CN103868877A - 一种红外气体传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

针对现有矿用红外气体传感器所存在的不足，本发明提供一种红外气体传感器及检测方法；传感器包括外壳、內筒体、电路组件、光源、红外探测器、温度传感器、过滤膜、金属网、通气板；光源经调制，周期性地辐射光波，经待测气体吸收后，照射在红外探测器上，经滤波、放大，提取具有与光源调制相同周期的电信号；本产品在测量模式下对待测气体的浓度进行检测；在标定模式下对设备自身进行标定；本发明有益的技术效果是：本产品在恶劣环境中长期稳定与可靠运行，具有防爆性能，其在光源周期性辐射光波的加热下，形成了呼吸性气室，气室与光学***为一体，能同时进行多种气体浓度的检测，其测量与标定方法简单、可靠。

Description

一种红外气体传感器及检测方法

技术领域

本发明属于防爆检测技术领域，具体涉及煤矿井下的气体检测技术，尤其涉及多组分的红外气体传感器及检测方法。

背景技术

红外气体传感器，是利用被测气体对特定波长的红外辐射有吸收的原理，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。

采用红外技术的多组分气体传感器，弥补煤矿检测仪器的不足，改善检测仪器的性能，为煤矿安全提供更为行之有效的检测手段及装备，对提高煤矿的安全生产，保障国家财产和人员生命安全有极其重要的现实意义。但是，现有的红外气体传感器不能适合于煤矿井下***性环境、恶劣环境下使用，温度、水汽、粉尘、腐蚀性气体、易燃易爆气体对传感器造成损害，使其性能下降，具体表现总结为如下几个方面：

1、现有的传感器采用传统的红外气体检测手段、没有充分考虑煤矿井下恶劣环境对传感器的影响，采用检测方法和温度补偿方法，不能保证传感器长期工作的稳定性和可靠性；

2、现有的传感器防爆、防尘、防湿、防腐蚀性、防干扰性能差，影响传感器在恶劣环境下的安全使用和测量的准确性；

3、现有的传感器气室结构及光学***复杂，因此，制造工艺复杂、成本高、维护困难，也很难实现对多组分气体的测量；

4、现有的传感器气室结构及检测方法，不利于气室与环境充分交换气体，导致测量响应时间长，对环境中气体检测的不可靠；

5、现有的传感器一般只检测一种气体浓度；

6、现有的传感器大多只输出红外探测器转化的电信号，没有后续信号处理；

7、现有的传感器没有提供较好的传感器标定与测量方法。

为此，大量的科研机构与厂矿企业对红外气体传感器进行了广泛的研究与技术探索，但仍然有需要进一步改进、完善的地方。专利“一种非色散红外气体传感器”（CN201477043U）的加工要简单些，但很难实现光路的聚焦。专利“双光源双敏感元件红外多气体检测传感器”（CN101105449）提供一种双光源双敏感元件红外气体检测传感器，其光路结构复杂，需要反射镜聚焦，且气室的制造较为复杂，实用性差，该装置无自检与传输功能，使用的范围有限。专利“具有通信设备的红外气体传感器和传达来自红外气体传感器的校正信息的方法”（CN1886654A）则是介绍一种传达来自红外气体传感器的校正信息的方法，主要是针对传感器外壳内的红外能量源的红外能量，没有对器件整体结构与软件方法提出一体化的优化设计方案。

发明内容

针对现有红外气体传感器所存在的上述不足，本发明提供一种红外气体传感器及检测方法，其具体的结构与检测方法分别为：

  一种红外气体传感器，包括外壳1、內筒体2和电路组件；其中，在內筒体2的外部套有外壳1，在內筒体2的底部连接有电路组件；此外：所述外壳1为中空圆筒，在外壳1的顶端设有向内伸展的台阶11；所述台阶11呈环形；在台阶11的顶部罩覆有一层过滤膜12；在台阶11的底部罩有一层金属网13，金属网13的底面与一块通气板14相连接；所述通气板14为薄片金属盘状，在通气板14上均布有一圈贯穿孔15；即由过滤膜12、金属网13和通气板14将外壳1的顶部开口覆盖起来；

所述內筒体2为顶部封口的中空圆筒，在內筒体2的底部设有向外延伸的环形边21，在內筒体2的侧壁上设有一个进光口22；在环形边21上设有一个准三棱柱体，所述准三棱柱体由反射板23、挡光板24和弧形板26围绕而成，其中，反射板23与挡光板24相连处的棱角边与进光口22左侧的內筒体2侧壁相连接，弧形板26的底边与环形边21的一段边缘相重合；在靠近挡光板24的环形边21上设有一个通孔25；

內筒体2的顶面与通气板14的底面紧密接触；內筒体2的环形边21与外壳1的内壁相接；环形边21与外壳1的连接处填充有环氧树脂密封；外壳1与内筒体2所围成的区域构成本红外气体传感器的气室9；即外界环境气体依次穿过过滤膜12、金属网13和通气板14的贯穿孔15后扩散并进入气室9；

所述电路组件包括底板3、光源4、红外探测器5、温度传感器6和信号处理电路7；所述底板3为金属圆板且与环形边21的外径等长；底板3与环形边21的底面相连接，即通过底板3将內筒体2下方的开口封住；

在底板3顶面的中央设有红外探测器5；在靠近红外探测器5的底板3顶面上设有温度传感器6；光源4设置在靠近挡光板24一侧的气室9端部，光源4的底部穿过通孔25后与底板3相连接；信号处理电路7安置在底板3上，并通过导线将红外探测器5、温度传感器6和光源4分别与信号处理电路7相连接；

所述信号处理电路7的控制端与光源4相连，向光源4输送周期性的电压；信号处理电路7的信号输入端分别与红外探测器5以及温度传感器6的信号输出端相连接；

所述光源4在周期性电压的驱动下产生周期性的辐射光波；光源4产生的周期性辐射光波经气室9多次反射并穿过进光口22照射在红外探测器5上；光源4产生的周期性辐射光波一方面用作检测用的红外辐射光波，另一方面对气室9内的气体进行周期性的加热，促使气室9内的气体周期性地膨胀收缩，从而实现气室9内的气体与外壳1外部的环境气体快速地进行气体交换，形成了“呼吸性气室”；

红外探测器5将接收到的周期性辐射光波，转化为与辐射光波相同周期的电信号后传递至信号处理电路7；温度传感器6实时检测红外探测器5附近的温度并传递至信号处理电路7，供信号处理电路7对红外探测器5传回的电信号做温度补偿。

