CN111208083A - 红外气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红外气体传感器，包括光源模块、光路模块、信号探测模块、与光源模块和信号探测模块均通讯连接的电路模块，所述红外气体传感器还包括依次设置在所述光源模块和光路模块之间的滤光模块和透反模块、连接于所述透反模块上且与电路模块连接的参考探测模块，所述滤光模块内部密封储存有能过滤掉光源模块发出的红外光中对目标气体存在干扰的部分红外光的干扰气体；所述透反模块能将经过滤光模块过滤后的红外光分别反射给参考探测模块和透射给信号探测模块。本发明红外气体传感器的测量精度高、抗干扰能力强且用于改善现有技术中NDIR传感器探测信号零点漂移问题。
Description
技术领域
本发明涉及红外气体检测领域，尤其涉及一种分辨率高且对外界环境变化的抗干扰能力强的红外气体传感器。
背景技术
非色散红外气体传感(NDIR)技术是一种精度高、稳定性好、寿命长的气体传感技术，其原理是利用特定波长的红外光经过待测气体时被吸收发生衰减，根据衰减前后的光强对比计算出气体的浓度，及比尔-朗伯定律：I＝I0·exp(-μCL)。其中，I为有气体吸收时到达探测器的红外光强，I0为没有气体吸收时的光强，C为腔室内气体浓度，L为腔室长度或红外光光程，μ为气体的吸收系数。因此，NDIR传感器至少包含用于产生红外光的红外光源、过滤红外光源的红外光以出射特定波长的红外光滤光片、红外光在腔室内被气体吸收的气体腔室、用于探测红外光强度的红外探测器、以及电学电路等部件。
传统的NDIR模块采用单光路结构，即红外光经光路到达信号探测器和参考探测器所经过的光程相同(L相同)，信号探测器前装备透射波长为待测气体吸收波长的滤光镜，而参考探测器前装备透射波长为非待测气体吸收波长的滤光镜。其气体浓度为
其中，μref为腔室中气体对信号波段红外光的吸收系数，Cref为腔室中气体对参考波段红外光的吸收系数，μref*Cref≈0，故，待测气体浓度可简化为
其中，Iref为参考探测器测量的光强，Isignal为信号探测器测量的光强，μsignal为待测气体的吸收系数。然而，由于外界环境变化，主要是温度波动导致光源辐射温度发生变化，对参考探测器和信号探测器接收到的光强的影响为非线性的，从而导致传感器零点漂移，测量精度下降，稳定性变差等。
为了降低外部环境变化导致的传感器信号漂移问题，采用光程不同的双光路被认为是一种切实可行的方法。例如，目前公开的专利US20110042570以及专利CN103822892B提供了两种采用双光路的红外气体传感器，直管双光路和弯管双光路，两种传感器的信号探测器和参考探测器均探测待测气体吸收波段的红外光，这样待测气体的浓度为
外界环境变化对Iref和Isignal的影响为线性的，可以通过除法实现过滤掉这些影响因素，起到过滤的作用，提高了传感器的性能。然而，双通道不可避免提升了光路的复杂程度，就直通光路而言，在信号通道长度不变的条件下，Lsignal-Lref<L，一定程度上降低了传感器的精度；弯管双光路虽可以解决光路体积问题，但是弯管依赖光路内壁对光的反射，当待测气体内部杂质较多时，光路内壁会较快失去光泽，反射效率降低，因而光路需要频繁清洗。
有鉴于此，有必要对现有的红外气体传感器予以改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量精度高、抗干扰能力强且用于改善现有技术中NDIR传感器探测信号零点漂移的红外气体传感器。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种红外气体传感器，包括光源模块、位于所述光源模块发光侧的光路模块、位于所述光路模块背向所述光源模块的信号探测模块、与光源模块和信号探测模块均通讯连接的电路模块，所述红外气体传感器还包括依次设置在所述光源模块和光路模块之间的滤光模块和透反模块、连接于所述透反模块上且与电路模块连接的参考探测模块，所述滤光模块内部密封储存有能过滤掉光源模块发出的红外光中对目标气体存在干扰的部分红外光的干扰气体；所述透反模块能将经过滤光模块过滤后的红外光分别反射给参考探测模块和透射给信号探测模块。
