CN115096840B - 一种自动校零的多气体传感器及自动校零方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了气体安全检测技术领域中的一种自动校零的多气体传感器及自动校零方法，该多气体传感器包括光源、检测光路组件、N个终端探测器以及信号处理系统，检测光路组件包括依次设置的分光气室、多通道气室以及通道切换机构，每个终端探测器用于生成探测信号，信号处理系统通过校零信号对探测信号进行校准；该自动校零方法包括获取目标气体的校零信号、计算得到终端探测器在吸收波段附近的校正后的光强的转换值、获取目标气体的探测信号、目标气体的探测信号的过程。本发明避免传感器长期使用后的零点漂移的问题，保证了系统检测的准确性，本发明可以时效内无接触式的校零，避免了人工校零增加的成本以及暴露在危险环境中的可能，更加安全。
Description
技术领域
本发明涉及气体安全检测技术领域，具体的说，是涉及一种自动校零的多气体传感器及自动校零方法。
背景技术
工业气体往往具有燃烧性、毒害性、窒息性、爆炸性等特点，当其浓度超出安全许可范围，容易导致安全事故发生，因此，对工业气体浓度的有效监测是保障气体安全的重要手段。工业气体传感器作为气体安全的重要保障，具有巨大的市场需求，且近年来逐步向低功耗、微型化、便携式方向发展。红外光学气体传感器具有响应快、测量精度高、抗干扰能力强、使用寿命长等优点，且不会出现有害气体中毒、老化等现象，其被广泛应用于石油、化工、农业、医疗、食品、清洁能源、城市居民等领域。
红外吸收气体传感器利用非对称双原子或多原子结构的气体(CH4、CO、CO2等)在中红外均有特征吸收光谱的原理，根据气体浓度与吸收强度的关系(朗伯-比尔定律)可以确定气体浓度。红外气体传感器使用中，存在因光源衰减，污染粒子散射，器件老化造成的零点漂移的问题，一般解决办法是定期对传感器通入标准浓度的气体进行校零操作，这意味着使用者需要准备标准浓度的待测气体及操作员定期进行校零，增加了使用成本。
上述缺陷，值得解决。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种自动校零的多气体传感器及自动校零方法。
本发明技术方案如下所述：
一种自动校零的多气体传感器，其特征在于，包括：
光源，
检测光路组件，其包括依次设置的分光气室、多通道气室以及通道切换机构：所述分光气室用于充入洁净气体或待测气体，并使得所述洁净气体或所述待测气体与所述光源发出的光束相互作用；所述多通道气室包括N个检测通道和N个校零通道，N为不小于2的自然数，每个所述校零通道内设有标准浓度的目标气体，所述检测通道内设有洁净气体；所述通道切换机构包括遮光片，所述遮光片用于遮挡所述检测通道或遮挡所述校零通道；
N个终端探测器，每个所述终端探测器用于接收对应检测通道或对应校零通道传出的光束；
以及信号处理系统，其用于通过校零通道的校零信号对检测通道的探测信号进行校零。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述光源为白炽灯光源或黑体辐射光源。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述分光气室包括气体入口和气体出口，所述气体入口与洁净气体、待测气体连接。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述分光气室的外部设有参考探测器，所述分光气室内设有分光片，射入所述分光气室内的光束中的一部分穿过所述分光片后射出至通道切换机构处，另一部分光束经由所述分光片反射后射出至所述参考探测器处。
