一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器的製作方法

2023-05-26 18:16:01

專利名稱：一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及紅外氣體探測器，具體涉及一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器。
背景技術：
基於非分光紅外(NDIR)技術原理的紅外氣體傳感器廣泛應用於氣體分析的各個領域，為改變煤礦井下安全監測系統一直使用需頻繁校對的催化瓦斯傳感器的現狀，越來越多的研究機構相繼開發出用於煤礦井下的基於NWR原理的紅外氣體傳感器，表明有越來越多的人意識到用更為先進的紅外氣體傳感器來替代長期以來一直在煤礦使用的催化瓦斯傳感器已經成為發展趨勢。儘管基於NWR技術的紅外氣體傳感器在上世紀90年代初就引入我國煤礦試用， 但經過了 20多年，紅外氣體傳感器仍然未能在煤礦廣泛普及推廣使用，一直沒有既適應於煤礦井下惡劣環境，同時又具有較高性價比，並且能充分體現紅外傳感器優越性的產品是紅外氣體傳感器長期不能在煤礦大範圍推廣使用的重要原因。將原先廣泛應用於實驗室的紅外氣體傳感器應用於煤礦井下，需要解決的重要問題是傳感器必須適應煤礦井下的惡劣工作環境。這個問題如果不能很好得到解決，紅外氣體傳感器在實驗室環境中具有的優勢將會被環境惡劣所帶來的劣勢所取代。在煤礦井下，紅外氣體傳感器除了需克服較長光程需求與體積空間有限的矛盾、 防塵防潮與響應時間的矛盾、溫度變化與探測器輸出信號穩定性的矛盾、水汽影響與探測器輸出信號變化等矛盾外，還有一個需要解決的問題就是如何解決環境條件變化對紅外傳感器計算濃度準確性產生影響的問題。在影響紅外傳感器計算濃度準確性的因素中，環境溫度的變化是其中一個主要因素，對於因環境溫度變化引起的紅外傳感器計算濃度準確性變化的問題，已經有不少解決方案。中國專利2006200984M. 8分別在紅外發射組件與紅外接收組件中安置微型加熱器使發射光源和紅外探頭處於恆溫狀態，以減小環境溫度變化對傳感器計算濃度準確性的影響。除了以上通過主動控制局部溫度的技術措施外，用被動方式來適應溫度變化的技術也被採用，中國專禾U 200720307032. 1,200710063467. 0,200720188521. X,200620111569. 6 均通過增設溫度傳感器來校準紅外傳感器計算濃度。以上專利技術在一定程度上解決了因溫度變化所導致的紅外氣體傳感器應用於煤礦井下時所存在的紅外傳感器計算濃度出現偏差的問題。除了溫度因素外，紅外傳感器光源光強的變化也是影響紅外傳感器計算濃度準確性的重要因素。影響光源光強的因素是多樣性的，對於NWR常採用的廣譜光源而言，光強會受光源電壓、電流的波動而波動；與普通鎢絲光源一樣，廣譜光源的光強還會隨著使用時間的延長而發生變化。在廣泛使用的廣譜光源中，光源的光強並不是在整個使用過程中保持不變的。在連續工作模式中，光源的光強會隨著使用時間的延長先逐漸下降然後逐漸趨近於穩定；但在電調製的脈衝工作模式中，光強會隨著使用時間的延長而出現先逐漸減弱，隨後又逐漸變強的變化。這就是很多高性能紅外氣體分析儀都採用機械斬波的方式進行光調製的主要原因。不少基於電調製的廣譜光源紅外氣體傳感器在傳感器連續使用幾個月後，即使傳感器氣室沒有受到汙染，也同樣出現光強遠遠大於標定初期光源強度的情況，其結果是計算濃度低於實際濃度，導致傳感器發生這類軟失效的主要原因就在於光源光強隨工作時間的延長會出現先是平穩減弱然後又逐漸增強直至最終損壞。在依靠反射光線來延長光程的氣室結構中，光強的強弱嚴重依賴於反射面的反射率。當反射面的反射率發生變化時，光強會相應發生較大的變化。在煤礦井下，煤塵濃度很高，煤塵顆粒大小從幾百納米到幾毫米不等，很小的煤塵微粒會逐漸附著於氣室內壁上，導致反射面的反射率大幅度下降，這對於基於反射來延長光程的氣室結構來說，由此所導致的光強衰減是非常大的，需要鑑別光強的衰減到底是因濃度還是反射面受汙染引起的。此外，煤礦井下頻繁通斷的大電流用電設備很多，這些用電設備的供電電纜往往與氣體傳感器的電源線、信號輸出線共同布置，供給強電設備的大電流變化必然會影響到傳感器的供電，導致傳感器光源的電壓和電流出現相應的波動，造成即使在溫度不變時，紅外傳感器的光源發射出的光強仍然會出現較大變化的不穩定情況。為解決以上問題，基於NWR原理的紅外傳感器通常採用具有雙元探測器的參比技術來克服環境變化所帶來的影響。