CN208432532U - 一种红外光谱气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种红外光谱气体传感器，属于气体传感器技术领域。该传感器包括：红外光源、红外气室、红外光谱探测器以及处理器。其中，红外光源产生的红外光经红外气室的进光端进入气室，与气室内的待测气体作用后，经红外气室的出光端射出到红外光谱探测器，并以红外光谱信号输出给处理器。采用红外光谱探测器替代普通非分散红外探测器中的双通道红外探测器，可以直接采集红外光谱，保留了普通非分散红外气体传感器价格便宜、易于集成的优点，同时又具有傅里叶红光谱仪获取连续红外吸收光谱优点。

Description

一种红外光谱气体传感器

技术领域

本实用新型属于气体传感器技术领域，具体涉及一种红外光谱气体传感器。

背景技术

红外气体分析仪基于气体对红外光吸收的朗伯-比尔定律实现对气体的定性定量检测。常见的红外气体分析仪有非分散红外气体分析仪和傅里叶红外气体分析仪。非分散红外气体分析仪的核心是非分散红外传感器，其优点是结构简单、成本低、体积小、易于集成等，缺点是检测某种气体时只有一个测量通道，如果存在吸收光谱区域重合的其它气体时就会有严重的交叉干扰，且不易消除，特别是容易受水汽的交叉干扰。傅里叶红外气体分析仪的核心是红外干涉仪气体测量模块，其优点是采集连续光谱，光谱分辨率高，能同时准确测量多种气体成分，特别适合于混合气体中某种气体成分的准确测量，通过合适的算法可以消除交叉干扰，其缺点是结构复杂、成本高、体积大。对于便携式红外烟气分析仪来说，由于使用环境恶劣、被测气体成分复杂，特别需要体积小、重量轻、检测准确、交叉干扰小的红外气体传感器，现有的非分散红外传感器和红外干涉仪气体测量模块都无法同时满足上述要求。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种红外光谱气体传感器，以有效地改善上述问题。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型实施例提供了一种红外光谱气体传感器，包括：红外光源、红外气室、红外光谱探测器以及处理器。所述红外气室包括：进光端和出光端，所述红外光源产生的红外光经所述进光端进入气室，与所述气室内的待测气体作用后，经所述出光端射出。所述红外光谱探测器，用于探测经所述出光端射出的被待测气体部分吸收后的红外光，并以红外光谱信号输出。所述处理器用于用于接收所述红外光谱信号。

在本实用新型可选的实施例中，所述红外气室还包括进气端和出气端，在需要测试待测气体的浓度值时，通过所述进气端向气室注入所述测试待测气体，当测试完成后，经所述出气端将气室中的所述待测气体排出。

在本实用新型可选的实施例中，所述红外光源为连续宽谱段光源。

在本实用新型可选的实施例中，所述红外光源为Axetris红外光源。

在本实用新型可选的实施例中，所述红外光谱探测器为覆盖有红外渐变滤光片的红外线阵热释电探测器。

在本实用新型可选的实施例中，所述红外光谱探测器为感光面前设置有微型电调谐F-P干涉仪的单元红外热释电探测器。

在本实用新型可选的实施例中，所述红外光谱探测器为LFP－5580型热释电单元探测器。

在本实用新型可选的实施例中，所述红外气室为直管型气室。

在本实用新型可选的实施例中，还包括调理电路，所述红外光谱探测器经所述调理电路与所述处理器连接，所述调理电路用于对所述红外光谱信号进行放大和/或滤波处理，并将处理后的信号发送给所述处理器。

在本实用新型可选的实施例中，所述调理电路包括放大电路和滤波电路，所述放大电路的第一输入端与所述红外光谱探测器连接，所述放大电路的输出端与所述滤波电路的一端连接，所述滤波电路的另一端与所述处理器连接，所述放大电路的第二输入端接地。