根据上述方案的本发明，其特征在于，相对应的检测通道、校零通道的两端均设有中心波长一致的滤光片，该中心波长与位于该检测通道和该校零通道后侧的所述终端探测器的目标气体检测波长相对应。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述终端探测器与所述多通道气室之间设有N个聚光透镜，每个所述聚光透镜用于将光束聚光后射入对应的终端探测器内。
另一方面，一种多气体传感器的自动校零方法，其特征在于，包括以下步骤：
先向分光气室内充入洁净气体，并移动遮光片至各个检测通道的前侧，通过终端探测器接收与校零通道内标准浓度的目标气体作用后的光束，生成每种目标气体的校零信号；根据朗伯比尔定律及每种目标气体的校零信号，计算得到终端传感器在每种目标气体吸收波段附近的校正后的光强的转换值；
向分光气室内充入待测气体，并移动遮光片至各个校零通道的前侧，通过终端探测器接收与分光气室内待测气体作用后的光束，生成每种目标气体的探测信号；根据朗伯比尔定律及终端传感器在每种目标气体吸收波段附近的校正后的光强的转换值，计算得到待测气体中每种目标气体的浓度值。
根据上述方案的本发明，其特征在于，多气体传感器定期触发自动校零过程，或者自动校零接收使用者的自动校零指令后触发自动校零过程。
根据上述方案的本发明，其特征在于，向分光气室内充入洁净气体后，通过参考探测器接收与分光气室内洁净气体作用后的光束，生成校零的参考信号，并通过校零的参考信号对每种目标气体的校零信号进行修正。
根据上述方案的本发明，其特征在于，向分光气室内充入待测气体后，通过参考探测器接收与分光气室内待测气体作用后的光束，生成探测的参考信号，并通过探测的参考信号对每种目标气体的探测信号进行修正。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明通过分光气室与多通道气室的结合，实现了检测光路与校零光路的结合，并通过校零光路的校零信号对检测光路的探测信号进行校零，避免传感器长期使用后因光源衰减、污染离子散射、器件老化等原因造成的零点漂移的问题，保证了系统检测的准确性；另外，本发明还可以通过参考通道实现检测结果的修正，进一步保证数据的准确性。本发明可以时效内无接触式的校零，利于在对技术人员存在危险的环境(煤矿，危化品等)下的无接触校零，避免了人工校零增加的成本以及暴露在危险环境中的可能，更加安全。
附图说明
图1为本发明中自动校零的多气体传感器的系统结构图；
图2为本发明中分光片的结构示意图；
图3为本发明中与遮光片连接的传动齿轮组的结构示意图；
图4为本发明中多通道气室的结构示意图；
图5为本发明中多通道气室去除滤光片后的结构示意图；
图6为本发明中校零状态下的遮光片与多通道气室的位置关系图；
图7为本发明中检测状态下的遮光片与多通道气室的位置关系图；
图8为本发明中校零过程的流程图。
在图中，各个附图标号为：
10、光源；
20、分光气室；
30、分光片；31、透光孔；
40、参考探测器；
50、通道切换机构；51、遮光片；52、第一伞齿轮；53、第二伞齿轮；
60、多通道气室；611、第一通道；612、第二通道；613、第三通道；614、第四通道；621、第一滤光片；622、第二滤光片；
71、第一聚光透镜；72、第二聚光透镜；
81、第一终端探测器；82、第二终端探测器。
具体实施方式
下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：
如图1至图7所示，本发明为了解决现有红外气体传感器使用中因光源衰减，污染粒子散射，器件老化造成的零点漂移的问题，提出了一种自动校零的多气体传感器，其在可以实现多种气体检测的情况下，可以实现气体传感器的校零，提高了气体检测的准确度，同时避免人工校零的过程，有利于在对技术人员存在危险的环境(煤矿，危化品等)下的无接触校零，校零周期也可自行设置。
