CN117571647A - 一种基于波分复用的多通道气体传感器及气体检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了气体探测技术领域中的一种基于波分复用的多通道气体传感器及气体检测方法，该多气体传感器的接收装置通过波分复用的方式进行信号检测，在波分复用过程中，同时设置多个不同检测波长的检测通道，以实现检测通道对不同气体的信号检测；该检测方法实现过程中，在信号发射端通过发射装置发射光信号，在信号接收端，信号接收装置采用波分复用的方式检测不同波长的光信号，以实现多种气体的检测。本发明利用波分复用技术，在信号接收端通过设定多个检测通道进行波分复用，使得整个气体传感器体积小、功耗低、电路设计简单，同时通过波分复用技术实现了同一个气体传感器检测多种类型气体，同时提高了该气体传感器的抗交叉干扰的能力。

Description

一种基于波分复用的多通道气体传感器及气体检测方法
技术领域
本发明涉及气体探测技术领域，具体的说，是涉及一种基于波分复用的多通道气体传感器及气体检测方法。
背景技术
红外气体传感器具有响应速度快、测量精度高、抗干扰能力强、在无氧环境中可以正常使用、使用寿命长等优点，且不会出现有害气体中毒、老化等现象，在气体传感器领域具有重要市场应用前景。红外气体传感器的工作原理是利用气体分子固有的振动、转动频率而对特定波长的红外光信号具有吸收作用，且光吸收强度与气体分子浓度的关系满足朗伯-比尔定律。因此，通过探测红外光与气体分子相互作用后特定波长光吸收强度的变化，即可实现对特定气体浓度的精确检测。
红外传感器的红外探测波长与待测气体分子的红外吸收波段一致，能够对特定的待测气体类型进行精确检测。但是，不同气体类型的红外吸收波段具有一定的差异，因此将给传感器带来两方面的影响。第一，传感器具备抗交叉干扰能力；第二，限制了传感器对多气体探测的能力。
随着工业气体应用领域不断拓展，多气体传感器的需求不断增加。现阶段通常采用多传感器组合满足多气体传感需求。但是，该方法传感器组体积大、功耗大、电路设计复杂。因此，开发出一种同时具备多气体类型检测和抗气体交叉干扰的能力的红外气体传感器，解决红外传感器单一气体检测模式，让红外气体传感器适用于有更多的应用场景，具有很强的实用价值和市场竞争优势。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种基于波分复用的多通道气体传感器及气体检测方法。
本发明技术方案如下所述：
一方面，一种基于波分复用的多通道气体传感器，其特征在于，包括：
发射装置，其用于发射光信号进入气室，并使得光信号与气室内的其他相互作用；
接收装置，用于接收与气室内气体相互作用后的光信号，并通过波分复用的方式进行信号检测，在波分复用过程中：同时设置多个不同检测波长的检测通道，以实现不同气体的信号检测。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述接收装置包括包含多个探测器的探测器组、位于所述探测器组前侧的多通道滤光片，所述多通道滤光片中的多个滤光片的光吸收波段不完全相同，且多个滤光片与多个探测器一一对应。
进一步的，所述探测器组中的多个探测器呈环形阵列分布，所述多通道滤光片中的多个滤光片呈环形阵列分布。
进一步的，所述探测器组中的多个探测器呈矩形阵列分布，所述多通道滤光片中的多个滤光片呈矩形阵列分布。
另一方面，一种气体检测方法，其特征在于，基于上述的基于波分复用的多通道气体传感器，气体检测方法包括：
在信号发射端通过发射装置发射光信号至气室中，并使得光信号与气室内的气体相互作用；
在信号接收端，信号接收装置采用波分复用的方式检测不同波长的光信号，以实现多种气体的检测。
