CN218995140U - 基于中红外led吸收光谱的二氧化碳传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器，涉及气体检测传感器技术领域，解决了现有的二氧化碳传感器结构复杂，成本高，检测精度较低的技术问题。该装置包括LED、石英音叉和谐振腔；所述石英音叉设置在所述谐振腔内，所述LED能够发出中红外光，所述中红外光能够穿过所述石英音叉进入所述谐振腔；所述气体能够吸收所述中红外光，并使所述石英音叉产生振动，所述石英音叉产生的振动能够转换为电信号输出并处理。本实用新型包括LED、石英音叉和谐振腔，能够对气体中的CO₂浓度进行实时检测，且结构简单，成本较低，检测精度较高。

Description

基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器

技术领域

本实用新型涉及气体检测传感器技术领域，尤其涉及一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器。

背景技术

光声光谱技术是基于光声效应的一种光谱分析技术，用一束强度可调制的单色光照射到密封于池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的传声器检测，并通过放大得到电信号，经过解调反演出气体浓度。

目前光声光谱技术的技术主要有两种：第一种是传统红外灯泡黑体光源光声光谱，第二种是MEMS光声光谱；结构上采用宽谱的中红外光源+滤波片的方式，功率密度较低，结构复杂，导致探测灵敏度低和稳定性差。采用麦克风作为传声器，响应的频带较宽，实际使用中会吸收环境噪声导致信噪比低。

现有的二氧化碳传感器结构复杂，成本高，检测精度较低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器，以解决现有技术中存在二氧化碳传感器结构复杂，成本高，检测精度较低的技术问题。

本实用新型提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：

本实用新型提供的一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器，用于检测气体中CO₂的浓度，包括LED、石英音叉和谐振腔；所述石英音叉设置在所述谐振腔内，所述LED能够发出中红外光，所述中红外光能够穿过所述石英音叉进入所述谐振腔；所述气体能够吸收所述中红外光，并使所述石英音叉产生振动，所述石英音叉产生的振动能够转换为电信号输出并处理。

优选的，所述二氧化碳传感器还包括信号放大模块，所述信号放大模块与所述石英音叉电连接，并能够接收所述石英音叉所产生的电信号，所述信号放大模块能够将所述电信号放大并得到放大信号。

优选的，所述二氧化碳传感器还包括处理模块，所述信号放大模块与处理模块电连接，所述放大信号能够通过所述处理模块进行处理，得到所述CO₂的浓度。

优选的，所述二氧化碳传感器还包括有信号发生器，所述信号发生器与所述LED电连接，所述信号发生器能够发出调制电信号至所述LED，使所述LED发出中红外光。

优选的，所述二氧化碳传感器还包括进气口和排气口，所述气体能够从所述进气口进入所述谐振腔，从所述排气口排出所述谐振腔。

优选的，所述LED发出的中红外光的波长为4.3μm。

优选的，所述谐振腔为圆柱形谐振腔。

优选的，所述石英音叉为音叉式石英晶振。

实施本实用新型上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：

本实用新型提供的二氧化碳传感器包括有LED、石英音叉和谐振腔，LED发出的中红外光能够在谐振腔内更好的使中红外光与气体进行相互作用，实现对气体中的CO₂浓度进行实时检测，且结构简单，成本较低，检测精度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，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，附图中：

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例石英音叉工作示意图；

图3是本实用新型的石英音叉与放大模块的电路图。

图中：1、LED；2、石英音叉；3、谐振腔；4、进气口；5、排气口。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本实用新型可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本实用新型的范围和实质。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，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元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体地连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。

实施例：

如图1-2所示，本实用新型提供了一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器，用于检测气体中CO₂的浓度，包括LED1、石英音叉2和谐振腔3；石英音叉2设置在谐振腔3内，LED1能够发出中红外光，中红外光能够穿过石英音叉2并进入谐振腔3；气体能够吸收中红外光，使石英音叉2产生振动，并转换为电信号输出，经过处理后就能够得到所述CO₂的浓度。具体的，石英音叉产生的振动为对称性振动，传感器内部设置有LED1、石英音叉2和谐振腔3，石英音叉2设置在谐振腔3内部，待检测的气体能够通过进气口4进入到谐振腔3，具体的，石英音叉2有两个振臂，中红外光会在石英音叉2的两个振臂之间与气体进行作用，主要是中红外光会使气体中的分子进行激发，产生调制周期性的压力波动，从而产生光声信号，光声信号在石英音叉2的两振臂间会产生声波，石英音叉2会在声波的推动下产生对称性振动，通过对称性振动所振动的强度及频率等信息经石英材料的压电特性就会将其转换为电信号并输出，输出的电信号会通过信号放大模块进行放大、处理模块进行处理，经过处理后就能够得到气体中所含的CO₂的浓度。在本实用新型中，石英音叉2选用的是音叉式石英晶振，把音叉式石英晶振用作传声器，使用的频率为32KHz，使用石英音叉2能够避免传统麦克风传声器噪声高的问题，石英音叉2能够对环境噪声免疫，能够获得良好信噪比，能够使处理模块进行更好的处理，能够提高检测的精度，减少检测误差。本实用新型提供的二氧化碳传感器包括有LED1、石英音叉2和谐振腔3，LED1发出的中红外光能够更好的吸收气体中的CO₂，能够对气体中的CO₂浓度进行实时检测，且结构简单，成本较低，检测精度较高。本实用新型中的二氧化碳传感器能够检测排放源的CO₂，在家庭、商业空间、厂房、管廊、车内或者其他密闭环境中都可对环境空气中CO₂的浓度进行监测。