进一步地说，光源4所发出的辐射光波的光谱范围为可见光至红外波段。红外辐射优选的波段范围是2～5μm、8～12μm、2～12μm和 2～20μm；红外探测器5由2至16个红外敏感元件构成，其中1个红外敏感元件接收波长为3.9μm的红外辐射，余下的红外敏感元件的敏感面上均安装有窄带干涉滤光片，接收与窄带干涉滤光片相对应波长的红外辐射；光源4所发出的辐射光波经气室9的多次反射后，形成的光斑直接照射在红外探测器5的整个敏感面上，整个光路上不加设任何汇聚或分光的光学器件。

进一步地说，所述信号处理电路7由窄带带通滤波放大电路71、模数转换电路72、微处理器73、光源调制驱动电路74和接口75组成；红外探测器5的每个红外敏感元件的信号输出端均与一个窄带带通滤波放大电路71相连接；每个窄带带通滤波放大电路71的信号输出端共同与模数转换电路72的多路模拟量输入端相连接；窄带带通滤波放大电路71将红外探测器5输出的电信号进行滤波、放大后传输至模数转换电路72，滤波、放大后的电压信号与微处理器73的驱动光源调制驱动电路74的信号具有相同的周期；温度传感器6的信号输出端与模数转换电路72的模拟量输入端相连接；模数转换电路72的数字量输出端与微处理器73的信号输入端相连接，即模数转换电路72将接收到的温度信号和每个红外敏感元件的电信号均转为数字信号后再输入给微处理器73进行处理；微处理器73依据接收到的数字量，进行分析处理、温度补偿、计算出待测气体的浓度；微处理器73的信号输出端与光源调制驱动电路74的信号输入端相连接；微处理器73负责产生周期性的控制信号，所述周期性的控制信号为方波；光源调制驱动电路74将接收到的周期性控制信号转换成相同周期的电压加载在光源4上，令光源4产生周期性的辐射光波，该辐射光波经气室9侧壁反射和气室9中待测气体吸收后，照射在红外探测器5的光敏面上，转换成电信号；微处理器73与接口75相连接，通过接口75实现微处理器73与远程上位机的连接。

进一步地说，红外探测器5内每一个红外敏感元件均与一个窄带带通滤波放大电路71相连接；每一个窄带带通滤波放大电路71共同与一个模数转换电路72多路模拟量输入端相连接；窄带带通滤波放大电路71由第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2和运算放大器OP组成；其中，在运算放大器OP的输出端与负输入端之间并联有第一电阻R1和第一电容C1；运算放大器OP的负输入端与第二电阻R2的一端相连接，第二电阻R2的另一端与第二电容C2的一端相连接；第二电容C2的另一端与红外探测器5的供电电源负端相连接；运算放大器OP的正输入端与红外敏感元件的输出端相连接；运算放大器OP的输出端与模数转换电路72相连接；窄带带通滤波放大电路71的传输函数是：

通过对电阻R1、R2、电容C1、C2的参数调节，实现对窄带带通滤波放大电路71中心频率f₀、带宽f_w、放大倍数A₀、品质因数Q的控制。

进一步地说，光源4的灯芯为钨丝或热电阻薄膜；在通电状态下，光源4发热并产生红外辐射；光源调制驱动电路74由光源4、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、三极管VT1和场效应管VT2组成；其中，场效应管VT2的源极连接电源地，场效应管VT2的源极与场效应管VT2的漏极通过第六电阻R6相连接，场效应管VT2的漏极连接第五电阻R5，场效应管VT2的门极分别与第四电阻R4的一端、三极管VT1的发射极相连接，第四电阻R4的另一端连接电源VCC，三极管VT1集电极与场效应管VT2的源极相连接，三极管VT1的基极与第三电阻R3的一端相连接，第三电阻R3的另一端与微处理器73相连接；在第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的另一端之间串联有光源4；即电源VCC提供的电流依次流经光源4、第五电阻R5、第六电阻R6和场效应管VT2，实现对光源4的供电，微处理器73产生的周期性控制信号依次经过第三电阻R3、三极管VT1和场效应管VT2，驱动光源4周期性地发出辐射光波；钨丝通入电流加热，温度升高，随着温度的升高，钨丝电阻值增加，没有电流通过时的电阻叫做冷阻，当有电流通过时，电阻将升高，叫做热阻；钨丝冷阻很小，如果光源4从冷阻状态点亮，这个过程会产生很大的冲击电流；光源调制驱动电路74将加载一定的电流在光源4上，避免了光源4从冷阻状态点亮；

场效应管VT2截止时，电源VCC经光源4、电阻R5、R6到达电源地，通过调节电阻R6可设定通过光源4电流值，决定光源4调制深度，也就是在场效应管VT2截止时，光源4中通入电流，避免光源4冷阻状态点亮时，对电源VCC的冲击；

场效应管VT2是个低导通电阻的N沟道MOSFET，导通电阻仅零点几欧姆；场效应管VT2导通时，电源VCC经光源4、电阻R5、场效应管VT2及并联于场效应管VT2的漏、源极电阻R6到达电源地，通过调节电阻R5设定通过光源4电流值，决定光源4产生的辐射光波的强度；

三极管VT1一是用于保护场效应管VT2，防止场效应管VT2损坏，二是将微处理器73输出的控制信号与光源4供电电源VCC进行隔离，防止相互干扰。

本发明所提供的红外气体传感器的检测方法；按如下步骤进行测量：

测量步骤一，初始化；微处理器73输出周期性控制信号，所述周期性控制信号为方波，光源4就周期性地发出辐射光波，辐射光波所产生的热量对气室内气体进行周期性地加热，促使气室内气体进行“膨胀-收缩”的循环，与环境进行充分的气体交换，对气室9进行干燥、清洁；

测量步骤二，信号采集；微处理器73输出采样信号的通道编码及指令，分别对温度、各点电压、红外探测器5输出信号进行采集并转换为数字信号；对红外探测器5的各个敏感元件输出经放大、滤波后的正弦波，在周期性控制信号使光源4中电流由大变小后，进行128～1024次采样；

测量步骤三，计算；对温度、各点电压、红外探测器5输出，在信号采集空闲时进行计算，具体的是在周期性控制信号使光源4中电流由小变大后进行计算；

其中，红外探测器5内各个敏感元件的输出信号经窄带带通滤波放大电路71处理后为正弦波，在一个正弦波内进行采样，并按如下公式进行计算：

式中，u_m为待测气体吸收红外辐射能量后的模拟正弦波测量值，u_r为所有待测气体均不吸收红外辐射能量后的模拟正弦波参考值，U_m为测量值u_m的峰值，U_r为参考值u_r的峰值，u_m/u_r代表某一待测气体浓度的数值，是测量值与参考值正弦函数波形的峰值比，n为一个周期内采样次数，n的取值在128～1024之间；