具有雙元探測器的參比技術的核心要點是採用兩個紅外探測單元來構成紅外氣體探測器，這兩個紅外探測器具有2個相同的紅外敏感元，在2個紅外敏感元上分別覆蓋不同波長的窄帶濾光片，一個窄帶濾光片的通帶中心波長與被檢測氣體的吸收波長相同，另一個窄帶濾光片的通帶中心波長被設定於與被檢測氣體吸收波長相近但不會被常見氣體吸收的波長位置處。後者稱為參比濾光片，覆蓋參比濾光片的單元稱為參比探測器單元。由於參比探測器單元的輸出信號電壓受環境溫度、氣室汙染程度等影響造成的光強變化的影響，但不受氣體濃度變化的影響，因此，通過參比探測器單元的輸出信號變化可以消除外部環境導致的光強變化。但是，由於雙元探測器每個敏感元的參數不完全相同、雙元濾波片的透過率不相等以及不同探測器、不同氣室、不同放大電路、不同傳感器所用器件的材料、加工工藝過程中參數存在著較大的離散性，這將導致不同探測器輸出信號受光強變化而變化的關係不是等比或等量變化關係，很難用同一個參數固定的算法來去確定。換言之，每生產一個傳感器，都必須進行不同濃度、不同溫度、不同光源電壓、不同光源電流以及不同氣室汙染程度條件下探測器輸出電壓與計算濃度相關關係的標定。這樣，才能得出針對該探測器以及由此探測器和特定放大器、特定氣室所組成的紅外氣體傳感器的濃度計算回歸分析方程和相應的修正參數。而所得到的方程和修正參數僅僅針對該臺傳感器具有準確性。更換被標定傳感器的任何一個部件或者重新組裝該臺傳感器，都會引起已經標定的參數不再符合重新裝配的傳感器所對應的新的特徵參數的現象出現，如果忽視這一點，將導致重新組裝的傳感器計算濃度的準確性會出現較大偏差。由於以上問題的存在，對每一臺紅外氣體傳感器的標定工作變得異常複雜，需要耗費大量的人工和標準氣體，使紅外氣體傳感器成本進一步增加。

發明內容
針對以上問題，本發明提供一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器，這種傳感器與現有技術需要對每臺傳感器進行多濃度條件、多環境溫度、多電壓電流情況下進行標定的過程不同，僅需對紅外氣體傳感器進行不同濃度下的氣體濃度-探測器輸出電壓的簡單標定，即可在不同的環境條件下自動完成校準。為煤礦使用的紅外氣體傳感器消除環境條件變化所進行的修正參數的標定提供了一種全新的解決辦法。本發明所採用的技術方案是一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器，包括電源電路、傳感器-前端放大電路、光源光強控制電路、在線編程電路、MCU微控制器、LCD顯示電路、通訊電路和聲光報警電路，其特徵在於，所述光源光強控制電路由一個光源、一個可編程恆流源控制器、一個固定電阻、一個數字電位器、一個場效應電晶體以及MCU微控制器組成。所述光源光強控制電路的光源為廣譜光源，光源的一端與電源相連接，另一端與可編程恆流源控制器的輸入端相連接。所述光源光強控制電路的可編程恆流源控制器的輸入端與廣譜光源的一端相連接，可編程恆流源控制器的輸出端與一固定電阻相連接，可編程控制器的設置端與數字電位器的移動臂端相連接。所述光源光強控制電路的固定電阻的一端與可編程恆流源控制器的輸出端相連接，另一端與場效應電晶體的漏極以及數字電位器的低端相連接。所述光源光強控制電路的數字電位器的移動臂端與可編程控制器的設置端相連接，數字電位器的低端與場效應電晶體的漏極相連，數字電位器的電源端與電源相連結，數字電位器的地線端與電源的地線相連接，數字電位器的數據線端和時鐘線端分別與MCU微控制器的數據線端和時鐘線端相連接。所述光源光強控制電路中的場效應電晶體的漏極端分別與固定電阻和數字電位器的低端相連接，場效應管的柵極與MCU微控制器的調製信號控制端相連接，場效應電晶體的源極與電源的地線相連接。與現有技術相比較，本發明用探測器參比單元來實時監測非濃度變化導致的環境條件變化，監測到的變化量反饋到紅外氣體傳感器的MCU微控制器，微控制器根據探測器參比單元輸出的光強信號動態調整光源光強控制電路中數字電位器的電阻以改變恆流源的電流恆定值，進而控制發射光強，使探測器參比單元接收到的紅外光強始終逼近預先標定的數值，從而實現紅外氣體傳感器的自動校準。與現有技術人工標定和校準的開環方案相比，本發明實現了環境以及光源條件變化導致的光強變化——參比探測單元輸出電壓變化——可編程恆流源恆定電流調整修正——發射光強變化修正的閉環控制，讓參比探測器接收到的紅外光強始終保持在標定位置，進而實現了傳感器的自動校準，免去了對每一臺傳感器均需進行多濃度條件、多環境溫度、多電壓電流情況下的標定工作，大大減少了標定工作內容，提高了校準的效率和準確性，解決了紅外氣體傳感器大規模產業化生產所面臨的低效高成本問題。


