CN111122693A - 一种光离子化检测器及动态调节检测器量程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光离子化检测器及动态调节检测器量程的方法。检测器包括：激励电源输出模块、紫外灯、一对离子收集电极片、放大电路和反馈控制电路；激励电源输出模块的输入端与直流电源连接，激励电源输出模块的输出端与紫外灯的激励电极连接，一对离子收集电极片设置在紫外灯的紫外光出射方向，电极片与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端与反馈控制电路的输入端连接，反馈控制电路的输出端与激励电源输出模块的控制端连接。本发明通过设置激励电源输出模块和反馈控制电路，实现了根据待测气体浓度范围优化检测精度与灵敏度。

Description

一种光离子化检测器及动态调节检测器量程的方法

技术领域

本发明涉及探测技术领域，特别是涉及一种光离子化检测器及动态调节检测器量程的方法。

背景技术

光离子化检测器(Photoionization detector，PID)由真空紫外灯、电离室、离子收集电极和放大电路等构成。PID的工作原理是：待测气体吸收紫外灯发射的高于气体分子电离能的光子，形成带电离子，在外加电场的作用下离子迁移形成微弱电流。目前紫外光能量可选值为9.6eV、10.6eV、11.6eV等，其中10.6eV最为常见，可以电离大部分有机蒸气和一部分无机气体。放大电路中，一般通过设置阻值为GΩ级别的电阻将产生的微弱电流放大为可以方便测量的电压值。由于测气体浓度与光离子化电流在一定范围内成线性关系，因此，通过检测PID设备的响应值与气体种类，便可得知待测气体的浓度，从而确定测气体是否超标。

光离子化检测器具有以下优点：

1.光离子化检测器对大多数有机物可产生响应信号；

2.光离子化检测器具有较高的灵敏度；

3.具有较宽的线性范围；

4.它是一种非破坏性检测器；

5.可在常压下进行操作，不需要载气，方便小型化。

尽管PID设备方便使用，但是PID设备在使用时也存在一些缺点。例如，PID设备的气体浓度检测范围往往是固定的，市场上常见的有0-20ppm，0-50ppm，0-200ppm等。在电路不变的情况下，小量程往往意味着高准确性和高信噪比，但是过小的量程会在测量超量程气体时饱和，从而无法得到准确浓度。为了解决这个现实使用的问题，往往需要携带多个量程不同的PID设备或者安装多个量程不同的传感器逐一测试，然后选择较为合适的设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种光离子化检测器及动态调节检测器量程的方法，实现了根据待测气体浓度范围优化检测精度与灵敏度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光离子化检测器，所述检测器包括：激励电源输出模块、紫外灯、一对离子收集电极片、放大电路和反馈控制电路；

所述激励电源输出模块的输入端与直流电源连接，所述激励电源输出模块的输出端与紫外灯的激励电极连接，用于产生电压可调的电源激励电压，并将所述电压可调的电源激励电压传输至所述紫外灯；

一对所述离子收集电极片设置在所述紫外灯的紫外光出射方向，所述电极片与所述放大电路的输入端连接，用于收集待测气体分子在所述紫外光的照射下电离成的离子电流，并将所述离子电流传输至所述放大电路；

所述放大电路的输出端与所述反馈控制电路的输入端连接，所述放大电路用于将所述离子电流转化成电压并放大，获得放大后的电压，并将所述放大后的电压传输至所述反馈控制电路；

所述反馈控制电路的输出端与所述激励电源输出模块的控制端连接，所述反馈控制电路用于根据所述放大后的电压调整激励电源输出模块输出的电源激励电压的大小，使所述放大后的电压在放大电路的饱和电压的10％至90％，并获取调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度；

所述反馈控制电路还用于获取调整后的电源激励电压对应放大后的电压，并根据所述放大后的电压、所述离子电流检测灵敏度和预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表计算待测气体分子浓度。

可选的，所述激励电源输出模块包括：可调电源电路、振荡电路和升压电路；

所述可调电源电路的输入端与所述直流电源连接，所述可调电源电路的输出端与所述振荡电路的输入端连接，所述可调电源电路的控制端与所述反馈控制电路的输出端连接；所述可调电源电路用于在所述反馈控制电路的控制下，将所述直流电源转换成大小可调的直流电压，并将所述可调的直流电压传输至所述振荡电路；

