CN116337776A - 基于光声光谱技术的非谐振式co2传感器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境气体检测领域，具体提供一种基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器及检测方法，用以解决现有光声光谱气体传感器存在的体积大、能耗高、成本高昂、无法量产等问题。本发明中传感器包括：控制系统、光源系统、声波检测系统与非谐振式光声池1；光源系统包括：红外辐射光源2与滤光片3，声波检测系统包括：麦克风4与锁相放大器；红外辐射光源与麦克风设置于非谐振式光声池内、且位于底部，非谐振式光声池的顶部开设换气孔，所述换气孔上覆盖微孔透气阻声膜5。本发明提出一种非谐振式光声CO2传感器，以低的调制频率，配合红外辐射光源获得强光声信号，大大缩小传感器的尺寸，实现日常生活中CO2气体测量。
Description
技术领域
本发明属于环境气体检测领域，具体提供一种基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器及检测方法。
背景技术
作为空气的重要成分之一，CO2正常浓度仅为300ppm左右；当CO2浓度在700～1500ppm时，敏感人群会有不良气味感，人群出现不适应感；当CO2浓度超过3000ppm时，人群中将出现耳鸣、血压升高、头晕胸闷等现象；当CO2浓度超过3％时，人体呼吸系统开始紊乱；而浓度超过10％的CO2会致人昏迷甚至窒息死亡。随着经济的进步和生活水平的提高，人们对空气质量提出了更高的要求；因此，研发一款具有高灵敏度、响应迅速、价格低廉等特点的智能化、微型化的CO2气敏传感器对日常生活具有重要意义。
在现有气体传感器中，较为成熟的有电化学气体传感器和红外气体传感器；其中，电化学气体传感器有两个缺点：第一、电化学气体传感器选择性和稳定性较差，寿命有限，响应时间长容易误报；第二、电化学传感器工作时发生的氧化还原反应消耗待测气体。红外气体传感器多为NDIR型传感器，具有高性能的特点；但缺点是结构复杂、体积庞大、价格昂贵，且工作时需要检测红外光的衰减，而气体中少量灰尘或其他物质都可能发生光散射，使测量结果出现误差，灵敏度低。
气体光声光谱传感技术是利用光声效应测量气体浓度的一种间接吸收光谱技术，当光声池内的待测气体被光照射，气体分子吸收特定波长的红外辐射后被激发到高能态，由高能态跃迁回低能态的过程，会引起气体温度和压强的变化；若对入射光进行调制，光声池内气体温度便会呈现出与调制频率相同的周期性变化，从而导致压强的周期性变化，产生声音信号。相比于两种传统气体测量方法，光声光谱技术是一种无背景的光谱测量技术，具有寿命长、响应快、选择性好、检测灵敏度高等优点，在微型化和智能化的气体传感器中，具有重大的应用前景。然而，目前主流的光声光谱气体传感器中，由于采用了激光光源和谐振式的光声池结构，传感器能测量极低的气体浓度，但无法进一步缩小体积，存在体积大、能耗高、成本高昂、无法量产的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于针对现有光声光谱气体传感器存在的体积大、能耗高、成本高昂、无法量产等问题，提供一种基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器及检测方法，进而大大缩小传感器的尺寸，实现日常生活中CO2气体测量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器，包括：控制系统、光源系统、声波检测系统与非谐振式光声池1；其特征在于：
所述光源系统包括：MEMS红外辐射光源2与滤光片3，所述声波检测系统包括：MESM麦克风4与锁相放大器；所述MEMS红外辐射光源与MESM麦克风设置于非谐振式光声池内、且位于底部，所述非谐振式光声池的顶部开设换气孔，所述换气孔上覆盖微孔透气阻声膜5。
进一步的，所述MEMS红外辐射光源采用调频黑体红外光源(带反光杯)，发出2～14μm的红外光，发射率为95％，冷态电阻为35～55欧姆，10Hz下的调制深度为100％，功率为450mW。
进一步的，所述滤光片将MEMS红外辐射光源发出的波长范围较宽的红外光过滤成波长在4.2μm处的中红外光。
进一步的，所述微孔阻声透气膜由膨体聚四氟乙烯材料构成，膜表面设计有数十亿个微米级孔径微孔，这些微孔直径比空气气体分子大700倍以上，确保可以实现可靠的透气量与膜内外的压强平衡；同时，微米级孔径使得微孔膜拥有较大声阻抗，对声的阻挡率大于50％，保证非谐振式光声池的声密闭性。
进一步的，所述非谐振式光声池呈长方体状或圆柱状。
进一步的，所述控制系统使用调制电路产生固定频率的方波信号，调制频率为10～50Hz，24Hz为最佳调制频率。
进一步的，待测气体通过换气孔进入非谐振式光声池内，控制系统产生固定频率的调制信号用于调制MEMS红外辐射光源、同时输入至锁相放大器中作为参考信号，MEMS红外辐射光源发出红外光经滤波片得到特定波长中红外光、进入非谐振式光声池，非谐振式光声池内待测气体中CO2吸收中红外光，产生光声效应，激发的光声信号由MESM麦克风采集，再经锁相放大器筛选、放大得到电信号，基于电信号得到匹配的CO2气体浓度。