根据上述方案的本发明，其特征在于，在信号接收端，判断多个不同检测波长的检测通道是否只有单一通道具有信号响应，确定待测气体是否为单一气体；判断多个不同检测波长的检测通道中两个以上不同波长的检测通道具有响应时，确定该待测气体为混合气体。
根据上述方案的本发明，其特征在于，在一次气体检测过程中：
利用多个检测通道采集不同的检测信号；
确定与待测气体对应的探测通道、及用于进行信号干扰过滤的参考通道，使得探测通道与参考通道形成信号检测通道对；
基于朗伯比尔定律，利用该待测气体的信号检测通道对接收的信号，计算得到该待测气体的气体检测结果。
进一步的，在确定信号检测通道对的过程中，选择多个不同检测波长的检测通道中信号响应最强的检测通道作为探测通道，选择多个不同检测波长的检测通道中信号响应最弱的检测通道作为参考通道，或选择具有与该探测通道对应中心波长最远的中心波长的检测通道作为参考通道。
进一步的，还包括参考通道的优化选择的过程，先基于参考通道判断条件对各个检测通道进行优先级排序，再进行参考通道的筛选：
在前一优先级顺序的检测通道不能作为参考通道时，基于优先级排序选择下一优先级顺序的检测通道作为参考通道。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明多通道技术在信号接收端进行波分复用，使得整个气体传感器体积小、功耗低、电路设计简单；本发明可以设定单一或多个检测通道，也可以自定义检测通道，实现了同一个气体传感器检测多种类型气体，同时提高了该气体传感器的抗交叉干扰的能力。
本发明的探测通道与参考通道同时接收光信号，并实施进行数据处理，使得检测结果不会受到光信号的变化而造成影响，因此系统结构更加稳定，对于外界振动、噪音等响应更小，检测结果更加精准。
本发明中多个通道可以在检测气体过程中利用参考通道对探测通道进行校对，有利于提高检测的精准度。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明气体检测的流程图。
在图中，各个附图标号为：
1、红外光源；2、探测器组；3、多通道滤光片。
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：
本发明为了克服现有的气体传感器无法对多气体探测的缺陷，提出了一种基于波分复用的多通道气体传感器及气体检测方法，其不仅提高了气体传感器对多气体探测的能力，同时提高了气体抗交叉干扰的能力，并且，整个系统设计电路设计简单，降低了传感器的体积和功耗。
如图1所示，该基于波分复用的多通道气体传感器包括位于发射端的发射装置和位于接收端的接收装置。发射装置用于发射光信号进入气室，并使得光信号与气室内的其他相互作用；接收装置用于接收与气室内气体相互作用后的光信号，并转换成电信号发送至数据处理装置。
由于不同气体在红外波段的吸收是不相同的，而传统的探测器滤光片只能固定的检测对某一波段吸收的气体，这就极大的限制了探测器的检测能力。如为了增加检测能力，需要设计庞大的识别电路，增加了系统设计的难度、提高系统功耗。为了克服该困难，本发明利用不同气体的红外吸收光谱波段不同，采用不同的波长探测，从而在相同的宽带入射光条件下，通过波分复用技术，实现对具有不同吸收波段的气体浓度检测。
在本发明的具体实现过程中，为了提高气体传感器对多气体探测的能力、抗交叉干扰能力，接收装置利用波分复用技术进行信号处理。在波分复用过程中，同时设置多个不同检测波长的检测通道，以实现不同气体的信号检测。
利用上述的基于波分复用的多通道气体传感器，本发明还提供一种气体检测方法：在信号发射端通过发射装置发射光信号至气室中，并使得光信号与气室内的气体相互作用；在信号接收端，信号接收装置采用波分复用的方式(同时设置多个不同检测波长的检测通道)检测不同波长的光信号，以实现多种气体的检测。