测量步骤四，自检；将计算所得温度、各点电压、红外探测器5输出等数值与微处理器73存贮的正常数值相比较，判断是否存在故障，故障时，输出故障类型代码；

测量步骤五，温度补偿；对计算气体的浓度参数进行的温度补偿包括零点温度补偿和量程温度补偿两个步骤，随后获得温度补偿后气体浓度值；

其中，在实时温度T_t时，零点温度补偿的公式是：

式中，k₀是零点温度补偿系数，a是温度T₀时存贮在微处理器73存贮器中的值，a_t是实时温度T_t时补偿值；

在实时温度T_t时，量程温度补偿的公式是：

式中，k_s是量程温度补偿系数，a_t是实时温度T_t时补偿值，b是温度T₀时存贮在微处理器73存贮器中的值，u_m/u_r是实时温度T_t时实测值，c是经温度补偿后要计算的待测气体的浓度值；

测量步骤六，将经过步骤五的温度补偿后的气体浓度值转换成模拟量或数字量信号，并经接口75传输。

对于本传感器产品测量方法中的零点常数a和量程常数b、零点温度补偿系数k₀和量程温度补偿系数k_s是通过对传感器进行标定并计算后，存入微处理器73存贮器内，待测量时调取并使用。

有益的技术效果

1、光源周期性的对气室加热，气室中气体的“膨胀-收缩”，形成呼吸性气室，在传感器上电后，对气室进行干燥，气室中气体的“膨胀-收缩”，消除水汽、粉尘对光路、光学***及气室的影响；

呼吸性气室能与环境充分交换气体，缩短了传感器的响应时间，提高了对环境气体检测的可靠性；

气室加热与光源二者为一体，与常见的由加热器对气室加热相比，传感器结构紧凑、功耗大大降低，也提高了传感器的防爆性能；

所述的光源调制控制电路使光源周期性地亮灭，在光源未点亮的半个周期中，加载一定的电流在光源上，与常见的光源从冷阻状态点亮相比，避免了光源从冷阻状态点亮产生的冲击电流，从而满足煤矿井下本质安全电源供电的要求；同时，所述的光源调制控制电路，对光源的能量进行限制和控制，使其防爆型式为本质安全型；

2、为保证传感器在煤矿井下恶劣环境中长期运行的稳定性与可靠性，本专利采取了如下技术措施：

（1）采用成熟的测量和参考双敏感元件检测补偿技术，对光路和光学***进行了补偿，消除光源波动、光路中光强度受干扰造成的影响；

（2）所述的温度补偿方法，消除受温度变化造成的影响；

（3）所述的金属网和过滤膜能阻隔水汽、粉尘进入气室；所述的气室加热，在传感器上电后，对气室进行干燥，气室中气体的“膨胀-收缩”，消除水汽、粉尘对光路、光学***及气室的影响；

（4）所述的气室内壁覆盖反光膜（镀金），除提高了光的反射效率外，也防止腐蚀性气体的腐蚀；

3、从电路与结构上，对传感器的防爆性能采取的技术措施：所述的光源调制控制电路，对光源的能量进行限制和控制，其防爆型式为本质安全型，即使光源发生故障或损坏，也不影响防爆性能；如果所述的光源调制控制电路也发生故障或损坏，所述的金属网，能起到隔爆作用，使传输到外界环境中能量受到限制；

4、气室是所述外壳和所述內筒体围成的空间，外壳内壁和內筒体外壁组成了曲面反射光学***，光经多次反射形成了检测气体的光路，气室与光学***为一体，没有光学聚光、分光***，气室结构简单、体积小、重量轻，加工、装配简便，按照光源、红外探测器等器件安装空间，以及检测气体组分的数量、分辨率、精度的要求，改变所述外壳和所述內筒体直径及高度，就增大或减小气室容量和光路光程，满足对气体检测的各种要求，优化传感器的结构与体积；

5、所述的窄带带通滤波放大电路的中心频率是与光源调制的频率一致，对此频率信号进行窄带滤波，输出红外敏感元件所接收红外辐射产生的电信号，从而，消除背景及其他噪声的干扰，即使此信号淹没在噪声中，窄带带通滤波放大电路也能输出此频率信号，具有很强的信号的处理能力和抗干扰能力；由一个低噪声的运算放大器组成窄带带通滤波放大电路，将滤波、放大、抗干扰等功能由一级电路完成，电路简单、可靠、调试方便、成本低、抗干扰能力强；

6、各部件经适当的配合，实现传感器同时进行多种气体浓度的检测：

（1）所述光源的红外辐射波段涵盖2～5μm、8～12μm、2～12μm和 2～20μm，包括所有待测气体吸收红外辐射的特征波长，光源的辐射光谱具有同时进行多种气体浓度检测的气体吸收红外辐射的特征波长；

（2）所述的红外探测器是多元热释电红外探测器，有多个红外敏感元件组成，每个红外敏感元件接收红外辐射的敏感面上安装有窄带干涉滤光片，窄带干涉滤光片起滤光的作用，只让相应的待测气体所要吸收的特征波长的红外辐射通过，只有待测气体特征吸收波长的红外辐射到达红外敏感元件，因此，能对各种类型气体测量进行选择；

（3）所述的内筒体用于安装红外探测器的空间，可根据红外探测器的体积和对气体测量精度进行调整，便于多个红外敏感元件组成的多元红外探测器的安装；

（4）所述气室形成的光学***，光路经气室侧壁反射，形成的光斑直接照射所述红外探测器，无需光学器件对所述光源发出光进行汇聚或分光，只经反射就到达所述红外探测器，适合多个敏感面的红外探测器对红外辐射的检测，从光路上可同时对多种气体进行检测；

7、所述的标定模式，对传感器的零点、量程、零点温度补偿系数和量程温度补偿系数进行标定，保证了传感器检测气体的准确性与精度；标定过程所有参数自动完成计算与存贮，操作简便，是一种创新性的传感器标定模式；

8、所述的信号采集、计算是依据正弦函数的特性和朗伯-比尔定律检测气体浓度的原理，对所述红外探测器的各个敏感元件输出经放大、滤波后的正弦波，一个周期内进行n次采样；与通常一个周期进行一次采样相比，本发明特征是一个周期内进行n次采样,在时间上相当于对n个周期进行了采样，在正弦函数波形的任意点采样都相当于选择在峰值处，从而，提高了信号采集的可靠度，增加了抗干扰能力，减小了采样时间，省去了微处理器延时、等待的时间，提高了程序运行效率，缩短传感器响应时间；

9、所述的零点温度补偿和量程温度补偿，对检测气体的任一浓度值都进行了温度补偿，避免了现有传感器没有温度补偿，或只对零点或几个取样点的温度补偿，是一种创新性的传感器温度补偿方法。