该自动校零的多气体传感器中，光源10用于产生供气体作用的光束，以利于探测器的信号探测；检测光路组件用于提供光束与洁净气体或待测气体相互作用的场合，进而可以得到与洁净气体或待测气体作用后的光束；N个终端探测器用于接收光束与气体作用后的探测信号；信号处理系统用于实现数据的处理。本发明中，光源10发出光束的中轴、分光气室20的中轴、多通道气室60的中轴均重合，可以提高光源发出光束的利用率，提高信号检测灵敏度和精准度。
1、光源
本发明中的光源10为白炽灯光源或黑体辐射光源，使用者可以根据应用场合和待测气体特性进行选择。
2、检测光路组件
检测光路组件用于实现光路的传导，并于该传导路线上设置光束与气体相互作用的环境。本发明中的检测光路组件包括依次设置的分光气室20、多通道气室60以及通道切换机构50。
(1)分光气室
分光气室20用于充入洁净气体或待测气体，并使得洁净气体或待测气体与光源发出的光束相互作用，分光气室实现了待测气体检测过程中，待测气体与光源发出的光束相互作用的空间。该分光气室20为四周封闭结构，且分光气室20设置有气体入口和气体出口，待测气体经由气体入口进入分光气室20内，并经由气体出口排出。为了使得气体进入分光气室20的速度与气体量，本发明的气体入口或气体出口设有气泵，气泵用于将气体泵入分光气室20内。
在具体实现过程中，若对待测气体进行检测，则向分光气室20内充入待测气体；若需对检测结果进行校零，则向分光气室20内充入洁净空气。
为了使得光源发出的光束顺利进入分光气室20，并经由分光气室20传出，还可以在分光气室20的一端设有入光透镜，其另一端设有出光透镜，光源发出的光束通过入光透镜射入分光气室20内，与分光气室20内气体作用后的光束经由出光透镜射出。
如图1、图2所示，由于受到受光源衰减、器件老化、污染粒子散射等因素的影响，探测器的响应会产生偏移，因此在一个优选实施例中，还提供气体检测过程中的参考通道，通过参考通道实现检测结果的修正。具体的，分光气室20内设有分光片30(可以为薄板或二向色镜)，光源发出的光束进入分光气室20后被分光片30分光，使得一部分光束穿过分光片30射出，另一部分光束被分光片30反射而从另一侧射出。
分光片30斜向设置于分光气室20内，且分光片30上设有若干均匀分布的透光孔31，光源发出的光束入射到透光孔31位置的部分直接穿过透光孔31并射出，其与入射到非透光孔31位置的部分被分光片30反射设射出。优选的，分光片30斜向45°设置于分光气室20内，使得被反射的光束能以90°的角度穿过分光气室20的侧壁而传出。该侧壁位置设置有分光透镜，以便光束能顺利传出，保证光束被接收的效率。
分光气室20的截面呈圆形，也可以选择正方形等其他正多边形。与之相配合的，分光片30呈椭圆形或其他多边形。分光片30上的透光孔31可以选择规则的圆孔、方形孔等，本发明不以此为限。
(2)多通道气室
多通道气室60包括N个检测通道和N个校零通道，每个校零通道内设有标准浓度的目标气体(此处指的是已知浓度的目标气体，如浓度为10000ppm的甲烷等)，检测通道内设有洁净气体，通过标准浓度的目标气体对分光气室20内待测气体的检测结果进行校零，洁净气体用于提供校零过程的空白参考，该洁净气体为洁净空气或氮气(洁净气体内目标气体的浓度为0；当目标气体为二氧化碳时，其浓度已知(如浓度为400ppm))，可以避免多余气体对检测结果的影响。
另外为了配合通道切换机构进行通道选择(即选择检测通道还是选择校零通道)，本发明中的N个检测通道集合在一起，N个校零通道集合在一起，使得N个检测通道占据整个多通道气室60的一半空间，N个校零通道占据整个多通道气室60的另一半空间。在其他实施例中，N个检测通道和N个校零通道还可以相互交叉设置，能使其与通道切换机构50相互配合实现检测通道和探测通道的相互切换即可。
