CN106990065B - 一种用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器 - Google Patents

一种用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器，包括敏感探头、信号调理电路和控制电路；敏感探头包括检测气室、红外光源、聚光片、M个滤光片阵列、红外探测器阵列和旋转盘；检测气室包括框架和安装在框架内壁面的反射镜，支架的中心设有支柱，支柱的顶端与旋转盘相连接；信号调理电路包括信号放大器、与信号放大器输出端相连接的信号滤波器和信号滤波器输出端相连接的功率放大器，信号放大器的输入端与红外探测器的输出端相连接；控制电路包括与功率放大器输出端相连接的AD转换器、与AD转换器输出端相连接的信号隔离器和单片机。本发明体积小、功耗低、性能好、集成化高，可以用于测量多个地区和多种红外气体。

Description

一种用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器
技术领域
本发明涉及一种用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器，属于气体传感器技术领域。
背景技术
气体检测技术在生活及生产的应用范围越来越广泛，具体集中在矿井勘测、大气污染监测、化工产业监测、废水处理装置等方面。矿井勘测包括勘探到石油和煤气、运输、储存和精炼，都会产生大量易燃和有毒气体，所以气体检测常应用在勘探钻井、生产平台、煤气末站等场合；如今空气污染严重，气体检测技术能够及时准确地监测人类生存环境的空气质量指数，并提供城市空气污染情况预报；化工厂是气体探测设备最大的用户之一，在其生产过程中，会产生各式各样的易燃性和毒性气体，所以气体检测技术常被应用在工艺区、实验室等；废水处理装置在很多城市和乡镇都很常见，污水里含有甲烷和硫化氢，硫化氢气体能够通过气体检测技术被控制。因此，人们对气体传感器的发展越来越重视。
目前，气体传感器根据气敏材料及作用效应可分为半导体气体传感器、电化学气体传感器、固体电解质气体传感器、催化燃烧式气体传感器、光学气体传感器等。半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点，但是其必须在高温下工作，稳定性差、功率高；电化学气体传感器分为不需供电的原电池式和需要供电的可控电位电解式，可以检测许多有毒气体和氧气，主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性，不足之处是有寿命短(一般为两年)。固态电解质气体传感器是介于半导体和电化学之间的一种气体传感器，其选择性和灵敏度都高于半导体，并且寿命较长，因此能够应用到很多方面，它的缺点是响应时间过长。催化燃烧式传感器属于高温气体传感器，优点是结构简单、生产制造成本低，传感器输出不受水蒸气的影响，对环境的温湿度影响不敏感，其缺点是寿命比较低，工作温度较高(内部可达700℃～800℃)，在缺氧环境下检测指示值误差较大。光学式气体传感器主要以红外吸收型为主，由于不同气体对红外波吸收程度不同，通常都是通过测量红外吸收波长来检测气体，目前因为它的结构关系一般造价颇高。
然而，常用的红外吸收型气体传感器在气体探测过程中，往往只能对单一气体浓度进行探测，而对于多种气体的测量，需要利用傅里叶分析仪和多个不同波长的半导体激光器，或者切换多个滤波器，才能够完成，其探测***不仅结构复杂，而且体积庞大。另外，现有的红外吸收型气体传感器无法做到对不同地方进行测量，此外这些传感器难以集成化、成本十分高，导致无法完全市场化。所以市场更加需要技术成熟，成本低廉，更加实用的气体传感器，有鉴于此，有必要对现有的红外气体传感器予以改进以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种体积小功耗低、性能好、集成化高的用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器，该传感器采用旋转盘的形式，控制旋转盘以达到切换滤光片阵列来检测不同地区的多气体浓度，通过分析特定波长下红外光强度的变化来测定不同气体的浓度，精度高，温漂小。