所述振荡电路的输出端与所述升压电路的输入端连接；所述振荡电路用于将所述可调的直流电压转换成可调的交流电压，并将所述可调的交流电压传输至所述升压电路；

所述升压电路的输出端与所述紫外灯的激励电极连接；所述升压电路用于将所述可调的交流电压转换成电压可调的电源激励电压，并将所述电压可调的电源激励电压传输至所述紫外灯的激励电极。

可选的，所述可调电源电路包括：可调稳压电源、第一电阻、第二电阻和第三电阻；

所述可调稳压电源的输入端连接所述直流电源，所述可调稳压电源的输出端与所述离子收集电极片的输入端连接；所述第一电阻的一端与所述可调稳压电源的正输出端连接；所述第一电阻的另一端、所述第二电阻的一端、所述第三电阻的一端均与所述可调稳压电源的控制端共点连接；所述第二电阻的另一端与所述可调稳压电源的负输出端连接；所述第三电阻的另一端与所述反馈控制电路的输出端连接。

可选的，所述振荡电路包括：第四电阻、第五电阻、第一三极管、第二三极管、电容和电感；

所述第四电阻的一端、所述第五电阻的一端和所述电感的一端均与所述振荡电路的正输入端连接；所述第四电阻的另一端与所述第一三极管的基级连接；所述第五电阻的另一端与所述第二三极管的基级连接；所述第一三极管的发射级、所述第二三极管的发射级均与所述振荡电路的负输入端连接；所述电容设置在所述第一三极管的集电极和所述第二三极管的集电极之间；所述电感的另一端、所述第一三极管的集电极和所述第二三极管的集电极均与所述升压电路的输入端连接。

可选的，所述升压电路包括：第一初级线圈、第二初级线圈、第三初级线圈和次级线圈；

所述第一初级线圈的一端与所述第一三极管的集电极连接；所述第二初级线圈的一端与所述第二三极管的集电极连接；所述第一初级线圈的另一端、所述第二初级线圈的另一端均与所述电感的另一端连接；所述第三初级线圈的一端与所述第一三极管的基极连接，所述第三初级线圈的另一端与所述第二三极管的基极连接；所述次级线圈的两端与所述紫外灯的激励电极连接；所述第一初级线圈、所述第二初级线圈、所述第三初级线圈分别与所述次级线圈为同名端线圈。

可选的，所述放大电路包括：放大器和第六电阻；

所述放大器的第一输入端与所述离子收集电极片连接，所述放大器的第二输入端接地；所述放大器的输出端与所述反馈控制电路的输入端连接；所述第六电阻的一端与所述放大器的第一输入端连接，所述第六电阻的另一端与所述放大器的输出端连接。

可选的，一对所述离子收集电极片与所述紫外灯的紫外光出射方向平行或者垂直。

一种动态调节检测器量程的方法，所述方法包括：

预设电压可调的电源激励电压；

获取所述电源激励电压对应的放大后的电压；

根据所述放大后的电压，调整所述电源激励电压的大小，使所述放大后的电压在放大电路的饱和电压的10％至90％，获取调整后的电源激励电压和调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度；

根据调整后的电源激励电压对应的放大后的电压、所述离子电流检测灵敏度和预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表，计算待测气体分子浓度。

可选的，所述根据所述放大后的电压，调整所述电源激励电压的大小，使所述放大后的电压在放大电路的饱和电压的10％至90％，并获取调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度，具体包括：

判断所述放大后的电压是否在所述放大电路的饱和电压的10％至90％的范围内，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述放大后的电压不在所述放大电路的饱和电压的10％至90％的范围内，则判断所述放大后的电压是否小于所述放大电路的饱和电压的10％，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示所述放大后的电压小于所述放大电路的饱和电压的10％，则增加所述电源激励电压的大小，并将所述离子电流检测灵敏度的值增加1级，得到更新后的电源激励电压和更新后的离子电流检测灵敏度；