附图说明

图1为本产品的纵向剖视图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为图1 的组装图。

图4为图1的B-B剖视图。

图5为本产品信号处理电路的结构框图。

图6为光源调制驱动电路74的电路图。

图7为图6中光源调制驱动电路74加载在光源4上的电流与电压波形示意图。

图8窄带带通滤波放大电路71的电路图。

图9为本产品测量模式下的流程图。

图10为本产品标定模式下的流程图。

具体的实施方式

现结合附图详细说明本专利的技术特点。

参见图1，一种红外气体传感器，包括外壳1、內筒体2和电路组件；其中，在內筒体2的外部套有外壳1，在內筒体2的底部连接有电路组件；

参见图1和图3，所述外壳1为中空圆筒，在外壳1的顶端设有向内伸展的台阶11；所述台阶11呈环形；在台阶11的顶部罩覆有一层过滤膜12；所述过滤膜12为防水且通气的疏水性薄膜；在台阶11的底部罩有一层金属网13，所述金属网13为孔径为60～80目且厚度大于1mm的圆形不锈钢金属网，在金属网13的底面设有通气板14；所述通气板14为薄片金属盘状，在通气板14的边缘均布有贯穿孔15，贯穿孔15的数量在10到30个之间；即由过滤膜12、金属网13和通气板14将外壳1顶部的开口覆盖起来，如图4所示；

参见图2和图3，所述內筒体2为顶部封口的中空圆筒，在內筒体2的底部设有向外延伸的环形边21，在內筒体2的侧壁上设有一个进光口22，所述进光口22的开口角度α介于60～80°之间且与內筒体2等高；在环形边21上设有一个准三棱柱体，所述准三棱柱体由反射板23、挡光板24和弧形板26围绕而成，其中，反射板23与挡光板24相连处的棱角边与进光口22左侧的內筒体2侧壁相连接，弧形板26的底边与环形边21的一段边缘相重合；在靠近挡光板24的环形边21上设有一个通孔25；

参见图1，內筒体2的顶面与通气板14的底面紧密接触；內筒体2的环形边21与外壳1的内壁相接；环形边21与外壳1的连接处填充有环氧树脂密封；外壳1与内筒体2所围成的区域构成本红外气体传感器的气室9；即外界环境气体依次穿过过滤膜12、金属网13和通气板14的贯穿孔15后扩散并进入气室9；

所述电路组件包括底板3、光源4、红外探测器5、温度传感器6和信号处理电路7；所述底板3为金属圆板且与环形边21的外径等长；底板3的顶面与环形边21的底面相连接，即通过底板3将內筒体2下方的开口封住，如图1和图3所示；

参见图1和图2，在內筒体2所包围的底板3顶面的中央设有红外探测器5；在靠近红外探测器5的底板3顶面上设有温度传感器6；光源4设置在靠近挡光板24一侧的气室9端部，光源4的底部穿过通孔25后与底板3相连接，即光源4经通孔25伸至气室9内；信号处理电路7安置在底板3上，并通过导线将底板3顶面的红外探测器5、温度传感器6和光源4分别与信号处理电路7相连接；

所述信号处理电路7的控制端与光源4相连，向光源4输送周期性的电压；信号处理电路7的信号输入端分别与红外探测器5以及温度传感器6的信号输出端相连接；

参见图5，所述光源4在周期性电压的驱动下产生周期性的辐射光波；光源4产生的周期性辐射光波经气室9多次反射并穿过进光口22照射在红外探测器5上；光源4产生的周期性辐射光波一方面用作检测用的红外辐射光波，另一方面对气室9内的气体进行周期性的加热，促使气室9内的气体周期性地膨胀收缩，从而实现气室9内的气体与外壳1外部的环境气体快速地进行气体交换，形成了“呼吸性气室”；

所述红外探测器5将接收到的由光源4所产生周期性辐射光波，转化为与辐射光波相同周期的电信号后传递至信号处理电路7；

所述温度传感器6实时检测红外探测器5附近的温度并传递至信号处理电路7，供信号处理电路7对红外探测器5传回的电信号做温度补偿。

进一步地说，光源4所发出的辐射光波的光谱范围为可见光至红外波段。其中，红外辐射优选的波段范围是2～5μm、8～12μm、2～12μm和2～20μm；红外探测器5由2至16个红外敏感元件构成，其中1个红外敏感元件接收波长为3.9μm的红外辐射，余下的红外敏感元件的敏感面上均安装有窄带干涉滤光片，接收与窄带干涉滤光片相对应波长的红外辐射；光源4所发出的辐射光波经气室9的多次反射后，形成的光斑直接照射在红外探测器5的整个敏感面上，整个光路上不加设任何汇聚或分光的光学器件。

参见图5，所述信号处理电路7由窄带带通滤波放大电路71、模数转换电路72、微处理器73、光源调制驱动电路74和接口75组成；红外探测器5的每个红外敏感元件的信号输出端均与一个窄带带通滤波放大电路71相连接；每个窄带带通滤波放大电路71的信号输出端共同与模数转换电路72的多路模拟量输入端相连接；窄带带通滤波放大电路71将红外探测器5输出的电信号进行滤波、放大后传输至模数转换电路72，滤波、放大后的电压信号与微处理器73的驱动光源调制驱动电路74的信号具有相同的周期；温度传感器6的信号输出端与模数转换电路72的模拟量输入端相连接；模数转换电路72的数字量输出端与微处理器73的信号输入端相连接，即模数转换电路72将接收到的温度信号和每个红外敏感元件的电信号均转为数字信号后再输入给微处理器73进行处理；微处理器73依据接收到的数字量，进行分析处理、温度补偿、计算出待测气体的浓度；微处理器73的信号输出端与光源调制驱动电路74的信号输入端相连接；微处理器73负责产生周期性的控制信号，所述周期性的控制信号为方波；光源调制驱动电路74将接收到的周期性控制信号转换成电压加载在光源4上，令光源4产生周期性的辐射光波，该辐射光波经气室9侧壁反射和气室9中待测气体吸收后，照射在红外探测器5的光敏面上，转换成电信号；微处理器73与接口75相连接，通过接口75实现微处理器73与远程上位机的连接。

进一步地说，红外探测器5内每一个红外敏感元件均与一个窄带带通滤波放大电路71相连接；每一个窄带带通滤波放大电路71共同与一个模数转换电路72多路模拟量输入端相连接；参见图8，窄带带通滤波放大电路71由第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2和运算放大器OP组成；其中，在运算放大器OP的输出端与负输入端之间并联有第一电阻R1和第一电容C1；运算放大器OP的负输入端与第二电阻R2的一端相连接，第二电阻R2的另一端与第二电容C2的一端相连接；第二电容C2的另一端与红外探测器的供电电源负端相连接；运算放大器OP的正输入端与红外敏感元件的输出端相连接；运算放大器OP的输出端与模数转换电路72相连接；窄带带通滤波放大电路71的传输函数是：