作为本发明的进一步改进，所述光源模块包括光源支座以及依次设置在光源支座内部的光源和透镜，所述透镜位于所述光源朝向所述滤光模块的一侧。
作为本发明的进一步改进，所述滤光模块内设有圆柱形的储气腔，所述干扰气体位于所述储气腔内，所述储气腔的两端分别面对光源模块、透反模块。
作为本发明的进一步改进，所述透反模块包括透反支架和设置在透反支架内的透反镜，所述透反支架设有面向参考探测模块的第一通光孔、面向信号探测模块的第二通光孔以及面向滤光模块的第三通光孔。
作为本发明的进一步改进，所述第一通光孔与第二通光孔在相互垂直的平面内设置，所述第二通光孔与第三通光孔在相互平行的平面内设置且两者正对应。
作为本发明的进一步改进，所述透反镜相对于第一通光孔的中心线呈45度角设置，且透反镜的反射面面向第一通光孔和第三通光孔。
作为本发明的进一步改进，所述光路模块包括光路和光路密封片；所述光路内部沿轴向设置有通光孔，两边设置有供待测目标气体进入和排出的气嘴，所述光路密封片位于所述通光孔的两端。
作为本发明的进一步改进，所述光路呈多边形柱体。
作为本发明的进一步改进，所述光路模块内的光路表面为镀金层，或所述光路模块内的光路表面为黑色氧化层。
作为本发明的进一步改进，所述光源模块、所述滤光模块、所述透反模块、所述光路模块和所述信号探测模块的中心处于OX轴上，同时所述透反模块和所述参考探测器模块的中心处于OY轴线上，OX轴与OY轴相垂直。
本发明的有益效果是：采用单光源双通道的方式对参考探测模块光强和信号探测模块光强的影响是线性的，从而消除了外部环境变化导致的信号漂移问题；通过设置透反模块，其中透射的光照射到信号探测模块，反射的光照射到参考探测模块，参考探测模块的光程为零，在信号通道长度一定的情况下，提高了红外气体传感器的精度；通过设置滤光模块，用物理的方式将红外光中目标气体吸收波段存在干扰的部分红外光过滤掉，提高了传感器的精度和抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明的红外气体传感器的整体结构示意图，虚线代表内部结构。
图2是本发明的红外气体传感器的原理示意图。
图3是图1所示的红外气体传感器的滤光模块的结构示意图。
图4是图1所示的红外气体传感器的透反模块的结构示意图。
图5是图1所示的红外气体传感器的光路模块的结构示意图。
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，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
请参阅图1～图5所示，为本发明较佳实施例的红外气体传感器的结构示意图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1和2所示，为本发明较佳实施例中用于测量目标气体的浓度的红外气体传感器，其包括光源模块1、位于所述光源模块1发光侧的滤光模块2、位于所述滤光模块2背离所述光源模块1的一侧的透反模块3、分别安装在透反模块3的两个垂直面上的参考探测模块4和光路模块5、安装在光路模块5背离所述透反模块的一侧的信号探测模块6以及电路模块7，所述电路模块7通讯连接信号探测模块6、参考探测模块4和光源模块1，且相邻的模块之间通过固定件相固连成一个整体。
所述光源模块1包括光源支座102以及依次设置在光源支座102内部的光源101和透镜103，所述光源101与所述电路模块7通讯连接。
所述光源支座102呈半封闭的凹字型，其通过若干连接件与所述滤光模块2相固连。具体地，所述光源支座102的四周壁设有通孔，通过螺钉与所述滤光模块2上的螺纹孔拧紧，将所述光源模块1与所述滤光模块2相固连。