判断更新后的离子电流检测灵敏度是否小于预设最大灵敏度阈值，得到第三判断结果；

若所述第三判断结果为所述更新后的离子电流检测灵敏度小于所述预设最大灵敏度阈值，则获取更新后的电源激励电压对应的放大后的电压，返回步骤“判断所述放大后的电压是否在所述放大电路的饱和电压的10％至90％的范围内，得到第一判断结果”；

若所述第三判断结果为所述更新后的离子电流检测灵敏度大于或等于所述预设最大灵敏度阈值，则输出上一次迭代更新后的电源激励电压和上一次迭代更新后的离子电流灵敏度，作为调整后的电源激励电压和调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度；

若所述第二判断结果表示所述放大后的电压大于所述放大电路的饱和电压的90％，则减小所述电源激励电压的大小，并将所述离子电流检测灵敏度的值减小1级，得到更新后的电源激励电压和更新后的离子电流检测灵敏度；

判断所述更新后的离子电流检测灵敏度是否大于预设最小灵敏度阈值，得到第四判断结果；

若所述第四判断结果为所述更新后的离子电流检测灵敏度大于所述预设最小灵敏度阈值，则获取更新后的电源激励电压对应的放大后的电压，返回步骤“判断所述放大后的电压是否在所述放大电路的饱和电压的10％至90％的范围内，得到第一判断结果”；

若所述第四判断结果为所述更新后的离子电流检测灵敏度小于或等于所述预设最小灵敏度阈值，则输出上一次迭代更新后的电源激励电压和上一次迭代更新后的离子电流灵敏度，作为调整后的电源激励电压和调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度；

若所述第一判断结果表示所述放大后的电压在所述放大电路的饱和电压的10％至90％的范围内，则输出当前级别的电源激励电压和当前级别的离子电流灵敏度，作为调整后的电源激励电压和调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度。

可选的，所述根据调整后的电源激励电压对应的放大后的电压、所述离子电流检测灵敏度和预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表，计算待测气体分子浓度，具体包括：

根据所述放大后的电压、所述离子电流检测灵敏度和预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表，利用公式c(V,s)＝f(V)×g(s)，得到所述待测气体的浓度；

其中，c(V,s)为待测气体的浓度，f(V)为预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表中电压-气体浓度线性关系，g(s)为离子电流检测灵敏度对应的校正系数，V为调整后的电源激励电压对应的放大后的电压，s为离子电流检测灵敏度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开的一种光离子化检测器及动态调节检测器量程的方法，具体地，反馈控制电路根据放大电路产生的信号，动态调节可调电源的输出电压，继而调节紫外灯发射的紫外光的光强，从而控制离子电流的强度，闭环调整放大电路的输出值，从而实现自动反馈闭环调整量程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的光离子化检测器的电路图；

图2为紫外灯的紫外光出射方向与离子收集电极片的结构图；图2(a)为紫外灯的紫外光出射方向与离子收集电极片平行的结构图；图2(b)为紫外灯的紫外光出射方向与离子收集电极片垂直的结构图；

图3为本发明提供的可调电源电路的电路图；

图4为本发明提供的振荡电路和升压电路的电路图；

图5为本发明提供的放大电路的电路图；

图6为本发明提供的动态调节检测器量程的方法流程图；

图7为本发明提供的动态调节检测器量程的方法详细流程图；

图8为现有技术中主流的光离子化检测器的电路图；

图9为本发明实施例提供的光离子化检测器对不同浓度的IBE的响应值。

符号说明：1-可调电源电路，101-可调稳压电源，102-第一电阻，103-第二电阻，104-第三电阻，2-振荡电路，201-第四电阻，202-第五电阻，203-第一三极管，204-第二三极管，205-电容，206-电感，3-升压电路，301-第一初级线圈，302-第二初级线圈，303-第三初级线圈，304-次级线圈，4-紫外灯和离子收集电极片，401-紫外灯，402-激励电极，403-离子收集电极片，5-放大电路，501-放大器，502-第六电阻，6-反馈控制电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种光离子化检测器及动态调节检测器量程的方法，实现了根据待测气体浓度范围优化检测精度与灵敏度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种光离子化检测器，如图1所示，检测器包括：激励电源输出模块、紫外灯401、一对离子收集电极片403、放大电路5和反馈控制电路6。

