到热释电探测器上。同时，带有石墨烯加热片的光学腔壁，对采样气室内部的环境温度进行智能调节，达到控制环境温度恒定、消除温度影响的效果。
其中，所述采样气室二为长方体结构，采用塑料材质制成，可与采样气一组合成整体气室，其右侧设计有入气口和出气口，用于标定和检测过程中进行气体交换。
其中，所述热释电探测器为六通道形式，封装了六个滤光片，分别可以通过红外光以及被五个待测气体吸收过的红外光。
其中，所述滤光片选用中心波长分别为3.95μm、4.66μm、4.26μm、3.3μm、7.30μm、1.57μm 的窄带滤光片。
其中，所述过滤网为mv-2fg-01防水透气膜，其孔径小于水珠10000倍，使水分无法通过，微孔通道在膜内结成网状立体结构，均匀密集的微孔分布，使灰尘遇到阻隔，达到有效的防尘效果，最小可以捕捉到0.1微米的颗粒。微孔孔径大于水蒸气700倍，防水的同时，允许空气顺利通过，可以有效散热，防止产品内壁结雾，平衡内外空间气压。
其中，所述滤波放大电路为仪表放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。
其中，所述温度检测电路采用Pt100铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而变化，实时监测采样气室内部的环境气温。
其中，所述A/D转换器采用AD7195。
其中，所述STM32单片机采用STM32F407。
其中，所述智能温控电路采用以TB6612FNG芯片为核心的反馈电路。
其中，所述带有石墨烯加热片的光学腔壁为三层薄膜结构，最内层为铝合金光学内壁，负责传导热量到采样气室内，中间层为石墨烯薄膜加热面，其原理是因石墨烯内部的碳原子发生布朗运动，彼此之间摩擦产生热量，从而改变采样气室内部的温度，最外层为双面铝箔气泡膜，起保温效果，减少热量损耗。
结合图1、图2、图3和图4所示，一种基于非色散红外检测技术的多气体传感器的光学系统，包括带有石墨烯加热片的光学腔壁1，双面铝箔保温气泡膜1-1，石墨烯加热片1-2，铝合金光学内壁1-3，正电极1-a，负电极1-b，红外光源2，灯座2-1，聚光片3，曲面反射镜一4，曲面反射镜二5，六通道热释电探测器6，探测器支架6-1，透气膜7，入气口8，出气口9，温度传感器10，采样气室一11，采样气室二12，中心波长为3.95μm的窄带滤光片13，中心波长为4.66μm的窄带滤光片14，中心波长为4.26μm的窄带滤光片15，中心波长为 3.3μm的窄带滤光片16，中心波长为7.3μm的窄带滤光片17，中心波长为1.57μm的窄带滤光片。
气体传感器的采样气室一由带有石墨烯加热片的光学腔壁构成，将曲面反射镜一和曲面反射镜二分别粘贴在采样气室一的内壁上，再将封装了六个窄带滤光片的探测器与红外光源连接到气室内，封装好温度传感器，并在采样气室一右边封装好透气膜，整个镶嵌到由塑料构成的采样气室二上，完成光学系统的安装，连接好对应的外部电路，做好检测前的准备工作。
如图5和图7所示，在单片机MCU按键上输入所需设定的环境温度值，以TB6612FNG功率放大芯片为核心的反馈电路驱动带有石墨烯加热片的光学腔壁开始加热，气室内部封装了Pt100铂电阻温度传感器，对检测环境的温度进行实时采集，并反馈到单片机MCU内，温度信息通过LCD显示屏进行显示，紧接着再将当前温度值与设定温度值之间的偏差作为反馈电路输入值，并由相应的控制算法计算得到系统的控制量，再继续驱动带有石墨烯加热片的光学腔壁对气室内部进行加热操作，从而逐渐地将温度控制在目标值附近的一定范围内，并保持稳定。
如图8所示，在PID算法对温度进行智能控制的过程中，用u(t)表示系统的输出，e(t)表示温度控制的差值，则基于PID算法的温度智能控制系统的公式为：
其中，kp表示比例放大系数，ki表示积分参数，kd表示微分参数，调节kp可以加快系统的响应速度，调节ki可以消除静态误差和加快响应速度，调节kd可以控制系统的超调量，因此，在此过程中调节这三个参数便可进行温度智能控制。本发明将气体传感器气室内的温度恒定在50℃，此时只要对该温度条件下的测量误差进行补偿即可，显著提高了测量精度。
如图9所示，配置由CO、CO2、NH4、SO2、H2S五种气体组成的待测混合气体，由入气口通入采样气室一，待测混合气体透过透气膜，过滤掉混合气体中混杂的水蒸气和杂质，进而进入到采样气室二中，检测过后气体再从出气口排出，透气膜的作用在于消除水蒸气和杂质对检测结果的影响。单片机驱动红外光源使其发出2-20μm的红外光，在聚光片的作用下产生一束平行光，透射到曲面反射镜一上后，产生反射进而透射到曲面反射镜二上，经过第二次反射后，最终透射到热释电探测器上。在此期间，待测混合气体对红外光进行了不同程度的吸收作用，再分别通过封装在热释电探测器上的六个窄带滤光片上。其中，一个为参比滤光片，中心波长为3.95μm，可以通过未被待测混合气体吸收的红外光，另外五个为测量滤光片，中心波长分别为4.66μm、4.26μm、3.3μm、7.3μm、1.57μm，可以分别通过被CO、CO2、 NH4、SO2、H2S五种气体吸收过的红外光，这些红外光最终透射到热释电探测器的探头上，探测元件将捕捉到到光信号转换成电信号。经过外部电路的滤波放大(如图6所示)和A/D 转换之后，通过WIFI模块采用无线传输技术在手机端上分别显示出CO、CO2、NH4、SO2、 H2S五种气体的浓度值。
