CN102353645A

CN102353645A - 一种基于ndir的智能红外气体传感器

Info

Publication number: CN102353645A
Application number: CN2011101989402A
Authority: CN
Inventors: 梁永直
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2011-07-16
Filing date: 2011-07-16
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-07-16
Also published as: CN102353645B

Abstract

一种基于NDIR的智能红外气体传感器，包括气体吸收腔、热释电探头和网罩；其气体吸收腔是由半球型的第一气体吸收室和浅凹球面的第二气体吸收室构成，气体吸收腔的顶面和侧壁设置有腔室内壁面正交的通气孔，气体吸收腔内设有至少一个红外光源和两个呈正交型或非正交型热释电探头，每个热释电探头设置有两个窄带滤光片端口，一个为参考端，另一个为探测端。本发明气体吸收腔为开放式蝶形气室，增加了腔室光能的利用率和光信号的信噪比，消除了环境干扰和光强不均匀等因素造成的测量漂移现象，并可预测待测气体的真实浓度，通过加权累加算法可有效修正实测气体浓度，提高了气体检测的灵敏性及快速检测响应时间，以及传感器的检测精度和检测稳定性。

Description

一种基于NDIR的智能红外气体传感器

技术领域

本发明与一种气体传感器有关，具体而言，是一种包括待测气体吸收腔室、红外光源、热释电探头以及信号采集控制板的一种智能红外气体传感器。

背景技术

在煤矿安全生产中，可靠、精确、实时地监控瓦斯（CH₄）浓度是预防煤矿瓦斯***事故的重要手段。现有常用的自动检测CH₄的仪器，按其检测原理来分类，主要可分为催化燃烧型、红外光谱型、半导体气敏型、气相色谱型和光纤测量型等，其中使用最普遍的为催化燃烧式气体传感器，有便携式和固定式两种。但是这种传感器存在着易受环境影响，可靠性和准确性差、使用寿命短、维护成本高、易产生催化中毒的种种弊端，属于落后的即将淘汰产品。而基于NDIR技术的红外光谱型传感器是目前的研究热点之一，它从原理上避免了旧的催化燃烧式传感器的那些弊端，具有精度和灵敏度高，可靠性和选择性好，不中毒、不依赖于氧气、受环境干扰因素较小、使用寿命长和不需频繁调校等显著优点，可以实现连续分析和智能实时检测等功能。

红外光谱型气体传感器是基于红外光谱吸收原理，利用甲烷气体对红外光谱的吸收性能来检测气体浓度，不易受现场环境的影响。采用差分测量方法来抑制零点漂移。与传统的催化燃烧式传感器相比，具有显著的高可靠性和准确性，同时，还具有标定周期长、选择性好、抗干扰能力强和使用寿命长等优点，是一种新型的智能化瓦斯气体检测装置。

红外光谱吸收原理是基于不同化合物在光谱作用下由于振动和旋转变化而表现了不同的吸收峰值。不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相关，利用这一原理可以测量某种气体的浓度。测量吸收光谱，可知气体类型；测量吸收强度，可知气体的浓度。每种物质都有特定的吸收光谱,而甲烷CH₄分子具有四种固有的振动方式，相应产生四个基频，波长分别为3.433，6.522，3.392和7.658μm。由此，可以根据各种气体光谱曲线上某些特定波长处吸收峰的变化来测定气体的浓度。可见，甲烷在中红外区域的吸收强度远远超过在近红外区域的吸收线强度，因此，本发明选用甲烷气体在3.39μm处的波长来检测瓦斯气体浓度。

当红外光通过待测气体时，其出射光强服从朗伯－比尔(Lambert-Beer)吸收定律。为消除光源波动和光路中产生的干扰，采用双波长差分测量技术，即引入双窗口探测头，一个为活跃探测头（吸收目标气体），另一个为参考探测头（不吸收目标气体），待测气体的吸收波长和参考波长可以通过在探测头窗口前加窄带滤光片实现。对于甲烷气体而言，活跃探测头窗口选用中心波长为3.39μm 的窄带滤光片，参考探测头选用中心波长为3.9μm 的窄带滤光片。活跃探测头信号与参考探测头信号的比值可用来确定气体的浓度，且可以消除光源及环境变化等因素对探测头信号的影响。