此处的N为不小于2的自然数，为了保证检测及校零的效果，此处的N不大于4。即，在一个具体实施例中，该多通道气室60包括2个检测通道和2个校零通道，2个检测通道分布于该多通道气室60的上半部分，2个校零通道分布于该多通道气室60的下半部分；在另一个具体实施例中，该多通道气室60包括3个检测通道和3个校零通道，3个检测通道分布于该多通道气室60的上半部分，3个校零通道分布于该多通道气室60的下半部分；在第三个具体实施例中，该多通道气室60包括4个检测通道和4个校零通道，4个检测通道分布于该多通道气室60的上半部分，4个校零通道分布于该多通道气室60的下半部分。
为了使得N个检测通道和N个校零通道能够相互配合实现对N种气体的检测，本发明中相对应的检测通道、校零通道的两端均设有中心波长一致的滤光片，该中心波长与位于该检测通道和该校零通道后侧的终端探测器的目标气体检测波长相对应。通过滤光片可以有选择性的通过与目标气体对应的中心波长的光束，基于此，终端探测器可以选用带有与目标气体中心波长一致的滤光片，也可以选用未带有滤光片的探测器，使得设备选用具有多样性。
如图1、图4至图7所示，该实施例中提供了一种自动校零的双气体传感器，其多通道气室为双通道气室，并实现甲烷和二氧化碳的检测，其包括2个检测通道和2个校零通道。具体的，第一通道611和第二通道612为检测通道，且第一通道611和第二通道612内填充有洁净空气或氮气；第三通道613和第四通道614为校零通道，第三通道613内填充有标准浓度的甲烷气体，第四通道614内填充有标准浓度的二氧化碳气体。
另外，第一通道611的前后两侧、第三通道613的前后两侧均设置有中心波长为3310nm的第一滤光片621，用以透过与甲烷气体作用后的光束；第二通道612的前后两侧、第四通道614的前后两侧均设置有中心波长为4250nm的第二滤光片622，用以透过与二氧化碳作用后的光束。
本发明采用的自动校零的双气体传感器可以针对有对二氧化碳/甲烷、一氧化碳/甲烷、一氧化碳/二氧化碳等双气体检测的需求的场合，当然对于其他的单气体检测的场合仍然适用；同时本发明相对于传统的双气体探测器(双气体探测器的价格一般2000～3000元)的成本大大降低。另外，本发明通过检测通道和校零通道的相互配合，实现了检测结果的无接触式自动校零，在某些危化环境下是有安全风险的。
(3)通道切换机构
通道切换机构50用于控制待测气体检测过程选择检测通道透光，而气体校零的过程选择校零通道透光。
具体的，通道切换机构包括遮光片51，遮光片51用于遮挡检测通道或遮挡校零通道。遮光片51的形状与多通道气室60的截面形状相匹配，且遮光片51的形状为多通道气室60截面形状的一半。例如，多通道气室60的截面呈圆形，则该遮光片51的形状为半圆形；多通道气室60的截面呈方形，则该遮光片51的形状为矩形。并且如图6、图7所示，为了保证遮光片51良好的遮光效果，本发明中遮光片51的面积不小于多通道气室60的截面面积的一半。
在一个具体实施例中，该通道切换机构50还包括驱动电机，驱动电机运动第一行程后，带动遮光片51正向旋转180°，使得遮光片51挡住校零通道；驱动电机运动第二行程后，带动遮光片51正向或反向旋转180°，使得遮光片51挡住检测通道。此实现过程中，驱动电机的输出轴直接与遮光片51的边缘连接，并带动遮光片51翻转。如图6、图7所示，驱动电机的输出轴直接与图中遮光片51的半圆直径连接，实现了驱动电机带动遮光片51上下翻转。
在另一个具体实施例中，该通道切换机构50还包括驱动电机、传动齿轮组，驱动电机通过传动齿轮组与遮光片51连接，驱动电机运动第一行程后，通过传动齿轮组带动遮光片51正向旋转180°，使得遮光片51挡住校零通道，驱动电机运动第二行程后，通过传动齿轮组带动遮光片51正向或反向旋转180°，使得遮光片51挡住检测通道。如图3、图6、图7所示，此处的传动齿轮组包括第一伞齿轮52和第二伞齿轮53，第一伞齿轮52的中轴与驱动电机的输出端连接，第二伞齿轮53与第一伞齿轮52啮合，且第二伞齿轮53的中轴与遮光片51的转轴(半圆形的弧心)连接。
