CN212568461U - 一种高速高精度的ndir传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高速高精度的NDIR传感器，属于分析检测技术领域。包括SLD光源、准直器、多次反射气室、湿度传感器、温度传感器和FPI光电探测器，多次反射气室的腔室两端分别为入光端和出光端，腔室上设有进气口和出气口，多次反射气室中凹面反射镜通过镜盖分别固定在腔室的入光端和出光端处，凹面反射镜上开有离轴孔，窗片安装在镜盖上对应离轴孔的位置处，准直器的一端与SLD光源连接，另一端固定在腔室入光端处的镜盖上窗片位置处，FPI光电探测器固定在腔室出光端处的镜盖上窗片位置处，湿度传感器和温度传感器位于腔室内部靠近出光端的一侧。采用单光源单光路结构，结构简单、响应速度快且检测精度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高速高精度的NDIR传感器，属于分析检测技术领域。
背景技术
非分光红外(NDIR)气体传感器是一种基于不同气体分子红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯-比尔定律)鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。相比于电化学式、催化燃烧式、半导体式等其他类别气体传感器，NDIR传感器具有灵敏度高、稳定性好、选择性好、无交叉干扰现象、使用寿命长、可在线分析等一系列优势，广泛应用于石油化工、冶金工业、工矿开采、大气污染、农业、医疗卫生等领域。目前，许多行业对气体传感器检测速度和测量精度的要求越来越高，比如临床手术过程对麻醉气体输入量实施监测；电力行业对高压开关设备进行低浓度SF6气体检漏；应急事故中对有毒有害气体快速检测等等。可见，响应速度快、检测精度高的NDIR传感器才能满足这些市场的需求。
目前，大多数NDIR气体分析仪都采用慢反应红外光源(MEMS热板、微型灯泡或丝状微型灯)与热电探测器的模式，比如中国专利申请201711171763.2、201910366207.3和201510573552.6，原理是热辐射源发出的光线穿过被测气体，透过窄带滤波片，到达红外探测器，将热信号转化为电信号。但是，这类传感器的测量精度一般为几十或几百ppm，响应时间数十秒甚至数分钟，难以满足市场对响应速度和测量精度的高要求。主要是因为热辐射红外光源需要较长时间和能量来加热产生宽谱红外光，导致传感器响应速度慢；热辐射光源的辐射光束发散程度大，光束通过气室后被探测器接收的信号很微弱，导致传感器测量精度不高。另外，考虑到光源光束的发散性，结构中不得不采用光程较短(cm量级)的直通式或者一次反射式气室结构，导致气体吸收不充分，而不利于提高传感器的测量精度。
为了提升NDIR传感器的测量速度和检测精度，研究者主要针对气室结构、整个光路结构、光源或信号处理等方面进行优化或创新。比如，中国专利申请201910366207.3公开了一种采样气室以延长光程并控制气室体积，该气室是由两个椭球状腔室构成的爱心状，红外光源安装于气室内部的公共焦点处，两个热释电探测器分别置于两个腔室的另一端焦点处。从这种结构来看，很明显光程并不能得到很大优化，而且探测器接收到的光信号比较微弱，对整个传感器测量精度的提高有益性不大。
随着半导体技术的发展，基于半导体材料的红外光源和光电探测器有了较大的突破和发展。因为LED光源具有高速调制、功耗低的特点，国内外研究人员开始在NDIR系统中以红外LED代替热辐射光源，使传感器在检测速度、功耗和体积方面都得到了优化，但其测量精度并没有得到明显提升。比如，俄罗斯RMT公司最新研制的以LED为光源的DX6100系列产品(Modular Gas Analyzer DX6100 Series.)，响应时间可提高到0.1s，但是产品的检测精度仍在10ppm左右(CO2和碳氢化合物测浓度范围为0-1000ppm，检测精度为10ppm)。这主要是因为红外LED光源发光强度弱(μW量级)、光束发散程度大，探测器很难接收到较强光信号，导致系统信噪比较低。另外，鉴于红外LED光源的以上特性，这类NDIR传感器同样只能使用直通式或一次反射式气室。比如专利KR101339076B1公开了一种采用圆屋顶状气室的红外NDIR传感器，红外LED光源和光电探测器相邻并置于圆屋顶状气室中，LED发出的红外光在气室内部表面发生一次反射，并汇聚于探测器表面。可见，类似于红外热辐射光源，在NDIR系统中红外LED仍需配合使用直通式或一次反射式气室结构，而不利于提高测量精度。
