CN208432533U

CN208432533U - 一种非分散红外气体传感器

Info

Publication number: CN208432533U
Application number: CN201821048585.4U
Authority: CN
Inventors: 王新全; 汲玉卓; 武婧
Original assignee: QINGDAO HAINA GUANGDIAN ENVIRONMENTAL PROTECTION CO Ltd
Current assignee: Qingdao Laoying Haina Photoelectric Environmental Protection Group Co., Ltd.
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2019-01-25
Anticipated expiration: 2028-07-03

Abstract

本实用新型涉及一种非分散红外气体传感器，属于气体传感器技术领域。该传感器包括：红外光源、多次反射气室、多通道红外探测器以及处理器。多次反射气室的进光端设置有第一反射镜，出光端设置有第二反射镜，红外光源产生的红外光经进光端进入气室，在第一反射镜和第二反射镜上经多次反射后经出光端射出到多通道红外探测器，并以红外光谱信号输出给处理器。气室中的光束是通过两端固定的反射镜来反射，气室壁不参与测量光束的反射，所以光程稳定，不会随着气室老化和污染而导致等效光程变化，保证传感器长期使用中的量程和检测限稳定；采用反射镜多次反射技术，可以同时实现小体积和长光程。

Description

一种非分散红外气体传感器

技术领域

本实用新型属于气体传感器技术领域，具体涉及一种非分散红外气体传感器。

背景技术

非分散红外(NDIR)气体传感器是一种常用的红外光学气体传感器，针对特定气体，选择一个有特征吸收的光谱通道作为测量通道，一个没有特征吸收的通道作为参考通道。测量过程中用测量通道检测气体的吸光度值，从而计算气体浓度，用参考通道来检测系统的光能衰减和波动，对测量通道进行修正。现有的小型非分散红外气体传感器主要采用的结构形式是红外光源发出的光经调制后进入直管型气室，在气室的另一端采用双通道探测器采集信号，双通道探测器的一个通道为参考通道，另一个为测量通道。这种结构形式中，气室采用内部抛光的高反射率圆管，通过光束在气室管壁上的多次反射来提高等效光程。这种气室结构在实际使用过程中会出现各种问题，比如随着使用时间的增加，管壁反射涂层的老化会导致通过管壁反射的光能逐渐减少，同时也会因为检测气体不纯净，水汽和颗粒物等吸附在管壁上也会导致管壁反射率下降，管壁反射率的变化会引起气室中反射光和直射光比例的变化，进而导致等效光程的变化。光程变化就会使得传感器量程变化、检测限变化等测量不准确的现象，需要经常标定。因此，在非分散红外气体传感器的设计中如何确保气室光程的稳定是确保传感器检测稳定性的重要条件之一。另外，直管型气室的光程和体积之间也只一对矛盾，如果要求光程较长就需要更长的直管，无法在较小体积的同时实现长的光程。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种非分散红外气体传感器，以有效地改善上述问题。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型实施例提供了一种非分散红外气体传感器，包括：红外光源、多次反射气室、多通道红外探测器以及处理器。所述多次反射气室，包括进光端和出光端，所述进光端设置有第一反射镜，所述出光端设置有第二反射镜，所述红外光源产生的红外光经所述进光端进入气室，在所述第一反射镜和所述第二反射镜上经多次反射后经所述出光端射出。所述多通道红外探测器，用于探测经所述出光端射出的待测气体部分吸收后的红外光，并以红外光谱信号输出。所述处理器，用于接收所述红外光谱信号。

在本实用新型可选的实施例中，所述第一反射镜的反射面和所述第二反射镜的反射面相对同轴放置。

在本实用新型可选的实施例中，所述第一反射镜的曲率半径与所述第二反射镜的曲率半径相同。

在本实用新型可选的实施例中，所述第一反射镜和所述第二反射镜均为球面反射镜。

在本实用新型可选的实施例中，所述多次反射气室为直管型气室，经所述直管型气室的气管壁的内部反射光不进入检测光路。

在本实用新型可选的实施例中，还包括：第一驱动电路；所述第一驱动电路分别与所述处理器和所述红外光源连接，所述第一驱动电路用于根据所述处理器发送的第一控制信号去控制所述红外光源的发光强度。