在上述两个具体实施例实现过程中，当系统设置的自动校零时间到(或系统接收到使用者发出的校零指令后)触发校零过程开始，驱动电机动作，并带动遮光片51运动并使得遮光片51遮挡住检测通道后停止；当校零过程完成后，驱动电机再次动作，使得电机带动遮光片51运动并使得遮光片51挡住校零通道后停止。
3、终端探测器
本发明为了实现N种气体的检测，于多通道气室60的输出端设置有N个终端探测器，每个终端探测器用于接收对应检测通道或对应校零通道传出的光束。为了使得与气体作用后的光束能够充分被接收，保证信号强度，本发明中的终端探测器与多通道气室60之间设有N个聚光透镜，每个聚光透镜用于将光束聚光后射入对应的终端探测器内，并且每个终端探测器位于对应的聚光透镜的焦点位置。为了简化系统、节省设备成本，本发明中的每个聚光透镜与同一气体对应的检测通道和校零通道(检测通道和校零通道未同时使用)对应，用于将与该气体对应的检测通道和校零通道的光汇聚到同一个终端探测器中。
具体的，在图1、图4至图7所示的实施例中，为了实现同时对甲烷气体、二氧化碳气体的检测，第一通道611、第三通道613的后侧设置有第一终端探测器81，用于实现与甲烷气体作用后的光束的接收；第二通道612、第四通道614的后侧设置有第二终端探测器82，用于实现与二氧化碳气体作用后的光束的接收。第一终端探测器81的前侧与第一通道611的后侧、第三通道613的后侧之间设有第一聚光透镜71，且第一终端探测器81位于第一聚光透镜71的焦点处；第二终端探测器82的前侧与第二通道612的后侧、第四通道614的后侧之间设有第二聚光透镜72，且第二终端探测器82位于第二聚光透镜72的焦点处。
另外，与上述的分光片30相配合的，本发明中的分光气室20的外部设有参考探测器40，射入分光气室20内的光束中的一部分穿过分光片30后射出至通道切换机构50处，另一部分光束经由分光片30反射后射出至参考探测器40处。当分光片45°角安装于分光气室20内时，参考探测器40位于分光气室20的侧面且正对分光气室20的侧壁。
4、信号处理系统
信号处理系统用于通过校零通道的校零信号对检测通道的探测信号进行校零。在校零时，通过分光气室内的洁净气体与校零通道内的标准浓度气体与光线的相互作用，计算得到终端探测器在不同气体的吸收波段附近的校正后的光强的转换值；在进行测量过程中，通过分光气室内的待测气体和检测通道内的洁净气体与光线的相互作用，并代入上述终端探测器在不同气体的吸收波段附近的校正后的光强的转换值，进而得到待测气体的最终浓度。
该信号处理系统可以内置校零周期，也可以接收使用者的校零指令。当校零时间到，或接收到使用者的校零指令时开始校零过程(即完成遮光片的位置调整、分光气室内气体的更换等)。
该信号处理系统还用于接收N个终端探测器和参考探测器40的探测信号，并通过参考探测器40对终端探测器的探测结果进行修正，并通过校零过程得到的校零信号对检测过程得到的探测信号进行校零。
如图8所示，本发明还提供一种多气体传感器的自动校零方法，其基于上述的自动校零的多气体传感器可以实现该自动校零的多气体传感器的自动校零。
该自动校零的多气体传感器正常使用过程中，包括以下过程：
(1)通道切换机构中，驱动电机带动遮光板转动180°，使得遮光板位于校零通道的前侧，以便光束能够顺利进入检测通道而不会进入校零通道。
(2)通过气泵向分光气室的气体入口泵入待测气体，待测气体经由气体出口溢出。
(3)光源发出的光线射入分光气室，并与分光气室内的待测气体相互作用，相互作用后的光束传出分光气室，并经过多通道气室的检测通道，通过聚光透镜聚光后进入每个终端探测器。由于每个检测通道的两端分别设有与不同目标气体对应的滤光片，使得不同波长的光束进入不同的检测通道，并被不同的终端探测器接收，经过数据的整形放大后输出与该目标气体对应的探测信号。
