CN111141683A - 红外热导气体传感器及红外气体检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外热导气体传感器及红外气体检测方法，红外热导气体传感器包括外壳、位于所述外壳内的气体腔室、贯穿所述外壳并与所述气体腔室连通的气体通道、裸露于所述气体腔室内的红外辐射源和红外探测器、控制检测电路，所述红外光源和所述红外探测器与所述控制检测电路电信连接。通过将红外辐射源裸露于气体腔室，所述红外辐射源在具有不同热导率气体的环境中，中心辐射温度发生变化，通过红外探测器检测辐射强度的变化量计算得到待测气体的浓度。相较于传统的热导式气体传感器，这种利用红外光检测气体的设计可以得到更佳的气体浓度分辨率，在气体传感领域有应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及红外气体检测领域，尤其涉及一种红外热导气体传感器及红外气体检测方法。
背景技术
特定气体浓度的检测在工业安全、环保、化工、电力、汽车等领域有着十分关键的作用，目前常用的气体检测方式包括非色散红外气体传感器(NDIR)、催化燃烧气体传感器(LEL)、电化学气体传感器(EC)、金属氧化物半导体气体传感器(MOS)、热导气体传感器(TC)等等。其中，NDIR气体传感器具有选择性好、灵敏度高、长期稳定性好的优点，但由于非极性分子，如氢气，对红外光没有吸收作用，因此无法用NDIR方法进行检测；而EC气体传感器、MOS气体传感器、LEL气体传感器，无法测量高浓度的氢气，因此，对于量程较大的氢气传感器，往往只能用TC气体传感器进行检测。
传统的TC气体传感器，主要利用微热板和温度传感器实现对目标气体的检测，先将微热板加热到一定的温度，然后通入待测气体，通过温度传感器检测微热板上温度的变化，计算出待测气体的浓度。由于这种传感器的性能受到温度传感器精度的限制，使得它只能用于精度较低的检测应用。
鉴于此，有必要提供一种红外热导气体传感器及红外气体检测方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外热导气体传感器的设计及红外气体检测方法，用于实现对气体浓度的高精度检测。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种红外热导气体传感器，包括外壳、位于所述外壳内的气体腔室、贯穿所述外壳并与所述气体腔室连通的气体通道、裸露于所述气体腔室内的红外辐射源和红外探测器、控制检测电路，所述红外光源和所述红外探测器与所述控制检测电路电信连接。
进一步地，所述红外辐射源为灯芯裸露的红外光源。
进一步地，所述红外辐射源位于所述气体腔室内；或所述红外辐射源内嵌于形成所述气体腔室的气体腔室壁内，所述灯芯裸露于所述气体腔室内。
进一步地，所述红外辐射源选自MEMS红外光源、碳硅棒红外光源、镍络合金丝红外光源。
进一步地，所述气体通道为扩散式通道或泵吸式通道。
进一步地，所述扩散式通道包括扩散通道、遮蔽所述扩散通道的半透膜。
进一步地，所述泵吸式通道包括进气通道、出气通道及气泵，所述气泵与所述进气通道、或所述出气通道连通。
进一步地，所述红外探测器选自光敏二极管、或热释电红外探测器、或热电堆红外探测器。
进一步地，所述红外探测器与所述红外辐射源设置于围成所述气体腔室的侧壁上，红外辐射源发射的红外光经过直射或者反射的形式到达红外探测器。
进一步地，所述控制检测电路包括测量环境温度和/或待测气体温度的温度传感器。
为实现上述发明目的，本发明还采用如下技术方案：
一种基于上述红外热导气体传感器的红外气体检测方法，包括如下步骤：
S1：检测红外辐射源的光强作为初始光强；
S2：向气体腔室内导入多组已知浓度的待测气体，记录对应的红外辐射光源的光强，形成一组气体浓度-红外光强的对应表；
S3：向气体腔室内导入待测气体，记录对应的红外辐射光源的光强；
S4：将S3中测得的红外辐射光源的光强与S2中的对应表进行比较，用线性插值法计算出对应的待测气体的浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的红外热导气体传感器通过将红外辐射源裸露于气体腔室，检测气体时，所述红外辐射源在具有不同热导率气体的环境中，中心辐射温度发生变化，通过红外探测器检测辐射强度的变化量计算得到待测气体的浓度。相较于传统的热导式气体传感器，这种利用红外光检测气体的设计可以得到更佳的气体浓度分辨率，在气体传感领域有应用前景。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的红外热导气体传感器的结构示意图。
100-红外热导气体传感器，1-外壳，2-气体腔室，3-气体通道，4-红外辐射源，5-红外探测器，6-控制检测电路。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。
在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。
如图1所示，为本发明较佳实施例的红外热导气体传感器100，其包括外壳1、位于所述外壳1内的气体腔室2、贯穿所述外壳1并与所述气体腔室2连通的气体通道3、裸露于所述气体腔室2内的红外辐射源4和红外探测器5、控制检测电路6，所述红外光源和所述红外探测器5与所述控制检测电路6电信连接。
所述红外热导气体传感器100通过将红外辐射源4裸露于气体腔室2，所述红外辐射源4在具有不同热导率气体的环境中，中心辐射温度发生变化，通过红外探测器5检测辐射强度的变化量计算得到待测气体的浓度。相较于传统的热导式气体传感器，这种利用红外光检测气体的设计可以得到更佳的气体浓度分辨率，在气体传感领域有应用前景。
