CN201177598Y - 气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的气体检测装置，包括提供工作光源的光源组，对工作光源进行滤光的滤光片组，将经滤光后的光源进行聚焦并准直扩大的透镜组，用于容纳被检测气体的气室，和用于检测经过气室的光源并将光信号转换为电信号的光电检测器，以及对光电检测器所输出的电信号进行处理和输出的单片机电路。本实用新型的气体检测装置，通过聚焦透镜、发散透镜和准直扩束透镜的组合，可将多方位的光线聚集到同一光轴上，并能平行射出；且保证单色光能直射通过气室，扩束后能增大检测面积，保证所采集数据的准确性及可靠性，并提高检测灵敏度，具有更广泛的实用性。
Description
技术领域
本实用新型涉及气体检测设备，特别涉及一种滤光片型气体检测装置。
背景技术
生产生活中存在着各种有毒有害的气体，对生产和生活环境带来了巨大的危害。为了保证人身安全和保护环境，对日常生活的城市煤气，汽车尾气等进行检测势在必行。目前较为先进的方法是采用红外吸收原理检测气体。红外检测克服了以往检测方法传感器容易中毒老化，易受环境影响的缺点。随着发光二极管技术的不断发展，红外发光二极管已广泛应用于工农业生产的快速检测技术中。
目前常用的采用红外吸收原理的红外滤光片型气体检测装置中，发光二极管作为光源发出的光谱带宽一般为100nm左右，通过窄带滤光片进行滤光来提高光谱的单色性。如申请号为CN200510129959.6的中国发明专利申请，公开了一种“多波长分光态二氧化碳自动监测装置”，该自动监测装置包括3个超高亮发光二极管作为光源，3片窄带干涉滤光片分别设置于发光二极管前端，3片聚焦透镜分别设置于3片窄带干涉滤光片前，以将3个单色光聚集在同一焦点上，并通过处于焦点的光纤传输；该专利申请公开的技术方案必须保证3个聚焦透镜焦点重合，其结构复杂，且测量结果准确性不高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种红外滤光片型气体检测装置，其目的之一是提高气体检测的灵敏度，保证检测数据的准确性及可靠性。
本实用新型提供的气体检测装置，包括提供工作光源的光源组，对工作光源进行滤光的滤光片组，将经滤光后的光源进行聚焦并准直扩大的透镜组，用于容纳被检测气体的气室，和用于检测经过气室的光源并将光信号转换为电信号的光电检测器，以及对光电检测器所输出的电信号进行处理和输出的单片机电路。
其中，所述滤光片组、透镜组、气室和光电检测器的轴心在同一轴线上。所述透镜组由中心处于同一轴线的第一聚焦透镜、发散透镜和准直扩束镜组成，所述第一聚焦透镜设置在发散透镜的正前方，使两者的焦点重合，准直扩束镜设置在发散透镜后方。
优选地，还包括设置在气室和光电检测器之间的第二聚焦透镜，将透过气室的光聚集在所述光电检测器上。
其中，所述单片机电路包括控制单元、恒流驱动电路、前置放大电路、锁相放大电路和A/D转换电路，所述恒流驱动电路根据控制单元输出的脉冲信号驱动光源组发光，所述前置放大电路将光电检测器的信号放大后输入锁相放大电路，所述锁相放大电路提取与控制单元参考信号的频率和相位相同的信号进行放大后输入，所述A/D转换电路接收锁相放大电路的输出信号，并转换成数字信号输入控制单元。
优选地，所述滤光片组由多片滤光片组成，所述滤光片是窄带干涉滤光片。优选地，所述光源组由多个发光二极管组成；所述光电检测器是红外光检测器。优选地，所述第一聚焦透镜是菲涅尔透镜，所述发散透镜选用双凸透镜。
本实用新型的气体检测装置，通过聚焦透镜、发散透镜和准直扩束透镜的组合，可将多方位的光线聚集到同一光轴上，并能平行射出；且保证单色光能直射通过气室，扩束后能增大检测面积，保证所采集数据的准确性及可靠性，并提高检测灵敏度，具有更广泛的实用性。此外，该装置无移动部件(如电机，滤光转盘等)，便于携带；其结构简单，对被检测物无损伤，检测速度快。
附图说明
图1是本实用新型实施例的光路结构原理示意图；
图2-1是本实用新型实施例的滤光片组正面示意图；
图2-2是本实用新型实施例的滤光片组A-A剖面示意图；
图3-1是本实用新型实施例的气室结构正面示意图；
