CN203191309U - 浓度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种浓度传感器，其包括含有第一光电转换单元和第二光电转换单元的光电转换单元和电信号处理单元，第一光电转换单元和第二光电转换单元均包括红外光源、滤光片、气室和红外传感器；第一光电转换单元中红外光源用于发出红外光，红外光经滤光片滤光后被气室中的待测气体吸收，红外传感器用于接收被待测气体吸收的红外光并转换为第一电信号；第二光电转换单元中红外传感器用于接收被参考气体吸收的红外光并转换为第二电信号；电信号处理单元用于将第一电信号和第二电信号经处理后传输至计算单元。本实用新型具有灵敏度高、寿命长、价格便宜、维护简单、安全防爆且不存在元件中毒现象。

Description

浓度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，尤其是涉及一种浓度传感器。 

背景技术

随着工业生产的不断发展，对煤炭的需求量越来越大，然而随着开采规模的不断扩大，使得煤矿事故不断发生，如瓦斯事故在煤矿事故中的比例越来越高。为了防止煤矿事故的发生，保障矿工的健康和安全，促进生产的发展，提高煤炭企业的经济效益，需要对井下的环境进行检测，对可能造成灾害的各种有害气体进行准确的测量和控制，所以瓦斯浓度的监控对煤矿生产安全有着重要意义。 

现有的瓦斯浓度的测量方法主要有载体催化式、光干涉式以及离子化式。载体催化剂式法是利用瓦斯在催化剂元件上的氧化生热引起电阻变化来测定瓦斯浓度的，这种测量方式的缺点是探测元件寿命短，测量的硫化物及硅蒸汽会使元件中毒而失效。光干涉法是利用光波对空气和瓦斯折射率的不同所产生的光程差，引起干涉条纹移动来实现对瓦斯浓度的测量，这种测量方式浓度指示不明显，受气温影响严重，特别是在空气、氧气或氮气不足时，会产生误差，且应用的光学元件具有结构复杂、成本较高和自动检测困难的缺陷。离子化式：气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在气体介质中的两个电极之间产生电流。这种测量方式测量低浓度的瓦斯很困难，且空气湿度对检测的结果有很大的影响。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术测量气体浓度的方 法具有结构复杂、测量精度低、受外部环境影响大以及安全性差等的缺陷，提供一种浓度传感器，该浓度传感器采用红外光谱吸收原理，使得浓度传感器具有灵敏度高、寿命长、价格便宜、维护简单、安全防爆且不存在元件中毒现象。 

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的： 

本实用新型提供了一种浓度传感器，其特点在于，该浓度传感器包括一光电转换单元和一电信号处理单元，该光电转换单元包括一第一光电转换单元和一第二光电转换单元，该第一光电转换单元包括一第一红外光源、一第一滤光片、一第一气室和一第一红外传感器，该第二光电转换单元包括一第二红外光源、一第二滤光片、一第二气室和一第二红外传感器； 

该第一红外光源用于发出第一红外光，该第一红外光经该第一滤光片滤光后被该第一气室中的待测气体吸收，该第一红外传感器用于接收被该待测气体吸收的第一红外光并转换为第一电信号； 

该第二红外光源用于发出第二红外光，该第二红外光经该第二滤光片滤光后被该第二气室中的参考气体吸收，该第二红外传感器用于接收被该参考气体吸收的第二红外光并转换为第二电信号； 

该电信号处理单元用于将接收到的该第一电信号和该第二电信号经处理后得到的一第一数字信号和一第二数字信号传输至一计算单元。 

较佳地，该待测气体为瓦斯气体。 

较佳地，该参考气体为空气。当然，该待测气体还可以为工业生产中其它的有害气体，该参考气体的选择也并不局限于空气。 

较佳地，该第一滤光片和该第二滤光片均为一窄带干涉滤光片。 

较佳地，该第一滤光片的中心波长为4.26um，半波带宽为180nm。 

较佳地，该第二滤光片的中心波长为4.0um，半波带宽为90nm。该第一滤光片作为选择待测气体的滤光片，其中心波长为4.26um表明该第一滤光片在该中心波长下通过的红外光为该第一气室中的待测气体的吸收峰，即 该中心波长与该待测气体的吸收峰相对应，有利于对该待测气体的浓度的检测。该第二滤光片作为选择参考气体的滤光片，其中心波长的选择最有利于该参考气体吸收红外光。 

较佳地，该第一红外光源和该第二红外光源均为一IRL715（红外光源的型号）光源。 

较佳地，该第一红外传感器和该第二红外传感器均为一热电堆传感器。 

较佳地，该电信号处理单元包括一滤波电路、一差动放大电路和一模数转换器； 

该滤波电路用于对该第一电信号和该第二电信号进行滤波； 

该差动放大电路用于将经滤波后的该第一电信号和该第二电信号放大为一第一放大信号和一第二放大信号，并将该第一放大信号和该第二放大信号传输至该模数转换器； 

该模数转换器用于将该第一放大信号和该第二放大信号转换为一第一数字信号和一第二数字信号，并将该第一数字信号和该第二数字信号传输至该计算单元。 

由于红外传感器输出的电信号很微弱，所以需要对电信号进行放大，该滤波电路主要作用是滤去电信号中带有的毛刺和杂波，抑制工频干扰和电路中的噪声。该差动放大电路具有对称性，通过良好的电阻匹配，使得电路有较高的共模抑制比，并解决了由温漂引起的零点漂移问题，有效的提高了电路的信噪比和测量的灵敏度。 