            （I）

通过对式（I）中电阻R1、R2、电容C1、C2的参数调节，实现对窄带带通滤波放大电路71中心频率f₀、带宽f_w、放大倍数A₀、品质因数Q的控制。

以光源4发光频率为4Hz为例，说明窄带带通滤波放大电路71所述参数的实现：

与光源4调制频率相对应，窄带带通滤波放大电路71中心频率f₀=4Hz；带宽尽量窄，以尽可能的滤除不是4Hz的干扰信号，选带宽f_w=8Hz；为防止放大电路自激振荡的产生和将带宽以下的幅频特性急剧下降，滤波器的品质因数Q<1；

按照所述传输函数H(s)进行计算，可得到电阻R1、R2、电容C1、C2的参数来满足窄带带通滤波放大电路71的参数要求，表1所示，是给出了几组典型的参数值：

表1  窄带带通滤波放大电路71的参数调节

在中心频率f₀、带宽f_w、品质因数Q不变下，可调节电阻R1、R2来达到窄带带通滤波放大电路71放大倍数的要求。

进一步地说，光源4为低频电调制宽带红外光源，红外辐射波段涵盖2～5μm、8～12μm、2～12μm和 2～20μm，灯芯为钨丝或热电阻薄膜，通电后发热，产生的红外辐射；

参见图6，光源调制驱动电路74由光源4、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、三极管VT1和场效应管VT2组成；其中，场效应管VT2的源极连接电源地，场效应管VT2的源极与场效应管VT2的漏极通过第六电阻R6相连接，场效应管VT2的漏极连接第五电阻R5，场效应管VT2的门极分别与第四电阻R4的一端、三极管VT1的发射极相连接，第四电阻R4的另一端连接电源VCC，三极管VT1集电极与场效应管VT2的源极相连接，三极管VT1的基极与第三电阻R3的一端相连接，第三电阻R3的另一端与微处理器73相连接；在第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的另一端之间串联有光源4；即电源VCC提供的电流依次流经光源4、第五电阻R5、第六电阻R6和场效应管VT2，实现对光源4的供电，微处理器73产生的周期性控制信号依次经过第三电阻R3、三极管VT1和场效应管VT2，驱动光源4周期性地发出辐射光波；钨丝通入电流加热，温度升高，随着温度的升高，钨丝电阻值增加，没有电流通过时的电阻叫做冷阻，当有电流通过时，电阻将升高，叫做热阻；钨丝冷阻很小，如果光源4从冷阻状态点亮，这个过程会产生很大的冲击电流；光源调制驱动电路74将加载一定的电流在光源4上，避免了光源4从冷阻状态点亮；

场效应管VT2截止时，电源VCC经光源4、电阻R5、R6到达电源地，通过调节电阻R6可设定通过光源4电流值，决定光源4调制深度，也就是在场效应管VT2截止时，光源4中通入电流，避免光源4冷阻状态点亮时，对电源VCC的冲击；

场效应管VT2是个低导通电阻的N沟道MOSFET，导通电阻仅零点几欧姆；场效应管VT2导通时，电源VCC经光源4、电阻R5、场效应管VT2及并联于场效应管VT2的漏、源极电阻R6到达电源地，通过调节电阻R5设定通过光源4电流值，决定光源4产生的辐射光波的强度。

参见图7，光源4调制频率为4Hz（周期0.25s）；场效应管VT2截止时，通过调节电阻R6，光源4电流为10mA，此时光源4未点亮；场效应管VT2导通时，通过调节电阻R5，光源4电流为60mA，此时光源4点亮；通常采用的光源调制驱动电路，在光源未点亮时，光源调制驱动电路加载的电流是0，这样，光源就在冷阻状态下点亮，对供电电源产生很大的冲击电流，这对于煤矿井下本质安全电源供电造成不利影响，使传感器不能上电或工作不正常。

三极管VT1一是用于保护场效应管VT2，防止场效应管VT2损坏，二是将微处理器73输出的控制信号与光源4供电电源VCC进行隔离，防止相互干扰。

此外，传感器防爆性能由光源调制驱动电路74及金属网13来实现；

光源调制驱动电路74控制提供给光源4的电流或限制能量，使光源4及信号处理电路7符合GB3836.4本质安全的要求；在光源调制驱动电路74安全保护失效的情况下，金属网13应保证达到阻火、防爆的功能要求，从而实现传感器防爆功能，能用于***危险性环境检测待测气体的浓度；另外，过滤膜12保证气室与外界交换气体，不让水汽进入气室，实现传感器的防水功能，可在有水汽、高湿度环境中使用。

参见图9，采用本发明所提供的红外气体传感器按如下步骤进行气体的测量：

测量步骤一，初始化；微处理器73输出周期性控制信号，所述周期性控制信号为方波，光源4就周期性地发出辐射光波，辐射光波所产生的热量对气室内气体进行周期性地加热，促使气室内气体进行“膨胀-收缩”的循环，与外界环境进行充分的气体交换，对气室9进行干燥、清洁；传感器上电后，场效应管VT2截止，光源4经电阻R6流过较小电流，以避免光源4由冷阻上电时，出现大电流冲击；约5秒后，微处理器73输出周期性控制信号，光源4就周期性地发出辐射光波，其热量同时对气室9进行周期性加热，使气室内气体进行“膨胀-收缩”循环，与外界环境进行充分的气体交换，也起到了除湿、除尘的功能，加热约1分钟；微处理器73对存贮器内各标定参数进行读写并检查；

测量步骤二，信号采集；微处理器73输出采样信号的通道编码及指令，模数转换电路72接收指令，开启对应的通道，分别对温度、各点电压、红外探测器5输出信号进行采集并转换为数字信号；对红外探测器5的各个敏感元件输出经放大、滤波后的正弦波，在周期性控制信号使光源4中电流由大变小后，进行128～1024次采样； 

测量步骤三，计算；对温度、各点电压、红外探测器5输出，在信号采集空闲时进行计算，具体的是在周期性控制信号使光源4中电流由小变大后进行计算；

温度、电压是直流信号，多次采样后，经算术平均计算就可；

红外探测器5内各个敏感元件的输出信号经窄带带通滤波放大电路71后均为正弦波，通常的做法是在一个周期进行一次采样，且在该正弦波的峰值处，尽管这种采样值的幅度大，但由于只进行了一次采样，实际采集信号的可靠性和抗干扰能力较差；本发明专利依据正弦函数的特性和朗伯-比尔定律检测气体浓度的原理，在周期性控制信号使光源4中电流由大变小后，进行多次采样（128～1024次的采样）并按式(II)计算： 

