CN117664901A - 一种基于可调谐滤光片的多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可调谐滤光片的多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，调节接收装置中可调谐滤光片的电压，以透过对应波长的光波，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。本发明利用可调谐滤光片实现波分复用，有针对性的实现目标气体的浓度检测，整体体积小、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
技术领域
本发明涉及气体探测技术领域，具体的说，是涉及一种基于可调谐滤光片的多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可调谐滤光片的多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，一种基于可调谐滤光片的多气体传感器，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：调节接收装置中可调谐滤光片的电压，以透过对应波长的光波，实现检测通道对不同气体的信号检测。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述接收装置包括可调谐的法布里-帕罗滤光片、位于所述法布里-帕罗滤光片后侧的光敏元件，通过调节所述法布里-帕罗滤光片的扫描波长，匹配不同气体的吸收波段。
进一步的，所述可调谐滤光片为法布里-帕罗滤光片，所述法布里-帕罗滤光片包括两个平行设置的平板，两个所述平板分别与可调电压源的两端连接。
进一步的，所述接收装置还包括带宽滤光片，所述带宽滤光片位于所述可调谐滤光片的前侧。
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，信号接收装置调节可调谐滤光片的滤光波长，并检测对应的光信号，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，通过调节法布里-帕罗滤光片的扫描波长，匹配不同气体的吸收波段，在调节法布里-帕罗滤光片的扫描波长时，通过光敏元件检测与该扫描波长所对应的待测气体信息，实现多类型气体的检测。
根据上述方案的本发明，其特征在于，对待测气体进行检测前，还包括零点曲线的检测过程：
(1)气室内无待检测类型的气体存在时，依次调节可调谐滤光片的滤光波长；
(2)实时记录对应滤光波长下检测到的光信号强度；
(3)以检测光信号的中心波长为自变量、光信号的光强为因变量，建立该可调谐滤光片(法布里-帕罗滤光片)的峰值检测曲线图，即为零点曲线。
根据上述方案的本发明，其特征在于，在信号接收端进行自动模式检测：调节可调谐滤光片的工作电压在完整周期内扫描，使得可调谐滤光片的滤光波长在完整周期内调整，检测一个或多个吸收波的峰值，计算该峰值所对应的目标气体的检测值，即可得到一个或多个目标气体的浓度。
根据上述方案的本发明，特征在于，在信号接收端进行手动模式检测：调节可调谐滤光片的工作电压至目标值，使得可调谐滤光片的滤光波长定位至目标波长位置，检测与该位置对应的吸收峰的峰值，计算该峰值所对应的目标气体的检测值，即可得到该目标气体的浓度。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明利用可调谐滤光片实现波分复用，进而有针对性的实现目标气体的浓度检测，并且信号接收端仅采用一个光敏元件即可实现，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。
另外，本发明不会受到传统滤光片滤光能力单一的缺陷，其可以实现连续波长的调整，进而可以检测吸收峰为任意波长的气体，气体检测类型更广；同时可以利用扫描范围内的多个吸收峰辅助用户进行自定义设定。
本发明可以实现自动模式下的气体检测，也可以有针对性的视线单一目标气体的检测，可以应对多种气体检测情况，提高了传感器的检测气体的能力，同时能够提高检测精度。
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为本发明中峰值检测曲线图；
图4为本发明实现多气体自动检测的流程图；
图5为本发明实现手动检测的流程图；
图6为本发明一实施例中传感器的响应值随浓度变化的曲线图。
在图中，各个附图标号为：
1、红外光源；2、光敏元件；3、带宽滤光片；4、法布里-帕罗滤光片。
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：