本实用新型的积极进步效果在于： 

本实用新型提供了一种浓度传感器，通过第一气室中的待测气体吸收的红外光和第二气室中的参考气体吸收的红外光的不同，使得根据定律利用一计算单元计算出待测气体的浓度，该浓度传感器具有灵敏度高、寿命长、价格便宜、维护简单、安全防爆且不存在元件中毒现象。 

附图说明

图1为包括本实用新型实施例1的浓度传感器的功能模块图。 

图2为本实用新型实施例1的浓度传感器的光电转换单元的示意图。 

图3为包括本实用新型实施例2的浓度传感器的功能模块图。 

具体实施方式

下面结合附图给出本实用新型较佳实施例，以详细说明本实用新型的技术方案，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。 

本实用新型的浓度传感器采用红外光谱吸收原理，当红外光辐射通过该待测气体时，该待测气体的分子吸收光能量，由于不同的气体对红外光有不同的吸收光谱，气体的特征光谱吸收强度与气体的浓度有关，利用这一原理，可测量某种气体。气体的分子对红外光的选择性吸收遵循lambert-beer定律（朗波-比尔定律），因此，根据待测气体对红外光的吸收和参考气体对红外光的吸收，利用lambert-beer定律，可以在该浓度传感器将第一数字信号和第二数字信号传输至一计算单元后，通过该计算单元计算出该待测气体的浓度。 

实施例1 

如图1和2所示，本实施例的浓度传感器包括一光电转换单元1和一电信号处理单元2，该光电转换单元1包括一第一光电转换单元11和一第二光电转换单元12，该第一光电转换单元11包括一第一红外光源111、一第一窄带干涉滤光片112、一第一气室113和一第一热电堆传感器114，该第二光电转换单元12包括一第二红外光源121、一第二窄带干涉滤光片122、一第二气室123和一第二热电堆传感器124；该电信号处理单元2包括一滤波电路21、一差动放大电路22和一模数转换器23。图1还显示一计算单元3、一显示器4、一报警器5和一远程控制中心6，该计算单元3包括一单片机31；该显示器4、该报警器5和该远程控制中心6分别与该单片机31相连接。 

其中，该第一红外光源111用于发出第一红外光，该第一红外光经该第一窄带干涉滤光片112滤光后被该第一气室113中的待测气体吸收，该第一热电堆传感器114用于接收被该待测气体吸收的第一红外光并转换为第一电信号； 

该第二红外光源121用于发出第二红外光，该第二红外光经该第二窄带干涉滤光片122滤光后被该第二气室123中的参考气体吸收，该第二热电堆传感器124用于接收被该参考气体吸收的第二红外光并转换为第二电信号； 

该滤波电路21用于对该第一电信号和该第二电信号进行滤波； 

该差动放大电路22用于将经滤波后的该第一电信号和该第二电信号放大为一第一放大信号和一第二放大信号，并将该第一放大信号和该第二放大信号传输至该模数转换器23； 

该模数转换器23用于将该第一放大信号和该第二放大信号转换为一第一数字信号和一第二数字信号，并将该第一数字信号和该第二数字信号传输至该计算单元3。 

该单片机31用于基于接收到的该第一数字信号和该第二数字信号利用lambert-beer定律计算出该待测气体的浓度。 

该单片机31还用于将该待测气体的浓度传输至该显示器4，该显示器4用于显示该待测气体的浓度。 

该单片机31存储有一设定阈值，该单片机31还用于比较该待测气体的浓度是否大于该设定阈值，若是，则该单片机31发送一报警信息至该报警器5，该报警器5用于在接收到该报警信号后发出报警提示。 

该单片机31还用于发送该报警信息至该远程控制中心6。 

此外，该第一红外光源和该第二红外光源均为一IRL715光源。 

实施例2 

本实施例将实施例1中的能够实现计算出待测气体的浓度的各功能模块集成在具体的硬件中，如将实施例1中的该远程控制中心6集成在本实施例 的计算机中，并检测矿井工作现场中瓦斯气体的浓度，并选用空气作为参考气体，下面对此进行详细的说明。 

如图3所示，本实施例的浓度传感器包括一光电转换单元1和一电信号处理单元2，本实施例中该光电转换单元1和该电信号处理单元2包括的部件和实施例1中该光电转换单元1和该电信号处理单元2包括的部件相同。图3还显示一单片机3’、一显示器4、一报警器5和一计算机6’，该显示器4、该报警器5和该计算机6’分别与该单片机3’相连接。 