在此多气体检测装置中，封装了六个滤光片，分别对六个测试通道上的红外光信号进行采集，进而在同一环境内对五种气体的浓度进行检测，而每种气体之间会产生相互干扰，每种待测气体的测试通道得到的吸光度是所有待测气体吸光度的线性和。因而，红外光在经过窄带滤光片滤光之后入射检测通道的红外光存在非吸收波段，所以通过滤波片到达探测器上的辐射不完全是单色的。另外，除了待测的气体要吸收红外能量外，传感器采样气室内的各种元器件也会对红外光造成若干吸收和反射，从而产生一定的测量误差。因此，为了提高检测精度，引入非吸收波段占检测通道入射光范围的比例系数，用S表示，再用I0表示入射光的光强，I表示出射光的光强，C表示气体的浓度，L表示红外光穿过气体的有效路径，β表示气体的吸光系数，对朗伯-比尔定律进行修正，修正过后的朗伯-比尔定律公式表示为：
I＝I0×((1-S)×e-βCL+S)
如图10所示，本发明的多气体浓度测量方法如下：首先利用修正后的朗伯-比尔定律对出射光的光强。进而，用A表示红外光吸收度，再对朗伯-比尔定律的积分公式进行修正，表示为：
利用上述公式计算出红外光的吸收度。在此，用Ei表示第i个测量通道上的红外光的总吸收度，表示第i个测量通道上的未被吸收过的红外光的光强，Ii表示第i个测量通道上的被吸收过的红外光的光强，βij表示第j个测量通道上的待测气体在第i个测量通道上的响应系数，Ci表示第i个待测气体的浓度，βi表示第i个待测气体的吸光系数，多种气体检测过程中各个测量通道上的红外光的总吸收度的表达公式变化为：
多种气体浓度表示公式变化为：
利用总吸收度公式和多种气体浓度公式联立方程组，便可推导计算出CO、CO2、NH4、SO2、H2S的浓度值，分别用C1、C2、C3、C4、C5表示，最终由WIFI模块采用无线传输技术在手机端上进行显示，从而完成多种气体浓度检测的目标。
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形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，其特征在于：由光学系统和外围电路组成，其中光学系统包括红外光源、聚光片、灯座、曲面反射镜、采样气室、热释电探测器、探测器支架、滤光片、透气膜，外围电路包括交流电源、滤波放大电路、温度检测电路以及由A/D转换器、STM32单片机、TB6612FNG功率放大芯片、带有石墨烯加热片的光学腔壁的智能恒温控制电路；
其中，采样气室包括采样气室一和采样气室二，采样气室一由带有石墨烯加热片的光学腔壁构成，红外光源镶嵌在聚光片内，并通过灯座固定到采样气室一的光学腔壁上，曲面反射镜一和曲面反射镜二分别粘贴在采样气室一的光学腔壁上，封装了六个窄带滤光片的探测器通过支架与采样气室一固定到一起，且与红外光源固定在采样气室的同一端，温度传感器封装在采样气室一内，并在采样气室一进气端封装好透气膜，采样气室一整个镶嵌到由塑料构成的采样气室二上；
探测器连接到采样气室外的滤波放大电路，放大后的信号经过A/D转换电路模数转换之后送入STM32单片机；
STM32单片机连接有电源电路、调制电路、WIFI模块、温度采集电路以及智能温控电路；
温度采集电路测量采样气室一内的实时温度传输给STM32单片机，单片机则根据接受到的温度信号利用智能恒温控制电路实现采样气室恒温；
STM32单片机还与调制电路相连，用于控制红外光源的频率和强度。
2.根据权利要求1所述的一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，其特征在于：所述聚光片为高透光率亚克力LED透镜，用于将LED红外光源发出的发散式的红外光汇聚成任意需要的角度，所述灯座用于将整个光源固定到采样气室内。
3.根据权利要求1所述的一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，其特征在于：所述采样气室一为圆筒型复合结构，由带有石墨烯加热片的光学腔壁构成，铝合金光学内壁镀有一层铜膜，且镶嵌有两个曲面反射镜，红外光在气室中反射两次后最终透射到热释电探测器上，所述曲面反射镜为SiO2，用于对红外光具有良好的反射性，且反射过程中不会对红外光的能量产生削弱作用。
