高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統的製作方法

2024-03-21 19:12:05

專利名稱：高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於礦井安全的防爆氣體探測設備領域，特別涉及基於非色散紅外吸 收技術的一種高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統，
瓦斯的主要成分是甲烷，甲垸是易燃、易爆氣體，在空氣中的爆炸下限約為
5%，上限為15%。煤礦中瓦斯的檢測是有關安全生產的首要問題，因此開發一種 安全可靠高靈敏度，高穩定性，快響應小體積的瓦斯檢測系統具有重要的社會意 義和經濟意義。
當前國內煤礦採用的絕大多數的瓦斯傳感器是催化燃燒式的。該類檢測技術 相對落後，檢測範圍窄，有中毒現象，因而造成誤報或是失效即不報警，其可靠 性差，標定時間周期短，標定成本高，工作中需在有氧環境下工作，不能檢測 10(ELEL濃度等缺點。
世界先進國家多採用紅外檢測類的報警器，但所採用的某些技術對中國的 國情不適合，有的產品體積大，如general monitor's的報警器，有些產品光能 利用率不高，響應時間偏長如City的CH4紅外傳感器。這些產品中幾乎無一例 外的是高成本，導致報警器價格昂貴，難以普及。
利用待測氣體對紅外光譜的吸收特性，來檢氣體濃度的技術近年來有很大的 發展。其中釆用紅外一差分原理的傳感器具有抗幹擾能力強，實時測量精度高、免 維護等優點，它作為一種快速、準確的氣體分析技術目前已在煤礦瓦斯濃度檢測 預警中得到應用。
紅外瓦斯傳感器的原理如下紅外光通過瓦斯氣體，瓦斯分子對特定波長的 光具有吸收功能，在理想情況下，其吸收服從朗伯一比爾吸收定律。只要知道光通過的有效吸收光程與分子在特定波長上的吸收係數，利用測量入射光與出射光 的比值，就可以測出瓦斯的絕對濃度。
此類紅外瓦斯傳感器至少包括一個紅外輻射源、 一個採樣吸收氣室和一個探 測器。通過探測器的帶通濾光片選擇兩個不同波長的光可以構成差分探測，目標 氣體對一個波長的光吸收較大，光信號隨目標氣體濃度的增加而減小，目標氣體
對另一個波長的光基本不吸收，可用來監視紅外光強度變化的參考信號。但是光 必須經過足夠的光程，瓦斯才能充分吸收光波，使光波通過瓦斯前後有較大的差 異，從而使傳感器對瓦斯更敏感。其缺點為1.物理尺寸較大，氣室中氣體交 換至穩定需要的時間也更長。2.需要的光能量也大，且光束做到均勻一致很困難。 3.隨環境溫度的變化，光路變化較大，對測量精度有影響。
利用反射使光在吸收室內多次通過氣體，增加有效光學吸收長度而減少物理 體積，是非常有效的做法。在設計吸收氣室時，有兩種方案 一是非聚焦系統， 利用光學積分球概念，光線多次反射後，使吸收腔內光密度趨於一致，由於沒 有光線聚焦在接收器表面，而是接收腔內均勻的光強，所以，優點是信號穩定性 好，不受光路偏移的影響，溫度工作範圍寬，生產工藝簡單。但其缺點為，光能 利用率低，光信號中信噪比低。二是聚焦類光學吸收腔，通常以光源為物通過光 學系統成像於接收器上，但此類吸收腔有效光程不易做長，由於選擇了成像設計， 一是光學調整複雜，二是對光路偏移影響較大，隨工作環境的變化，其穩定性有 所犧牲。但光能利用率很高。

發明內容
鑑於現有技術的不足，本發明提出了該系統包括光源、吸收氣室、探測器組 成的傳感器，微處理器和放大器；其特徵在於，所述吸收氣室由兩高反射率的反 射鏡反射面相對放置，形成準光學諧振腔，或非光學諧振腔吸收氣室；光源和探測器同固定在一個反射鏡側，或分別固定在兩個反射鏡的反射面側；光源在CPU 微處理器輸出的脈衝電源的脈衝驅動下發出兩路脈衝光光束，兩路脈衝光光束通 過探測器的帶通濾光片選擇出兩個不同信號波長的探測光和參考光，以目標氣 體對該兩種光吸收率不同而構成差分探測；兩路脈衝光光朿經兩個反射^:的反射 面來回反射，多次反射後形成多次光路摺疊，使光源與探測器之間符合成像關係， 該光束進入探測器的接收面，形成探測器在以光源為物的光學系統共軛成像的位 置，或將探測器設置在光路上離焦位置上，由此提高光信號的信噪比及提高探測 數據的穩定性及測量精度。