因此，计算红外光穿过待测气体后被吸收的能量，其满足朗伯－比尔(Lambert-Beer)吸收定律，可以得知，两个探测头输出信号与目标气体浓度的关系为：

式中，

是与活跃探测器成比例的信号，是与参考探测器成比例的信号，

为目标气体的吸收系数，

为目标气体浓度，

为光源到探测器的光路长度,即吸收气室长度。

由上式可知，增加气室光路吸收长度可以提高采样精度，从而提高探测精度及灵敏度。但单纯增加气室吸收长度将带来光腔气室的物理体积增大和光能加大的不利。欧洲专利EP0896216A3采用光学聚焦***原理，通过光线的多次反射来增加光程，最后将光斑聚焦成像在探测头的感光元件上，其优点是光能利用率高、光信号信噪比高，但其弊端为光路对焦调整复杂、稳定性弱，且工程化难度大；美国专利US20090268204A1采用增加多个探测头累加信号来提高气体检测的快速响应和灵敏度，其同样存在光学***调整复杂，光路的偏移对信号采集影响较大，***稳定性差，不利于低成本生产；美国专利US6469303B1将吸收气室设计成非聚焦***，通过设计一个反射椭球圆柱使吸收腔室光强均匀，信号稳定性得到改善，但其非开放式腔室牺牲了气体检测的响应速度和灵敏性，无法解决气体检测稳定性与灵敏性及检测精度的矛盾问题。

现有的红外气体传感器，其吸收气室大多采用上部单向通气孔方式和光学聚焦***，在进行气体检测时，腔室易受待测气体来向干扰或因光强不均匀等因素而造成测量漂移等现象，即当待测气体由不同方向扩散而来或因光路调校不准确，探头响应时间和检测精度及稳定性表现均不理想。为此，人们一直在气体检测稳定性、灵敏性及及检测精度的矛盾中寻求一种更加稳定、更加合理适用的解决方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在不提高制造成本前提下，通过吸收腔气室结构及相其应部件设计，提高光能利用率及光信号的信噪比，消除测量漂移隐患，从而达到检测快速响应，提高检测精度及稳定性的有益效果，进而提供一种基于NDIR的智能红外气体传感器。

基于上述问题和目的，本发明所采取的技术措施是一种基于NDIR的智能红外气体传感器，包括气体吸收腔、热释电探头和网罩。

所述气体吸收腔是包括第一气体吸收室和第二气体吸收室；所述第一气体吸收室是其周侧壁设置有至少两个以上的侧壁通气孔，及其相应的，所述顶面设置有至少两个以上的顶面通气孔，且二者正交并重合于气体吸收腔的内壁表面；其第一气体吸收室的外圆柱呈第一外圆柱阶梯台面和第二外圆柱阶梯台面。

所述热释电探头是设置在第二气体吸收室内，在设置有两个热释电探头时，两个热释电探头呈正交型90o设置，或呈非正交型120o设置，且每个热释电探头设置有两个窄带滤光片端口，一个为参考端，另一个为探测端。

所述网罩是包括第一网罩和第二网罩，所述第一网罩是设置于第一气体吸收室的上端面；所述第二网罩是设置于第一气体吸收室的圆环槽内。

在上述技术方案中，所述第一气体吸收室是呈半球型结构；所述第二气体吸收室是呈浅凹球面结构；所述第一气体吸收室和第二气体吸收室两端面圆周接合处呈凸凹型对中定位弥合结构；所述热释电探头的对称轴线上设置有红外光源，且关于中心点对称设置。

本发明通过吸收腔气室的结构及相关部件设计，即采用上部半球型和下部浅凹球面组成的开放式蝶形吸收腔气室结构，使得光线在腔内经过多次折射后光强趋于均匀，探测头上的感光元件不受光路偏移的影响，无需调焦即可接收采样气体。相关部件通气孔的独特设计使腔室光能利用率有效提高，使得光信号的信噪比得以提高；同时，由于采用开放式蝶形气室结构，对于待测气体的横向或纵向扩散均可有效接收，可消除待测气体来向干扰和光强不均匀等因素造成的测量漂移现象；而正交型或非正交型双探测头四通道结构设置，可以预测待测气体真实浓度，通过加权累加算法可以有效修正实测气体浓度，此举提高了气体检测的灵敏性及快速检测响应时间，由此提高了传感器的检测精度和检测稳定性。

