CN114414517A - 一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法，包括：获取一氧化碳的吸收光谱信号；根据获取的一氧化碳的吸收光谱信号，针对不同的工作吸收峰，采用各吸收峰对应的标定系数反演一氧化碳浓度。所述获取一氧化碳的吸收光谱信号，包括利用QCL激光器作为系统的光源。本发明具有温度压力补偿功能，有效防止环境温度和环境压力变化带来的测量误差，提高了传感器检测精度；本发明采用了特殊的脉冲电流驱动激光器和激光器温度控制随环境温度动态调整到不同的气体吸收峰的方法，不但大幅度降低了传感器模块的功耗和体积，而且有效地扩大了传感器的工作温度范围，以便于传感器在实际应用现场的使用。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
一氧化碳为无色无味的有毒有害气体，一氧化碳气体浓度超限，随时使人中毒、窒息、危机生命。同时一氧化碳气体也是煤矿自然发火的重要指标。所以能否准确、实时的检测一氧化碳，对煤矿安全生产有着重要作用。目前煤矿普遍采用基于电化学测量原理的一氧化碳传感器。
该原理的传感器在实际应用中存在以下几个问题：1、标校周期短，正常需要15天标校一次。2、探头寿命短，尤其是在束管监测系统中，平均寿命小于1年。3、可靠性差，易受电子干扰、水汽、粉尘的影响并产生误报。此外现有的基于QCL激光器的一氧化碳传感器，体积大，功耗高，不方便现场应用，难以实现激光器的微型化、低功耗目标，并且现有的传感器模块还存在着由于反射镜片受高温高湿等环境因素影响而脱胶和脱落的问题，导致传感器模块的可靠性较差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法及系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法，包括：
获取一氧化碳的光谱吸收信号；
根据获取的一氧化碳光谱吸收信号，针对不同的吸收峰的工作波长，采用各吸收峰对应的标定系数反演一氧化碳浓度。
进一步地，所述获取一氧化碳的光谱吸收信号，包括利用QCL激光器作为系统的光源。
进一步地，所述获取一氧化碳的光谱吸收信号，还包括利用吸收气室，将激光器发出的光信号经过待测气体后到达探测器。
进一步地，所述吸收气室中，通过两个直角棱镜和两个平面反射镜，形成M型光路。
进一步地，通过给激光器施加脉冲驱动电流以降低激光器的平均功耗。
进一步地，所述根据环境温度动态调整被测气体的工作吸收峰，包括针对不同的环境温度，将激光器工作波长稳定在不同的吸收峰处。
进一步地，所述根据环境温度动态调整被测气体的工作吸收峰，包括通过TEC将激光器从环境温度调整到与工作温度的温差最小。
进一步地，所述根据环境温度动态调整被测气体的工作吸收峰，还包括利用一氧化碳多个吸收峰波长作为测量浓度的工作波长。
第二方面，本发明提供一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制系统，包括：
QCL激光器，作为系统的光源；
吸收气室，通过两个直角棱镜和两个平面反射镜，形成M型光路；
光电探测器，接收激光器输出的经过吸收气室多次反射的光束并将其转化为电信号并发送至控制器；
其中，控制器根据环境温度动态调整被测气体的工作吸收峰，针对不同的吸收峰，采用各吸收峰对应的标定系数反演一氧化碳浓度。
进一步地，还包括激光器温度控制电路、激光器电流控制电路和环境温度压力检测电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明具有温度压力补偿功能，有效防止环境温度和环境压力变化带来的测量误差，提高了传感器检测精度；本发明采用了特殊的脉冲电流驱动激光器，大幅度降低了传感器功耗。由于本传感器模块中的激光器驱动电流功耗减低，发热量减小，使得控制激光器恒温所需要的制冷器的体积和功耗大幅度减小，从而进一步降低了传感器的功耗。本传感器模块采用了激光器温度动态调整算法，也就是通过调节激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法，始终让利用TEC将激光器温度调整到所选吸收峰对应的温度和环境温度温差最小，降低了稳定激光器温度所需要的功耗。本传感器模块采用了本安设计，不需要厚重的防爆外壳，大幅度减小了传感器体积和重量，方便现场应用。本传感器模块采用了QCL激光器作为光源，从根本上解决了水汽，甲烷气体，二氧化碳气体的交叉干扰问题，提高了检测精度。本传感器模块的吸收气室内的反射镜采用了无胶固定方式，有效解决了高温高湿带来的粘胶受潮引起反射镜脱落的问题。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本实施例提供的传感控制系统外部结构示意图；