在本实用新型可选的实施例中，还包括：第二驱动电路；所述第二驱动电路分别与所述处理器和所述多通道红外探测器连接，所述第二驱动电路用于根据所述处理器发送的第二控制信号去驱动所述多通道红外探测器。

在本实用新型可选的实施例中，还包括：调理电路，所述多通道红外探测器经所述调理电路与所述处理器连接，所述调理电路用于对所述红外光谱信号进行放大和/或滤波处理，并将处理后的信号发送给所述处理器。

在本实用新型可选的实施例中，所述调理电路包括放大电路和滤波电路，所述放大电路的第一输入端与所述多通道红外探测器连接，所述放大电路的输出端与所述滤波电路的一端连接，所述滤波电路的另一端与所述处理器连接，所述放大电路的第二输入端接地。

在本实用新型可选的实施例中，所述放大电路包括：放大器和二极管，所述放大器的第一输入端与所述多通道红外探测器连接，所述放大器的第二输入端接地，所述放大器的输出端与所述第一输入端连接，所述放大器的输出端还与所述二极管的阳极连接，所述二极管的阴极与所述滤波电路连接。

本实用新型实施例提供了一种非分散红外气体传感器，包括：红外光源、多次反射气室、多通道红外探测器以及处理器。多次反射气室的进光端设置有第一反射镜，出光端设置有第二反射镜，红外光源产生的红外光经进光端进入气室，在第一反射镜和第二反射镜上经多次反射后经出光端射出到多通道红外探测器，并以红外光谱信号输出给处理器。气室中的光束是通过两端固定的反射镜来反射，气室壁不参与测量光束的反射，所以光程稳定，不会随着气室老化和污染而导致等效光程变化，保证传感器长期使用中的量程和检测限稳定；采用反射镜多次反射技术，采用反射镜多次反射技术，通过调整反射镜的曲率半径和间距来调整光程，可以同时实现小体积和长光程。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1示出了本实用新型实施例提供的一种非分散红外气体传感器的结构示意图。

图2示出了本实用新型实施例提供的一种非分散红外气体传感器的结构框图。

图3示出了本实用新型实施例提供的一种调理电路的电路原理图。

图4示出了本实用新型实施例提供的一种数据处理方法的流程图。

图标：100－非分散红外气体传感器；110－红外光源；120－多次反射气室；121－进光端；122－出光端；123－第一反射镜；124－第二反射镜；130－多通道红外探测器；140－处理器；150－第一驱动电路；160－第二驱动电路；170－调理电路；171－放大电路；172－滤波电路。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了克服现有技术中的非分散红外(NDIR)气体传感器的缺陷，本实用新型实施例提供了一种非分散红外气体传感器100，如图1所示。该非分散红外气体传感器100包括：红外光源110、多次反射气室120、多通道红外探测器130以及处理器140。

该红外光源110用于产生红外光，该红外光经多次反射气室120的进光端121进入气室内。其中，该红外光源110采用电调制的红外光源，可以通过改变电流或电压的大小来调整该光源的发光强度，使其呈周期性变化。

该多次反射气室120包括：进光端121和出光端122，所述进光端121设置有第一反射镜123，所述出光端122设置有第二反射镜124，所述红外光源110产生的红外光经所述进光端121进入气室，在所述第一反射镜123和所述第二反射镜124上经多次反射后经所述出光端122射出。即红外光源110发出的红外光从第一反射镜123的中心开孔进入气室，在气室中的第一反射镜123和第二反射镜124上多次反射后从第二反射镜124的中心开孔中出射到达多通道红外探测器130。