激励电源输出模块的输入端与直流电源连接，激励电源输出模块的输出端与紫外灯401的激励电极402连接，用于产生电压可调的电源激励电压，并将电压可调的电源激励电压传输至紫外灯401以产生紫外光。

一对离子收集电极片403设置在紫外灯401的紫外光出射方向，电极片与放大电路5的输入端连接，用于收集待测气体分子在紫外光的照射下电离成的离子电流，并将离子电流传输至放大电路5。

目前主流的PID紫外灯401与离子收集电极片403的结构图如图2(a)和图2(b)所示。紫外灯401发射的紫外光方向平行向上，一对离子收集电极片403之间的区域为气体分子可以被电离的光电离区域。常见的PID光源是通过稀有气体的等离子发光实现的，这些紫外光透过紫外光源的透明层射出，常见的PID光源在紫外透明层端为圆柱形。

图2(a)表示存在电势差的离子收集电极片403平行于紫外光出射方向的PID设计，一对离子收集电极片403之间的离子流方向可以垂直于纸面，通过离子收集电极片403上的微孔进入两个离子收集电极片403之间，垂直于离子收集电极片403，或者平行于紫外光方向从上向下或者从下向上流动。

图2(b)表示存在电势差的离子收集电极片403垂直于紫外光出射方向的PID设计，一对离子收集电极片(靠近紫外光源一侧离子收集电极片需要开孔让部分紫外光进入光电离区域)403之间的区域可以平行于离子收集电极片403并垂直于纸面或者在纸面内流动，或者是垂直于离子收集电极片403平行于紫外光方向流动。

放大电路5的输出端与反馈控制电路6的输入端连接，放大电路5用于将离子电流转化成电压，并对电压进行放大，获得放大后的电压，并将放大后的电压传输至反馈控制电路6。

反馈控制电路6的输出端与激励电源输出模块的控制端连接，反馈控制电路6用于根据放大后的电压调整激励电源输出模块输出的电源激励电压的大小，使放大后的电压在放大电路5的饱和电压的10％至90％，并获取调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度。

反馈控制电路6还用于获取调整后的电源激励电压对应放大后的电压，并根据放大后的电压、离子电流检测灵敏度和预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表(以异丁烯或者某种固定气体进行标定)，计算待测气体分子浓度(异丁烯或者其他特定标定气体的等效浓度)。

激励电源输出模块包括：可调电源电路1、振荡电路2和升压电路3；可调电源电路1的输入端与直流电源连接，可调电源电路1的输出端与振荡电路2的输入端连接，可调电源电路1的控制端与反馈控制电路6的输出端连接；可调电源电路1用于在反馈控制电路6的控制下，将直流电源转换成大小可调的直流电压，并将可调的直流电压传输至振荡电路2。

振荡电路2的输出端与升压电路3的输入端连接；振荡电路2用于将可调的直流电压转换成可调的交流电压，并将可调的交流电压传输至升压电路3。

升压电路3的输出端与紫外灯401的激励电极402连接；升压电路3用于将可调的交流电压转换成电压可调的电源激励电压，并将电压可调的电源激励电压传输至紫外灯401的激励电极402。

如图3所示，可调电源电路1包括：可调稳压电源101、第一电阻102、第二电阻103和第三电阻104；可调稳压电源101的输入端连接直流电源，可调稳压电源101的输出端与离子收集电极片403的输入端连接；第一电阻102的一端与可调稳压电源101的正输出端连接；第一电阻102的另一端、第二电阻103的一端、第三电阻104的一端均与可调稳压电源101的控制端共点连接；第二电阻103的另一端与可调稳压电源101的负输出端连接；第三电阻104的另一端与反馈控制电路6的输出端连接。

如图4所示，振荡电路2包括：第四电阻201、第五电阻202、第一三极管203、第二三极管204、电容205和电感206；第四电阻201的一端、第五电阻202的一端和电感206的一端均与振荡电路2的正输入端连接；第四电阻201的另一端与第一三极管203的基级连接；第五电阻202的另一端与第二三极管204的基级连接；第一三极管203的发射级、第二三极管204的发射级均与振荡电路2的负输入端连接；电容205设置在第一三极管203的集电极和第二三极管204的集电极之间；电感206的另一端、第一三极管203的集电极和第二三极管204的集电极均与升压电路3的输入端连接。