附图说明

图1为本发明传感器探头剖视结构示意图。

图2 为本发明气体吸收腔第一气体吸收室外形结构示意图。

图3 为本发明气体吸收腔第一气体吸收室俯视结构示意图。

图4 为本发明气体吸收腔第一气体吸收室正视结构示意图。

图5 为本发明气体吸收腔第一气体吸收室剖视结构示意图。

图6 为本发明气体吸收腔第二气体吸收室俯视结构示意图。

图7为本发明气体吸收腔第二气体吸收室左视结构示意图。

图8为本发明的智能红外气体传感器探头***图。

图中：1：圆环槽；2：外壳；3：第一网罩；4：气体吸收腔；5：侧壁通气孔；6：第一气体吸收室；7：第二网罩；8：信号采集控制板；9：红外光源；10：管脚插针；11：第二气体吸收室；12：底板；13：热释电探头；14：第一外圆柱阶梯台面；15：第二外圆柱阶梯台面；16：第一气体吸收室凸台面；17：第二气体吸收室凹台面；18：顶面通气孔；19：浅凹球面反射镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明。

如图1所示，实施本发明包括第一气体吸收室6、第二气体吸收室11、红外光源9、热释电探测头13、第一网罩3、第二网罩7、信号采集控制板8、底板12、外壳2及管脚插针10；其中，气体吸收腔4是由第一气体吸收室6和第二气体吸收室11构成。第一气体吸收室6呈半球形反射面与第二气体吸收室11浅凹球面反射镜19相对应。

如图8所示，为开放式蝶形腔室智能红外气体传感器探头***图，网罩3放置在第一吸收室6的顶部且置于外壳2的上端，第二网罩7安装于第一气体吸收室6的圆环槽1内；第一气体吸收室凸台面16与第二气体吸收室凹台面17对中定位弥合于连接端面处；使得气体吸收腔4内表面为一完整弥合的无缝腔室。红外光源9和热释电探测头13连接在信号采集控制板8上；而所述信号采集控制板8固定于第二气体吸收室11的下部且确保其光源头和热释电探测头13的感应端口呈现于气体吸收腔4内；同时，管脚插针10连接在信号采集控制板8下部，底板12将外壳2整体密闭封装。

如图2所示，为所述的开放式蝶形气体吸收腔4之第一气体吸收室6的外形图，所述的第一气体吸收室6呈半球型对称结构，可有效提高光线反射和汇聚能力，光线经多次反射后光强趋于均匀一致，消除测量漂移隐患；所述其腔室内壁表面镀金，具有不易腐蚀、不变色及高反光率的特性，可提高气体吸收率。

如图3、4所示，所述其第一气体吸收室6的外圆周侧壁设置有至少两个以上的侧壁通气孔5，及其相应的，所述顶面设置有至少两个以上的顶面通气孔18，且两面通气孔正交并重合于气体吸收腔4的内壁表面；如此构造形成360⁰全方位的开放式蝶形腔室，对于无论横向或纵向来的气体扩散均可有效接受，可以提高探头快速检测及响应时间；正交重合的侧壁通气孔5设置使腔室内部不复漏光，光能利用率有效提高，同时光信号的信噪比也得以提高。

如图4所示，所述第一气体吸收室6的外圆周侧壁呈圆柱阶梯状台面，所述第一外圆柱阶梯台面14位于第一气体吸收室6外圆周侧壁上部，其作用为与外壳2内壁配合以确定第一气体吸收室6的同心圆周位置；所述的第二外圆柱阶梯台面15与外壳2内壁形成一个圆环带状的气体交换空间，使得待测气体可以由此进入气体吸收腔4内。

相应地，如图5所示，所述第一气体吸收室6顶面设有第一网罩3用以阻止气体分子以外的物质进入腔室。相应地，所述的第一气体吸收室凸台面16，其功能为与第二气体吸收室凹台面17上部端面配合构成对中定位，以形成弥合无缝腔室，设置的凸凹台面圆周产生Z字形弥合带。