本实用新型实施例提供的红外光谱气体传感器，包括：红外光源、红外气室、红外光谱探测器以及处理器。其中，红外光源产生的红外光经红外气室的进光端进入气室，与气室内的待测气体作用后，经红外气室的出光端射出到红外光谱探测器，并以红外光谱信号输出给处理器。采用红外光谱探测器替代普通非分散红外探测器中的双通道红外探测器，可以直接采集红外光谱，保留了普通非分散红外气体传感器体积小、重量轻、价格便宜、易于集成的优点，同时又具有傅里叶红光谱仪获取连续红外吸收光谱优点。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1示出了本实用新型实施例提供的一种红外光谱气体传感器的结构示意图。

图2示出了本实用新型实施例提供的一种红外光谱气体传感器的结构框图。

图3示出了本实用新型实施例提供的一种调理电路的电路原理图。

图4示出了本实用新型实施例提供的一种数据处理方法的流程图。

图5示出了本实用新型实施例提供的图4的流程图。

图6示出了本实用新型实施例提供的红外光谱气体传感器探测二氧化硫而得到的红外吸收光谱图。

图标：100－红外光谱气体传感器；110－红外光源；120－红外气室；121－进光端；122－出光端；123－进气端；124－出气端；130－红外光谱探测器；140－处理器；150－调理电路；151－放大电路；152－滤波电路。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了克服现有技术中的红外气体分析仪的缺陷，本实用新型实施例提供了一种红外光谱气体传感器100，如图1所示。该红外光谱气体传感器100包括：红外光源110、红外气室120、红外光谱探测器130以及处理器140。

该红外光源110用于产生红外光，该红外光经红外气室120的进光端121进入气室内，与该气室内的待测气体作用后经红外气室120的出光端122射出。其中，该红外光源110为连续宽谱段光源，即该红外光源110产生的红外光为连续宽谱段光，例如，采用Axetris红外光源。

该红外气室120包括：进光端121和出光端122，所述红外光源110产生的红外光经所述进光端121进入气室，与所述气室内的待测气体作用后，经所述出光端122射出。其中，该红外气室120为直管型气室，进光端121和出光端122分别设置在气室的两端，红外光源110安装于红外气室120的进光端121，红外光谱探测器130安装于红外气室120的出光端122。

此外，该红外气室120还包括：进气端123和出气端124，在需要测试待测气体的浓度值或成分时，通过所述进气端123向气室注入所述测试待测气体，当测试完成后，经所述出气端124将气室中的所述待测气体排出。作为一种可选的实施方式，该进气端123设置于该气室的顶端，该出气端124设置于该气室的底端，以便方便注入测试待测气体和排出测试待测气体。

进一步地，为了使进入气体的红外光与待测气体充分作用，即红外光被待测气体尽可能的吸收，该进气端123设置于该气室靠近进光端121的顶端一侧。

进一步地，为了使进入气体的红外光与待测气体充分作用，即红外光被待测气体尽可能的吸收，该出气端124设置于该气室靠近出光端122的底端一侧。

红外光谱探测器130，用于探测经所述出光端122射出的被待测气体部分吸收后的红外光，并以红外光谱信号输出。其中，红外光谱探测器130的输出端与处理器140连接，以便红外光谱探测器130将红外光谱信号传输给处理器140，以使处理器140对接收到的红外光谱信号进行处理。其中，所述红外光谱探测器130为覆盖有红外渐变滤光片的红外线阵热释电探测器或者为感光面前设置有微型电调谐F－P干涉仪的单元红外热释电探测器。本实施例中，该红外光谱探测器130可选为LFP－5580型热释电单元探测器，该型号的光谱探测器带有F－P干涉仪，其可调谐的光谱范围为5.5￣8.0μm。

处理器140用于对所述红外光谱信号进行处理，得到所述待测气体的浓度值。其中，该处理可以是基于红外连续吸收光谱的气体分析算法对红外光谱信号进行处理，也可以是基于光谱解混合算法对红外光谱信号进行处理，还可以是基于其他规则算法对红外光谱信号进行处理，然后得到待测气体成分及其含量。