图2为本实施例提供的吸收气室结构示意图；
图3为本实施例提供的传感控制系统结构示意图；
图4为本实施例提供的集成电路连接图；
其中，1、电路板固定螺柱；2、激光器；3、激光器固定螺钉；4、尼龙螺钉；5、电路板1；6、电路板2；7、探测器；8、探测器绝缘外壳；9、温度压力芯片；10、吸收气室；11、吸收气室外形；12、直角棱镜1；13、扳手位；14、平面反射镜1；15、温度压力芯片通孔1；16、直角棱镜2；17、平面反射镜2。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
第一方面，本发明提供一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法，包括：
获取一氧化碳的光谱吸收信号；
根据获取的一氧化碳光谱吸收信号，针对不同的吸收峰的工作波长，采用各吸收峰对应的标定系数反演一氧化碳浓度。
所述获取一氧化碳的光谱吸收信号，包括利用QCL激光器作为系统的光源。
所述获取一氧化碳的光谱吸收信号，还包括利用吸收气室，将激光器发出的光信号经过待测气体后到达探测器。
所述吸收气室中，通过两个直角棱镜和两个平面反射镜，形成M型光路。
通过给激光器施加脉冲驱动电流以降低激光器的平均功耗。
所述根据环境温度动态调整被测气体的工作吸收峰，包括针对不同的环境温度，将激光器工作波长稳定在不同的吸收峰处。
所述根据环境温度动态调整被测气体的工作吸收峰，包括通过TEC将激光器从环境温度调整到与工作温度的温差最小。
所述根据环境温度动态调整被测气体的工作吸收峰，还包括利用一氧化碳多个吸收峰波长作为测量浓度的工作波长。
具体的，
本发明的传感器模块有外壳主体、激光器、激光器电流驱动电路、激光器温度控制电路、电源转换电路、微处理器电路、通信电路、光电探测器、温度压力检测电路、增益控制电路、吸收气室、气室防护12个部分。
壳体采用了尺寸为
圆柱形设计，材质为304不锈钢。激光器波长范围为4.580um～4.617um。传感器模块采用了18V本安电源供电，内部电源电路把18V转换为2组不同电压，一组约为13V，给激光器供电，一组为3.3V，给所有的集成电路供电。微处理器采用的单片机具备了ADC、DAC、FLASH存储、UART、IIC等功能，可以设置激光器工作温度、激光器工作电流，采集探测器信号，数据处理，通信等控制和处理功能。电流驱动电路为激光器提供工作电流，该电路采用了恒流源设计，单片机利用DAC设置和控制电流大小。温度控制电路设置激光器工作温度，单片机利用DAC设置激光器工作温度点。通信电路兼容了TTL和RS485两种通信方式。光电探测器采用了碲镉汞材料的中红外探测器，用于把光信号转为电信号。温度压力检测电路实时检测环境温度和环境压力，用于对气体浓度的温度补偿和压力补偿，以达到提高气体检测精度的目的。增益控制电路实时控制光电探测所探测到的信号大小，以达到最优幅度。气室防护包括防水透气膜，粉末冶金，烧结网3个部分，对吸收气室起到防水防尘的作用。
所述传感器模块的吸收气室采用了4个反射镜，共7个反射点，光程长度为200mm。所有反射镜在吸收气室的固定方式采用了无胶非粘贴设计，反射镜通过机械卡槽和螺丝钉固定。传感器内部的光学部分和电子部分采用了光电分离设计，以便保护电子元件和电路。整个传感器模块的防护等级达到IP65。
传感器模块采用了特殊形式的脉冲驱动电流，如专利：CN113484279A中所公开的方式；同时一氧化碳气体在4.580um～4.617um处存在多个吸收峰谱线，每相邻两个吸收峰谱线大约相差7nm。由于激光器的波长温度调节系数大约为0.4nm/℃，因此，利用TEC可以将激光器波长从一个吸收峰波长调节到另一个吸收峰波长，需要将激光器温度升高或者降低大约为17.5℃。在激光器输出波长满足一氧化碳气体吸收峰的情况下，让激光器工作温度与环境温度温差保持最小。由于使用TEC在降低或升高激光器工作温度时，只需要相对于环境温度调节较小的温差，对应不同的环境温度，可以选择不同的吸收峰，所以，在整个环境温度范围内，利用TEC降低或升高激光器温度所需要的的功耗就远远小于采用一个固定的吸收峰进行测量所用的功耗。