相应地，所述的第一气体吸收室6下部阶梯台面设置有圆环槽1，其功能为可放置网罩7以阻止气体分子以外的物质进入腔室，确保气体吸收腔室的洁净。

如图6、7所示，为所述的气体吸收腔4之第二气体吸收室11内部气室呈浅凹球面结构，其功能为将红外光源9发出的光线高效反射到第一气体吸收室6的半球面反射镜上，所述其腔室内壁表面镀金，具有不易腐蚀、不变色及高反光率的特性，可提高气体吸收率。

所述第二气体吸收室11中设置有至少一个以上的热释电探头13和至少一个以上的红外光源9，并固定连接在信号采集控制板8上。

所述第二气体吸收室11内设置有热释电探头13，在设置有两个热释电探头13时，两个热释电探头13呈正交型90o设置，或呈非正交型120o设置；所述的每个热释电探头13设置有两个窄带滤光片端口，一个为参考端，另一个为探测端。

所述第二气体吸收室11内的2个热释电探头13呈正交型90o或非正交型120o双探头四通道结构设置，其功能为可以预测待测气体真实浓度，通过加权累加算法可以有效修正实测气体浓度，此举提高了气体检测的灵敏性及快速检测响应时间，由此提高了传感器的检测精度和检测稳定性。

所述第二气体吸收室11中的红外光源9位于热释电探头13的对称轴线上，且关于中心点对称设置。

如图6所示，所述的第二气体吸收室11呈浅凹球面片断，该浅凹球面反射镜19的设置可将光源发出的光线高效反射到第一气体吸收室6的半球面反射镜上，然后又经半球面反射镜反射到第二气体吸收室11的浅凹球面反射镜19上，折射次数少的光线将泄漏出气室，如此形成多次反射后，光强趋于均匀，最后汇聚到热释电探头13的感光接受器上转化为电信号。

所述的红外光源9和热释电探头13位于开放式蝶形气体吸收腔4下端部，其固定连接在信号采集控制板8上端部，而管脚插针10连接到信号采集控制板8之下端部，所述的管脚插针10连接到主控电路板上。

以上所披露的本发明还可以有其他多种实施例。在不背离本发明精神及其实质的前提下，对于熟悉本技术领域的专业人员来讲，可以很容易地根据本发明的实施例作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都没有脱离本发明的精神和范围，都应当属于本发明所附的权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种基于NDIR的智能红外气体传感器，包括气体吸收腔、热释电探头和网罩；

所述气体吸收腔（4）是包括第一气体吸收室（6）和第二气体吸收室（11）；所述第一气体吸收室（6）是其周侧壁设置有至少两个以上的侧壁通气孔（5），及其相应的，所述顶面设置有至少两个以上的顶面通气孔（18），且二者正交并重合于气体吸收腔（4）的内壁表面；其第一气体吸收室（6）的外圆柱呈第一外圆柱阶梯台面（14）和第二外圆柱阶梯台面（15）；

所述热释电探头（13）是设置在第二气体吸收室（11）内，在设置有两个热释电探头（13）时，两个热释电探头（13）呈正交型90o设置，或呈非正交型120o设置，且每个热释电探头（13）设置有两个窄带滤光片端口，一个为参考端，另一个为探测端；

所述网罩是包括第一网罩（3）和第二网罩（7），所述第一网罩（3）是设置于第一气体吸收室（6）的上端面；所述第二网罩（7）是设置于第一气体吸收室（6）的圆环槽（1）内；

如权利要求1所述的一种基于NDIR智能红外气体传感器，所述第一气体吸收室（6）是呈半球型结构。

2.如权利要求1所述的一种基于NDIR智能红外气体传感器，所述第二气体吸收室（11）是呈浅凹球面结构。

3.如权利要求1所述的一种基于NDIR智能红外气体传感器，所述第一气体吸收室（6）和第二气体吸收室（11）两端面圆周接合处呈凸凹型对中定位弥合结构。

4.如权利要求1所述的一种基于NDIR智能红外气体传感器，所述热释电探头（13）的对称轴线上设置有红外光源（9），且关于中心点对称设置。