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的一种用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器，包括敏感探头、信号调理电路和控制电路；所述敏感探头包括检测气室、安装在检测气室一端的红外光源、设置在红外光源发射端的聚光片、M个滤光片阵列、红外探测器阵列和旋转盘，所述检测气室上设有进气口和出气口，所述旋转盘上设有多个标识符，每个所述标识符内置不同阻值的电阻，当所述旋转盘转动至设定的标识符时，所述旋转盘上的旋转盘引线接入到单片机中；检测气室包括框架和安装在框架内壁面的反射镜，所述滤光片阵列、红外探测器阵列和旋转盘依次设置在红外光源出射端的框架上；所述滤光片阵列包括N个滤光片和用于连接滤光片的支架，所述红外探测器阵列包括N个红外探测器；所述支架的中心设有支柱，所述支柱的顶端与旋转盘相连接；信号调理电路包括信号放大器、与信号放大器输出端相连接的信号滤波器和信号滤波器输出端相连接的功率放大器，所述信号放大器的输入端与红外探测器的输出端相连接；控制电路包括与功率放大器输出端相连接的AD转换器、与AD转换器输出端相连接的信号隔离器和单片机；旋转盘的输出端和信号隔离器的输出端均与单片机的输入端相连接,其中，M、N均为正整数。
上述滤光片阵列具体设有三条，每条滤光片阵列具体设有四个滤光片；且每条所述滤光片阵列均以中心点为交叉点，相邻两条滤光片阵列之间的夹角为60°。
每个所述滤光片的长度和相邻两个滤光片间间隔的长度相等。
每条所述滤光片阵列中的三个滤光片为探测滤光片，另一个滤光片为对比滤光片。
M个所述滤光片阵列安装在圆盘上，所述圆盘正对检测气室的一面为反射面。
转动所述旋转盘，当所述标识符上箭头方向与框架上对准标志符对齐时，每个所述红外探测器正对一个滤光片。
上述红外光源具体采用的是LED红外光源，其波长范围为1～20μm。
上述聚光片具体采用的是光学玻璃LED聚光透镜，用于将红外光源发出的红外光汇聚成一束平行光。
上述滤光片具体采用的是带通滤光片；所述红外探测器具体采用的是热释电红外传感器。
上述AD转换器采用的是AD7195；所述信号隔离器采用的是ADuM5401数字隔离器；所述单片机采用的是STM32F407。
(1)本发明涉及的多地区测量红外气体传感器，采取阵列的形式，对比分析多个特征波长红外光的强度差别来计算多种气体的浓度，集成化程度高。
(2)本发明涉及的多地区测量红外气体传感器，采取反射的形式，增加光程，使得特定波段的红外光光强变化更为明显。
(3)本发明涉及的多地区测量红外气体传感器，采取旋转盘的形式，仅需通过控制旋转盘，来更换滤光片阵列，就可测量不同地区的多气体浓度。
(4)本发明涉及的多地区测量红外气体传感器，采用对比的形式，通过对比分析检测气体的红外吸收峰光强与对比滤光片所对应的红外光强度，使检测结果更精确。
(5)本发明涉及的多地区测量红外气体传感器，工艺简单、成本低，于CMOS工艺兼容，可将信号的检测、调理和处理电路集成在一起，符合传感器小型化、阵列化、智能化的发展趋势。
附图说明
图1是本发明的传感器剖面图；
图2是本发明的滤光片阵列图；
图3是本发明的旋转盘图；
图4是本发明的红外探测器阵列图；
图5是本发明的电路测试***结构图；
图中各标号：1.红外光源，2.聚光片，3.进气口，4.框架，5.检测气室，6.红外探测器，7.红外探测器引线，8.旋转盘，9.反射镜，10.滤光片，11.支架，12出气口，13.旋转盘引线，14.标识符，15.对准标志符。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1至图5，本实施例中，红外气体传感器包括依次连接的交流电源、敏感探头、信号调理电路以及控制电路。
敏感探头包括红外光源1、聚光片2、进气口3、框架4、检测气室5、红外探测器6、红外探测器引线7、旋转盘8、反射镜9、滤光片10、支架11、出气口12、旋转盘引线13、标识符14、对准标识符15。
检测气室5与红外光源1的凹槽端设有进气口3，检测气室5的右端设有出气口12。红外光源1安装在检测气室5的左端，且红外光源1出射端的框架4为圆柱结构，使得出射的光尽量为平行光。