本发明通过基于波分复用的多通道气体传感器及对应的气体检测方法，可以自由变换检测波段，提高了传感器的检测气体的能力，同时能提高精度；同时，相比于传统多种传感器组合方式实现多气体检测的传感器，本发明占用空间更小、部件应用成本更小、检测能力更强、精度更高，可以实现一物多用。
实施例一
如图1、图2所示，本实施例提供了一种基于波分复用的多通道气体传感器，其位于发射端的发射装置为红外光源1，位于接收端的接收装置为探测器组2及位于探测器组2前侧的滤光片部件，红外光源1发射的红外光穿过气室并与气室内的待测气体相互作用，然后穿过滤光片部件后入射至探测器组处并被探测器组接收。
为了实现提高气体传感器对多气体探测的能力、抗交叉干扰能力的目的，本实施例中的探测器组2包括多个探测器(具体是指红外光探测单元)，滤光片部件为包含多个滤光片的多通道滤光片3，并且滤光片与探测器的位置一一对应，多个红外光探测单元可以配合对应的滤光片实现对应光吸收波段的气体的检测。优选的，探测器组2中的多个探测器可以呈环形阵列分布，此时多通道滤光片3中的多个滤光片呈环形阵列分布；或者探测器组2中的多个探测器也可以呈矩形阵列分布，此时多通道滤光片3中的多个滤光片呈矩形阵列分布。另外，探测器组2中的多个探测器、多通道滤光片3中的多个滤光片还可以采用其他排列方式，不再一一列举。
另外，本实施例中多个滤光片的光吸收波段不完全相同。在一种实现方式中，多个滤光片的光吸收波段均不相同；在另一种实现方式中，每两个滤光片构成的滤光片对的光吸收波段相同，多个滤光片对之间的光吸收波段不同；在第三种实现方式中，一个或多个滤光片构成滤光片组，多个滤光片组之间的光吸收波段不同；还可以采用其他实现方式。
本实施例以多个滤光片的光吸收波段均不相同为例进行说明，其可以实现更多类型气体的检测。本实施例具体包括9个检测通道，9个检测通道采用不同的滤光片，每个滤光片后配以一个红外光探测单元，以形成9种不同检测波长的检测通道，最高可实现9种检测模式；并且9个检测通道排布形成矩阵。
本实施例的基于波分复用的多通道气体传感器在实现对多类型气体的检测的同时，具有结构简单，稳定性好的优势。本实施例中的多探测器、多滤光片的传感器具有高精度、高效率及检测范围广的优点，同时兼容多种气体自由切换多组参考通道自由选择等，同比多种单一模式的传感器组合成本低、效果好。
实施例二
利用实施例一的基于波分复用的多气体传感器，本实施例提供一种气体检测方法，利用多个不同检测波长的检测通道，通过确定探测通道和参考通道形成信号检测通道对，实现多种气体的检测模式。
本实施例基于探测器组中的多个探测器、多通道滤光片中的多个滤光片相互配合，还可以检测气室内的待测气体为单一气体还是混合气体。具体的，判断多个不同检测波长的检测通道是否只有单一通道具有信号响应，确定待测气体是否为单一气体，当多个不同检测波长的检测通道中两个或两个以上不同波长的检测通道具有响应时，确定该待测气体为混合气体。
在对单一气体或混合气体的一种类型的气体进行气体检测过程中：先利用多个检测通道采集不同的检测信号；然后确定与待测气体对应的探测通道、及用于进行信号干扰过滤的参考通道，使得探测通道与参考通道形成信号检测通道对；最后基于朗伯比尔定律，利用该待测气体的信号检测通道对接收的信号，计算得到该待测气体的气体检测结果。在此过程中，通过探测通道和参考通道的信号相互对比可以实现检测信号的参考，有利于提高信号检测的精准度。