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。具体的，本发明提出了一种基于可调谐滤光片的多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，该基于可调谐滤光片的多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。
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，主要是指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：调节接收装置中可调谐滤光片的电压，以透过对应波长的光波，实现检测通道对不同气体的信号检测。
如图1至图3所示，本发明提供了一种基于可调谐滤光片的多气体传感器，发射装置和接收装置均位于气室内，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光敏元件2及位于光敏元件前侧的滤光片部件，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光敏元件2接收，光敏元件2将光信号转换成电信号收输出至处理器进行数据处理。
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，本发明的接收装置中滤光片为可调谐滤光片，调节该可调谐滤光片的电压可以透过对应波长的光波，进而得到与该波长想对应的吸收波长的气体，进而得到不同电压所对应的气体的检测值。优选的，可调谐滤光片为法布里-帕罗滤光片4，光敏元件2位于法布里-帕罗滤光片4的后侧，通过调节法布里-帕罗滤光片4的电压，以实现对法布里-帕罗滤光片4的波长扫描，匹配得到多个不同气体的吸收波段，进而使得光敏元件2可以分别检测与不同扫描波长对应的待测气体的浓度。
在本实施例中，法布里-帕罗滤光片4包括两个平行设置的平板，两个平板构成半波谐振器，进而根据干涉原理生成许多连续级数的透过峰，该透过峰的波峰位置即是该状态下法布里-帕罗滤光片检测光信号的中心波长(CWL)。法布里-帕罗滤光片的两个滤光片分别连接两个电极，在两个电极增加驱动电压以形成驱动法布里-帕罗滤光片的电势差，通过改变电压的大小改变两个平板之间的间距，进而可以调节法布里-帕罗滤光片的中心波长，以对应不同气体的中心波长，实现不同气体的检测。
优选的，法布里-帕罗滤光片的电压变化可以为步进式(步长可调)改变，也可以为连续变化，以得到连续的波长扫描。
本实施例的接收装置还包括带宽滤光片3，带宽滤光片3位于法布里-帕罗滤光片4的前侧(接收装置的前端部)，并与法布里-帕罗滤光片4平行布置，红外光源发出的红外光波穿过气室并与气室内的气体作用后，经过带宽滤光片3进行初步滤波，带宽滤光片3可以消除非检测范围的光波段，以消除其他级数的干扰，使得经过法布里-帕罗滤光片4的光信号的探测准确性更高。
本实施例的基于可调谐滤光片的多气体传感器在实现对多类型气体的检测的同时，具有波长选择范围大、气体类型多、气体类型切换灵活的优势。本实施例基于可调谐的法布里-帕罗滤光片，使得传感器具有检测波长自由调节、检测范围广几乎覆盖整个中红外和长波红外光谱范围3～11um，采用大尺寸的单点探测器扫描方式比阵列探测器有更大的光通量优势精度更好。
如图3至图5所示，利用上述的基于可调谐滤光片的多气体传感器，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(调节接收装置中可调谐滤光片的电压)检测不同波长的光信号，以实现多种气体的检测。
具体的，调节接收装置中可调谐滤光片(法布里-帕罗滤光片)的电压，以透过对应波长的光波，进而实现可调谐滤光片对于所涵盖区间内的波长的扫描，匹配不同气体的吸收波段，在调节可调谐滤光片的电压(扫描波长)时，通过光敏元件检测与该扫描波长所对应的待测气体信息，实现一种类型气体或多类型气体的检测。
具体的检测过程为：
S1.气室内通入待测气体，待测气体主动式或自由扩散式进入气室内。
S2.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入射到接收装置上。
S3.接收装置中，红外光线在法布里-帕罗滤光片的滤光片间隙处形成干涉现象，进而生成许多连续级数的透过峰。
优选的，当接收装置中布设有带宽滤光片时，穿过气室的红外光先经过带宽滤光片进行滤波，过滤掉非检测范围的光波段后再照射至法布里-帕罗滤光片处。
S4.改变法布里-帕罗滤光片的电压，进而改变法布里-帕罗滤光片两个平板之间的间距，调节透过峰的波峰位置，使得中心波长(CWL)改变，与该中心波长对应的红外光波被光敏元件(如NDIR探测器)接收。