所述探測器包括探測光電元件A和探測光電元件B兩個紅外光電元件，兩個 不同信號波長的探測光和參考光在進入探測器的接收面時，具有探測信號波長的 探測光束進入與它相適應的探測光電元件A，具有參考信號波長的參考光束進入 與它相適應的探測光電元件B，探測器將兩種光信號轉換為電信號後，經信號放 大器進行放大，再經A/D轉換器轉化，得到的兩路數位訊號，輸送至CPU微處理 器進行數據處理，比較二者，計算出氣體對信號波長光的吸收率，然後再根據標 準的測量吸收率與濃度曲線，釆用非線性校正算法得到被測氣體的濃度值，
所述光源選擇升降溫速度快的光源，並加脈衝調製電源，產生周期性的探 測信號，從而提高反應速度，降低功耗。
所述吸收氣室由凹形球面反射鏡、凸形球面反射鏡或平面反射鏡中的兩個以 反射面對置組合而成。
所述吸收氣室的兩個反射鏡組合形式為兩個凹形球面反射鏡、一個凹形球面 反射鏡和一個凸形球面反射鏡或一個凹形球面反射鏡和一個平面反射鏡。
所述放大器，採用低飄移的模擬放大電路和窄帶濾波電路，將從窄帶放大器 來的信號通過A/D轉換器，將兩路測量信號近似地處理成頻率與驅動頻率相同的三角函數變化信號，其振幅代表接收到的光能量。 本發明的有益效果
本發明涉及的瓦斯濃度傳感系統，是一種基於非色散紅外吸收技術而構成的 氣體檢測系統，利用瓦斯對特定波長光的吸收率隨濃度的變化來檢測環境中氣體 的濃度。其特點為光能利用率和檢測靈敏度高，成本低，功耗低，穩定性高， 響應時間快及壽命長，體積小，工作溫度範圍寬，生產工藝簡單，該傳感器的結 構比以往儀器將大大簡化，易於批量生產，可以降低成本，傳感器的成本也不到 以往技術的1/4，能在中國的大中小型的煤礦都廣泛使用、得以普及。


圖1為本發明高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統的結構示意圖。
圖2為本發明高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統的吸收腔結構示意圖。
圖3為本發明紅外瓦斯傳感器系統的放大部分電路原理圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明設計方法作進一步說明
圖1為本發明高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統的結構示意圖；由 光源l、吸收氣室2和探測器3連接構成氣體探測傳感器，信號放大器4的輸入 同探測器3的輸出連接，信號放大器4的輸出通過A/D轉換器5和CPU微處理器 8連接，CPU微處理器8的驅動信號端通過脈衝驅動9連接到光源1; CPU微處理 器8的輸出還分別連接液晶顯示器6和RS232接口 7。
上述吸收氣室2由兩高反射率的反射鏡反射面相對放置，形成準光學諧振腔， 或非光學諧振腔吸收氣室；光源1和探測器3同固定在一個反射鏡側，或分別固 定在兩個反射鏡的反射面側；光源1在CPU微處理器8輸出的脈衝電源的脈衝驅動下發出兩路脈衝光光束，兩路脈衝光光束通過探測器3的帶通濾光片選擇出 兩個不同信號波長的探測光和參考光，以目標氣體對該兩種光吸收率不同而構成 差分探測；兩路脈衝光光束經兩個反射鏡的反射面來回反射，多次反射後形成多 次光路摺疊(如圖2所示)，使光源1與探測器3之間符合成像關係，使光束進 入探測器3的接收面，形成了探測器3在以光源1為物的光學系統共軛成像的位 置，或將探測器3設置在光路上離焦位置上，由此提髙光信號的信噪比及提高探 測數據的穩定性及測量精度。
所述探測器3包括探測光電元件A和探測光電元件B兩個紅外光電元件， 兩個不同信號波長的探測光和參考光在進入探測器3的接收面時，具有探測信號 波長的探測光束進入與它相適應的探測光電元件A，具有參考信號波長的參考光 束進入與它相適應的探測光電元件B，探測器3將兩種光信號轉換為電信號後， 經信號放大器4進行放大，再經A/D轉換器5轉化，得到的兩路數位訊號，輸送 至CPU微處理器8進行數據處理，比較二者，計算出氣體對信號波長光的吸收 率，然後再根據標準的測量吸收率與濃度曲線，採用非線性校正算法得到被測氣 體的濃度值， .