如图4所示，升压电路3包括：第一初级线圈301、第二初级线圈302、第三初级线圈303和次级线圈304；第一初级线圈301的一端与第一三极管203的集电极连接；第二初级线圈302的一端与第二三极管204的集电极连接；第一初级线圈301的另一端、第二初级线圈302的另一端均与电感206的另一端连接；第三初级线圈303的一端与第一三极管203的基极连接，第三初级线圈303的另一端与第二三极管204的基极连接；次级线圈304的两端与紫外灯401的激励电极402连接；第一初级线圈301、第二初级线圈302、第三初级线圈303分别与次级线圈304为同名端线圈。

如图5所示，放大电路5包括：放大器501和第六电阻502；放大器501的第一输入端与离子收集电极片403连接，放大器501的第二输入端接地；放大器501的输出端与反馈控制电路6的输入端连接；第六电阻502的一端与放大器501的第一输入端连接，第六电阻502的另一端与放大器501的输出端连接。

本发明还提供了一种动态调节检测器量程的方法，如图6所示，方法包括：

步骤601：预设电压可调的电源激励电压。

步骤602：获取电源激励电压对应的放大后的电压。

步骤603：根据放大后的电压，调整电源激励电压的大小，使放大后的电压在放大电路5的饱和电压的10％至90％，获取调整后的电源激励电压和调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度，如图7所示，具体包括：

判断放大后的电压是否在放大电路5的饱和电压的10％至90％的范围内，得到第一判断结果。

若第一判断结果表示放大后的电压不在放大电路5的饱和电压的10％至90％的范围内，则判断放大后的电压是否小于放大电路5的饱和电压的10％，得到第二判断结果。

若第二判断结果表示放大后的电压小于放大电路5的饱和电压的10％，则增加电源激励电压的激励电压大小，并将离子电流检测灵敏度的值增加1级，得到更新后的电源激励电压和更新后的离子电流检测灵敏度。

判断更新后的离子电流检测灵敏度是否小于预设最大灵敏度阈值，得到第三判断结果。

若第三判断结果为更新后的离子电流检测灵敏度小于预设最大灵敏度阈值，则获取更新后的电源激励电压对应的放大后的电压，返回步骤“判断放大后的电压是否在放大电路5的饱和电压的10％至90％的范围内，得到第一判断结果”。

若第三判断结果为更新后的离子电流检测灵敏度大于或等于预设最大灵敏度阈值，则输出上一次迭代(每一次循环为一次迭代)更新后的电源激励电压和上一次迭代更新后的离子电流灵敏度，作为调整后的电源激励电压和调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度。

若第二判断结果表示放大后的电压大于放大电路5的饱和电压的90％，则减小电源激励电压的大小，并将离子电流检测灵敏度的值减小1级，得到更新后的电源激励电压和更新后的离子电流检测灵敏度。

判断更新后的离子电流检测灵敏度是否大于预设最小灵敏度阈值，得到第四判断结果。

若第四判断结果为更新后的离子电流检测灵敏度大于预设最小灵敏度阈值，则获取更新后的电源激励电压对应的放大后的电压，返回步骤“判断放大后的电压是否在放大电路5的饱和电压的10％至90％的范围内，得到第一判断结果”。

若第四判断结果为更新后的离子电流检测灵敏度小于或等于预设最小灵敏度阈值，则输出上一次迭代更新后的电源激励电压和上一次迭代更新后的离子电流灵敏度，作为调整后的电源激励电压和调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度。

若第一判断结果表示放大后的电压在放大电路5的饱和电压的10％至90％的范围内，则输出当前级别的电源激励电压和当前级别的离子电流灵敏度，作为调整后的电源激励电压和调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度。

步骤604：根据调整后的电源激励电压对应的放大后的电压、离子电流检测灵敏度和预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表(以异丁烯或者某种固定气体进行标定)，计算待测气体分子浓度(异丁烯或者其他特定标定气体的等效浓度)，具体包括：