图3-2是本实用新型实施例的气室结构B-B剖面示意图；
图4是本实用新型实施例单片机电路的电路框图。
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
图1是本发明实施例气体检测装置的结构原理示意图，该装置包括光源组2、滤光片组3、透镜组4、气室7、光电检测器9和单片机电路11。所述光源组2提供工作光源，发出的光束依次经滤光片组3、透镜组4、气室7后聚集在光电检测器9上，光电检测器9输出电信号至单片机电路11，经单片机电路11输出检测结果。其中，所述光源组2和光电检测器9分别安装或焊接于PCB电路板10上，PCB电路板10与所述单片机电路11连接，或者单片机电路11也可设置于PCB电路板10上。
所述光源组2由多个独立的发光二极管21组成，优选地，本实施例的发光二极管21为4个。所述滤光片组3、透镜组4、气室7、光电检测器9的轴心处在同一轴线上，即同一光轴上。
结合图2-1和图2-2所示，所述滤光片组3设置在光源组2的正前方，该滤光片组3由多片滤光片34组成，滤光片组3根据滤光片34的形状尺寸和光路要求，设计滤光片定位装置，以方便装卸滤光片34；优选地，本实施例的滤光片34为4片。所述滤光片定位装置包括第一定位盘31、第二定位盘32和若干螺钉33，第一定位盘31和第二定位盘32通过若干螺钉33固定连接，所述滤光片组3的多片滤光片34夹持固定在第一定位盘31和第二定位盘32之间。其中，所述滤光片34是窄带干涉滤光片。
所述透镜组4由中心处在同一光轴上的第一聚焦透镜41、发散透镜42和准直扩束镜43组成，第一聚焦透镜41设置在发散透镜42的正前方，使两者的焦点重合，准直扩束镜43设置在发散透镜42的后方。
为提高检测精度，本实施例还可以包括第二聚焦透镜44，该第二聚焦透镜44设置在气室7和光电检测器9之间，将透过气室的光聚集在所述光电检测器9上。
本实施例所述第一聚焦透镜41、第二聚焦透镜44均选用菲涅尔透镜，发散透镜42选用双凸透镜。优选地，所用菲涅尔透镜的直径为60.00mm，焦距为85.00mm；所用双凸透镜的直径为20.00mm，焦距为80.00mm。所述准直扩束透镜6的扩束倍数为2.00，最大入射光直径为20.00mm，最大出射光直径为40.00mm，外径50.00mm，长度90mm。
具体来说，第一聚焦透镜41可将各方向的单色光聚集，再由发散透镜42将光平行射出，准直扩束透镜43将光进行准直射出，保证单色光能直射过气室7，并经准直扩束透镜扩束后，增大光的检测面积，提高检测准确度及灵敏度。
结合图3-1和图3-2所示，所述气室7用于容纳被检测的气体，其位于准直扩束镜43和光电检测器9之间；当包括第二聚焦透镜44时，所述气室7设置于第二聚焦透镜44和准直扩束镜43之间。所述气室7由空心圆管即储气管73和第一石英玻璃片71及第二石英玻璃片74构成，所述储气管73上设有输入被检测气体的进气管72和输出被检测气体的出气管75。第一石英玻璃片71和第二石英玻璃片74通过强力胶固定在储气管73上，并保证密封良好。进气管72和出气管75通过强力胶与储气管73连接。优选地，储气管73的外径为50mm，内径为42mm，长度为300mm，第一石英玻璃片71和第二石英玻璃片74的直径分别为46mm，厚度为1mm。
优选地，所述光电检测器9是红外光检测器PD24-20。
结合图4所示，所述单片机电路11包括用于输出2K Hz方波信号和数据采集的控制单元110、根据控制单元110输出的脉冲频率驱动发光二极管发光的恒流驱动电路111、将光电检测器9的信号放大的前置放大电路112、在前置放大信号的基础上提取与参考信号频率(2K Hz)和相位相同的信号的锁相放大电路113、将光电检测器9的电信号转换成数字信号的A/D转换电路114、用于采集检测现场温度和样品温度的温度采集电路115、实现控制单元110与PC通讯的串行通讯电路116以及用于驱动LCD显示检测过程及结果的显示电路117。
优选地，所述控制单元110可以采用单片机、数字信号处理模块(DigitalSignal Processing，DSP).