作为可选的实施方式，传感器还包括信号放大模块和处理模块，信号放大模块与处理模块电连接；信号放大模块能够将电信号进行放大，放大后会得到放大信号，放大信号会通过处理模块进行处理，处理后会得到CO₂的浓度。具体的，如图3所示，石英音叉2的电极引脚与信号放大模块连接，石英音叉2受到声波震动，形成共振，然后转换成电信号传至信号放大模块，放大后再由处理模块进行处理，计算出气体中CO₂的浓度。具体的，中红外光是在石英音叉2的两振臂之间与气体产生光声信号，在石英音叉2振臂在光声信号的推动下产生的对称性振动幅度较小，需要将电信号进行放大后才能够对信号进行进一步处理，因此，电信号会由信号放大模块将电信号进行放大，从而得到放大信号，本实用新型中的信号放大模块为信号放大器，主要使用信号放大器将电信号进行放大。经信号放大模块放大后得到的放大信号会经过处理模块进行处理，在经过处理模块进行处理后就能够的得到气体中所含的CO₂的浓度。首先，处理模块会先使用电学调制相消法将噪声降低，降低杂散光噪声、气流噪声，实现即时物理降噪、信号提取，将电信号的噪声降低至热噪声水平。具体的，处理模块中的信号放大模块在将放大信号进行处理后，会先通过电学调制相消法先行对电信号进行处理，使用物理方法消除了以杂散光为主的背景噪声，而后再对放大信号进行处理计算，从而得到气体中所含的CO₂浓度。

作为可选的实施方式，传感器还包括有信号发生器，信号发生器与LED1电连接，信号发生器能够给出调制电信号至LED1，使LED1发出中红外光。具体的，信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备。在测量各种电信系统或电信设备的振幅特性、频率特性、传输特性及其它电参数，以及测量元器件的特性与参数时，用作测试的信号源或激励源。在本实用新型中，信号发生器能够作为一个信号源会发出设定频率的周期脉冲信号给LED1，使LED1发出中红外光，并投射至谐振腔3内部。具体的，LED1发出的中红外光的波长为4.3μm。具体的，LED1发出的波长为4.3μm的LED光源，能够在相对窄的谱宽驱动激发出CO₂最强吸收波长，使光功率的密度提升2-3个数量级，中红外光能够更好的将气体中的CO₂进行吸收，能够对气体中CO₂更好的进行检测，提高对CO₂检测的准确性。

作为可选的实施方式，二氧化碳传感器还包括进气口4和排气口5，气体能够从进气口4进入谐振腔3，并从排气口5排出谐振腔3。具体的，待检测气体会从进气口4进入谐振腔3，气体会在谐振腔3内与中红外光发生反应，在产生反应后就会通过石英音叉2传出电信号并通过处理模块对电信号进行处理，经过检测的气体就会从出气口排出，完成对气体中CO₂的检测。结构较简单，且免去了许多复杂的程序，提高检测效率。

作为可选的实施方式，谐振腔3为圆柱形谐振腔。具体的，谐振腔3是用以使高频大于电磁场在其内持续振荡的金属空腔，由于电磁场完全集中于腔内，没有辐射损耗，故具有较高的品质因数。谐振腔3的形式除了有圆柱形谐振腔之外，还有其他形状的谐振腔，例如：矩形谐振腔、环形谐振腔。在谐振腔3内，电磁场可以在一系列频率下进行振荡反应，其频率大小与谐振腔的形状、几何尺寸及谐振的波型有关。

本实用新型的工作原理为：LED1经过信号控制产生调制光信号，所产生的中红外光的光束从石英音叉2的两振臂之间无碰撞通过，并与振臂间气体相互作用产生光声信号。石英音叉2振臂在声波的推动下产生对称性振动，通过振动的强度、频率等信息经石英材料的压电特性转换为电信号，并经由石英音叉2的两电极引脚被传输至信号放大模块。经信号放大模块放大后的放大信号经过电学调制相消法对信号进行降噪处理，而后经过处理模块进行处理就可得到气体中CO₂的浓度。

实施例仅是一个特例，并不表明本实用新型就这样一种实现方式。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器，其特征在于，用于检测气体中CO₂的浓度，包括LED(1)、石英音叉(2)和谐振腔(3)；所述石英音叉(2)设置在所述谐振腔(3)内，所述LED(1)能够发出中红外光，所述中红外光能够穿过所述石英音叉(2)进入所述谐振腔(3)；所述气体能够吸收所述中红外光，并使所述石英音叉(2)产生振动，所述石英音叉产生的振动能够转换为电信号输出并处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器，其特征在于，所述二氧化碳传感器还包括信号放大模块，所述信号放大模块与所述石英音叉(2)电连接，并能够接收所述石英音叉(2)所产生的电信号，所述信号放大模块能够将所述电信号放大并得到放大信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器，其特征在于，所述二氧化碳传感器还包括处理模块，所述信号放大模块与处理模块电连接，所述放大信号能够通过所述处理模块进行处理，得到所述CO₂的浓度。

4.根据权利要求1所述的一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器，其特征在于，所述二氧化碳传感器还包括有信号发生器，所述信号发生器与所述LED(1)电连接，所述信号发生器能够发出调制电信号至所述LED(1)，使所述LED(1)发出中红外光。

5.根据权利要求1所述的一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器，其特征在于，所述二氧化碳传感器还包括进气口(4)和排气口(5)，所述气体能够从所述进气口(4)进入所述谐振腔(3)，从所述排气口(5)排出所述谐振腔(3)。

6.根据权利要求1所述的一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器，其特征在于，所述LED(1)发出的中红外光的波长为4.3μm。

7.根据权利要求1所述的一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器，其特征在于，所述谐振腔(3)为圆柱形谐振腔。

8.根据权利要求1所述的一种基于中红外LED吸收光谱的二氧化碳传感器，其特征在于，所述石英音叉(2)为音叉式石英晶振。

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