在确定信号检测通道对的过程中，选择多个不同检测波长的检测通道中信号响应最强的检测通道作为探测通道，选择具有与该探测通道对应中心波长最远的中心波长的检测通道作为参考通道，或选择多个不同检测波长的检测通道中信号响应最弱的检测通道作为参考通道(当待测气体为混合气体时，优先选用信号响应最弱的检测通道作为参考通道)，同时，若参考通道出现异常时，按顺序启用其他通道作为参考通道。
请参阅图3，基于上述多通道气体传感器的气体检测方法，具体包括：
S1、待测气体(被测气体)通过主动或自由扩散的方式进入气室。
S2、待测气体在气室内被红外光源发射的红外光照射，并吸收红外光。
S3、与待测气体作用后的红外光透过滤光片被对应的探测器接收，使得不同的检测通道形成不同的响应情况，并获取各个检测通道的输出信号。
S4、确定探测通道和参考通道：
(1)当待测气体为单一气体时：
所有检测通道输出信号后，若仅有单一的检测通道具有信号响应，则判断待测气体为单一气体：此时以该具有信号响应的通道作为探测通道，选择与此探测通道中心波长最远的检测通道为参考通道。
当全部检测通道均出现信号响应，且信号响应幅度较大，则认为该多通道气体传感器的红外光源或其他结构出现异常，判定该多通道气体传感器失效。
(2)当待测气体为混合气体时：
所有检测通道输出信号后，若多个检测通道均具有信号响应，则判断待测气体为混合气体：此时选择信号响应最强的检测通道作为探测通道；若其余检测通道中具有无信号响应的通道，则以该无信号响应的检测通道作为参考通道，若全部检测通道均具有信号响应，则选择信号响应最弱的检测通道为参考通道。
待测气体为混合气体的实施例中，若所有的检测通道均出现了信号响应，则通过判断信号响应强弱的方式来确定参考通道，参考通道的作用是最大可能的确定当前光源没有出现衰减或其他干扰，稳定检测通道的检测起始点(零点)。
在本发明检测气体(包括单一气体和混合气体)的过程中，还包括参考通道的优化选择的过程，即当参考通道出现异常损坏、选择的参考通道有对应的检测气体出现等情况发生时，则利用优先级顺序进行排序，并确定最终参考通道。具体的：
S41、根据检测气体的波长确定判断参考通道的优先级，与检测气体波长中心距离最远的检测通道(包括上述无信号响应的通道)为第一优先级，与检测气体波长中心距离次远的检测通道为第二优先级，以此类推。
S42、先判断第一优先级的检测通道是否正常，若正常则进入下一步骤，若不正常则进入步骤S44。
在判断该检测通道是否正常的过程中，首先预设通道正常的通光量阈值，分析该检测通道的通光量是否小于通光量阈值，若小于该通光量阈值，则判定该检测通道异常。由于每个通道的通光量是固定的，这个通光量可以用数值表现出来，因此通过设定通光量阈值确定检测通道是否正常。
例如，正常情况下检测通道的通光量为10000单位，预设通光量阈值为200单位。在检测过程中其他通道的通光量均在10000单位附近，而某一检测通道的通光量仅有100单位，该通光量小于系统设定的通光量阈值(200单位)，因此确定该检测通道故障，则判断该检测通道不正常。
S43、确定该检测通道是否具有干扰响应，若没有干扰响应则进入步骤S45，若具有干扰响应，则进入步骤S44。
由于除了探测通道外，其他通道的检测波长对应的光信号不会与待测气体发生相互作用，所以与探测通道对应的通道信号会在检测前后发生变化，而其他通道的信号不会发生变化。因此，通过判断该检测通道是否发生响应来判断该检测通道是否具有干扰，若具有干扰应该排出该检测通道的信号检测结果。
S44、选择下一优先级的检测通道，并返回步骤S42。
S45、重复上述步骤，直至最终确定作为参考通道的检测通道。
S5、探测通道与参考通道构成信号检测通道对，通过对探测通道和参考通道检测的信号进行运算，输出最终的检测结果。
在计算过程中：
S51、预先在气室内无气体、或无检测气体的情况下，确定各个检测通道的检测结果。