其中，该第一红外光源111用于发出第一红外光，该第一红外光经该第一窄带干涉滤光片112滤光后被该第一气室113中的瓦斯气体吸收，该第一热电堆传感器114用于接收被该瓦斯气体吸收的第一红外光并转换为第一电信号； 

该第二红外光源121用于发出第二红外光，该第二红外光经该第二窄带干涉滤光片122滤光后被该第二气室123中的空气吸收，该第二热电堆传感器124用于接收被空气吸收的第二红外光并转换为第二电信号； 

该滤波电路21用于对该第一电信号和该第二电信号进行滤波； 

该差动放大电路22用于将经滤波后的该第一电信号和该第二电信号放大为第一放大信号和一第二放大信号，并将该第一放大信号和该第二放大信号传输至该模数转换器23； 

该模数转换器23用于将该第一放大信号和该第二放大信号转换为一第一数字信号和一第二数字信号，并将该第一数字信号和该第二数字信号传输至该单片机3’。 

该单片机3’用于基于接收到的该第一数字信号和该第二数字信号利用lambert-beer定律计算出该瓦斯气体的浓度。 

该单片机3’还用于将该瓦斯气体的浓度传输至该显示器，该显示器4用于显示该瓦斯气体的浓度。 

该单片机3’存储有一设定阈值，该单片机3’还用于比较该瓦斯气体的浓 度是否大于该设定阈值，若是，则该单片机3’发送一报警信息至该报警器5，该报警器5用于在接收到该报警信号后发出报警提示，提示工作人员现场的瓦斯气体的浓度已经超过设定的阈值了，需要进行紧急的后续处理。 

该单片机3’还用于将该报警信息通过一RS485（RS485是美国电子工业协会制定的一种串行物理接口标准）接口芯片传输至该计算机6’。该计算机6’实现远程报警的功能，有利于远程的工作人员及时地了解到瓦斯气体的浓度是否超过设定阈值，并在瓦斯气体的浓度超过设定阈值时及时的通知有关人员实施后续处理如及时通知施工人员疏散现场，对现场进行通风等处理使瓦斯气体逐渐扩散开，将瓦斯气体的浓度控制在设定阈值之下，保障现场的工作环境的安全，避免现场的瓦斯气体的浓度过高为工作人员带来生命危险。 

此外，该第一红外光源和该第二红外光源均为一IRL715光源，该第一窄带干涉滤光片的中心波长为4.26um，半波带宽为180nm，该第二窄带干涉滤光片的中心波长为4.0um，半波带宽为90nm。 

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。 

Claims (6)

1.一种浓度传感器，其特征在于，该浓度传感器包括一光电转换单元和一电信号处理单元，该光电转换单元包括一第一光电转换单元和一第二光电转换单元，该第一光电转换单元包括一第一红外光源、一第一滤光片、一第一气室和一第一红外传感器，该第二光电转换单元包括一第二红外光源、一第二滤光片、一第二气室和一第二红外传感器； 

该第一红外光源用于发出第一红外光，该第一红外光经该第一滤光片滤光后被该第一气室中的待测气体吸收，该第一红外传感器用于接收被该待测气体吸收的第一红外光并转换为第一电信号； 

该第二红外光源用于发出第二红外光，该第二红外光经该第二滤光片滤光后被该第二气室中的参考气体吸收，该第二红外传感器用于接收被该参考气体吸收的第二红外光并转换为第二电信号； 

该电信号处理单元用于将接收到的该第一电信号和该第二电信号经处理后得到的一第一数字信号和一第二数字信号传输至一计算单元。 

2.如权利要求1所述的浓度传感器，其特征在于，该待测气体为瓦斯气体；和/或，该参考气体为空气。 

3.如权利要求1所述的浓度传感器，其特征在于，该第一滤光片和该第二滤光片均为一窄带干涉滤光片。 

4.如权利要求3所述的浓度传感器，其特征在于，该第一滤光片的中心波长为4.26um，半波带宽为180nm；和/或，该第二滤光片的中心波长为4.0um，半波带宽为90nm。 

5.如权利要求1所述的浓度传感器，其特征在于，该第一红外光源和该第二红外光源均为一IRL715光源；和/或，该第一红外传感器和该第二红外传感器均为一热电堆传感器。 

6.如权利要求1-5中任意一项所述的浓度传感器，其特征在于，该电信号处理单元包括一滤波电路、一差动放大电路和一模数转换器； 

该滤波电路用于对该第一电信号和该第二电信号进行滤波； 

该差动放大电路用于将经滤波后的该第一电信号和该第二电信号放大为一第一放大信号和一第二放大信号，并将该第一放大信号和该第二放大信号传输至该模数转换器； 

该模数转换器用于将该第一放大信号和该第二放大信号转换为一第一数字信号和一第二数字信号，并将该第一数字信号和该第二数字信号传输至该计算单元。 

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