红外光源1通以电流后向外辐射波长范围在1～20μm的红外光，经过聚光片2后汇聚成一束平行光，再在检测气室5中多次反射到达滤光片阵列。
其中，红外光源1为LED红外光源，该光源通以电流后。向外辐射宽谱红外光，其波长范围在1～20μm，满足仪器对红外光波长范围的需要。
其中，聚光片2为光学玻璃LED聚光透镜，该透镜将LED红外光源发出的发散式的红外光汇聚成一束平行光。
其中，检测气室5为长方体结构，且气室内壁面均设反射镜9，由红外光源1发出经聚光片2汇聚的平行光在检测气室5内来回多次反射后到达滤光片10。
其中，滤光片10采用阵列的形式，将滤光片10布置在一个圆盘上，分为三条滤光片阵列，每条阵列设有四个滤光片10，且每个滤光片10的长度和滤光片10间间隔的长度相等，使得反射到滤光片10上的再反射后刚好到达下一个滤光片10，每个间隔段都用支架11连接着，每条阵列均以其中心点为交叉点，每条阵列的夹角为60°。
其中，每条滤光片阵列中三个滤光片10为探测滤光片，另一个为对比滤光片，即探测滤光片可以通过对应的三种气体的一个红外吸收峰，对比滤光片可以通过一个波段的红外光，此红外光不被气体所吸收。
其中，三条滤光片阵列所在的圆盘其他部位为金属材料，此材料正对气室的一面为反射面。
其中，滤光片10为带通滤光片，该滤光片10透过一种所需检测波长的红外光，反射其他波段的红外光。
其中，滤光片阵列排布的圆盘中心连接着一根支柱，支柱上端连接着旋转盘8，用来旋转控制滤光片阵列。
其中，红外探测器6采用阵列的形式，将四个探测器固定在气室上部框架4上，每个探测器正对一个滤光片10。
其中，红外探测器6为热释电。
其中，红外光源1发出的红外光穿过检测气室5后，经滤光片10后出射到红外探测器6中，并依所穿过的气室内气体的成分和浓度形成不同特征的透射光谱，透射光谱上吸收峰强度的变化则体现了气体的浓度，再用AD转换器将电流信号转换为数字信号，依据信号变化的大小来计算气体的浓度。
其中，AD转换器采用AD7195。
其中，信号隔离器采用ADuM5401数字隔离器。
其中，单片机采用STM32F407。
信号调理电路包括信号放大器、信号滤波器和功率放大器。
控制电路包括AD转换器、信号隔离器、单片机、LDO线性电源和USB接口。
红外探测器引线连接信号放大器，信号隔离器的输出端连接单片机的输入端，旋转盘引线13连接单片机。
本实施例具体的工作过程如下：
接通电源将装置的旋转盘8旋转至“化工厂”名称的区域，使“化工厂”名称标识符14与对准标识符15对齐，则对应的滤光片阵列从左到右依次为SO2的窄带通滤光片、CO的窄带通滤光片、NO的窄带通滤光片、对比滤光片，SO2在红外波段中选取了8.7μm的一个吸收峰，CO在红外波段中选取了4.65μm的一个吸收峰，NO在红外波段中选取了5.3μm的一个吸收峰，对比滤光片在红外波段中选取了波长为18μm的红外光。再将装置放置于已知浓度的SO2、CO、NO气体中，通过进出气口12，使得检测气室5中充满待测气体后，红外光源1发出的红外光经过检测气室5反射过程中被检测气室5中的气体吸收，使得光强发生变化，而在气体的吸收峰波段光强变化尤为明显，经过滤光片10后，特定波长的红外光到达红外探测器6上，由探测器元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电流信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出，通过调理电路进行信号调理，并将电流信号通过AD转换器转换为数字信号，记录下对应的数字信号，此外通过对比滤光片的18μm的红外光强度到达红外探测器6上，由探测器元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电流信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出，通过调理电路进行信号调理，并将电流信号通过AD转换器转换为数字信号，记录下对应的数字信号。再大量测量已知不同浓度下的SO2、CO、NO气体，将检测滤光片得到的数字信号与对比滤光片得到的数字信号对比，从而得到数字信号变化的大小，依据数字信号变化的大小得到关于SO2、CO、NO气体浓度与数字信号变化大小之间拟合曲线关系。同理，将旋转盘8旋转至“废水厂”和“矿井”名称的区域，对其进行标定。
