CN110687066B - 一种红外气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种红外气体传感器，包括探测器，探测器包括多个传感单元，传感单元包括传感芯片和滤波元件；传感单元按功能分为第一类传感单元和第二类传感单元；第一类传感单元为检测单元，第二类传感单元为补偿单元；检测单元的数量为多个，检测单元的滤波元件的中心波长分别对应待测气体的不同红外特征吸收峰；补偿单元的数量为至少一个，补偿单元的滤波元件的中心波长分别对应不同无待测气体吸收的波长。本申请提供的红外气体传感器充分利用气体多个红外吸收峰的特性，以多个检测单元对待测气体的多级吸收峰信号进行检测，通过多级吸收峰信号的加权计算，结合补偿单元信号进行待测气体的识别和检测，提高待测气体的检测精度和气体识别能力。
Description
技术领域
本申请涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种红外气体传感器。
背景技术
红外气体传感器以其精度高、选择性好、寿命长、不中毒、不依赖于氧气、受环境干扰小等优点得到了广泛的研究和应用。当前典型的红外气体传感器的方案是选择微型白炽灯作为红外光源，单通道或双通道探测器作为光电转换单元，结合光学气室及相关信号放大、采集、处理电路组成红外气体传感器。
基于双通道探测器的方案通过测量和参考的比较来抵消外界环境的干扰，CN105717063A作为典型代表公布了一种基于红外光谱分析的酒精检测器及方法，该专利在气室一端设置红外光源，另一端设置滤镜组，在滤镜组后设置有测量探测器和参考探测器，采用双通道补偿计算酒精含量，提高了酒精检测灵敏度和数据准确性。基于单通道探测器的方案简化了红外气体传感器的结构，降低了生产成本，为保证传感器性能在结构设计方面和算法方面进行了优化。在结构设计方面CN06979824A作为典型代表公布了一种非分光红外乙烯气体传感器及测量方法，该专利采用单通道模式，借助双气室反射结构，结合阵列形式，实现探测参比一体化，有利于实现传感器的小型化。
以上专利利用待测气体的单一的吸收峰进行检测，从提高传感器性能、长期稳定性、小型化等入手，在气室结构设计、传感器算法等方面进行了精巧设计。但是以单一吸收峰作为检测依据，往往会受到与吸收峰接近且交叠区域气体的干扰，导致待测气体识别能力变弱，检测灵敏度受限。
发明内容
本申请要解决是红外气体传感器检测精度较低的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种红外气体传感器，包括探测器，探测器包括多个传感单元；
传感单元包括传感芯片和滤波元件，传感单元按功能分为第一类传感单元和第二类传感单元；第一类传感单元为检测单元，第二类传感单元为补偿单元；
检测单元的数量为多个，多个检测单元的滤波元件的中心波长分别对应待测气体的不同红外特征吸收峰；补偿单元的数量为至少一个，至少一个补偿单元的滤波元件的中心波长分别对应不同无待测气体吸收的波长。
进一步地，传感芯片为热电芯片或光电芯片；滤波元件为光学滤光片或光学天线。
进一步地，探测器还包括管壳，管壳包括管座和管帽，滤波元件设于管帽上，传感芯片设于管座上。
进一步地，管帽上设有多个安装孔，多个第一类传感单元的滤波元件和至少一个第二种类传感单元的滤波元件分别放置于对应的安装孔内。
进一步地，探测器还包括热敏电阻，热敏电阻设于管座上。
进一步地，该红外气体传感器还包括红外光源，红外光源为宽谱红外光源，宽谱红外光源为白炽灯泡或微纳加工工艺制作的光源。
进一步地，待测气体第i吸收峰对应信号vi设置加权因子ωi，待测气体第i吸收峰的对应信号为ωi×vi。
进一步地，待测气体的测量信号为多个检测单元对应信号加权求和∑ωi×vi。
进一步地，待测气体相对的参考信号为多个补偿单元的信号求和。
进一步地，该红外气体传感器还包括信号处理模块，信号处理模块以测量信号除以参考信号为计算单元进行待测气体的浓度计算。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