作为一种可选的实施方式，该所述处理器140具体用于：根据第一预设公式、预先获取的背景红外光谱以及所述红外光谱信号得到吸收光谱；根据第二预设公式、预先获取的水汽吸收光谱以及所述吸收光谱得到纯气体吸收光谱；基于预设算法从所述纯气体吸收光谱中解算出所述待测气体的浓度值。

其中，第一预设公式为A(λ)＝ln(I₀(λ)/I(λ))，A(λ)为吸收光谱，I(λ)为红外光谱信号的光谱，I₀(λ)为预先获取的背景红外光谱。其中，I₀(λ)为在相同条件下，未通入待测气体时的红外光谱探测器130输出的背景红外光谱信号，即此时探测得到的光谱为背景红外光谱I₀(λ)。

其中，第二预设公式为A_气(λ)＝A(λ)-A_水(λ)，A_水(λ)为预先获取的水汽吸收光谱，A_气(λ)为纯气体吸收光谱，即去除水分后的吸收光谱，A(λ)为吸收光谱。其中，A_水(λ)为在相同条件下，根据通入水汽时的红外光谱探测器130输出的水汽红外光谱信号、未通入水汽时的红外光谱探测器130输出的背景红外光谱信号以及第一预设公式获得的水汽吸收光谱。

其中，预设算法可以最小二乘法，即采用最小二乘法从A_气(λ)中解算出被测气体的浓度值。

其中，所述处理器140可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器140可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器140也可以是任何常规的处理器等。例如，该处理器140可以是STM32系列的处理器，例如STM32F103C8T6、STM32F103VET6等型号。

其中，需要说明的是，红外光源110发出的红外光经过红外气室120时被红外气室120中的待测气体选择性吸收，然后经出光端122达到红外光谱探测器130，红外光谱探测器130探测被气体吸收后的红外光后，以红外光谱形式输出，处理器140利用红外光谱信号计算出待测气体成分及其含量。该红外光谱气体传感器100具有体积小、重量轻、检测准确、交叉干扰小的特点，适合应用于便携式红外烟气分析仪。

作为一种可选的实施方式，如图2所示，红外光谱气体传感器100还包括调理电路150。所述红外光谱探测器130经所述调理电路150与所述处理器140连接，所述调理电路150用于对所述红外光谱信号进行放大和/或滤波处理，并将处理后的信号发送给所述处理器140，以提高探测信号的准确性。

其中，该调理电路150可以是仅对红外光谱信号进行放大处理，此时该调理电路150等效于放大电路151；该调理电路150也可以是仅对红外光谱信号进行滤波处理，此时该调理电路150等效于滤波电路152；该调理电路150也可以既对红外光谱信号进行放大处理，又对对红外光谱信号进行滤波处理，此时该调理电路150包括放大电路151和滤波电路152。

作为一种可选的实施方式，所述放大电路151的第一输入端与所述红外光谱探测器130连接，所述放大电路151的输出端与所述滤波电路152的一端连接，所述滤波电路152的另一端与所述处理器140连接，所述放大电路151的第二输入端接地。作为一种可选的实施方式，该调理电路150的电路图如图3所示。其中，二极管D1能起到防止电流信号反灌的作用。

本实用新型实施例还提供了一种数据处理方法，应用于上述的红外光谱气体传感器100中，如图4所示，所述方法包括：

步骤S101：所述处理器接收所述红外光谱探测器探测的红外光谱信号。

其中，需要说明的是，当该红外光谱探测器不包括调理电路时，此时处理器接收的红外光谱信号直接来源于所述红外光谱探测器，若该红外光谱探测器包括调理电路时，此时，处理器接收是经该调理电路处理后的红外光谱信号。

步骤S102：所述处理器对所述红外光谱信号进行处理，得到所述待测气体的浓度值。

处理器用于对所述红外光谱信号进行处理，得到所述待测气体的浓度值。其中，该处理可以是基于红外连续吸收光谱的气体分析算法对红外光谱信号进行处理，也可以是基于光谱解混合算法对红外光谱信号进行处理，还可以是基于其他规则算法对红外光谱信号进行处理，然后得到待测气体成分及其含量。