所以，在现有NDIR传感技术中，系统所采用的光源限制了传感器测量精度的提高，而不能满足众多行业对NDIR传感器响应速度快、检测精度高的要求。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种高速高精度的NDIR传感器。所述传感器采用超辐射发光二极管(SLD)作为光源，采用多次反射气室与SLD光源相匹配，并采用带有法布里-帕罗干涉镜的光电探测器(FPI光电探测器)组成单光源单光路结构，SLD光源、多次反射气室和FPI光电探测器之间相互配合可实现高速高精度检测。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种高速高精度的NDIR传感器，所述传感器包括SLD光源、准直器、多次反射气室、湿度传感器、温度传感器和FPI光电探测器，其中，所述多次反射气室包括腔室、凹面反射镜、镜盖和窗片，腔室两端分别为入光端和出光端，腔室靠近入光端的一侧设有进气口，靠近出光端的一侧设有出气口，凹面反射镜通过镜盖分别固定在腔室的入光端和出光端处，凹面反射镜上开有离轴孔，窗片安装在镜盖上对应离轴孔的位置处，准直器的一端与SLD光源连接，另一端固定在腔室入光端处的镜盖上窗片位置处，FPI光电探测器固定在腔室出光端处的镜盖上窗片位置处，湿度传感器和温度传感器位于腔室内部靠近出光端的一侧。
进一步的，所述SLD光源带有尾纤。
进一步的，所述准直器通过具有倾斜角度的光源固定件固定在腔室入光端处的镜盖上。
进一步的，所述FPI光电探测器通过具有倾斜角度的探测器固定件固定在腔室出光端处的镜盖上。
进一步的，所述窗片为CaF2窗片。
本实用新型所述NDIR传感系统采用单光源单光路结构，SLD光源发出的红外光经过准直进入多次反射气室，在多次反射气室中来回反射多次，与目标气体充分接触发生红外吸收，然后射出被FPI探测器接收。通过调节FPI探测器的响应波长分别对测量信号和参考信号进行探测。将FPI探测器的输出电压值、温度传感器和湿度传感器的输出电压值发送到微处理系统，微处理系统对数据处理后，得到具有温度和湿度补偿后的气体浓度。
有益效果
(1)本实用新型采用红外SLD作为光源。SLD光源可进行高速调制，配合高速的FPI光电探测器，可使测量系统达到几秒乃至零点几秒的响应速度；SLD光源发出的光谱较窄，能覆盖目标气体吸收谱的同时不需要传统热辐射光源所需要的滤光过程，简化系统结构；SLD光源发光功率较高，有利于光电探测器响应，整个测量系统可达到较高信噪比，从而提高检测灵敏度；SLD光源的光束质量好，光束发散角较小，经过准直后可在较长距离内传播，而提高检测精度和减低检测限。
(2)本实用新型设计多次反射气室，在保持较小体积的同时，与SLD光源配合使用可得到几m长的光程，进而使目标气体的测量更为准确而且有利于整个仪器的便携化。
(3)本实用新型采用FPI光电探测器，配合SLD光源，不使用滤光片便可对目标气体达到较高的选择性。
(4)本实用新型采用单光源单光路结构，一定程度上消除光源抖动、杂散气体吸收等外界因素影响的同时，还很大程度上简化传感器结构，有利于便携化操作。
附图说明
图1为本实用新型所述NDIR传感器的结构分解示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
如图1所示，一种高速高精度的NDIR传感器，所述传感器包括SLD光源1、准直器3、多次反射气室、湿度传感器12、温度传感器13、FPI光电探测器19和微控制单元，其中，所述多次反射气室包括腔室10、第一凹面反射镜7、第二凹面反射镜14、第一镜盖6、第二镜盖16、第一CaF2窗片5和第二CaF2窗片17，腔室10两端分别为入光端和出光端，腔室靠近入光端的一侧设有进气口9，靠近出光端的一侧设有出气口11，第一凹面反射镜7通过第一镜盖6固定在腔室10的入光端处，第二凹面反射镜14通过第二镜盖16固定在腔室10的出光端处，第一凹面反射镜7上开有第一离轴孔8，第二凹面反射镜14上开有第二离轴孔15，第一CaF2窗片5安装在第一镜盖6上对应第一离轴孔8的位置处，与腔室10形成密封；第二CaF2窗片17安装在第二镜盖16上对应第二离轴孔15的位置处，与腔室10形成密封；准直器3的一端与SLD光源1连接，另一端固定在第一镜盖6上第一CaF2窗片5位置处，FPI光电探测器19固定在第二镜盖16上第二CaF2窗片17位置处，湿度传感器12和温度传感器13位于腔室内部靠近出光端的一侧。湿度传感器12通过引脚20与微控制单元连接，温度传感器13通过引脚21与微控制单元连接。引脚穿出位置均密封。微控制单元用于驱动SLD光源1，接收湿度传感器12、温度传感器13和FPI光电探测器19的输出信号，并对信号进行处理，输出目标气体浓度。
SLD光源1在kHz脉冲调制频率驱动下，发射脉冲形式红外光束，平均功率mW量级，光谱半高宽约几十nm。所述SLD光源1带有尾纤2，红外光在光纤端面出射，再经过准直器3准直。准直器3与光源固定件4相接，使红外光在一定方向上通过第一CaF2窗片5和第一凹面镜离轴孔8进入腔室10，腔室10内部光滑并发黑处理；红外光在腔室10内部经过多次反射，在一定方向上通过第二反射镜离轴孔15和第二CaF2窗片17射出，被FPI光电探测器19接收，实现光信号到电信号的转换。