本申请实施例提供的红外气体传感器充分利用气体多个红外吸收峰的特性，以多个检测单元对待测气体的多级吸收峰信号进行检测，通过多级吸收峰信号的加权计算，结合补偿单元信号进行待测气体的识别和检测，提高待测气体的检测精度和气体识别能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。
图1为本申请实施例一种红外气体传感器的结构示意图；
图2为本申请实施例滤波结构的示意图；
以下对附图作补充说明：
1-探测器；11-滤波元件；12-管帽；13-定位标记；2-红外光源；3-光学气室；4-电路***。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
请参见图1，图1为本申请实施例一种红外气体传感器的结构示意图，图1中的红外气体传感器包括探测器1、红外光源2、光学气室3和电路***4；
红外光源2设于光学气室3的一端，探测器1设于光学气室3的另一端；
红外光源2能够发出红外光，红外光经光学气室3传播能够到达探测器1的表面；
红外光源2和探测器1分别与电路***电性连接。
本申请实施中，电路***4包括信号放大模块、模数转换模块、信号处理模块和通讯显示模块；
本申请实施中，探测器包括多个传感单元；传感单元包括传感芯片和滤波元件，传感单元按功能分为第一类传感单元和第二类传感单元；第一类传感单元为检测单元，第二类传感单元为补偿单元；
检测单元的数量为多个，多个检测单元的滤波元件的中心波长分别对应待测气体的不同红外特征吸收峰；补偿单元的数量为至少一个，至少一个补偿单元的滤波元件的中心波长分别对应不同无待测气体吸收的波长。
传感芯片为热电芯片或光电芯片；滤波元件为光学滤光片或光学天线。
本申请实施例设定m个滤波元件中心波长对应待测气体吸收峰，待测气体第i吸收峰对应信号设置加权因子ωi，其对应信号为ωi×vi，测量信号为m个吸收峰/滤波元件对应信号加权求和
本申请实施例设定n个滤波元件中心波长对应无待测气体吸收峰的参考波长；其中n>＝1，参考信号为n个参考通道信号求和。
本申请实施例信号处理模块以测量信号总和除以参考信号总和为计算单元进行待测气体识别及浓度的计算。
本申请实施例中，探测器1与信号放大模块电性连接，信号放大模块与模数转换模块电性连接，模数转换模块与信号处理模块电性连接，信号处理模块与通讯显示模块电性连接。
本申请实施例中，电路***4还包括光源控制模块，红外光源2与光源控制模块电性连接。
本申请实施例中，探测器1还包括传感芯片，传感芯片与信号放大模块电性连接。
本申请实施例中，传感芯片可以为热电芯片或光电芯片。
本申请实施例中，探测器1还包括管壳，管壳包括管座和管帽12，管座以铜为基材，加工后经镀金工艺处理，底端设置多个管脚；管帽12以可伐合金为基材，管帽12上设有多个安装孔，多个滤波元件分别放置于对应的安装孔内。传感芯片均匀排布在管壳底座上，通过打金线将信号引到管脚上；
本申请实施例中，探测器还设有定位标记13。
本申请实施例中，红外光源2为白炽灯泡或微纳加工工艺制备的(MEMS)宽谱红外光源。
本申请实施例中，探测器1还包括热敏电阻，热敏电阻设于管座上。
基于上文的方案下面介绍若干种实施方案。
实施例1：
本申请实施例1提供了相应SO2气体检测的实施例。图1示出了本申请实施例一种红外气体传感器的结构示意图，图1中的红外气体传感器包括探测器1、红外光源2、光学气室3和电路***；
红外光源2设于光学气室3的一端，探测器1设于光学气室3的另一端；红外光源2能够发出红外光，红外光经光学气室3传播能够到达探测器1的表面；
红外光源2和探测器1分别与电路***电性连接。
本申请实施例1中，电路***4包括信号放大模块、模数转换模块、信号处理模块和通讯显示模块；
本申请实施例1提供的红外光源2可以为微结构加工工艺制备的(MEMS)红外光源2。
本申请实施中，探测器包括多个传感单元；传感单元包括传感芯片和滤波元件，传感单元按功能分为第一类传感单元和第二类传感单元；第一类传感单元为检测单元，第二类传感单元为补偿单元；
检测单元的数量为多个，多个检测单元的滤波元件的中心波长分别对应待测气体的不同红外特征吸收峰；补偿单元的数量为至少一个，至少一个补偿单元的滤波元件的中心波长分别对应不同无待测气体吸收的波长。
传感芯片为热电芯片；滤波元件为光学滤光片。