                    (II) 

式(II)中：u_m为某一待测气体吸收红外辐射能量后的模拟正弦波测量值，u_r为所有待测气体均不吸收红外辐射能量后的模拟正弦波参考值，U_m为测量值u_m的峰值，U_r为参考值u_r的峰值，u_m/u_r代表待测气体浓度的数值，是测量值与参考值正弦函数波形的峰值比，n是一个周期进行采样次数，n的取值范围在128～1024之间；与通常一个周期进行一次采样相比，本发明特征是一个周期内进行n次采样,在时间上相当于对n个周期进行了采样，在正弦函数波形的任意点采样都相当于选择在峰值处，从而，提高了信号采集的可靠度，增加了抗干扰能力，减小了采样时间，省去了微处理器73延时、等待的时间，提高了程序运行效率，缩短传感器响应时间；u_m/u_r与待测气体浓度c的关系遵循朗伯-比尔定律：

                               (III)

式(III)中：a和b均为常数，存贮在微处理器73的存贮器内，由此可计算待测气体浓度c；

测量步骤四，自检；温度、各点电压、红外探测器5输出等检测值与微处理器73存贮的正常数值相比较，判断是否存在故障，故障时，输出故障类型代码；

将检测到电源电压、光源4的电压以及各监测点的电压与微处理器73存贮的正常数值相比较，可判断电源电压超高或超低、光源4开路或短路或损坏、电路的故障点；故障时，接口75输出电源或光源或电路的故障类型代码；

诊断温度是否在正常范围内，从而判断温度传感器6开路或短路或损坏；故障时，接口75输出温度的故障类型代码；

检测红外探测器5传递来的测量信号是否在待测气体的正常范围内，从而判断红外探测器5工作是否正常、光学***及光路是否正常，故障时，接口75输出红外探测器及光路的故障类型代码；通过检测到红外探测器5的不正常值向正常范围靠近，以判断气室9中正进行水汽等污染的处理，接口75输出气室清洁代码，气室9经加热并与环境进行了充分的气体交换，气室干燥、除尘后，就可进入正常工作状态； 

传感器自检无故障的情况下，自动进入测量模式；

测量步骤五，温度补偿；对计算气体的浓度参数进行的温度补偿包括零点温度补偿和量程温度补偿两个步骤，随后获得温度补偿后气体浓度值；

步骤三中式(III)所述的计算浓度c，是在传感器工作温度范围内（如：传感器工作温度为0～40℃），温度为T₀（如：T₀=13℃）的情况下进行的，由于测量值与参考值u_m、u_r受温度影响，通过温度传感器6获取实时的温度，进行温度补偿，可准确地测量待测气体的浓度；温度补偿有零点温度补偿和量程温度补偿；在实时温度T_t（如：T_t=33℃）时，对式(III)中a值的补偿就是零点温度补偿：

                  (IV) 

式(IV)中：k₀是零点温度补偿系数，a是温度T₀时存贮在微处理器73存贮器中的值，a_t是实时温度T_t时补偿值；

在实时温度T_t（如：T_t=33℃）时，对式(III)中u_m/u_r值的补偿就是量程温度补偿：

                  (V) 

式(V)中：k_s是量程温度补偿系数，a_t是实时温度T_t时补偿值，b是温度T₀时存贮在微处理器73存贮器中的值，u_m/u_r是实时温度T_t时实测值，c是经温度补偿后要计算的待测气体的浓度值；

测量步骤六，将经过步骤五的温度补偿后的气体浓度值转换成模拟量或数字量信号，经接口75传输。

由式(V)计算得到的浓度c，即为经温度补偿后的所测量到的待测气体浓度；气体浓度按照相应的标准或制式，转换成模拟量或数字量信号，经接口75进行有线或无线传输。

参见图10，对于本传感器测量方法中，微处理器73存贮器内的零点标定常数a、量程标定常数b、标定时的温度T₀、零点温度补偿系数k₀、量程温度补偿系数k_s的值是由本传感器产品在标定模式下经计算得到的，其标定模式进行标定的方法按如下步骤进行：

标定步骤一，零点标定；

红外气体传感器在标定温度T₀条件下，往气室9中通入氮气（即待测气体浓度c=0）,直至气室9完全充满氮气，测量出每个红外敏感元件的待测气体吸收红外辐射能量后的模拟正弦波测量值u_m和待测气体均不吸收红外辐射能量后的模拟正弦波参考值u_r，并按公式(III)计算得到零点常数a的值，存入微处理器73存贮器内，温度传感器6测量到的温度T₀值也存入微处理器73存贮器内； 

标定步骤二，量程标定；

在标定步骤一同样的温度T₀时，往气室9中通入浓度为最大量程值的待测气体的标准气样，直至气室9完全充满该待测气体的标准气样，测量出每个红外敏感元件在该待测气体的标准气样下的吸收红外辐射能量后的模拟正弦波测量值u_m和在该待测气体的标准气样下的不吸收红外辐射能量后的模拟正弦波参考值u_r的值，按公式(III)计算得到b的值，存入微处理器（73）存贮器内；

标定步骤三，零点温度补偿系数标定；

令温度传感器6的环境温度上升或下降到T_t，再次往气室9中通入氮气（即待测气体浓度c=0），直至气室9完全充满氮气，测量计算得出u_m/u_r的值，即温度为T_t时的零点常数a_t值，由测量步骤五中的零点温度补偿公式(IV)，计算出k₀值，存入微处理器73存贮器内；

标定步骤四，量程温度补偿系数标定；

继续将温度传感器6的环境温度保持在T_t状态下，往气室9中通入温度为T_t、浓度为最大量程值的待测气体的标准气样，测量计算得出u_m/u_r的值，由测量步骤五中的量程温度补偿公式(V)计算得到k_s的值并存入微处理器73存贮器内，待测量时调用；传感器标定完成后，返回测量模式。

Claims (8)

1.一种红外气体传感器，包括外壳（1）、內筒体（2）和电路组件；其中，在內筒体（2）的外部套有外壳（1），在內筒体（2）的底部连接有电路组件；其特征在于：所述外壳（1）为中空圆筒，在外壳（1）的顶端设有向内伸展的台阶（11）；所述台阶（11）呈环形；在台阶（11）的顶部覆盖有一层过滤膜（12）；在台阶（11）的底部罩有一层金属网（13），金属网（13）的底面与通气板（14）相连接；所述通气板（14）为薄片金属盘状，在通气板（14）上均布有一圈贯穿孔（15）；即由过滤膜（12）、金属网（13）和通气板（14）将外壳（1）的顶部开口覆盖起来；所述內筒体（2）为顶部封口的中空圆筒，在內筒体（2）的底部设有向外延伸的环形边（21），在內筒体（2）的侧壁上设有一个进光口（22）；在环形边（21）上设有一个准三棱柱体，所述准三棱柱体由反射板（23）、挡光板（24）和弧形板（26）围绕而成，其中反射板（23）与挡光板（24）相连处的棱角边与进光口（22）左侧的內筒体（2）侧壁相连接，弧形板（26）的底边与环形边（21）的一段边缘相重合；在靠近挡光板（24）的环形边（21）上设有一个通孔（25）；