其中，所述红外光源110产生的红外光经所述进光端121进入气室，在所述第一反射镜123和所述第二反射镜124上多次反射的过程中与所述气室内的待测气体作用后，经所述出光端122射出。其中，该多次反射气室120为直管型气室，进光端121和出光端122分别设置在气室的两端，红外光源110安装于多次反射气室120的进光端121，多通道红外探测器130安装于多次反射气室120的出光端122。

其中，在设置第一反射镜123和第二反射镜124时，可以采用所述第一反射镜123的反射面和所述第二反射镜124的反射面相对同轴放置的方式设置。此外，也可以采用第一反射镜123的反射面和所述第二反射镜124的反射面相向同轴放置的方式设置。

其中，需要说明的是，经所述直管型气室的气管壁的内部反射光不进入检测光路，即进入多通道红外探测器130的检测光路，只在所述第一反射镜123和所述第二反射镜124上经多次反射后射出的。由于气室中的光束是通过两端固定的反射镜来反射，气室壁不参与测量光束的反射，所以光程稳定，不会随着气室老化和污染而导致等效光程变化，保证传感器长期使用中的量程和检测限稳定。

其中，所述第一反射镜123的曲率半径与所述第二反射镜124的曲率半径可以相同，也可以不同。

其中，作为一种可选的实施方式，所述第一反射镜123和所述第二反射镜124均为球面反射镜。其中，球面反射镜包括凸面镜和凹面镜。用球面的内侧作反射面的球面镜叫做凹面镜，用球面的外侧作反射面的球面镜叫做凸面镜。例如，本实施例中，所示意的第一反射镜123和第二反射镜124均为凹面镜，此时，第一反射镜123的反射面朝向进光端121，第二反射镜124的反射面朝向出光端122。

其中，由于采用反射镜多次反射技术，因此通过调整反射镜的曲率半径和间距来调整光程，可以同时实现小体积和长光程。即调整第一反射镜123的曲率半径和/或第二反射镜124的曲率半径，以或者调整第一反射镜123与第二反射镜124的间距来调整光程，可以同时实现小体积和长光程。例如，第一反射镜123和第二反射镜124的口径均为35mm、曲率半径均为51.2mm，第一反射镜123和第二反射镜124的反射面顶点之间的距离为65mm，光束在两反射镜之间反射5次，气室实际达到的光程是350mm。

此外，该多次反射气室120还包括：进气端和出气端，在需要测试待测气体的浓度值或成分时，通过所述进气端向气室注入所述测试待测气体，当测试完成后，经所述出气端将气室中的所述待测气体排出。作为一种可选的实施方式，该进气端设置于该气室的顶端，该出气端设置于该气室的底端，以便方便注入测试待测气体和排出测试待测气体。

进一步地，为了使进入气体的红外光与待测气体充分作用，即红外光被待测气体尽可能的吸收，该进气端设置于该气室靠近进光端121的顶端一侧。

进一步地，为了使进入气体的红外光与待测气体充分作用，即红外光被待测气体尽可能的吸收，该出气端设置于该气室靠近出光端122的底端一侧。

多通道红外探测器130，用于探测经所述出光端122射出的待测气体部分吸收后的红外光，并以红外光谱信号输出。其中，多通道红外探测器130的输出端与处理器140连接，以便多通道红外探测器130将红外光谱信号传输给处理器140，以使处理器140对接收到的红外光谱信号进行处理。

其中，所述的多通道红外探测器130为只有一个进光孔，内部分光的多通道红外热释电探测器。其中，多个通道中至少有一个通道作为参考通道，剩余通道作为测量通道，在测试时，多个测量通道是同时测量的。

处理器140用于对所述红外光谱信号进行处理，得到所述待测气体的浓度值。

其中，假设在气室没有注入待测气体(通零气)时，参考通道采集的光强为I_R，测量通道采集的光强为I₀，参考通道与测量通道的光强比值为那么I₀＝K·I_R。当需要对待测气体的成分和浓度进行测试时，在气室中注入待测气体，此时，若参考通道采集的光强为I′_R，测量通道采集的光强为I。由于测量通道采集的光强是被待测气体部分吸收后的光强，那么未被吸收的光强可以认为是I′₀＝K·I′_R。那么待测气体的浓度为其中m为标定系数，可以通过注入已知浓度的标准气体进行反推得到。