本申请实施例1中，探测器1还包括管壳，管壳包括管座和管帽12，管座以铜为基材，加工后经镀金工艺处理，底端设置多个管脚；管帽12以可伐合金为基材，管帽12上设有多个安装孔，滤波元件分别放置于对应的安装孔内。安装孔可以为方形沉孔，传感芯片均匀排布在管壳底座上，通过打金线将信号引到管脚上；
本申请实施例1中，探测器1还包括热敏电阻，热敏电阻设于管座上。
本申请实施例1提供的探测器1为四元探测器1，管帽12上设置4个光学滤波片，每个光学滤波片对应一个传感芯片，传感芯片设于管座上对应滤波片的位置。四个光学滤波片中有三个光学滤波片的中心波长分别对应SO2的三个吸收峰，分别为4.0um、7.35um和8.6um，另一个光学滤波片的中心波长为对应参考波长，选用3.9um。
本申请实施例1提供的四元探测器各个热电芯片输出信号经放大模块放大，模数转换模块转化后得到SO2气体各个红外吸收峰对应的测量信号v1、v2和v3以及无吸收的参考波长对应的参考信号vr。
本申请实施例1中，待测气体第一个吸收峰的对应信号v1设置对应的加权因子ω1，待测气体第二个吸收峰的对应信号v2设置对应的加权因子ω2，待测气体第三个吸收峰的对应信号v3设置对应的加权因子ω3，测量信号vc为：
vc＝v1×ω1+v2×ω2+v3×ω3
本申请实施例1中，信号处理模块6设置参数a为浓度计算基本单元。
本申请实施例1通过变SO2气体浓度及环境温度得到a随SO2气体浓度及环境温度变化的数据，信号处理模块6利用但不仅限于查表法、公式法进行SO2气体浓度的识别和计算。
以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种红外气体传感器，其特征在于，包括探测器(1)，所述探测器包括多个传感单元；
所述传感单元包括传感芯片和滤波元件(11)，所述传感单元按功能分为第一类传感单元和第二类传感单元；所述第一类传感单元为检测单元，所述第二类传感单元为补偿单元；
所述检测单元的数量为多个，多个所述检测单元的滤波元件(11)的中心波长分别对应待测气体的不同红外特征吸收峰；所述补偿单元的数量为至少一个，至少一个所述补偿单元的滤波元件(11)的中心波长分别对应不同无待测气体吸收的波长；
还包括信号处理模块，所述信号处理模块用于以所述待测气体的测量信号除以所述待测气体对应的参考信号为计算单元进行待测气体的识别，所述待测气体的测量信号为多个所述检测单元对应信号加权求和，所述待测气体对应的参考信号为多个所述补偿单元的信号求和。
2.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述传感芯片为热电芯片或光电芯片；所述滤波元件(11)为光学滤光片或光学天线。
3.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述探测器还包括管壳，所述管壳包括管座和管帽(12)，所述滤波元件(11)设于所述管帽(12)上，所述传感芯片设于所述管座上。
4.根据权利要求3所述的红外气体传感器，其特征在于，所述管帽(12)上设有多个安装孔，多个所述第一类传感单元的滤波元件(11)和至少一个所述第二类传感单元的滤波元件(11)分别放置于对应的所述安装孔内。
5.根据权利要求4所述的红外气体传感器，其特征在于，所述探测器(1)还包括热敏电阻，所述热敏电阻设于所述管座上。
6.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，还包括红外光源(2)，所述红外光源(2)为宽谱红外光源，所述宽谱红外光源为白炽灯泡或微结构加工工艺制作的光源。
7.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述待测气体第i吸收峰对应信号vi设置加权因子ωi，所述待测气体第i吸收峰的对应信号为ωi×vi。
8.根据权利要求7所述的红外气体传感器，其特征在于，所述待测气体的测量信号为多个所述检测单元对应信号加权求和∑ωi×vi。
9.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述信号处理模块用于以所述测量信号除以所述参考信号为计算单元进行所述待测气体的浓度计算。
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