所述透镜103放置所述光源101发光的正前方，且所述透镜103位于所述光源101朝向所述滤光模块2的一侧，起到聚光作用。一具体实施例中，所述光源101位于所述光源支座102的凹形底部，所述透镜103位于所述光源支座102的凹形顶部，起聚光作用。
请参阅图1～图3所示，所述滤光模块2包括框体、位于所述框体内部的储气腔201、密封存储于所述储气腔201内的高浓度的干扰气体；所述干扰气体能过滤掉光源模块1发出的红外光中对目标气体存在干扰的部分红外光。
具体地，所述框体的一端与光源模块1相固连，另一端与所述透反模块3相固连，本发明中的固连方式包括但不限于通过螺钉进行连接。
所述储气腔201呈圆柱形，且所述储气腔201由长方体状的框体壁、位于所述框体壁两端的密封片202围设形成，也即所述密封片202分别位于所述储气腔201的两端，所述储气腔201的两端分别面对光源模块1、透反模块3，即光源101发出的红外光从一端沿直线射入滤光模块2的储气腔201，并且沿直线从滤光模块2的另一端射出到透反模块3，同时通过所述干扰气体过滤掉干扰光。
请参阅图1、图2和图4所示，所述透反模块3包括透反支架301和设置在透反支架301内的透反镜302，通过所述透反镜302将光分成相互垂直的两束光，分别用作参考光束、测试光束。
具体地，所述透反支架301为中空的方形框架，其设有面向参考探测模块4的第一通光孔、面向光路模块5的第二通光孔以及面向滤光模块2的第三通光孔。所述第一通光孔与第二通光孔在相互垂直的平面内设置，所述第二通光孔与第三通光孔在相互平行的平面内设置且两者正对应；例如第一通光孔设置在透反支架301的上表面，第二通光孔设置在透反支架301的一个侧面，第三通光孔设置在透反支架301的另一个侧面，如图2所示，所述第一通光孔位于OY轴的正向，所述第二通光孔、第三通光孔分别位于OX轴的两端。因此，所述参考探测模块4、所述信号探测模块6位于相互垂直的方向上，光线之间无干扰现象。
本发明中，所述透反镜302优选平面镜，且在透反支架301内倾斜设置。所述透反镜302优选相对于第一通光孔的中心线呈45度角设置，且透反镜302的反射面面向第一通光孔和第三通光孔。即所述红外光从滤光模块2过滤后直射进入第三通光孔后，红外光射到所述透反镜302上，形成的反射光从第一通光孔射出，形成的透射光从第二通光孔射出。
所述参考探测模块4包括第一支架401和安装在第一支架401上的参考探测器402。所述第一支架401安装在所述透反模块3的上表面。所述参考探测器402面向第一通光孔接收从透反模块3反射出的红外光。所述参考探测器402与电路模块7通讯连接。
请参阅图1、图2和图5所示，所述光路模块5包含光路501、光路密封片502和气嘴503。
所述光路501分别通过两端与所述透反模块3、所述信号探测模块6相固连。具体地，所述光路501的两端均设置有固定片，固定片上设置有通孔，分别通过螺钉或螺栓等机械部件将所述光路501与所述透反模块3、所述信号探测模块6实现锁紧固定。
另，所述光路501呈多边形柱体，本发明优选八边形柱体。所述光路501内部沿轴向设置有通光孔，两边设置有供待测目标气体进入和排出的气嘴503，所述光路密封片502位于所述通光孔的两端。具体地，所述光路501两端设置有凹槽，所述光路密封片502安装于所述凹槽内。
进一步地，所述光路模块5内的光路501表面为镀金层，具体可采用对所述光路501的内壁进行镀金处理，用于提高反射率，减小红外光散射造成的损耗，应用工况为测量清洁气体。
或，所述光路模块5内的光路501表面为黑色氧化层，以提升所述光路501的抗干扰性能，应用工况为测量存在大量粉尘或其他污染物的气体。具体地，所述光路模块5内的光路501的材质为铝合金材质，对其内表面进行黑色氧化处理。
所述信号探测模块6包括第二支架601和安装在第二支架601上的信号探测器602。所述第二支架601通过螺钉或螺栓等机械部件固定在光路模块5的两端。所述信号探测器602面向第五通光孔接收从光路模块5内射出的红外光。所述信号探测器602与电路模块7通讯连接。