作为一种可选的实施方式，以图5所示的步骤对这一过程进行说明。

步骤S201：根据第一预设公式、预先获取的背景红外光谱以及所述红外光谱信号得到吸收光谱。

其中，第一预设公式为A(λ)＝ln(I₀(λ)/I(λ))，A(λ)为吸收光谱，I(λ)为红外光谱信号的光谱，I₀(λ)为预先获取的背景红外光谱。其中，I₀(λ)为在相同条件下，未通入待测气体时的红外光谱探测器输出的背景红外光谱信号，即此时探测得到的光谱为背景红外光谱I₀(λ)。

步骤S202：根据第二预设公式、预先获取的水汽吸收光谱以及所述吸收光谱得到纯气体吸收光谱。

其中，第二预设公式为A_气(λ)＝A(λ)-A_水(λ)，A_水(λ)为预先获取的水汽吸收光谱，A_气(λ)为纯气体吸收光谱，即去除水分后的吸收光谱，A(λ)为吸收光谱。其中，A_水(λ)为在相同条件下，根据通入水汽时的红外光谱探测器输出的水汽红外光谱信号、未通入水汽时的红外光谱探测器输出的背景红外光谱信号以及第一预设公式获得的水汽吸收光谱。

步骤S203：基于预设算法从所述纯气体吸收光谱中解算出所述待测气体的浓度值。

其中，预设算法可以最小二乘法，即采用最小二乘法从A_气(λ)中解算出被测气体的浓度值。

为了便于理解，下面以检测烟气中的二氧化硫为例进行说明。检测烟气中的二氧化硫容易受到水汽和甲烷气体的交叉干扰。利用本方案设计的红外光谱气体传感器100来检测二氧化硫的红外吸收光谱，其效果图如图6所示。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外光谱气体传感器，其特征在于，包括：

红外光源；

红外气室，包括：进光端和出光端，所述红外光源产生的红外光经所述进光端进入气室，与所述气室内的待测气体作用后，经所述出光端射出；

红外光谱探测器，用于探测经所述出光端射出的被待测气体部分吸收后的红外光，并以红外光谱信号输出；

以及，处理器，用于接收所述红外光谱信号。

2.根据权利要求1所述的红外光谱气体传感器，其特征在于，所述红外气室还包括进气端和出气端，在需要测试待测气体的浓度值时，通过所述进气端向气室注入所述测试待测气体，当测试完成后，经所述出气端将气室中的所述待测气体排出。

3.根据权利要求1所述的红外光谱气体传感器，其特征在于，所述红外光源为连续宽谱段光源。

4.根据权利要求3所述的红外光谱气体传感器，其特征在于，所述红外光源为Axetris红外光源。

5.根据权利要求1所述的红外光谱气体传感器，其特征在于，所述红外光谱探测器为覆盖有红外渐变滤光片的红外线阵热释电探测器。

6.根据权利要求1所述的红外光谱气体传感器，其特征在于，所述红外光谱探测器为感光面前设置有微型电调谐F-P干涉仪的单元红外热释电探测器。

7.根据权利要求5或6所述的红外光谱气体传感器，其特征在于，所述红外光谱探测器为LFP－5580型热释电单元探测器。

8.根据权利要求1－6任一项所述的红外光谱气体传感器，其特征在于，所述红外气室为直管型气室。

9.根据权利要求8所述的红外光谱气体传感器，其特征在于，还包括调理电路，所述红外光谱探测器经所述调理电路与所述处理器连接，所述调理电路用于对所述红外光谱信号进行放大和/或滤波处理，并将处理后的信号发送给所述处理器。

10.根据权利要求9所述的红外光谱气体传感器，其特征在于，所述调理电路包括放大电路和滤波电路，所述放大电路的第一输入端与所述红外光谱探测器连接，所述放大电路的输出端与所述滤波电路的一端连接，所述滤波电路的另一端与所述处理器连接，所述放大电路的第二输入端接地。