根据放大后的电压、离子电流检测灵敏度和预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表(以异丁烯或者某种固定气体进行标定)，利用公式c(V,s)＝f(V)×g(s)，得到待测气体的浓度(异丁烯或者其他特定标定气体的等效浓度)；其中，c(V,s)为待测气体的浓度，f(V)为预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表中电压-气体浓度线性关系，g(s)为离子电流检测灵敏度对应的校正系数，V为调整后的电源激励电压对应的放大后的电压，s为离子电流检测灵敏度。

如图4所示，当从离子收集电极片403收集得到的离子电流进入A点后，经过一个阻值为GΩ级别的电阻放大，根据IR＝V的关系，测量AB两点电压，即为放大电压，该方法得到的电压为低阻电压，可以用于外部电路输出。但是该电压存在上限，即为运放输入电压值，因而在电流达到一定程度后输出达到饱和。对于给定电路，运放电压无法大幅度调节，此外GΩ级别的电阻也难以调节，因而难以大范围调节电流-电压转换放大率，并且PID器件的输出会存在饱和电压值。因而行之有效的方式便是调整电流I值的大小来实现某种浓度气体产生的离子电流强度值，从而调整IR值，在不超过运放输入电压值(AB点电压没有饱和)的情况下调整信号输出值，从而实现了不同灵敏度的调节。另一方面，由于运放电压固定，即设备的最高饱和电压固定，所以要达到相同的电压需要的离子电流也随之反比变化，在固定气体浓度的情况下，紫外光强与离子电流强度成正比，则PID设备要达到饱和输出值的气体浓度与紫外光强成反比。根据以上分析，紫外光强的改变可以同时改变设备的灵敏度和饱和浓度，同时实现不同气体浓度的准确测量。

现有技术中主流的PID驱动电路设计如图8所示。PID工作电路包含电源输入、振荡电路2、升压电路3、紫外灯和离子收集电极片4、离子电流放大电路5，最终产生模拟输出。

本发明引入反馈控制电路6通过放大电路5产生的信号动态调节紫外灯401的光强，从而控制离子电流的强度闭环调整放大电路5的输出值，从而实现自动反馈闭环调整量程。

本发明实施案例设计并制造了一种具有可自动反馈调节灵敏度的PID设备。电源输入为10V，可调电源电路1采用如图3所示的电路设计，其可调输出范围为1V到10V，振荡电路2和升压电路3采用如图4所示的电路设计，右侧升压线圈的升压匝数比为1：100。紫外灯401和离子收集电极采用图2(b)的设置，放大电路5采用图3的布置，运放的输入电压为3V。反馈调节电路使用STM32F405芯片实现，本实施案例使用了其内部的MCU单元用于处理电压信号、执行灵敏度增减逻辑、计算浓度输出值等功能，一个模拟-数字转换单元(ADC)用于用于转换放大电路5的电压值，以及一个数字-模拟转换单元(DAC)用于用于根据MCU计算结果生成V_c。当强制设定V_c＝0V时，V_c不参与反馈调节，此时该PID经异丁烯(Isobutylene，IBE)标定时，量程为0-45ppm。当设定V_c为可反馈调解时，该PID经异丁烯(IBE)标定时，量程约为0-5000ppm。图9表示该PID在对不同浓度的异丁烯(IBE)真实浓度与测定值与的关系，方形点表示真实测试的结果，圆形点表示预期浓度测试结果。可以确定，通过该方法，在不改变原传感器物理结构的情况下，实现了约100倍的自动量程范围扩展，并且避免了直接使用大量程PID传感器测试低浓度气体时的较大的不确定度和较差的精度，具有良好的实用价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光离子化检测器，其特征在于，所述检测器包括：激励电源输出模块、紫外灯、一对离子收集电极片、放大电路和反馈控制电路；

所述激励电源输出模块的输入端与直流电源连接，所述激励电源输出模块的输出端与紫外灯的激励电极连接，用于产生电压可调的电源激励电压，并将所述电压可调的电源激励电压传输至所述紫外灯；