內筒体（2）的顶面与通气板（14）的底面紧密接触；內筒体（2）的环形边（21）与外壳（1）的内壁相接；在环形边（21）与外壳（1）的连接处填充有环氧树脂密封；外壳（1）与内筒体（2）所围成的区域构成本红外气体传感器的气室（9）；即外界环境气体依次穿过过滤膜（12）、金属网（13）和通气板（14）的贯穿孔（15）后扩散并进入气室（9）；

所述电路组件包括底板（3）、光源（4）、红外探测器（5）、温度传感器（6）和信号处理电路（7）；所述底板（3）为金属圆板且与环形边（21）的外径等长；底板（3）与环形边（21）的底面相连接，即通过底板（3）将內筒体（2）下方的开口封住；

在底板（3）顶面的中央设有红外探测器（5）；在靠近红外探测器（5）的底板（3）顶面上设有温度传感器（6）；光源（4）设置在靠近挡光板（24）一侧的气室（9）端部，光源（4）的底部穿过通孔（25）后与底板（3）相连接；信号处理电路（7）安置在底板（3）上，并通过导线将红外探测器（5）、温度传感器（6）和光源（4）分别与信号处理电路（7）相连接；

所述信号处理电路（7）的控制端与光源（4）相连，向光源（4）输送周期性的电压；信号处理电路（7）的信号输入端分别与红外探测器（5）以及温度传感器（6）的信号输出端相连接；

所述光源（4）在周期性电压的驱动下产生周期性的辐射光波；光源（4）产生的周期性辐射光波经气室（9）反射后并穿过进光口（22）照射在红外探测器（5）上；光源（4）产生的周期性辐射光波对气室（9）内的气体进行周期性的加热，促使气室（9）内的气体周期性地膨胀收缩，从而实现气室（9）内的气体与外壳（1）外部的环境气体快速地进行气体交换，形成了“呼吸性气室”；

红外探测器（5）将接收到的周期性辐射光波，转化为与辐射光波相同周期的电信号后传递至信号处理电路（7）；

温度传感器（6）实时检测红外探测器（5）附近的温度并传递至信号处理电路（7），供信号处理电路（7）对红外探测器（5）传回的电信号做温度补偿。

2.根据权利要求1所述的一种红外气体传感器，其特征在于，光源（4）所发出的辐射光波的光谱范围为可见光至红外波段；红外探测器（5）由2至16个红外敏感元件构成，其中1个红外敏感元件接收波长为3.9μm的红外辐射，余下的红外敏感元件的敏感面上均安装有窄带干涉滤光片且接收与窄带干涉滤光片相对应波长的红外辐射；光源（4）所发出的辐射光波经气室（9）的多次反射后形成的光斑直接照射在红外探测器（5）的整个敏感面上，整个光路上不加设任何汇聚或分光的光学器件。

3.如权利要求1所述的一种红外气体传感器，其特征在于，所述信号处理电路（7）由窄带带通滤波放大电路（71）、模数转换电路（72）、微处理器（73）、光源调制驱动电路（74）和接口（75）组成；

红外探测器（5）的每个红外敏感元件的信号输出端均与一个窄带带通滤波放大电路（71）相连接；每个窄带带通滤波放大电路（71）的信号输出端共同与模数转换电路（72）的多路模拟量输入端相连接；窄带带通滤波放大电路（71）将红外探测器（5）输出的电信号进行滤波、放大后传输至模数转换电路（72），滤波、放大后的电压信号与微处理器（73）的驱动光源调制驱动电路（74）的信号具有相同的周期；

温度传感器（6）的信号输出端与模数转换电路（72）的模拟量输入端相连接；

模数转换电路（72）的数字量输出端与微处理器（73）的信号输入端相连接，即模数转换电路（72）将接收到的温度信号和每个红外敏感元件的电信号均转为数字信号后再输入给微处理器（73）进行处理；微处理器（73）依据接收到的数字量，进行分析处理、温度补偿、计算出待测气体的浓度；

微处理器（73）的信号输出端与光源调制驱动电路（74）的信号输入端相连接；微处理器（73）负责产生周期性的控制信号，所述周期性的控制信号为方波；光源调制驱动电路（74）将接收到的周期性控制信号转换为同周期的驱动电压加载在光源（4）上，令光源（4）产生周期性的辐射光波，该辐射光波经气室（9）侧壁反射和气室（9）中待测气体吸收后，照射在红外探测器（5）的光敏面上，转换成电信号；

微处理器（73）与接口（75）相连接，通过接口（75）实现微处理器（73）与远程上位机的连接。

4.根据权利要求1所述的一种红外气体传感器，其特征在于，红外探测器（5）内每一个红外敏感元件均与一个窄带带通滤波放大电路（71）相连接；每一个窄带带通滤波放大电路（71）共同与一个模数转换电路（72）的多路模拟量输入端相连接；

窄带带通滤波放大电路（71）由第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2和运算放大器OP组成；其中，在运算放大器OP的输出端与负输入端之间并联有第一电阻R1和第一电容C1；运算放大器OP的负输入端与第二电阻R2的一端相连接，第二电阻R2的另一端与第二电容C2的一端相连接；第二电容C2的另一端与红外探测器（5）的供电电源负端相连接；运算放大器OP的正输入端与红外敏感元件的输出端相连接；运算放大器OP的输出端与模数转换电路（72）相连接；窄带带通滤波放大电路（71）的传输函数是：

通过对电阻R1、R2、电容C1、C2的参数调节，实现对窄带带通滤波放大电路（71）中心频率f₀、带宽f_w、放大倍数A₀、品质因数Q的控制。

5.根据权利要求1所述的一种红外气体传感器，其特征在于，光源（4）的灯芯为钨丝或热电阻薄膜；在通电状态下，光源（4）发热并产生红外辐射；

光源调制驱动电路（74）由光源（4）、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、三极管VT1和场效应管VT2组成；其中，场效应管VT2的源极连接电源地，场效应管VT2的源极与场效应管VT2的漏极通过第六电阻R6相连接，场效应管VT2的漏极连接第五电阻R5，场效应管VT2的门极分别与第四电阻R4的一端、三极管VT1的发射极相连接，第四电阻R4的另一端连接电源VCC，三极管VT1集电极与场效应管VT2的源极相连接，三极管VT1的基极与第三电阻R3的一端相连接，第三电阻R3的另一端与微处理器（73）相连接；在第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的另一端之间串联有光源（4）；即电源VCC提供的电流依次流经光源（4）、第五电阻R5、第六电阻R6和场效应管VT2，实现对光源（4）的供电，微处理器（73）产生的周期性控制信号依次经过第三电阻R3、三极管VT1和场效应管VT2，驱动光源（4）周期性地发出辐射光波；