S5.通过光敏元件接收到的光强信号，利用检测值与零点值之间的比例关系，计算得到该波长所对应的待测气体的浓度值。
S51.数据处理装置中MCU自学习。
例如，MCU自学习甲烷气体的吸收特性曲线过程中：
设定无气体时的零点值为X(例如10000)，无光照条件下的最低值为0；分别通入浓度值为10％、20％、30％……的甲烷气体，并记录响应值(气体吸收后的峰值)，记录为Y，得到响应值M＝(Y/X)×10000，此处的10000为自定义值，也可以为1000、100000等。
如图6所示，由于Y是随着浓度的变化而变化，因此计算出的响应值M会呈负曲线的变化。
S52.根据吸收特性曲线结合浓度点(如50％LEL时的响应值M＝9000)，通过三阶方程计算拟合得到各个浓度点对应的响应值，带入当前传感器的响应Y值即可反计算出气体浓度值。
如图3至图5所示，在本发明进行上述检测过程前，还包括基于可调谐滤光片的多气体传感器全波长扫描，以记录该多气体传感器的零点曲线的检测过程，通过自学习方式可以记录该当前气体的类型名称、当前波段的电压值，以及各个类型气体对应的浓度相应曲线(如图6所示)。具体检测过程为：
S01.初次使用时，气室内无待检测类型的气体存在(如可以向气室内通入惰性气体等)；
S02.按照法布里-帕罗滤光片的电压调节范围，从低到高(或从高到低)依次改变法布里-帕罗滤光片的电压值；
S03.随着法布里-帕罗滤光片的电压值的改变，实时记录该电压值对应的检测光信号的中心波长(CWL)，以及对应的光信号的光强；
S04.以检测光信号的中心波长为自变量、光信号的光强为因变量，建立该法布里-帕罗滤光片的峰值检测曲线图，该曲线则为该基于可调谐滤光片的多气体传感器无气体吸收时的光强度曲线，定义为零点曲线。
在自动或手动模式下进行检测的过程中，先选择自动模式或手动模式，然后调节可调谐滤光片的电压，并记录当前零点曲线；然后通入待测气体进行检测，并记录当前检测值，比对该检测值与零点值之间的关系，利用三阶方程计算得到该气体的浓度值，检测值与零点值的比值为1则输出浓度值为0，反之则输出对应的浓度数值。
实施例1
如图4所示，本实施例利用上述的基于可调谐滤光片的多气体传感器可以实现待测气体的自动扫描。具体的，一种气体检测方法，用于在自动模式下实现待测气体的检测，包括以下步骤：
A1.向气室内充入待测气体，开启系统，对待测气体进行检测。
A2.调节法布里-帕罗滤光片的电压，使该电压值在法布里-帕罗滤光片可接受电压范围内进行一次扫描(即对法布里-帕罗滤光片的波长区间进行一次扫描)，调节过程中，光敏元件实时输出检测值(即检测到的吸收峰的峰值)。
在本步骤中，还可通过自定义学习的方式进行电压调节。例如，通入甲烷气体，甲烷气体在3.3nm处出现吸收峰，数据处理装置通过扫描并记录该峰值位置(施加给法布里-帕罗滤光片的电压)，并该电压值出现的目标气体为甲烷。进行气体检测过程中，数据处理装置按照该峰值位置调节法布里-帕罗滤光片的电压值，并输出甲烷气体的检测值。
A3.数据处理装置实时记录光敏元件输出的检测值，并对比该检测值与零点曲线中该电压对应的零点值的大小：若两者大小不相等，则分别计算并输出每个检测值对应的气体浓度值(该气体浓度值对应的目标气体名称可进行预设，进而得到检测值时可确定与该检测值一致的目标气体的名称)；若两者相等，则输出对应波长下气体的检测值为0。
在一种实现过程中，当整个电压调节周期内，全部检测值均为0时，结束检测过程。在另一种实现过程中，基于可调谐滤光片的多气体传感器具有自学习能力，并可在未检测到待测目标气体(峰值检测曲线图不发生变化)的情况下进行重复扫描，以进行下一电压调节周期内的气体检测。
本实施例提供的气体检测方法，可以根据自动全波长扫描后的检测值确定待测气体具有一种待测气体类型，或是包含多种待测气体类型，并计算得到单一或多个气体类型所对应的气体浓度值。
实施例2
本实施例利用上述的基于可调谐滤光片的多气体传感器可以实现待测气体的自动定位。
具体的，一种气体检测方法，用于在手动模式下进行气体检测，其包括以下步骤：
B1.数据处理装置通过扫描法布里-帕罗滤光片的电压，并记录光敏元件输出信号出现波峰的位置(即在出现波峰位置时，施加给法布里-帕罗滤光片的电压值V0)，并定义该位置对应目标气体的检测电压。
B2.向气室内充入待测气体，开启系统，对待测气体进行检测。
B3.数据处理装置按照目标气体的检测电压确定法布里-帕罗滤光片的电压值V0，并输出该目标气体的检测值。
B4.数据处理装置实时记录光敏元件输出的检测值，并对比该检测值与零点曲线中该电压对应的零点值的大小：若两者大小相等，则输出目标气体的检测值为0；若两者大小不相等，则利用检测值与零点值之间的比例关系，计算得到该目标气体的浓度值。