作为一种实施方式，
一种微型化低功耗本安型激光一氧化碳传感器模块，包括有外壳主体、激光器、激光器电流驱动电路、激光器温度控制电路、电源转换电路、微处理器电路、通信电路、光电探测器、温度压力补偿电路、增益控制电路、吸收气室、气室防护12个部分。
外壳主体采用了304不锈钢材质，尺寸为
圆柱形设计，如图1所示：1为供电通信口，同时带有螺纹，方便与传感器表头连接；2为传感器模块主体；3为气体进气口和出气口。传感器的内部结构和外部壳体通过螺纹固定在一起。传感器内部有两个独立区域，下部为气室区，上部为光电区，这两个区域处于完全隔离状态。壳体底部留有一个通往气室的进/出气口；在进气口处采用了防水透气膜，粉末冶金，烧结网对吸收气室进行保护，防止水汽，粉尘的进入。传感器模块内部为圆柱形结构，下部为区域1吸收气室，上部被立隔离板分为2和3区域，如图3所示。
传感器模块的吸收气室如图2所示。在吸收气室中包含4个反射镜，分别为直角棱镜1和2、平面反射镜1和2。光束在吸收气室中一共反射了7次，总光程为200mm。从激光器发出的平行光通过气室底部平面的通孔以45°入射角射入直角棱镜1的反射面，该反射面将从激光器输出的垂直于气室底部平面方向的光束反射成为和气室底部平面平行的方向。从直角棱镜1的反射出的光束以设计的角度在平面反射镜1和2之间进行多次反射，在此案例中是五次反射。直角棱镜2把经过多次反射后的光束从平行于气室底部平面方向经过45°的反射为垂直于气室底部平面方向的垂直光束，该光束再通过气室底部平面的通孔离开吸收气室，并被光电探测器接受。经过平面反射镜1和2多次反射的光束的光程为200mm。平面反射镜1和2分别采用了4尼龙螺钉和机械卡槽的方式固定，如图2所示。
区域2为激光器的固定区。激光器固定在立板侧面，同时立板还起到激光器散热片的散热的作用。激光器发出的光束经过一个直径为5mm的通孔进入吸收气室，激光器输出光束信号在通过通孔后达到直角反射棱镜1。
区域3为光电探测器和温度压力检测电路板固定区。光电探测器和吸收气室之间设有一个直径8mm的通孔，直角反射棱镜2将光束信号通过此通孔反射到光电探测器表面。温度压力传感器芯片通过区域3和吸收气室之间的一个直径为8mm的通孔裸露在吸收气室内，温度压力传感器芯片的输出和检测电路板连接。
区域4固定集成电路板。集成电路板分上下两层，上层电路主要功能为电源转换，下层电源主要功能为信号控制、采集和数据分析。集成电路的连接如图4。
在激光器的控制电路中，嵌入微处理器通过控制一个DAC的输出电压信号来控制一个电流驱动电路把电压信号转化为驱动电流信号。为了有效地减少激光器的功耗，所采用的驱动电流为一种特殊形式的脉冲电流(如专利【CN113484279A】所述)；同时，嵌入微处理器通过温度控制电路和TEC来设置和调整激光器工作温度；通过实时检测传感器的环境温度，采用一种通过调节激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法，在激光器输出波长满足一氧化碳气体吸收峰的情况下，让激光器工作温度与环境温度温差保持最小。由于使用TEC在降低或升高激光器工作温度时，只需要相对于环境温度调节较小的温差，对应不同的环境温度，可以选择不同的吸收峰，所以，在整个环境温度范围内，利用TEC降低或升高激光器温度所需要的的功耗就远远小于采用一个固定的吸收峰进行测量所用的功耗。激光器发出的平行光束，通过气室的入射光通孔，由直角棱反射镜将光束反射成和气室底面平行的方向，然后经过吸收气室内的M型光路反射，再通过一个直角棱反射镜，通过一个通孔反射到光电探测器，光电探测器将光信号转换为电压信号，由增益电路调整到合适的电压幅度后，由嵌入微处理器控制ADC采集，微处理器分析处理采样信号，从而得到一氧化碳气体浓度。微处理器实时采集环境温度和环境压力，对一氧化碳气体浓度进行温度和压力补偿，提高传感器模块的检测精度。这个浓度值再通过通信电路输出。
实施例2.