4.根据权利要求1所述的一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，其特征在于：所述采样气室二为长方体结构，采用塑料材质制成，可与采样气一组合成整体气室，其右侧设计有入气口和出气口，用于标定和检测过程中进行气体交换。
5.根据权利要求1所述的一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统其中，其特征在于：所述热释电探测器为六通道形式，且封装了六个滤光片，分别通过红外光以及被五个待测气体吸收过的红外光，且整个探测器通过支架固定在采样气室内；所述滤光片选用中心波长分别为3.95μm、4.66μm、4.26μm、3.3μm、7.30μm、1.57μm的窄带滤光片。
6.根据权利要求1所述的一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，其特征在于：所述过滤网为mv-2fg-01防水透气膜，其孔径小于水珠10000倍，使水分无法通过，微孔通道在膜内结成网状立体结构，均匀密集的微孔分布，使灰尘遇到阻隔，达到有效的防尘效果；所述滤波放大电路为仪表放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。
7.根据权利要求1所述的一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统其中，其特征在于：所述温度检测电路采用Pt100铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而变化，用于实时监测采样气室内部的环境气温；所述A/D转换器采用AD7195；所述STM32单片机的芯片型号为STM32F407；所述智能温控电路采用以TB6612FNG芯片为核心的反馈电路。
8.一种基于权利要求1至7所述的带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的控制方法，其特征在于：具体包含如下步骤；
步骤1，选取PID算法对采样气室内的温度进行智能控制，采用以TB6612FNG功率放大芯片为核心的反馈电路；
步骤2，设定温度控制的目标值，其中目标值为50℃，单片机输出占空比可变的PWM信号给TB6612FNG功率放大芯片，功率放大后驱动石墨烯加热片加热；
步骤3，带有石墨烯加热片的光学腔壁对采样气室内部进行加温，温度传感器采集当前采样气室内的温度值；
步骤4，将当前温度值与设定温度值之间的偏差作为反馈电路输入值，并由相应的控制算法计算得到系统的控制量；
步骤5，继续驱动带有石墨烯加热片的光学腔壁对气室进行加热操作，从而逐渐地将温度控制在目标值范围内，并保持稳定。
9.根据权利要求8所述的一种基于权利要求1所述的带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的控制方法，其特征在于，在步骤1中，选取PID算法对采样气室内的温度进行智能控制，用u(t)表示系统的输出，e(t)表示温度控制的差值，则基于PID算法的温度智能控制系统的公式为：
其中，kp表示比例放大系数，ki表示积分参数，kd表示微分参数。
10.根据权利要求9所述的一种基于权利要求1所述的带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的控制方法，其特征在于，基于不同的气体分子存在不同的化学结构，对不同波段的红外光具有吸收作用，用I0表示入射光的光强，I表示出射光的光强，C表示气体的浓度，L表示红外光穿过气体的有效路径，这种吸收作用服从朗伯-比尔定律，公式为：
dI/I＝-βdN
其中，β表示气体的吸光系数，由气体本身性质所决定，且为常数，N表示气体的分子数，对本公式积分后可得：
lnI＝-βN+C
当外界条件一定时，β满足线性关系β∝CL，则公式整理为：
I＝eCe-βN＝eCe-βCL＝I0e-βCL
对以上公式进行推导可得：
其中，A表示红外光吸收度；
多气体检测装置，封装了六个滤光片，分别对六个测试通道上的红外光信号进行采集，进而在同一环境内对五种气体的浓度进行检测，而每种气体之间会产生相互干扰，每种待测气体的测试通道得到的吸光度是所有待测气体吸光度的线性和，用Ei表示第i个测量通道上的红外光的总吸收度，I0i表示第i个测量通道上的未被吸收过的红外光的光强，Ii表示第i个测量通道上的被吸收过的红外光的光强，βij表示第j个测量通道上的待测气体在第i个测量通道上的响应系数，Ci表示第i个待测气体的浓度，βi表示第i个待测气体的吸光系数，多种气体检测过程中各个测量通道上的红外光的总吸收度的表达公式为：
多种气体浓度公式为：
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