其中，所述处理器140可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器140可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器140也可以是任何常规的处理器等。例如，该处理器140可以是STM32系列的处理器，例如STM32F103C8T6、STM32F103VET6等型号。

此外，作为一种可选的实施方式，如图2所示，非分散红外气体传感器100还包括：第一驱动电路150。所述第一驱动电路150分别与所述处理器140和所述红外光源110连接，所述第一驱动电路150用于根据所述处理器140发送的第一控制信号去控制所述红外光源110的发光强度，例如，通过改变电流或电压的大小来调整该光源的发光强度，使其呈周期性变化。其中，该第一驱动电路150为红外光源驱动电路。

此外，作为一种可选的实施方式，该非分散红外气体传感器100还包括：第二驱动电路160。所述第二驱动电路160分别与所述处理器140和所述多通道红外探测器130连接，所述第二驱动电路160用于根据所述处理器140发送的第二控制信号去驱动所述多通道红外探测器130，以控制某个探测通道是否投入工作中。为了便于理解，以3个通道为例，进行说明，即三个通道中有一个为参考通道，两个为测量通道，如测量通道1和测量通道2。所述第二驱动电路160可以根据所述处理器140发送的第二控制信号去驱动所述多通道红外探测器130，以控制测量通道1进行测量，也可以是控制测量通道2进行测量，还可以是控制测量通道1和测量通道2进行测量。其中，第二驱动电路160为多通道红外探测器驱动电路。

其中，上述第一控制信号和第二控制信号均为电平信号，例如高电平或低电平。低电平表示电压值低于第一数值的电压，第一数值为行业内的一个常用数值。例如，一般对于TTL电路来说，第一数值为0.0V－0.4V，而对于CMOS电路来说，第一数值为0.0－0.1V。高电平表示电压值高于第二数值的电压，第二数值为行业内的一个常用数值。例如，一般对于TTL电路来说，第二数值为2.4V－5.0V，而对于CMOS电路来说，第二数值为4.99－5.0V。

其中，该处理器140同步控制红外光源110和多通道红外探测器130同步工作，以及还用于实现气体浓度的计算。

作为一种可选的实施方式，该非分散红外气体传感器100还包括调理电路170。所述多通道红外探测器130经所述调理电路170与所述处理器140连接，所述调理电路170用于对所述红外光谱信号进行放大和/或滤波处理，并将处理后的信号发送给所述处理器140，以提高探测信号的准确性。

其中，该调理电路170可以是仅对红外光谱信号进行放大处理，此时该调理电路170等效于放大电路171；该调理电路170也可以是仅对红外光谱信号进行滤波处理，此时该调理电路170等效于滤波电路172；该调理电路170也可以既对红外光谱信号进行放大处理，又对对红外光谱信号进行滤波处理，此时该调理电路170包括放大电路171和滤波电路172。

作为一种可选的实施方式，所述放大电路171的第一输入端与所述多通道红外探测器130连接，所述放大电路171的输出端与所述滤波电路172的一端连接，所述滤波电路172的另一端与所述处理器140连接，所述放大电路171的第二输入端接地。作为一种可选的实施方式，该调理电路170的电路图如图3所示。其中，所述放大电路171包括：放大器U1和二极管D1，所述放大器U1的第一输入端与所述多通道红外探测器130连接，所述放大器U1的第二输入端接地，所述放大器U1的输出端与所述第一输入端连接，所述放大器U1的输出端还与所述二极管D1的阳极连接，所述二极管D1的阴极与所述滤波电路172连接。其中，二极管D1能起到防止电流信号反灌的作用。