优选的，向分光气室内充入洁净气体后，通过参考探测器接收与分光气室内洁净气体作用后的光束，生成校零的参考信号，并通过校零的参考信号对每种目标气体的校零信号进行修正。具体的：与分光气室内的待测气体相互作用后的光束还经过分光片的分光，使得一部分的光束被分光片反射后入射至参考探测器处，参考探测器接收的光信号转换成电信号，并经过数据的整形放大后输出探测的参考信号，通过该探测的参考信号，对前述的探测信号进行修正。修正原理为：
在无气体吸收状态时，参考探测器得到的参考信号记为RADi0，每种目标气体对应的终端传感器得到的探测信号记为DADi0，两者之间的关系记为：
式中，ki为第i种目标气体得到的探测信号DADi0与参考信号RADi0之间的关系系数，bi为常数。在该式(1)中探测信号DADi0与参考信号RADi0之间的高次项(二次项及以上)一般可以舍去，进而可以得到第i种目标气体在校准(对标准浓度目标气体C的响应)时得到的终端传感器的修正值：
DADic为第i种目标气体对标准浓度气体C的响应值，此时得到的探测值为终端传感器在该标准浓度下排除光源衰减、器件老化等因素后的真实气体吸收响应。
(4)信号处理系统接收该探测信号后生成待测气体的探测结果，分别示出待测气体中不同目标气体的浓度值。
当该自动校零的多气体传感器长期使用后，受到光源衰减、污染粒子散射、器件老化等因素的影响而产生零点漂移，因此需要通过自动校零的方式对该自动校零的多气体传感器进行校零操作。多气体传感器可以定期触发自动校零过程，也可以自动校零接收使用者的自动校零指令后触发自动校零过程，该定期可以设定为1周、1个月、3个月或其他时长，根据使用者的应用环境进行调整。
该多气体传感器的自动校零过程包括以下步骤：
S1、先向分光气室内充入洁净气体，并移动遮光片至各个检测通道的前侧，通过终端探测器接收与校零通道内标准浓度的目标气体作用后的光束，生成每种目标气体的校零信号。
(1)通过气泵向分光气室的气体入口泵入洁净气体(如洁净空气或氮气等)，洁净气体经由气体出口溢出。通道切换机构中，驱动电机带动遮光板转动180°，使得遮光板位于检测通道的前侧，以便光束能够顺利进入校零通道而不会进入检测通道。
(2)光源发出的光线射入分光气室，并与分光气室内的洁净气体相互作用，相互作用后的光束传出分光气室，并经过多通道气室的检测通道，通过聚光透镜聚光后进入每个终端探测器。由于每个校零通道的两端分别设有与不同目标气体对应的滤光片，使得不同波长的光束进入不同的校零通道，并被不同的终端探测器接收，经过数据的整形放大后输出与第i种目标气体对应的校零信号DADi零漂。
(3)为了保证数据准确性，先对得到的校零信号进行修正，向分光气室内充入待测气体后，通过参考探测器接收与分光气室内待测气体作用后的光束，生成探测的参考信号，并通过探测的参考信号对每种目标气体的探测信号进行修正。具体的：通过分光气室与参考探测器相互配合得到参考信号RAD零漂。利用上述式(2)对第i种目标气体对应的校零信号DADi零漂进行修正，得到修正后的校零信号DADi修。
S2、根据朗伯比尔定律及每种目标气体的校零信号，计算得到终端传感器在每种目标气体吸收波段附近的校正后的光强的转换值(即光强的“代值”)。
朗伯比尔定律的公式为：
式(3)中的Ki为第i种目标气体在其中心波长附近的摩尔吸收系数，C1是洁净气体第i种目标气体的浓度0ppm，L1为分光气室的腔长(依据量程设计对应腔长)，C2是校零通道中第i种目标气体的标准浓度(依据量程选择对应浓度)，L2为多通道气室的腔长(依据量程设计对应腔长)，求出发生漂移后的光源在第i种目标气体的中心波长附近的光强的转换值Ii0。
S3、在正常检测状态下，向分光气室内充入待测气体，并移动遮光片至各个校零通道的前侧，通过终端探测器接收与分光气室内待测气体作用后的光束，生成每种目标气体的探测信号。