一对所述离子收集电极片设置在所述紫外灯的紫外光出射方向，所述电极片与所述放大电路的输入端连接，用于收集待测气体分子在所述紫外光的照射下电离成的离子电流，并将所述离子电流传输至所述放大电路；

所述放大电路的输出端与所述反馈控制电路的输入端连接，所述放大电路用于将所述离子电流转化成电压并放大，获得放大后的电压，并将所述放大后的电压传输至所述反馈控制电路；

所述反馈控制电路的输出端与所述激励电源输出模块的控制端连接，所述反馈控制电路用于根据所述放大后的电压调整激励电源输出模块输出的电源激励电压的大小，使所述放大后的电压在放大电路的饱和电压的10％至90％，并获取调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度；

所述反馈控制电路还用于获取调整后的电源激励电压对应放大后的电压，并根据所述放大后的电压、所述离子电流检测灵敏度和预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表计算待测气体分子浓度。

2.根据权利要求1所述的光离子化检测器，其特征在于，所述激励电源输出模块包括：可调电源电路、振荡电路和升压电路；

所述可调电源电路的输入端与所述直流电源连接，所述可调电源电路的输出端与所述振荡电路的输入端连接，所述可调电源电路的控制端与所述反馈控制电路的输出端连接；所述可调电源电路用于在所述反馈控制电路的控制下，将所述直流电源转换成大小可调的直流电压，并将所述可调的直流电压传输至所述振荡电路；

所述振荡电路的输出端与所述升压电路的输入端连接；所述振荡电路用于将所述可调的直流电压转换成可调的交流电压，并将所述可调的交流电压传输至所述升压电路；

所述升压电路的输出端与所述紫外灯的激励电极连接；所述升压电路用于将所述可调的交流电压转换成电压可调的电源激励电压，并将所述电压可调的电源激励电压传输至所述紫外灯的激励电极。

3.根据权利要求2所述的光离子化检测器，其特征在于，所述可调电源电路包括：可调稳压电源、第一电阻、第二电阻和第三电阻；

所述可调稳压电源的输入端连接所述直流电源，所述可调稳压电源的输出端与所述离子收集电极片的输入端连接；所述第一电阻的一端与所述可调稳压电源的正输出端连接；所述第一电阻的另一端、所述第二电阻的一端、所述第三电阻的一端均与所述可调稳压电源的控制端共点连接；所述第二电阻的另一端与所述可调稳压电源的负输出端连接；所述第三电阻的另一端与所述反馈控制电路的输出端连接。

4.根据权利要求2所述的光离子化检测器，其特征在于，所述振荡电路包括：第四电阻、第五电阻、第一三极管、第二三极管、电容和电感；

所述第四电阻的一端、所述第五电阻的一端和所述电感的一端均与所述振荡电路的正输入端连接；所述第四电阻的另一端与所述第一三极管的基级连接；所述第五电阻的另一端与所述第二三极管的基级连接；所述第一三极管的发射级、所述第二三极管的发射级均与所述振荡电路的负输入端连接；所述电容设置在所述第一三极管的集电极和所述第二三极管的集电极之间；所述电感的另一端、所述第一三极管的集电极和所述第二三极管的集电极均与所述升压电路的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的光离子化检测器，其特征在于，所述升压电路包括：第一初级线圈、第二初级线圈、第三初级线圈和次级线圈；

所述第一初级线圈的一端与所述第一三极管的集电极连接；所述第二初级线圈的一端与所述第二三极管的集电极连接；所述第一初级线圈的另一端、所述第二初级线圈的另一端均与所述电感的另一端连接；所述第三初级线圈的一端与所述第一三极管的基极连接，所述第三初级线圈的另一端与所述第二三极管的基极连接；所述次级线圈的两端与所述紫外灯的激励电极连接；所述第一初级线圈、所述第二初级线圈、所述第三初级线圈分别与所述次级线圈为同名端线圈。

6.根据权利要求1所述的光离子化检测器，其特征在于，所述放大电路包括：放大器和第六电阻；

所述放大器的第一输入端与所述离子收集电极片连接，所述放大器的第二输入端接地；所述放大器的输出端与所述反馈控制电路的输入端连接；所述第六电阻的一端与所述放大器的第一输入端连接，所述第六电阻的另一端与所述放大器的输出端连接。