本实用新型实施例还提供了一种数据处理方法，应用于上述的非分散红外气体传感器100中，如图4所示，所述方法包括：

步骤S101：所述处理器接收所述多通道红外探测器探测的红外光谱信号。

其中，需要说明的是，当该多通道红外探测器不包括调理电路时，此时处理器接收的红外光谱信号直接来源于所述多通道红外探测器，若该多通道红外探测器包括调理电路时，此时，处理器接收是经该调理电路处理后的红外光谱信号。

步骤S102：所述处理器对所述红外光谱信号进行处理，得到所述待测气体的浓度值。

处理器用于对所述红外光谱信号进行处理，得到所述待测气体的浓度值。

其中，假设在气室没有注入待测气体(通零气)时，参考通道采集的光强为I_R，测量通道采集的光强为I₀，参考通道与测量通道的光强比值为那么I₀＝K·I_R。当需要对待测气体的成分和浓度进行测试时，在气室中注入待测气体，此时，若参考通道采集的光强为I′R，测量通道采集的光强为I。由于测量通道采集的光强是被待测气体部分吸收后的光强，那么未被吸收的光强可以认为是I′₀＝K·I′_R。那么待测气体的浓度为其中m为标定系数，可以通过注入已知浓度的标准气体进行反推得到。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种非分散红外气体传感器，其特征在于，包括：

红外光源；

多次反射气室，包括进光端和出光端，所述进光端设置有第一反射镜，所述出光端设置有第二反射镜，所述红外光源产生的红外光经所述进光端进入气室，在所述第一反射镜和所述第二反射镜上经多次反射后经所述出光端射出；

多通道红外探测器，用于探测经所述出光端射出的待测气体部分吸收后的红外光，并以红外光谱信号输出；

以及，处理器，用于接收所述红外光谱信号。

2.根据权利要求1所述的非分散红外气体传感器，其特征在于，所述第一反射镜的反射面和所述第二反射镜的反射面相对同轴放置。

3.根据权利要求2所述的非分散红外气体传感器，其特征在于，所述第一反射镜的曲率半径与所述第二反射镜的曲率半径相同。

4.根据权利要求2或3所述的非分散红外气体传感器，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜均为球面反射镜。

5.根据权利要求1－3任一项所述的非分散红外气体传感器，其特征在于，所述多次反射气室为直管型气室，经所述直管型气室的气管壁的内部反射光不进入检测光路。

6.根据权利要求1所述的非分散红外气体传感器，其特征在于，还包括：第一驱动电路；所述第一驱动电路分别与所述处理器和所述红外光源连接，所述第一驱动电路用于根据所述处理器发送的第一控制信号去控制所述红外光源的发光强度。

7.根据权利要求1所述的非分散红外气体传感器，其特征在于，还包括：第二驱动电路；所述第二驱动电路分别与所述处理器和所述多通道红外探测器连接，所述第二驱动电路用于根据所述处理器发送的第二控制信号去驱动所述多通道红外探测器。

8.根据权利要求6所述的非分散红外气体传感器，其特征在于，还包括：调理电路，所述多通道红外探测器经所述调理电路与所述处理器连接，所述调理电路用于对所述红外光谱信号进行放大和/或滤波处理，并将处理后的信号发送给所述处理器。

9.根据权利要求8所述的非分散红外气体传感器，其特征在于，所述调理电路包括放大电路和滤波电路，所述放大电路的第一输入端与所述多通道红外探测器连接，所述放大电路的输出端与所述滤波电路的一端连接，所述滤波电路的另一端与所述处理器连接，所述放大电路的第二输入端接地。

10.根据权利要求9所述的非分散红外气体传感器，其特征在于，所述放大电路包括：放大器和二极管，所述放大器的第一输入端与所述多通道红外探测器连接，所述放大器的第二输入端接地，所述放大器的输出端与所述第一输入端连接，所述放大器的输出端还与所述二极管的阳极连接，所述二极管的阴极与所述滤波电路连接。