当进行某一化工厂未知气体浓度探测时，接通电源将装置的旋转盘8旋转至“化工厂”名称的区域，使“化工厂”名称标识符14与对准标识符15对齐，则旋转盘8上的引线接通单片机，单片机调整至“化工厂”探测模式。通过进气口3和出气口12，使得检测气室5中充满待测气体，再接通红外光源1，红外光源1发出的红外光经聚光片2汇聚经过气室的不断发射和气体的吸收后，通过滤光片阵列出射到红外探测器阵列，由红外探测器6接收从滤光片10进来的红外光探测后转变为微弱的电流信号，经过在探头内的场效应管放大后向外输出，通过调理电路进行信号调理，并将电流信号通过AD转换器转换为数字信号，然后根据数字信号变化的大小来计算出检测气室5中SO2、CO、NO气体的浓度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器，其特征在于，包括敏感探头、信号调理电路和控制电路；
所述敏感探头包括检测气室（5）、安装在检测气室（5）一端的红外光源（1）、设置在红外光源（1）发射端的聚光片（2）、M个滤光片阵列、红外探测器阵列和旋转盘（8），所述检测气室（5）上设有进气口（3）和出气口（12），所述旋转盘（8）上设有多个标识符（14），每个所述标识符（14）内置不同阻值的电阻，当所述旋转盘（8）转动至设定的标识符（14）时，所述旋转盘（8）上的旋转盘引线（13）接入到单片机中；
所述检测气室（5）包括框架（4）和安装在框架（4）内壁面的反射镜（9），所述滤光片阵列、红外探测器阵列和旋转盘（8）依次设置在红外光源（1）出射端的框架（4）上；所述滤光片阵列包括三条滤光片阵列，每条阵列设有四个滤光片，且每个滤光片的长度和滤光片间间隔的长度相等，使得反射到滤光片上的再反射后刚好到达下一个滤光片，每个间隔段都用支架连接着，每条阵列均以其中心点为交叉点，每条阵列的夹角为60°；
每条滤光片阵列中三个滤光片为探测滤光片，另一个为对比滤光片，即探测滤光片通过对应的三种气体的一个红外吸收峰，对比滤光片通过一个波段的红外光，此红外光不被气体所吸收；
所述红外探测器阵列包括四个红外探测器（6），将四个探测器固定在气室上部框架（4）上，每个探测器正对一个滤光片（10）；所述支架（11）的中心设有支柱，所述支柱的顶端与旋转盘（8）相连接；
所述信号调理电路包括信号放大器、与信号放大器输出端相连接的信号滤波器和信号滤波器输出端相连接的功率放大器，所述信号放大器的输入端与红外探测器（6）的输出端相连接；
所述控制电路包括与功率放大器输出端相连接的AD转换器、与AD转换器输出端相连接的信号隔离器和单片机；
所述旋转盘（8）的输出端和信号隔离器的输出端均与单片机的输入端相连接；
三个所述滤光片阵列安装在圆盘上，所述圆盘正对检测气室（5）的一面为反射面。
2.根据权利要求1所述的用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器，其特征在于，转动所述旋转盘（8），当所述标识符（14）上箭头方向与框架（4）上对准标志符（15）对齐时，每个所述红外探测器（6）正对一个滤光片（10）。
3.根据权利要求1所述的用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器，其特征在于，所述红外光源（1）具体采用的是LED红外光源，其波长范围为1~20μm。
4.根据权利要求1所述的用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器，其特征在于，所述聚光片（2）具体采用的是光学玻璃LED聚光透镜，用于将红外光源（1）发出的红外光汇聚成一束平行光。
5.根据权利要求1所述的用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器，其特征在于，所述滤光片（10）具体采用的是带通滤光片；所述红外探测器（6）具体采用的是热释电红外传感器。
6.根据权利要求1所述的用于多地区及多气体测量的非分光式红外气体传感器，其特征在于，所述AD转换器采用的是AD7195；所述信号隔离器采用的是ADuM5401数字隔离器；所述单片机采用的是STM32F407。
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