7.根据权利要求1所述的光离子化检测器，其特征在于，一对所述离子收集电极片与所述紫外灯的紫外光出射方向平行或者垂直。

8.一种动态调节检测器量程的方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-7任一项所述的光离子化检测器，所述方法包括：

预设电压可调的电源激励电压；

获取所述电源激励电压对应的放大后的电压；

根据所述放大后的电压，调整所述电源激励电压的大小，使所述放大后的电压在放大电路的饱和电压的10％至90％，获取调整后的电源激励电压和调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度；

根据调整后的电源激励电压对应的放大后的电压、所述离子电流检测灵敏度和预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表，计算待测气体分子浓度。

9.根据权利要求8所述的动态调节检测器量程的方法，其特征在于，所述根据所述放大后的电压，调整所述电源激励电压的大小，使所述放大后的电压在放大电路的饱和电压的10％至90％，并获取调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度，具体包括：

判断所述放大后的电压是否在所述放大电路的饱和电压的10％至90％的范围内，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述放大后的电压不在所述放大电路的饱和电压的10％至90％的范围内，则判断所述放大后的电压是否小于所述放大电路的饱和电压的10％，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示所述放大后的电压小于所述放大电路的饱和电压的10％，则增加所述电源激励电压的激励电压大小，并将所述离子电流检测灵敏度的值增加1级，得到更新后的电源激励电压和更新后的离子电流检测灵敏度；

判断更新后的离子电流检测灵敏度是否小于预设最大灵敏度阈值，得到第三判断结果；

若所述第三判断结果为所述更新后的离子电流检测灵敏度小于所述预设最大灵敏度阈值，则获取更新后的电源激励电压对应的放大后的电压，返回步骤“判断所述放大后的电压是否在所述放大电路的饱和电压的10％至90％的范围内，得到第一判断结果”；

若所述第三判断结果为所述更新后的离子电流检测灵敏度大于或等于所述预设最大灵敏度阈值，则输出上一次迭代更新后的电源激励电压和上一次迭代更新后的离子电流灵敏度，作为调整后的电源激励电压和调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度；

若所述第二判断结果表示所述放大后的电压大于所述放大电路的饱和电压的90％，则减小所述电源激励电压的大小，并将所述离子电流检测灵敏度的值减小1级，得到更新后的电源激励电压和更新后的离子电流检测灵敏度；

判断所述更新后的离子电流检测灵敏度是否大于预设最小灵敏度阈值，得到第四判断结果；

若所述第四判断结果为所述更新后的离子电流检测灵敏度大于所述预设最小灵敏度阈值，则获取更新后的电源激励电压对应的放大后的电压，返回步骤“判断所述放大后的电压是否在所述放大电路的饱和电压的10％至90％的范围内，得到第一判断结果”；

若所述第四判断结果为所述更新后的离子电流检测灵敏度小于或等于所述预设最小灵敏度阈值，则输出上一次迭代更新后的电源激励电压和上一次迭代更新后的离子电流灵敏度，作为调整后的电源激励电压和调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度；

若所述第一判断结果表示所述放大后的电压在所述放大电路的饱和电压的10％至90％的范围内，则输出当前级别的电源激励电压和当前级别的离子电流灵敏度，作为调整后的电源激励电压和调整后的电源激励电压对应的离子电流检测灵敏度。

10.根据权利要求8所述的动态调节检测器量程的方法，其特征在于，所述根据调整后的电源激励电压对应的放大后的电压、所述离子电流检测灵敏度和预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表，计算待测气体分子浓度，具体包括：

根据所述放大后的电压、所述离子电流检测灵敏度和预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表，利用公式c(V,s)＝f(V)×g(s)，得到所述待测气体的浓度；

其中，c(V,s)为待测气体的浓度，f(V)为预设灵敏度下的电压-气体浓度对照表中电压-气体浓度线性关系，g(s)为离子电流检测灵敏度对应的校正系数，V为调整后的电源激励电压对应的放大后的电压，s为离子电流检测灵敏度。

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