S52、根据上述确定得到的探测通道和参考通道，确定探测通道与参考通道在气室内无气体、或无检测气体的情况下的信号检测结果，即得到X1初：X2初＝a1。其中X1初为探测通道在气室内无气体、或无检测气体的情况下的检测结果，X2初为参考通道在气室内无气体、或无检测气体的情况下的检测结果，a1均为常数(固定值)。
S53、根据气室内通入待测气体后各个通道的检测结果进行计算，具体得到探测通道和参考通道在气室通入待测气体后的信号检测结果，即得到X1测：X2测＝a2。其中X1测为探测通道在气室通入待测气体后的检测结果，X2测为参考通道在气室通入待测气体后的检测结果，a2为常数。当待测气体为单一气体时，X2测＝X2初；当待测气体为混合气体时，X2测与X2初相比可变，或者X2测对应的检测通道出现信号反应，该通道不适合作为参考通道，需按照上述参考通道优化选择过程选择下移优先级的检测通道座位参考通道。
S54、由于气室通入待测气体后，探测通道检测到待测气体时的通光量降低，因此探测通道与参考通道在气室通入待测气体前后的信号检测结果的比值发生变化，且该变化满足朗伯比尔定律。因此，基于朗伯比尔定律以及探测通道与参考通道在气室通入待测气体前后的信号检测结果(X1初：X2初＝a1，X1测：X2测＝a2)，计算得到气室内通入待测气体的浓度。
在一个具体实施例中：
A.通入待测气体，待测气体主动式或自由扩散式进入气室内。
B.红外光源发出红外光线照射到待测气体上，经过气室内的反射镜聚光后反射到接收装置上。
C.接收装置中，矩阵式排布的多个探测器包括“H-C通道”、“CO通道”、“CO2通道”、“乙炔通道”、“NO2通道”…等9个检测通道，各个检测通道的检测波长范围不同，且9个检测通道检测波长范围覆盖到2.7um～4.3um。
由于单一的检测通道的检测波长范围有限(例如“H-C通道”检测的红外吸收波长在3.3um附近，“CO2通道”检测的吸收波长在4.25um附近，“NO2通道”检测的吸收波长在2.78um附近)，因此，本具体实施例通过将9个检测通道相互组合，可以将不同波段的检测通道组合在一起，使得整个传感器的检测能力更好，且各个检测通道的吸收波长相互之间不覆盖、不干扰。
D.9个检测通道接收到光信号后由数据处理装置中的MCU同时采集信号数据。
当其中一个检测通道或多个检测通道响应时，数据处理装置自动识别响应最强的检测通道，并将其作为探测通道(例如甲烷气体的吸收峰在3.3um左右，此时只有“H-C通道”能识别检测出来，其他通道无法识别检测)。
E.确定探测通道后，数据处理装置以确定好的探测通道的中心波长为基准(例如，待测气体为甲烷气体时，“H-C通道”作为探测通道，其中心波长为3.3um)，在其他多个检测通道中选择与探测通道(即“H-C通道”)中心波长距离最远的一个检测通道(如“CO2通道”，其中心波长为4.65um)作为参考通道的第一优先级、与探测通道中心波长距离次远的一个检测通道(“CO通道”，其中心波长为4.25um)作为参考通道的第二优先级、与探测通道中心波长距离第三远的一个检测通道(“NO2通道”，其中心波长为2.78um)作为参考通道的第三优先级……。
依次按照上述优先级顺序确定参考通道，即有限选用第一优先级的“CO2通道”作为参考通道，当该第一优先级的检测通道存在下述异常时，进行调整：
①当出现与第一优先级检测通道中心波长对应的混合气体(如甲烷气体中含CO2气体)时，该第一优先级的“CO2通道”会出现同时响应(干扰响应)的情况，则备选通道的第二优先级的检测通道(即“CO通道”)作为参考通道；若存在与第二优先级的检测通道中心波长对应的混合气体时，备选通道的第三优先级的检测通道作为参考通道……以此类推。
②当所有的通道均出现响应时，采用响应值最弱的一个通道最为参考通道。
