CN111189781A - 一种光声光谱气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光声光谱气体传感器，包括主控板、气腔、拾音器、至少一个电可调制光源、至少一个光源驱动板和至少一个滤光片，所述气腔上设有通气孔和至少一个透光窗口，所述滤光片安装在透光窗口上，所述电可调制光源正对透光窗口设置，所述电可调制光源安装在光源驱动板上，所述气腔内安装有拾音器，所述气腔、拾音器、光源驱动板安装在主控板上。本发明采用电可调制光源，该光源体积很小，不需要机械调制装置，使得整个光声光谱气体传感器装置体积大大缩小。

Description

一种光声光谱气体传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种光声光谱气体传感器。
背景技术
当一束调制光照射到透明容器上时，容器内的气体在吸收光能后出现局部热膨胀，产生周期性压力波动，也就是发出声波，这就是气体的光声效应。由于不同气体具有不同的吸收峰，改变入射光的波长，容器内的声波强弱也会发生改变。记录这一变化，就形成了光声光谱。
利用光声光谱原理，可以对气体进行检测，分辨出不同的气体，或测量特定气体的浓度。光声光谱气体传感器通常使用激光光源，这是因为激光容易在特定波长上实现较高的入射强度，对极低浓度的气体也能形成足够的加热，并能够方便地在几千赫兹到几十千赫兹频率上进行调制，产生可以容易被检测到的声波，从而获得较好的分辨率。
但是，采用激光光源的光声光谱传感器的常规激光波长受限，能检测的气体有限，而可变波长的激光器如量子级联激光器价格昂贵，使用条件严格，不易应用。采用非激光光源的光声光谱传感器通常需要使用黑体辐射光源，并配有机械斩波器来实现调制，结构复杂、体积庞大。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种采用非激光光源的小体积光声光谱气体传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种光声光谱气体传感器，包括主控板、气腔、拾音器、至少一个电可调制光源、至少一个光源驱动板和至少一个滤光片，所述气腔上设有通气孔和至少一个透光窗口，所述滤光片安装在透光窗口上，所述电可调制光源正对透光窗口设置，所述电可调制光源安装在光源驱动板上，所述气腔内安装有拾音器，所述气腔、拾音器、光源驱动板安装在主控板上。
进一步地，上述光声光谱气体传感器中，所述主控板上安装有微控制单元MCU，用于控制光源驱动板发出脉冲光源，并对拾音器发送的信号进行处理。
进一步地，上述光声光谱气体传感器中，所述拾音器为微机电系统MEMS麦克风芯片。
进一步地，上述光声光谱气体传感器中，所述拾音器、光源驱动板焊装在主控板上。
与现有技术相比，本发明光声光谱气体传感器，包括主控板、气腔、拾音器、至少一个电可调制光源、至少一个光源驱动板和至少一个滤光片，所述气腔上设有通气孔和至少一个透光窗口，所述滤光片安装在透光窗口上，所述电可调制光源正对透光窗口设置，所述电可调制光源安装在光源驱动板上，所述气腔内安装有拾音器，所述气腔、拾音器、光源驱动板安装在主控板上。本发明采用电可调制光源，该光源体积很小，不需要机械调制装置，使得整个光声光谱气体传感器装置体积大大缩小。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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：本发明实施例提供的光声光谱气体传感器结构组成示意图；
图2：本发明实施例提供的光声光谱气体传感器单通道构型示意图；
图3：本发明实施例提供的光声光谱气体传感器双通道构型示意图；
图4：本发明实施例提供的光声光谱气体传感器四通道构型示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种光声光谱气体传感器，包括主控板1、气腔2、拾音器3、至少一个电可调制光源4、至少一个光源驱动板5和至少一个滤光片6，所述气腔2上设有通气孔21和至少一个透光窗口22，所述滤光片6安装在透光窗口22上，所述电可调制光源4正对透光窗口22设置，所述电可调制光源4安装在光源驱动板5上，所述气腔2内安装有拾音器3，所述气腔2、拾音器3、光源驱动板5安装在主控板1上。
本发明实施中，滤光片6波长对应于待测气体的吸收峰，但是有参考通道时，其中一个透光窗口22的滤光片6不对应待测气体的吸收峰。本实施例电可调制光源4正对透光窗口22，具体实施中，发出的光通过滤光片6后射入气腔2中。本发明采用电可调制光源4，该光源体积很小，不需要机械调制装置，使得整个装置体积大大缩小。