其中，所述红外辐射源4为灯芯裸露的红外光源，待测气体对其温度影响的灵敏度高。红外辐射源4裸露于气体腔室2，灯芯以与待测气体接触；待测气体进入所述气体腔室2后，气体腔室2内气体组分发生变化，因此所述红外辐射源4周围的气体热导率发生变化，使所述灯芯的温度改变，造成辐射的红外光强变强或变弱；通过所述红外探测器5检测光强的变化程度，从而计算出所述气体腔室2内待测气体的组分。
进一步地，所述红外辐射源4裸露于所述气体腔室2内包括整个所述红外辐射源4位于所述气体腔室2内，或所述红外辐射源4内嵌于形成所述气体腔室2的腔室壁内，仅发出红外光的灯芯裸露于所述气体腔室2内。
优选的实施例中，所述红外辐射源4选自但不限于MEMS红外光源、碳硅棒红外光源、镍络合金丝红外光源。
所述红外探测器5与所述红外辐射源4分别设置于围成所述气体腔室2的侧壁上，红外辐射源4发射的红外光经过直射或者反射的形式到达红外探测器5，提高了红外光强的测定精确度。所述红外探测器5选自但不限于光敏二极管、或热释电红外探测器、或热电堆红外探测器。
所述气体通道3供待测气体进出所述气体腔室2，可以为扩散式通道或泵吸式通道。
具体地，所述扩散式通道包括扩散通道、遮蔽所述扩散通道的半透膜；利用半透膜将经过一定过滤的待测气体扩散进所述气体腔室2内，使所述气体腔室2内外待测气体的浓度平衡。
所述泵吸式通道包括进气通道、出气通道及气泵，所述气泵通常位于所述红外热导气体传感器100外，通过管道与所述进气通道、或所述出气通道连通；利用所述气泵将待测气体由进气通道吸入到所述气体腔室2内，并由所述出气通道排出。
其中，所述进气通道为供待测气体进入所述气体腔室2的通道，其沿待测气体流动方向的通道长度不限，可以为开设于所述外壳1上的通道长度较短的进气口，也可以为通道长度较长的一段通道；所述进气通道为供待测气体流出所述气体腔室2的通道，其沿待测气体流动方向的通道长度不限，可以为开设于所述外壳1上的通道长度较短的出气口，也可以为通道长度较长的一段通道。
所述控制检测电路6包括测量环境温度和/或待测气体温度的温度传感器，用以对所述红外光源的光强进行修正。当需要同时测量环境温度和待测气体温度时，可以采用一个温度传感器，也可以采用两个温度传感器。
基于上述红外热导气体传感器100，本发明的红外气体检测方法包括如下步骤：
S1：检测红外辐射源的光强作为初始光强；
S2：向所述气体腔室2内导入多组已知浓度的待测气体，记录对应的红外辐射光源的光强，形成一组气体浓度-红外光强的对应表；
S3：向所述气体腔室2内导入浓度待定的待测气体，记录对应的红外辐射光源的光强；
S4：将S3中测得的红外辐射光源的光强与S2中的对应表进行比较，用线性插值法计算出对应的气体浓度。
综上所述，本发明的红外热导气体传感器100通过将红外辐射源4裸露于气体腔室2，检测气体时，所述红外辐射源4在具有不同热导率气体的环境中，中心辐射温度发生变化，通过红外探测器5检测辐射强度的变化量计算得到待测气体的浓度。相较于传统的热导式气体传感器，这种利用红外光检测气体的设计可以得到更佳的气体浓度分辨率，在气体传感领域有应用前景。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种红外热导气体传感器，其特征在于，包括外壳、位于所述外壳内的气体腔室、贯穿所述外壳并与所述气体腔室连通的气体通道、裸露于所述气体腔室内的红外辐射源和红外探测器、控制检测电路，所述红外光源和所述红外探测器与所述控制检测电路电信连接。
2.根据权利要求1所述的红外热导气体传感器，其特征在于，所述红外辐射源为灯芯裸露的红外光源。
3.根据权利要求2所述的红外热导气体传感器，其特征在于，所述红外辐射源位于所述气体腔室内；或所述红外辐射源内嵌于形成所述气体腔室的腔室壁内，所述灯芯裸露于所述气体腔室内。
4.根据权利要求1或2所述的红外热导气体传感器，其特征在于，所述红外辐射源选自MEMS红外光源、碳硅棒红外光源、镍络合金丝红外光源。
5.根据权利要求1所述的红外热导气体传感器，其特征在于，所述扩散式通道包括扩散通道、遮蔽所述扩散通道的半透膜。
6.根据权利要求1所述的红外热导气体传感器，其特征在于，所述泵吸式通道包括进气通道、出气通道及气泵，所述气泵与所述进气通道、或所述出气通道连通。
7.根据权利要求1所述的红外热导气体传感器，其特征在于，所述红外探测器选自光敏二极管、或热释电红外探测器、或热电堆红外探测器。
8.根据权利要求1所述的红外热导气体传感器，其特征在于，所述红外探测器与所述红外辐射源设置于围成所述气体腔室的侧壁上，红外辐射源发射的红外光经过直射或者反射的形式到达红外探测器。
9.根据权利要求1所述的红外热导气体传感器，其特征在于，所述控制检测电路包括测量环境温度和/或待测气体温度的温度传感器。
10.一种基于权利要求1～9中任意一项所述的红外热导气体传感器的红外气体检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：检测红外辐射源的光强作为初始光强；
S2：向气体腔室内导入多组已知浓度的待测气体，记录对应的红外辐射光源的光强，形成一组气体浓度-红外光强的对应表；
S3：向气体腔室内导入待测气体，记录对应的红外辐射光源的光强；
S4：将S3中测得的红外辐射光源的光强与S2中的对应表进行比较，用线性插值法计算出对应的待测气体的浓度。
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