③当初步确定的参考通道输出值低于阈值时，判定该初步确定的参考通道损坏，此时从备选通道中选择下一个优先级的检测通道作为参考通道。
F.确定得到探测通道和参考通道后，基于朗伯比尔定律确定探测通道的检测结果。
在本发明的多通道气体传感器中，利用波分复用技术对多个检测通道同时进行信号探测并输出响应的信号检测结果，MCU可以根据各个检测通道的响应情况确定待测气体为单一气体还是混合气体，并根据待测气体类型的判断结果确定探测通道和参考通道，进而确定单一气体的气体探测结果或混合气体中各个气体类型的探测结果，整个系统无需复杂的结构设计，同时提高了气体探测的精准度和抗干扰能力。
本发明还利用波分复用技术，实现了多种气体检测的组合，提高了传感器的检测气体的能力，同时能够提高检测精度。
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 (9)

1.一种基于波分复用的多通道气体传感器，其特征在于，包括：
发射装置，其用于发射光信号进入气室，并使得光信号与气室内的其他相互作用；
接收装置，用于接收与气室内气体相互作用后的光信号，并通过波分复用的方式进行信号检测，在波分复用过程中：同时设置多个不同检测波长的检测通道，以实现不同气体的信号检测。
2.根据权利要求1所述的基于波分复用的多通道气体传感器，其特征在于，所述接收装置包括包含多个探测器的探测器组、位于所述探测器组前侧的多通道滤光片，所述多通道滤光片中的多个滤光片的光吸收波段不完全相同，且多个滤光片与多个探测器一一对应。
3.根据权利要求2所述的基于波分复用的多通道气体传感器，其特征在于，所述探测器组中的多个探测器呈环形阵列分布，所述多通道滤光片中的多个滤光片呈环形阵列分布。
4.根据权利要求2所述的基于波分复用的多通道气体传感器，其特征在于，所述探测器组中的多个探测器呈矩形阵列分布，所述多通道滤光片中的多个滤光片呈矩形阵列分布。
5.一种气体检测方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的基于波分复用的多通道气体传感器，气体检测方法包括：
在信号发射端通过发射装置发射光信号至气室中，并使得光信号与气室内的气体相互作用；
在信号接收端，信号接收装置采用波分复用的方式检测不同波长的光信号，以实现多种气体的检测。
6.根据权利要求5所述的气体检测方法，其特征在于，在信号接收端，判断多个不同检测波长的检测通道是否只有单一通道具有信号响应，确定待测气体是否为单一气体；判断多个不同检测波长的检测通道中两个以上不同波长的检测通道具有响应时，确定该待测气体为混合气体。
7.根据权利要求5或6所述的气体检测方法，其特征在于，在一次气体检测过程中：
利用多个检测通道采集不同的检测信号；
确定与待测气体对应的探测通道、及用于进行信号干扰过滤的参考通道，使得探测通道与参考通道形成信号检测通道对；
基于朗伯比尔定律，利用该待测气体的信号检测通道对接收的信号，计算得到该待测气体的气体检测结果。
8.根据权利要求7所述的气体检测方法，其特征在于，在确定信号检测通道对的过程中，选择多个不同检测波长的检测通道中信号响应最强的检测通道作为探测通道，选择多个不同检测波长的检测通道中信号响应最弱的检测通道作为参考通道，或选择具有与该探测通道对应中心波长最远的中心波长的检测通道作为参考通道。
9.根据权利要求8所述的气体检测方法，其特征在于，还包括参考通道的优化选择的过程，先基于参考通道判断条件对各个检测通道进行优先级排序，再进行参考通道的筛选：
在前一优先级顺序的检测通道不能作为参考通道时，基于优先级排序选择下一优先级顺序的检测通道作为参考通道。
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