本发明的红外线气体传感器的工作原理如下：首先电路模块7控制光源模块1发出红外光；红外光先经过滤光模块2，将红外光中目标气体吸收波段存在干扰的部分红外光过滤掉；然后到达透反模块3，在透反镜302的作用下，一部分光反射到达参考探测模块4，形成较短光路、另一部分光透射进入光路模块5，并最终到达信号探测模块6，形成较长的光路；由于待测目标气体不经过该短光路，只为纯粹的参考通道，光程差即为信号通道光路长度。
本发明的核心在于使用滤光模块2，过滤红外光中目标气体吸收波段存在干扰的部分红外光，有效降低了交叉干扰；利用透反镜302和相互垂直的通道实现不同光程的信号光路和参考光路，通过对两个探测器的信号做除法可以效提升红外光气体传感器的精度、分辨率以及对外界环境变化的抗干扰能力；参考通道的实际光程为零，易于实现传感器的小型化、轻量化，具有广阔的应用前景。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
本说明书中任何相关的“本实施例”，意味着与实施例有关的一个特定的功能、结构、或特性描述包含本发明的至少一个实施例。这些出现在说明书各个地方的短语不一定指相同的实施例。进一步地，与任一实施例相关的特定的功能、结构、或细节描述，则认为是在本技术领域范围内与其他实施例相关的功能、结构或特性。
Claims (10)
1.一种红外气体传感器，包括光源模块、位于所述光源模块发光侧的光路模块、位于所述光路模块背向所述光源模块的信号探测模块、与光源模块和信号探测模块均通讯连接的电路模块，其特征在于：所述红外气体传感器还包括依次设置在所述光源模块和光路模块之间的滤光模块和透反模块、连接于所述透反模块上且与电路模块连接的参考探测模块，所述滤光模块内部密封储存有能过滤掉光源模块发出的红外光中对目标气体存在干扰的部分红外光的干扰气体；所述透反模块能将经过滤光模块过滤后的红外光分别反射给参考探测模块和透射给信号探测模块。
2.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于：所述光源模块包括光源支座以及依次设置在光源支座内部的光源和透镜，所述透镜位于所述光源朝向所述滤光模块的一侧。
3.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于：所述滤光模块内设有圆柱形的储气腔，所述干扰气体位于所述储气腔内，所述储气腔的两端分别面对光源模块、透反模块。
4.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于：所述透反模块包括透反支架和设置在透反支架内的透反镜，所述透反支架设有面向参考探测模块的第一通光孔、面向信号探测模块的第二通光孔以及面向滤光模块的第三通光孔。
5.根据权利要求4所述的红外气体传感器，其特征在于：所述第一通光孔与第二通光孔在相互垂直的平面内设置，所述第二通光孔与第三通光孔在相互平行的平面内设置且两者正对应。
6.根据权利要求4所述的红外气体传感器，其特征在于：所述透反镜相对于第一通光孔的中心线呈45度角设置，且透反镜的反射面面向第一通光孔和第三通光孔。
7.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于：所述光路模块包括光路和光路密封片；所述光路内部沿轴向设置有通光孔，两边设置有供待测目标气体进入和排出的气嘴，所述光路密封片位于所述通光孔的两端。
8.根据权利要求7所述的红外气体传感器，其特征在于：所述光路呈多边形柱体。
9.根据权利要求7所述的红外气体传感器，其特征在于：所述光路模块内的光路表面为镀金层，或所述光路模块内的光路表面为黑色氧化层。
10.根据权利要求1～9任一项所述的红外气体传感器的测量方法，其特征在于：所述光源模块、所述滤光模块、所述透反模块、所述光路模块和所述信号探测模块的中心处于OX轴上，同时所述透反模块和所述参考探测器模块的中心处于OY轴线上，OX轴与OY轴相垂直。
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