(1)通道切换机构中，驱动电机带动遮光板转动180°，使得遮光板位于校零通道的前侧，以便光束能够顺利进入检测通道而不会进入校零通道；通过气泵向分光气室的气体入口泵入待测气体，待测气体经由气体出口溢出。
(2)光源发出的光线射入分光气室，并与分光气室内的待测气体相互作用，相互作用后的光束传出分光气室，并经过多通道气室的检测通道，通过聚光透镜聚光后进入每个终端探测器。由于每个检测通道的两端分别设有与不同目标气体对应的滤光片，使得不同波长的光束进入不同的检测通道，并被不同的终端探测器接收，经过数据的整形放大后输出与第i种目标气体对应的校零信号DADi’。
(3)为了保证数据准确性，先对得到的校零信号进行修正，即通过分光气室与参考探测器相互配合得到参考信号RAD’。利用上述式(2)对第i种目标气体对应的校零信号DADi’进行修正，得到修正后的校零信号DADi’修。
S4、根据朗伯比尔定律及终端传感器在每种目标气体吸收波段附近的校正后的光强的转换值，计算得到待测气体中每种目标气体的浓度值。
将检测得到的DADi’修以及第i种目标气体在其中心波长附近的摩尔吸收系数Ki、分光气室的腔长L1、检测通道的洁净气体中第i种目标气体的标准浓度C2'为0ppm(若选用二氧化碳作为待测气体，则该二氧化碳气体在洁净空气中的浓度为400ppm)、多通道气室的腔长L2、步骤S2中求得的发生漂移后的光源在第i种目标气体的中心波长附近的光强的转换值Ii0代入式(3)得到：
进而计算得到待测气体中第i种目标气体的浓度Ci’，且该浓度值为校零后的浓度值。
通过上述过程通过较零通道与检测通道相互配合，纠正了对于终端探测器因自身性能下降而造成的零漂缺陷，实现了自动校零的过程，其属于直接手段；同时该过程中通过参考探测器的参考信号对于校零过程进行校准，解决了因“环境因素”而影响探测器检测结果的精准度的问题。
基于上述描述，本发明还可以在正常检测过程中通过上述步骤S1的(1)至(3)实现检测信号的校准。即，先通过气泵向分光气室的气体入口泵入洁净气体(如洁净空气或氮气等)，洁净气体经由气体出口溢出，此时遮光板位于校零通道的前侧，测得参考信号RAD和气体的探测信号DADi；再利用上述式(2)对第i种目标气体对应的探测信号DADi进行修正，得到修正后的校零信号DADi修。
以实现双气体检测过程中，对于甲烷和二氧化碳的气体浓度检测，并对该气体浓度进行校零为例进行说明，其中，第一终端探测器用于检测甲烷的气体浓度，第二终端探测器用于检测二氧化碳的气体浓度。
(1)先向分光气室内充入洁净气体，并移动遮光片至第一检测通道和第二检测通道的前侧，通过第一终端探测器接收与第三通道内标准浓度的甲烷气体作用后的光束，生成甲烷气体的校零信号DAD1零漂，通过第二终端探测器接收与第四通道内标准浓度的二氧化碳气体作用后的光束，生成二氧化碳气体的校零信号DAD2零漂。同时通过参考探测器接收与分光气室内洁净气体作用后的光束，生成探测的参考信号RAD零漂。
(2)利用式(2)计算得到甲烷气体的校零信号DAD1零漂的修正值DAD1修，以及二氧化碳气体的校零信号DAD2零漂的修正值DAD2修。
(3)利用式(3)得到零漂后光源在甲烷吸收波段3310nm附近的光强的转换值I10，同时利用式(3)得到零漂后光源在二氧化碳吸收波段4250nm附近的光强的转换值I20。
(4)在正常检测状态下，向分光气室内充入待测气体，并移动遮光片至第三通道和第四通道的前侧，通过第一终端探测器接收与分光气室内待测气体作用后的光束，生成甲烷气体的探测信号DAD1’，通过第二终端探测器接收与分光气室内待测气体作用后的光束，生成二氧化碳气体的探测信号DAD2’。同时通过参考探测器接收与分光气室内待测气体作用后的光束，生成探测的参考信号RAD’。
(5)利用上述式(2)对甲烷气体的探测信号DAD1’进行修正，得到修正后的甲烷气体的校零信号DAD1’修，利用上述式(2)对二氧化碳气体的探测信号DAD2’进行修正，得到修正后的二氧化碳气体的校零信号DAD2’修