以检测一氧化碳(CO)为例，根据CO气体对1570nm和2300nm两个波段有吸收峰的特点，本实施例优先地采用1570nm、2300nm作为CO的检测波长，1680nm作为参考波长；1940nm作为H2O的检测波长，用于对CO检测结果进行修正。4个发光二极管21的中心波长分别为1580nm，1680nm，1980nm，2280nm，带宽为50-100nm之间，额定工作电流200mA，脉冲调制最大电流2A。4片滤光片34的中心波长为1570nm，1680nm，1940nm，2300nm，带宽20nm，封装直径15mm，厚度6mm，光透过率63-85％之间。
具体使用时，上述4个发光二极管21分时工作不会互相干扰，通过控制单元110输出2KHz的脉冲信号给恒流驱动电路111使发光二极管21发光。发光二极管21发出的红外光经滤光片34输出所需单色光。第一聚焦透镜41将各个方位的红外光聚焦在发散透镜42的焦点距离位置上，红外光束经发散透镜42发散后再由准直扩束镜43准直扩大，以此保证红外光直射过气室7和增大检测面积。红外光通过气室7后有一部分能量被气体吸收，剩余的光能由第二聚焦透镜44聚集在光电检测器9上。光电检测器9输出相应的电信号，经前置放大电路112对微弱信号进行放大，由锁相放大电路113提取与参考信号频率(2KHz)和相位相同的信号，锁相放大电路113的参考频率直接由单片机110的I/O口获得；而A/D转换电路114将放大后的信号转换成数字信号输入控制单元110。在每次采集光照信号前都先采集光电检测器9本身的漂移信号，将红外光信号减去光照前的漂移信号得出纯光照信号，以此来提高检测精度，并且能减小环境变化对检测器的影响。每个单色光谱重复采集数据5次并取平均值。每次采集光照信号后都通过温度采集电路115来采集环境温度和气室中的样品温度，所述温度传感器使用DS18B20数字温度传感器。如此重复地将四个波长的单色光吸收特性检测完毕，并由控制单元110将结果输出给LCD显示电路117显示。也可将采集到的各种信号通过串行通讯电路116传送给PC机存储记录。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (11)
1.一种气体检测装置，其特征在于，包括提供工作光源的光源组，对工作光源进行滤光的滤光片组，将经滤光后的光源进行聚焦并准直扩大的透镜组，用于容纳被检测气体的气室，和用于检测经过气室的光源并将光信号转换为电信号的光电检测器，以及对光电检测器所输出的电信号进行处理和输出的单片机电路。
2.如权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述滤光片组、透镜组、气室和光电检测器的轴心在同一轴线上。
3.如权利要求2所述的气体检测装置，其特征在于，所述透镜组由中心处于同一轴线的第一聚焦透镜、发散透镜和准直扩束镜组成，所述第一聚焦透镜设置在发散透镜的正前方，使两者的焦点重合，准直扩束镜设置在发散透镜后方。
4.如权利要求3所述的气体检测装置，其特征在于，所述第一聚焦透镜是菲涅尔透镜，所述发散透镜选用双凸透镜。
5.如权利要求1至3任一权利要求所述的气体检测装置，其特征在于，还包括设置在气室和光电检测器之间的第二聚焦透镜，将透过气室的光聚集在所述光电检测器上。
6.如权利要求5所述的气体检测装置，其特征在于，所述第二聚焦透镜是菲涅尔透镜。
7.如权利要求1至3任一权利要求所述的气体检测装置，其特征在于，所述单片机电路包括控制单元、恒流驱动电路、前置放大电路、锁相放大电路和A/D转换电路，所述恒流驱动电路根据控制单元输出的脉冲信号驱动光源组发光，所述前置放大电路将光电检测器的信号放大后输入锁相放大电路，所述锁相放大电路提取与控制单元参考信号的频率和相位相同的信号进行放大后输入，所述A/D转换电路接收锁相放大电路的输出信号，并转换成数字信号输入控制单元。
8.如权利要求7所述的气体检测装置，其特征在于，所述单片机电路还包括用于采集检测现场温度和样品温度的温度采集电路，实现控制单元与PC通讯的串行通讯电路，以及用于驱动LCD显示检测过程及结果的显示电路。
9.如权利要求1至3任一权利要求所述的气体检测装置，其特征在于，所述气室由一储气管和第一石英玻璃片和第二石英玻璃片构成，所述储气管上设有进气管和出气管。
10.如权利要求1至3任一权利要求所述的气体检测装置，其特征在于，所述滤光片组由多片滤光片组成，所述滤光片是窄带干涉滤光片。
11.如权利要求1至3任一权利要求所述的气体检测装置，其特征在于，所述光源组由多个发光二极管组成；所述光电检测器是红外光检测器。
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