基于上述非谐振式CO2传感器的检测方法，包括以下步骤：
首先，将非谐振式CO2传感器置于纯氮气的气体环境中，静置20min～30min，使微孔阻声透气膜内外气体浓度一致；开启传感器，记录获得电信号为零误差信号；
在获得零误差信号后，将传感器置于待测气体环境中，静置20min～30min，使微孔阻声透气膜内外气体浓度一致；开启传感器，记录获得电信号为初步检测信号；
最后，将初步检测信号减去零误差信号，得到待测气体的光声信号，再依照信号强度和气体浓度的映射关系，得到待测气体中CO2气体浓度。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
通过采用非谐振式光声池结构，取消了尺寸较大的谐振腔，使得基于光声光谱技术的CO2传感器的器件体积与制作成本得到大幅度下降，最终光声传感器能以较低的调制频率(<50Hz)，配合大功率MEMS红外辐射光源获得较强的光声信号，从而测得气体浓度。本发明具有选择性较好、体积较小、成本较低与易于集成的优点，适合在日常生活中广泛使用。
附图说明
图1为本发明中基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器的系统示意图。
图2为本发明中基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器的外观结构示意图。
图3为本发明中基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器的内部结构示意图；其中，1为非谐振式光声池，2为红外辐射光源，3为滤波片，4为MEMS麦克风，5为微孔透气阻声膜。
图4为本发明中基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器中非谐振式光声池的结构示意图。
图5为本发明中基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器的光声信号产生及检测原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
本实施例提供一种基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器系统，如图1所示，具体包括：控制系统、光源系统、声波检测系统与非谐振式光声池1；其中，控制系统包括：信号发生器与MOS开关，光源系统包括：红外辐射光源2与滤光片3，声波检测系统包括：MEMS麦克风4、锁相放大器与数据处理模块(计算机)处理三部分，非谐振式光声池2采用铝制的内表面光滑的长方形金属外壳；控制系统产生调制光源的固定频率方波信号(调制信号)、同时作为声波检测系统中锁相放大器的参考信号，光源系统中MEMS红外辐射光源发出红外光、经过滤光片过滤后形成特定波长的红外光线进入非谐振式光声池，在光声池内的CO2吸收该特定波长的红外光，产生光声效应，激发的声音信号由MEMS麦克风采集，并经过锁相放大器进行筛选和放大得到电信号，经数据处理模块计算得到对应的CO2浓度。
进一步的，所述基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器系统的具体结构如图2、图3所示；所述光源系统中的MEMS红外辐射光源安装在光声池底部，其发射光谱在2～14μm，发射率为95％，采用TO-5封装，冷态电阻为35～55欧姆，10Hz下的调制深度为100％，功率为450mW；光源系统中的窄带滤光片用于将红外光源辐射出的波长范围较宽的红外光过滤成中心波长在4.2μm的中红外光；
所述声波检测检测系统中，MEMS麦克风安装在光声池底部，其输出端与锁相放大器相连；同时，锁相放大器的参考信号为控制系统输出的调制频率信号；光声池内的光声信号被底部的MEMS麦克风采集到，输入至锁相放大器进行筛选和放大得到电信号，经计算机处理后得到匹配的CO2气体浓度；
所述非谐振式光声池如图4所示，采用金属铝制成的内表面光滑的长方体结构外壳安装(通过螺纹孔)在底座6(PCB板)上形成，MEMS红外辐射光源与MEMS麦克风直接安装在PCB板上；光声池内腔尺寸为14.3mm×10.6mm×9.6mm，金属壁厚1.5mm；光声池顶部开有一直径为2mm的换气圆孔，圆孔上覆盖一圆形微孔透气阻声膜5，该微孔阻声透气膜由膨体聚四氟乙烯材料构成，膜表面设计有数十亿个微米级孔径微孔，这些微孔直径比空气中的气体分子大700倍以上，该微孔允许CO2气体分子按浓度差膜内外做扩散运动，使膜内外浓度达到一致，即实现可靠的透气量与膜内外的压强平衡；同时，微米级孔径使得微孔膜拥有较大声阻抗，阻挡率大于50％，能阻挡池内的声波信号穿透泄露，保证非谐振式光声池的声密闭性；整个光声池由铝金属制成，对红外光线有较大的反射率，同时进行了抛光处理，使光声池内表面尽可能光滑，延长光程提高反射率，增强光线与气体分子的相互作用，也减少了红外光在内壁的损耗，降低声波的粘滞损耗。