本实施例所述拾音器3、光源驱动板5都直接焊装在主控板1上，所述主控板1上安装有微控制单元MCU，用于控制光源驱动板5发出脉冲光源，并对拾音器3发送的信号进行处理，从而获得待测气体含量数据并输出。
优选的，本实施例所述拾音器3为微机电系统MEMS麦克风芯片，该类器件体积极小，在50Hz上仍有极好的拾音能力，并可将所得信号进行数字输出。
本发明工作原理如下：主控板1控制光源驱动板5启动，在光源驱动板5的驱动下，电可调制(红外)光源4按设定(例如50HZ-100HZ)的调制周期发出红外光，通过安装在透光窗口22的窄带滤光片6，特定波长的红外光射入气腔2。当气腔2中有吸收此种波长的特定被测气体存在时，气腔2内气体由于吸收红外光而被加热膨胀。该种膨胀具有和红外光调制周期一样的频率，是一种声波，可以被MEMS麦克风接收，转换成数字信号输出，主控板1上的MCU接收来自MEMS麦克风的数字信号输出并对其进行分析处理。实施中，被测气体浓度越大，吸收的光越多，膨胀就越剧烈，声波强度就越大。MCU可以根据MEMS麦克风输出的声波强度来计算出被测气体的浓度。
具体实施中，本发明可根据电可调制光源4、光源驱动板5、滤光片6和透光窗口22的设置数量，将光声光谱气体传感器分为“单通道”“双通道”或“多通道”几种构型。
如图2所示，本实施例提供的光声光谱气体传感器的单通道结构，包括一个电可调制光源4、一个光源驱动板5和一个滤光片6，所述气腔2上设有一个透光窗口22，用于检测单种气体或测量单种气体的浓度。例如，需要测量二氧化碳的浓度时，将滤光片6的通带设为4.26微米(二氧化碳吸收峰)。具体实施中，在光源驱动板5的驱动下，电可调制光源4按设定的调制周期发出红外光，红外光通过安装在透光窗口22的滤光片6射入气腔2，气腔2中的二氧化碳气体由于吸收红外光而加热膨胀发出声波被MEMS麦克风接收，MEMS麦克风将该种声波转换成数字信号输出由主控板1上的MCU接收，并经MCU分析处理后，得出二氧化碳气体的浓度。
如图3所示，本实施例提供的光声光谱气体传感器的双通道结构，包括二个电可调制光源4、二个光源驱动板5和二个滤光片6，所述气腔2上设有二个透光窗口22，可用于检测单种气体或二种气体的浓度。在一优选的实施例，在检测单种气体的浓度时，可同时设置一参考通道，以排除由于光源强度自身的波动而引起的干扰，提高测量精度。实施中，该参考通道所对应的其中一个透光窗口22的滤光片6不对应待测气体的吸收峰。本发明被测气体的浓度通过使用参考通道和测量通道的比值，避免了在不设置参考通道时，光源强度自身的波动被误读为测量值波动，从而导致测量精度不高的问题。
本实施例也可用于检测二种气体的浓度，例如，需要同时检测二氧化碳和甲烷时，将二个滤光片的通带分别设置为4.26微米(二氧化碳吸收峰)和3.35微米(甲烷吸收峰)。具体实施中，二个电可调制光源4依次工作，MCU可以根据MEMS麦克风输出的声波强度来计算出被测两个气体的浓度。
如图4所示，本实施例提供的光声光谱气体传感器的多通道结构，包括四个电可调制光源4、四个光源驱动板5和四个滤光片6，所述气腔2上设有四个透光窗口22，可用于检测多种气体或测量多种气体的浓度。例如，需要同时测量二氧化碳、甲烷、一氧化碳时，可以采用四通道方案，四个滤光片的通带分别为4.26微米(二氧化碳吸收峰)、3.35微米(甲烷吸收峰)、4.64微米(一氧化碳吸收峰)、3.91微米(参考通道，前三种气体在这个波长上无吸收)。具体实施中，四个电可调制光源4依次工作，MCU依次分析对比，可以得到三种气体的浓度。与双通道结构类似，本实施例也可直接用于检测4种气体的浓度。
综上，本发明光声光谱气体传感器可有单通道、双通道、多通道等多种构型，可适用于单气体的低成本测量，单气体带参考通道的测量、多气体同时测量等多种应用场合。
本发明实施例提供了一种采用非激光光源的小体积光声光谱气体传感器。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种光声光谱气体传感器，其特征在于，包括主控板、气腔、拾音器、至少一个电可调制光源、至少一个光源驱动板和至少一个滤光片，所述气腔上设有通气孔和至少一个透光窗口，所述滤光片安装在透光窗口上，所述电可调制光源正对透光窗口设置，所述电可调制光源安装在光源驱动板上，所述气腔内安装有拾音器，所述气腔、拾音器、光源驱动板安装在主控板上。
2.根据权利要求1所述的光声光谱气体传感器，其特征在于：所述主控板上安装有微控制单元MCU，用于控制光源驱动板发出脉冲光源，并对拾音器发送的信号进行处理。
3.根据权利要求1所述的光声光谱气体传感器，其特征在于：所述拾音器为微机电系统MEMS麦克风芯片。
4.根据权利要求1所述的光声光谱气体传感器，其特征在于：所述拾音器、光源驱动板焊装在主控板上。
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