第二方面，本发明提供一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制系统，包括：
QCL激光器，作为系统的光源；
吸收气室，通过两个直角棱镜和两个平面反射镜，形成M型光路；
光电探测器，接收吸收气室反射的光束并将其转化为电子信号并发送至控制器；
其中，控制器根据环境温度动态调整被测气体的工作吸收峰，针对不同的吸收峰的工作波长，采用各吸收峰对应的标定系数反演一氧化碳浓度。
还包括激光器温度控制电路和环境温度压力检测电路。
具体的，
包括以下五个关键步骤：1、以QCL激光器作为光源。2、给激光器施加了特殊的脉冲驱动电流，让激光器平均功耗降低。3、激光器温度控制采用了随环境温度动态调整到不同的气体吸收峰的方法，在激光器输出波长满足系统要求的情况下，根据不同的环境温度，选择不同的工作吸收峰，始终保证激光器工作温度和环境温度温差最小，进一步降低了传感器模块功耗。4、光路采用了M型光路设计，镜片无胶粘贴，通过机械卡槽和螺丝钉固定。5、采用了直接吸收法反演一氧化碳气体浓度，不同吸收峰采用了各吸收峰对应的标定系数。6、通信接口兼容RS485和TTL，模块的输出信号与表头之间的通信采用数字信号通信。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法，其特征在于，包括：
获取一氧化碳的吸收光谱信号；
根据获取的一氧化碳的吸收光谱信号，针对不同的工作吸收峰，采用各吸收峰对应的标定系数反演一氧化碳浓度。
2.如权利要求1所述的一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法，其特征在于，所述获取一氧化碳的吸收光谱信号，包括利用QCL激光器作为系统的光源。
3.如权利要求2所述的一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法，其特征在于，所述获取一氧化碳的吸收光谱信号，还包括利用吸收气室，将QCL激光器发出的光信号经过待测气体后到达探测器。
4.如权利要求3所述的一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法，其特征在于，所述吸收气室中，通过两个直角棱镜和两个平面反射镜，形成M型光路。
5.如权利要求4所述的一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法，其特征在于，通过给所述QCL激光器施加脉冲驱动电流以降低QCL激光器的平均功耗。
6.如权利要求5所述的一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法，其特征在于，所述根据环境温度动态调整被测气体的工作吸收峰，包括针对不同的环境温度，将QCL激光器工作波长稳定在不同的吸收峰处。
7.如权利要求6所述的一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法，其特征在于，所述根据环境温度动态调整被测气体的工作吸收峰，包括通过TEC将QCL激光器从环境温度调整到与工作温度的温差最小。
8.如权利要求7所述的一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制方法，其特征在于，所述根据环境温度动态调整被测气体的工作吸收峰，还包括利用一氧化碳吸收峰的多种波长作为测量浓度的吸收峰工作波长。
9.一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制系统，其特征在于，包括：
QCL激光器，作为系统的光源；
吸收气室，通过两个直角棱镜和两个平面反射镜，形成M型光路；
光电探测器，接收QCL激光器输出的经过吸收气室多次反射的光束并将其转化为电信号并发送至控制器；
其中，控制器根据环境温度动态调整被测气体的工作吸收峰，针对不同的吸收峰的工作波长，采用各吸收峰对应的标定系数反演一氧化碳浓度。
10.如权利要求9所述的一种低功耗本安型激光一氧化碳传感控制系统，其特征在于，还包括激光器温度控制电路和环境温度压力检测电路。
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