从工作原理上讲：
上述基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器中，光声信号的产生和检测原理如图5所示，MEMS红外光源发出的光经过滤光片，形成能被CO2分子吸收的特定波长(4.2μm)中红外光；在对声音密闭的光声池内，CO2分子吸收红外光线后，由能量较低的基态跃迁至能量较高的激发态，处于激发态的CO2分子与处于基态的CO2分子相互碰撞，吸收的光能转换成碰撞分子之间的动能，表现为气体局部温度升高；在气体体积不变的条件下，温度升高，气体压力增大；当对红外光进行调制，气体温度则会呈现与调制频率相同的周期性变化，从而光声池内气体压强也呈现出与调制频率一样的周期性变化，即产生了与调制频率相同的光声信号；安装在光声池内部的MEMS麦克风检测到这一频率的光声信号，输出到外部锁相放大器中转变成电信号。在红外光源功率一定的条件下，一定范围内，CO2浓度越高，吸收光能的分子越多，产生的分子间碰撞越强，输出的光声电信号也越强，呈线性关系；通过计算机处理声波检测系统返回的信号，按照这一线性，即可通过信号强弱得到CO2的气体浓度。
基于上述工作原理，本发明的CO2检测方法包括以下步骤：
步骤1：安装传感器系统；
微孔透气阻声膜覆盖紧贴在换气孔表面，红外光源和麦克风通过焊接在PCB上与电路相连，滤光片通过硅胶固定在红外光源顶部；非谐振式光声池通过螺栓和硅胶在PCB电路板固定位置与之紧密相连，将红外光源、麦克风罩在其内腔中，并实现对声波的密闭；
步骤2：传感器校准；
将传感器在纯氮气的气体环境中放置20min～30min，然后开启光源和调制电路，计算机记录此时测得电信号即为零误差信号；
步骤3：将传感器放置在待测气体的气体环境中，静置20min～30min使得光声池内外气体浓度均匀一致；
步骤4：开启光源和调制电路，此时计算机测得的电信号同步骤2中得到的零误差信号做减法，即为当前气体浓度的光声信号强度；
步骤5：计算机通过比照信号强度与气体浓度的映射关系即可得到待测气体浓度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (8)
1.一种基于光声光谱技术的非谐振式CO2传感器，包括：控制系统、光源系统、声波检测系统与非谐振式光声池(1)；其特征在于：
所述光源系统包括：MEMS红外辐射光源(2)与滤光片(3)，所述声波检测系统包括：MESM麦克风(4)与锁相放大器；所述MEMS红外辐射光源与MESM麦克风设置于非谐振式光声池内、且位于底部，所述非谐振式光声池的顶部开设换气孔，所述换气孔上覆盖微孔透气阻声膜(5)。
2.按权利要求1所述非谐振式CO2传感器，其特征在于，所述MEMS红外辐射光源采用调频黑体红外光源，发出2～14μm的红外光，发射率为95％，冷态电阻为35～55欧姆，10Hz下的调制深度为100％，功率为450mW。
3.按权利要求1所述非谐振式CO2传感器，其特征在于，所述滤光片将MEMS红外辐射光源发出红外光过滤为波长4.2μm的中红外光。
4.按权利要求1所述非谐振式CO2传感器，其特征在于，所述微孔阻声透气膜由膨体聚四氟乙烯材料构成，微孔阻声透气膜设有若干微米级孔径的微孔，且声阻挡率大于50％。
5.按权利要求1所述非谐振式CO2传感器，其特征在于，所述非谐振式光声池呈长方体状或圆柱状。
6.按权利要求1所述非谐振式CO2传感器，其特征在于，所述控制系统产生调制信号的调制频率为10～50Hz。
7.按权利要求1所述非谐振式CO2传感器，其特征在于，待测气体通过换气孔进入非谐振式光声池内，控制系统产生固定频率的调制信号用于调制MEMS红外辐射光源、同时输入至锁相放大器中作为参考信号，MEMS红外辐射光源发出红外光经滤波片得到特定波长中红外光、进入非谐振式光声池，非谐振式光声池内待测气体中CO2吸收中红外光，产生光声效应，激发的光声信号由MESM麦克风采集，再经锁相放大器筛选、放大得到电信号，基于电信号得到匹配的CO2气体浓度。
8.基于权利要求1所述非谐振式CO2传感器的检测方法，包括以下步骤：
首先，将非谐振式CO2传感器置于纯氮气的气体环境中，静置20min～30min，使微孔阻声透气膜内外气体浓度一致；开启传感器，记录获得电信号为零误差信号；
在获得零误差信号后，将传感器置于待测气体的气体环境中，静置20min～30min，使微孔阻声透气膜内外气体浓度一致；开启传感器，记录获得电信号为初步检测信号；
最后，将初步检测信号减去零误差信号，得到待测气体的光声信号，再依照信号强度和气体浓度的映射关系，得到待测气体中CO2气体浓度。
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- 2023-03-24 CN CN202310298520.4A patent/CN116337776A/zh active Pending
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