本实施例提供的气体检测方法，可以定位至预设的一个电压值(也可以设定为多个电压值)，以通过法布里-帕罗滤光片透过与该电压值所对应的中心波长的待测气体的光信号，进而得到与该中心波长对应的待测气体的浓度值。
在一个具体实施例中，甲烷作为目标气体，甲烷气体在3.3nm处出现吸收波峰，故基于可调谐滤光片的多气体传感器通过扫描记录该波峰值的位置(即施加给法布里-帕罗滤光片的电压值)，并根据需要定义为“甲烷气体”，以便测试过程中直接选用。在检测过程中：
(1)向气室内通入带有甲烷的待测气体；
(2)基于可调谐滤光片的多气体传感器按照预设的电压值对法布里-帕罗滤光片施加电压；
(3)光源发出光信号经过气室后被光敏元件接收，光敏元件输出该次检测的检测值；
(4)数据处理装置中，MCU基于该检测值及预先得到的零点值(零点曲线中，波长为3.3nm所对应的光强数据)，计算得到待测气体中甲烷气体的浓度。
本发明通过基于可调谐滤光片的多气体传感器及对应的气体检测方法，可以基于可调谐滤光片自由变换检测波段，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，本发明接收装置中仅有一个光敏元件，系统结构设计、电路设计更简单，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。
本发明中的可调谐滤光片不会受到滤光片的制造因素影响，由于滤光片的滤光波长可调，因此可以在检测范围内任意调整滤光波长，以实现各种不同类型气体的检测，气体检测类型更广；本发明采用可调谐滤光片扫描波长的方式可以在检测范围内出现多个吸收峰监测点，因此经过数据处理后可以于数据处理装置显示，方便用户自行甄别气体组分；另外，本发明中可调谐滤光片的滤光波长可调，使得吸收峰位置可变，因此在进行气体检测时，可以减少其他气体类型的干扰，信号检测更精准。
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)
1.一种基于可调谐滤光片的多气体传感器，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：调节接收装置中可调谐滤光片的电压，以透过对应波长的光波，实现检测通道对不同气体的信号检测。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐滤光片的多气体传感器，其特征在于，所述接收装置包括可调谐的法布里-帕罗滤光片、位于所述法布里-帕罗滤光片后侧的光敏元件，通过调节所述法布里-帕罗滤光片的扫描波长，匹配不同气体的吸收波段。
3.根据权利要求2所述的基于可调谐滤光片的多气体传感器，其特征在于，所述可调谐滤光片为法布里-帕罗滤光片，所述法布里-帕罗滤光片包括两个平行设置的平板，两个所述平板分别与可调电压源的两端连接。
4.根据权利要求2或3所述的基于可调谐滤光片的多气体传感器，其特征在于，所述接收装置还包括带宽滤光片，所述带宽滤光片位于所述可调谐滤光片的前侧。
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，信号接收装置调节可调谐滤光片的滤光波长，并检测对应的光信号，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，通过调节法布里-帕罗滤光片的扫描波长，匹配不同气体的吸收波段，在调节法布里-帕罗滤光片的扫描波长时，通过光敏元件检测与该扫描波长所对应的待测气体信息，实现多类型气体的检测。
7.根据权利要求5所述的气体检测方法，其特征在于，对待测气体进行检测前，还包括零点曲线的检测过程：
（1）气室内无待检测类型的气体存在时，依次调节可调谐滤光片的滤光波长；
（2）实时记录对应滤光波长下检测到的光信号强度；
（3）以检测光信号的中心波长为自变量、光信号的光强为因变量，建立该可调谐滤光片的峰值检测曲线图，即为零点曲线。
8.根据权利要求5-7任一项所述的气体检测方法，其特征在于，在信号接收端进行自动模式检测：调节可调谐滤光片的工作电压在完整周期内扫描，使得可调谐滤光片的滤光波长在完整周期内调整，检测一个或多个吸收波的峰值，计算该峰值所对应的目标气体的检测值，即可得到一个或多个目标气体的浓度。
9.根据权利要求5-7任一项所述的气体检测方法，其特征在于，在信号接收端进行手动模式检测：调节可调谐滤光片的工作电压至目标值，使得可调谐滤光片的滤光波长定位至目标波长位置，检测与该位置对应的吸收峰的峰值，计算该峰值所对应的目标气体的检测值，即可得到该目标气体的浓度。
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