所述紅外瓦斯傳感器系統的結構還可以採用單光源，雙探測器結構、採用雙 光源，雙探測器結構或雙光源、單探測器結構。在一個探測器的前面放置一個目 標氣體對應波長的帶通濾波片，在另一個探測器的前面放置一個對應參考波長的 帶通濾波片。所述紅外氣體傳感器帶通濾波片可以放在探測器的前面，也可以 放在光源的前面。
圖3為本發明高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統的放大部分電路原 理圖；圖中401為低噪音放大器，402為放大器，403為氣體，404為紅外光，405 為熱敏電阻，406為脈衝驅動，407為氣體信號，408為溫度輸出，409為參考輸 出。圖中"GND"表示接地，Rl' R2' R3， R4, R5， R6， R7， R8, R9, R10表示電阻，Cl, C2 為電容。該放大器，採用低飄移的模擬放大電路和窄帶濾波電路，將從窄帶放大 器來的信號通過A/D轉換器，將兩路測量信號近似地處理成頻率與驅動頻率相同 的三角函數變化信號，其振幅代表接收到的光能量。
上述內容只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；但本發明的保護範 圍並不局限於上述內容，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範 圍內的基礎上所做的任何方案的變形、變化或者替換，都應涵蓋在本發明保護範 圍之內。
權利要求
1.一種高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統，該系統包括光源、吸收氣室、探測器組成的傳感器，微處理器和放大器；其特徵在於，所述吸收氣室由兩高反射率的反射鏡反射面相對放置，形成準光學諧振腔，光源和探測器同固定在一個反射鏡側，或分別固定在兩個反射鏡的反射面側；光源在CPU微處理器輸出的脈衝電源的脈衝驅動下發出兩路脈衝光光束，兩路脈衝光光束通過探測器的帶通濾光片選擇出兩個不同信號波長的探測光和參考光，以目標氣體對該兩種光吸收率不同而構成差分探測；兩路脈衝光光束經兩個反射鏡的反射面來回反射，多次反射後形成多次光路摺疊，使紅外光源與探測器之間符合成像關係，該光束進入探測器的接收面，形成探測器在以光源為物的光學系統共軛成像的位置。
2. 根據權利要求1所述的高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統， 其特徵在於，所述探測器包括探測光電元件A和探測光電元件B兩個紅外光 電元件，兩個不同信號波長的探測光和參考光在進入探測器的接收面時，具 有探測信號波長的探測光束進入與它相適應的探測光電元件A，具有參考信號 波長的參考光束進入與它相適應的探測光電元件B，探測器將兩種光信號轉換 為電信號後，經信號放大器進行放大，再經A/D轉換器轉化，得到的兩路數 字信號，輸送至CPU微處理器進行數據處理，比較二者，計算出氣體對信號 波長光的吸收率，然後再根據標準的測量吸收率與濃度曲線，採用非線性校 正算法得到被測氣體的濃度值。
3. 根據權利要求1所述的高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統， 其特徵在於，所述光源選擇升降溫速度快的光源，並加脈衝調製電源，產生周期性的探測信號；
4. 根據權利要求1所述的高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統， 其特徵在於，所述吸收氣室由凹形球面反射鏡、凸形球面反射鏡或平面反射 鏡中的兩個以反射面對置組合而成。
5. 根據權利要求1所述的高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統， 其特徵在於所述吸收氣室的兩個反射鏡組合形式為兩個凹形球面反射鏡、一 個凹形球面反射鏡和一個凸形球面反射鏡或一個凹形球面反射鏡和一個平面 反射鏡。
6. 根據權利要求1所述的高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統， 其特徵在於，所述吸收氣室兩個反射鏡組合形式為大、小兩個凹形球面反射 鏡構成的非諧振腔式氣室。
7. 根據權利要求1所述的高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統， 其特徵在於，所述紅外探測器的位置設置在光路上的離焦位置，使光源像的 明暗分布，不至影響光束在紅外探測器上的均勻性。
8. 根據權利要求1所述的高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統， 其特徵在於，所述紅外氣體傳感器採用單光源，雙探測器結構，在一個探測 器的前面放置一個目標氣體對應波長的帶通濾波片，在另一個探測器的前面 放置一個對應參考波長的帶通濾波片。
9. 根據權利要求1所述的高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統， 其特徵在於，所述紅外氣體傳感器採用雙光源，雙探測器結構，或單探測器 結構，帶通濾波片可以放在探測器的前面，也可以放在光源的前面。
全文摘要
本發明屬於礦井安全的防爆氣體探測設備領域，涉及高靈敏度、高穩定性的紅外瓦斯傳感器系統。含有光源、採樣吸收氣室、探測器，微處理器，和放大器。在微處理器控制的交變信號驅動下，光源發出脈衝光，光在吸收氣室內經過多次反射，經窄帶濾光片選擇出不同波長的光，由探測器轉換為兩路電信號，一路為探測信號，一路為參考信號。電信號經放大器放大，再經微處理器進行A/D轉化，得到兩路數位訊號，用探測信號除參考信號得到其比值，計算氣體對光的吸收率，微處理器根據標準的測量吸收率與濃度曲線，用非線性校正算法得到被測氣體的濃度值。使用本系統，光能利用率和檢測靈敏度高，成本低，穩定性高，響應時間快及壽命長，生產工藝簡單。
文檔編號G01N21/35GK101592602SQ200810113179
公開日2009年12月2日 申請日期2008年5月28日 優先權日2008年5月28日
發明者陳明徹 申請人:北京市加華博來科技有限公司