(6)利用上述式(4)，并结合零漂后光源在甲烷吸收波段3310nm附近的光强的转换值I10和零漂后光源在二氧化碳吸收波段4250nm附近的光强的转换值I20，计算出待测气体中甲烷气体的浓度C1’、二氧化碳气体的浓度C2’。
本发明通过分光气室和多通道气室结合的设计，实现了检测光路、参考光路和校零光路三合一的效果，进而可以通过参考光路对检测光路和校零光路的检测数据进行修正，并通过校零光路对检测光路的检测数据进行校零，仅需几个探测器(参考探测器和N个终端探测器)实现了对被测气体的检测、校零，节省了成本；另外，本发明还可以实现无接触式校零，避免了人工校零增加的成本以及暴露在危险环境中的可能，更加安全。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种自动校零的多气体传感器，其特征在于，包括：
光源，
检测光路组件，其包括依次设置的分光气室、通道切换机构以及多通道气室：所述分光气室用于充入洁净气体或待测气体，所述分光气室的外部设有参考探测器，所述分光气室内设有分光片，射入所述分光气室内的光束中的一部分穿过所述分光片后射出至通道切换机构处，另一部分光束经由所述分光片反射后射出至所述参考探测器处；所述多通道气室包括N个检测通道和N个校零通道，N为不小于2的自然数，每个所述校零通道内设有标准浓度的目标气体，所述检测通道内设有洁净气体；所述通道切换机构包括遮光片，所述遮光片用于遮挡所述检测通道或遮挡所述校零通道；
N个终端探测器，每个所述终端探测器用于接收对应检测通道或对应校零通道传出的光束；
以及信号处理系统，其用于通过校零通道的校零信号对检测通道的探测信号进行校零；
相对应的检测通道、校零通道的两端均设有中心波长一致的滤光片，该中心波长与位于该检测通道和该校零通道后侧的所述终端探测器的目标气体检测波长相对应。
2.根据权利要求1所述的自动校零的多气体传感器，其特征在于，所述光源为白炽灯光源或黑体辐射光源。
3.根据权利要求1所述的自动校零的多气体传感器，其特征在于，所述分光气室包括气体入口和气体出口，所述气体入口与洁净气体、待测气体连接。
4.根据权利要求1所述的自动校零的多气体传感器，其特征在于，所述终端探测器与所述多通道气室之间设有N个聚光透镜，每个所述聚光透镜用于将光束聚光后射入对应的终端探测器内。
5.一种根据权利要求1-4任意一项所述的自动校零的多气体传感器的自动校零方法，其特征在于，包括以下步骤：
先向分光气室内充入洁净气体，并移动遮光片至各个检测通道的前侧，通过终端探测器接收与校零通道内标准浓度的目标气体作用后的光束，生成每种目标气体的校零信号，向分光气室内充入洁净气体后，通过参考探测器接收与分光气室内洁净气体作用后的光束，生成校零的参考信号，并通过校零的参考信号对每种目标气体的校零信号进行修正；
根据朗伯比尔定律及每种目标气体的校零信号，计算得到终端传感器在每种目标气体吸收波段附近的校正后的光强的转换值；
向分光气室内充入待测气体，并移动遮光片至各个校零通道的前侧，通过终端探测器接收与分光气室内待测气体作用后的光束，生成每种目标气体的探测信号，向分光气室内充入待测气体后，通过参考探测器接收与分光气室内待测气体作用后的光束，生成探测的参考信号，并通过探测的参考信号对每种目标气体的探测信号进行修正；
根据朗伯比尔定律及终端传感器在每种目标气体吸收波段附近的校正后的光强的转换值，计算得到待测气体中每种目标气体的浓度值。
6.根据权利要求5所述的多气体传感器的自动校零方法，其特征在于，多气体传感器定期触发自动校零过程，或者自动校零接收使用者的自动校零指令后触发自动校零过程。
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