SLD光源1产生的红外光线通过腔室10内的目标气体时，目标气体只对测量波长对应的红外辐射有吸收作用，对参考波长对应的红外辐射没有吸收作用。通过改变对FPI光电探测器19施加的电压调节其探测波长，分别获得与光源调制频率一致的测量通道和参考通道，然后对测量信号和参考信号进行算法处理。由于测量通道和参考通道共用一个通道且处于同一测量环境下，因此能在一定程度上减弱由光源波动、杂散气体吸收以及光电器件温漂等因素带来的干扰，提高系统的信噪比。
本实用新型采用SLD光源产生红外光。SLD光源是一种重要的宽带光源，相比于红外热辐射和LED光源，SLD光源集合了发光功率大、光束质量好(类似于激光光束)、调制速度快、光谱选择性好等优点于一身。传统NDIR系统中采用热辐射源的电调制频率一般为几十到几百Hz，响应速度慢，而且容易受到其他电信号的干扰。本申请采用的SLD光源调制频率范围kHz-MHz，配合同频的光电探测器，整个测量系统可达到很高的响应速度，而且不易受到干扰。在此高速驱动下，SLD光源窄带发光，半高宽几十nm，呈现高斯分布，并能覆盖目标气体的吸收谱。此时，该系统中不需要传统热辐射光源所需要的滤光过程。另外，SLD光源发光平均功率mW量级，光电探测器对其有较高的响应，系统获得高信噪比。进一步的，所述SLD光源带有尾纤，红外光在光纤端面出射，再经过准直器准直。准直后的光束质量非常好，如在2m光程内，光斑直径可保持在2mm。
不同于传统NDIR系统所采用的直通或一次反射气室，本申请采用一种基于Herriott原理的多次反射气室。因为所采用SLD光源光束具有较好的方向性，可在气室内来回多次反射，从而在小体积气室中获得几米长的光程，使传感器小型化的同时提高测量精度。通过光学模拟软件Tracepro设计两反射镜之间的距离、反射镜上离轴孔的位置以及两个固定件的倾斜角等参数。光斑在两个反射面上呈圆环分布，调节两个反射镜的距离，可得到不同长度的光程。
本实用新型采用FPI光电探测器。该探测器集成MEMS可调谐滤波器和光电传感器，根据所施加的电压和光电二极管的参数，对一定范围内的波长任意切换。该探测器通过探测器固定件与气室相连，探测从气室发射出的红外光。对探测器只提取和光源调制频率相等的信号，信号处理中只对该频率信号进行浓度反演计算，一定程度上避免了系统内其他电信号干扰，从而提高系统的信噪比。
相比于传统NDIR传感系统采用的单光源双通道、双光源单通道或双光源双通道等复杂结构，本实用新型的新型NDIR传感系统采用单光源单光路结构，提高检测精度的同时大大简化了传感器结构。SLD光源的发光光谱相对于目标气体的吸收谱较宽，包含了目标气体的吸收谱。在此光源发光光谱范围内，把存在目标气体吸收的位置作为测量波长，把不存在气体吸收的位置作为参考波长。调节FPI光电探测器的探测波长，可分别开启测量通道和参考通道。通过对测量信号和参考信号进行算法处理，有效地减弱由光源波动、杂散气体吸收以及光电器件温漂等因素带来的干扰，提高系统的抗干扰能力。
综上所述，实用新型包括但不限于以上实施例，凡是在本实用新型的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高速高精度的NDIR传感器，其特征在于：所述传感器包括SLD光源(1)、准直器(3)、多次反射气室、湿度传感器(12)、温度传感器(13)和FPI光电探测器(19)，其中，所述多次反射气室包括腔室(10)、凹面反射镜、镜盖和窗片，腔室(10)两端分别为入光端和出光端，腔室靠近入光端的一侧设有进气口(9)，靠近出光端的一侧设有出气口(11)，凹面反射镜通过镜盖分别固定在腔室(10)的入光端和出光端处，凹面反射镜上开有离轴孔，窗片安装在镜盖上对应离轴孔的位置处，准直器(3)的一端与SLD光源(1)连接，另一端固定在腔室入光端处的镜盖上窗片位置处，FPI光电探测器(19)固定在腔室出光端处的镜盖上窗片位置处，湿度传感器(12)和温度传感器13)位于腔室内部靠近出光端的一侧。
2.如权利要求1所述的一种高速高精度的NDIR传感器，其特征在于：所述SLD光源(1)带有尾纤(2)。
3.如权利要求1所述的一种高速高精度的NDIR传感器，其特征在于：所述准直器(3)通过光源固定件(4)固定在腔室入光端处的镜盖上。
4.如权利要求1所述的一种高速高精度的NDIR传感器，其特征在于：所述FPI光电探测器(19)通过探测器固定件(18)固定在腔室出光端处的镜盖上。
5.如权利要求1所述的一种高速高精度的NDIR传感器，其特征在于：所述窗片为CaF2窗片。
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Cited By (1)
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2020
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