钨丝通入电流加热，温度升高，随着温度的升高，钨丝电阻值增加，没有电流通过时的电阻叫做冷阻，当有电流通过时，电阻将升高，叫做热阻；钨丝冷阻很小，如果光源（4）从冷阻状态点亮，这个过程会产生很大的冲击电流；光源调制驱动电路（74）将加载一定的电流在光源（4）上，避免了光源（4）从冷阻状态点亮；

场效应管VT2截止时，电源VCC经光源（4）、电阻R5、R6到达电源地，通过调节电阻R6可设定通过光源（4）电流值，决定光源（4）调制深度，也就是在场效应管VT2截止时，光源（4）中通入电流，避免光源（4）冷阻状态点亮时，对电源VCC的冲击；

场效应管VT2是个低导通电阻的N沟道MOSFET，导通电阻仅零点几欧姆；场效应管VT2导通时，电源VCC经光源（4）、电阻R5、场效应管VT2及并联于场效应管VT2的漏、源极电阻R6到达电源地，通过调节电阻R5设定通过光源（4）电流值，决定光源（4）产生的辐射光波的强度；

三极管VT1一是用于保护场效应管VT2，防止场效应管VT2损坏，二是将微处理器（73）输出的控制信号与光源（4）供电电源VCC进行隔离，防止相互干扰。

6.根据权利要求2所述的一种红外气体传感器，其特征在于，红外辐射的波长范围为2～5μm、8～12μm、2～12μm和2～20μm。

7.采用如权利要求1所述红外气体传感器的检测方法；其特征在于，

测量步骤一，初始化；微处理器（73）输出周期性控制信号，所述周期性控制信号为方波，光源（4）就周期性地发出辐射光波，辐射光波所产生的热量对气室内气体进行周期性地加热，促使气室内气体进行“膨胀-收缩”的循环，与环境进行充分的气体交换，对气室（9）进行干燥、清洁；

测量步骤二，信号采集；微处理器（73）输出采样信号的通道编码及指令，分别对温度、各点电压、红外探测器（5）输出信号进行采集并转换为数字信号；对红外探测器（5）的各个敏感元件输出经放大、滤波后的正弦波，在周期性控制信号使光源（4）中电流由大变小后，进行128～1024次采样；

测量步骤三，计算；对温度、各点电压、红外探测器（5）输出，在信号采集空闲时进行计算，具体的是在周期性控制信号使光源（4）中电流由小变大后进行计算；其中，红外探测器（5）内各个敏感元件的输出信号经窄带带通滤波放大电路（71）处理后为正弦波，在一个正弦波内进行采样，并按如下公式进行计算：

式中，u_m为待测气体吸收红外辐射能量后的模拟正弦波测量值，u_r为所有待测气体均不吸收红外辐射能量后的模拟正弦波参考值，U_m为测量值u_m的峰值，U_r为参考值u_r的峰值，u_m/u_r代表某一待测气体浓度的数值，是测量值与参考值正弦函数波形的峰值比，n为一个周期内采样次数，n的取值在128～1024之间；

测量步骤四，自检；将计算所得温度、各点电压、红外探测器（5）输出等数值与微处理器（73）存贮的正常数值相比较，判断是否存在故障，故障时，输出故障类型代码；

测量步骤五，温度补偿；对计算气体的浓度参数进行的温度补偿包括零点温度补偿和量程温度补偿两个步骤，随后获得温度补偿后气体浓度值；

其中，在实时温度T_t时，零点温度补偿的公式是：

，式中，k₀是零点温度补偿系数，a是温度T₀时存贮在微处理器（73）存贮器中的值，a_t是实时温度T_t时补偿值；

在实时温度T_t时，量程温度补偿的公式是：

，式中，k_s是量程温度补偿系数，a_t是实时温度T_t时补偿值，b是温度T₀时存贮在微处理器（73）存贮器中的值，u_m/u_r是实时温度T_t时实测值，c是经温度补偿后要计算的待测气体的浓度值；

测量步骤六，将经过步骤五的温度补偿后的气体浓度值转换成模拟量或数字量信号，并经接口（75）传输。

8.采用如权利要求7所述的红外气体传感器的检测方法；其特征在于，在检测之前，对红外气体传感器的零点常数a和量程常数b、零点温度补偿系数k₀和量程温度补偿系数k_s进行标定并存入微处理器（73）存贮器内，待测量时调取并使用；具体的标定的方法按如下步骤进行：

标定步骤一，零点标定；

红外气体传感器在标定温度T₀条件下，往气室（9）中通入氮气，直至气室（9）完全充满氮气，测量出每个红外敏感元件的待测气体吸收红外辐射能量后的模拟正弦波测量值u_m和待测气体均不吸收红外辐射能量后的模拟正弦波参考值u_r，并按公式

计算得到零点常数a的值，存入微处理器（73）存贮器内，温度传感器（6）测量到的温度T₀值也存入微处理器（73）存贮器内； 

标定步骤二，量程标定；

在标定步骤一同样的温度T₀时，往气室（9）中通入浓度为最大量程值的待测气体的标准气样，直至气室（9）完全充满该待测气体的标准气样，测量出每个红外敏感元件在该待测气体的标准气样下的吸收红外辐射能量后的模拟正弦波测量值u_m和在该待测气体的标准气样下的不吸收红外辐射能量后的模拟正弦波参考值u_r的值，按标定步骤一的公式计算得到b的值，存入微处理器（73）存贮器内；

标定步骤三，零点温度补偿系数标定；

令温度传感器（6）的环境温度上升或下降到T_t，再次往气室（9）中通入氮气，直至气室（9）完全充满氮气，测量计算得出u_m/u_r的值，即温度为T_t时的零点常数a_t值，由测量步骤五中的零点温度补偿公式

，计算出k₀值，存入微处理器（73）存贮器内；

标定步骤四，量程温度补偿系数标定；

继续将温度传感器（6）的环境温度保持在T_t状态下，往气室（9）中通入温度为T_t、浓度为最大量程值的待测气体的标准气样，测量计算得出u_m/u_r的值，由测量步骤五中的量程温度补偿公式

计算得到k_s的值并存入微处理器（73）存贮器内，待测量时调用。

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