圖1為現有技術的光源驅動電路圖。圖2為本發明的電路框3為本發明的光源光強控制電路的電路圖。
具體實施例方式如圖1所示，現有技術的礦用紅外氣體傳感器的光源驅動電路由光源31、固定電阻32、電晶體33、微控制器6組成。微控制器6輸出的脈衝驅動光源31發出光強脈動的光線，脈動的光線經過氣室後到達紅外探測器，由紅外探測器輸出的光強信號進入微控制器 6，微控制器6計算光強的衰減量並根據蘭博-比爾定律計算出氣體的濃度。光源驅動電路中的電晶體可以是普通的雙極型電晶體，也可以是場效應管。由微控制器6輸出的脈衝開關控制信號IR-DRV進入到場效應電晶體的柵極(對於雙極型電晶體而言是基極)控制電流的通斷，形成用以調製光源的脈衝波形。雖然可以改變佔空比的大小來對光源的光強做有限的調整，但是，當佔空比較小時，會引起光強的穩定性急劇下降，因此用脈寬調製方式對光強進行控制不能得到很好的光強穩定性。光源的光強主要與流過光源的電流和施加於光源上的電壓密切相關，通過改變施加於光源上電壓的大小來改變光強，也可以在一定程度上控制光強，但光源在一定的工作電壓範圍內才能夠穩定發光，工作電壓過高，將使光源壽命急劇下降，過低，不足以點亮光源，同時，過低的工作電壓同樣會引起光源光強穩定性大幅度下降，這對於要求穩定性很高的氣體傳感器而言是不合適的。因此，在現有技術的光源驅動電路中，不能有效地控制光源的光強。圖2所示是本發明實施例的電路框圖，如圖所示，本發明的一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器，包括電源電路1、傳感器-前端放大電路2、光源光強控制電路3、 在線編程電路4、MCU微控制器5、IXD顯示電路6、通訊電路7和聲光報警電路8。以上電路中，除光源光強控制電路3外的其餘電路都是成熟並已大量應用的公知技術，在本發明中不再敘述。圖3為本發明實施例中光源光強控制電路3的電路圖。如圖所示，本發明的光源光強控制電路由光源31、固定電阻32、場效應電晶體33、數字電位器34、可編程恆流源控制器35、微控制器6組成。在本發明的實施例中，選用的光源1為IRL715，光源的波長高達4.4um，光源工作電壓5V，工作電流115mA士 10%，脈衝工作模式時，工作壽命40000小時，光源的一端與電源相連接，光源的另一端與可編程恆流源控制器35的輸入端IN相連接。在本發明的實施例中，所選擇的可編程恆流源控制器35為LT3092，輸入電壓範圍 1. 2V 40V，最大輸出電流為200mA，初始電流精度1 %，具有反向電壓保護、反向電流保護、 過流保護以及過熱保護功能，是本質安全電路最佳的限流和恆流源控制器。可編程恆流源控制器35的輸入端IN與光源的一端相連接，可編程恆流源控制器35的輸出端OUT與固定電阻相32的一端連接，固定電阻的另一端與場效應電晶體33的漏極相連，可編程恆流源控制器35的設置端SET與數字電位器的高端H相連接。在本發明的實施例中，固定電阻32選擇為4. 99歐姆，為低溫票高精度的固定電阻，固定電阻的一端與可編程恆流源控制器35的輸出端OUT相連接，固定電阻的另一端與場效應電晶體的漏極以及數字電位器的移動臂端W相連接。在本發明的實施例中，數字電位器34選擇AD5259，AD5259是非易失、線性數字電位器，與機械電位器功能相似，但可通過線數字接口控制，允許多個器件進行通信。每個器件具有分離電位器或可變電阻的功能，具有256個抽頭點。AD5259的電阻值為100kQ，標稱電阻的端到端溫度係數為35ppm/°C，比率溫度係數僅為5ppm/°C，非常適合低溫漂可變電阻的應用。數字電位器34的高端H與可編程控制器35的設置端SET相連接，數字電位器34的移動臂端W與場效應電晶體的漏極相連，數字電位器34的電源端VDD和地端分別與電源以及電源的地線相連接，數字電位器；34的數據線端SDA和時鐘線端SCL分別與MCU 微控制器5的數據線端SDA和時鐘線端SCL相連接。數字電位器34除了可以選用在本實施例中採用的AD5259外，凡具有I2C數據接口的不同廠家具有256抽頭的數字電位器，均可按照本實施例的連接方式連接使用。如 INTERSIL公司的ISL95811、MAXIM公司的MAXM18等數字電位器均可按照本實施例的連接方式進行連接。在本發明的實施例中，可編程光源光強控制電路的場效應電晶體33選用A03146 場效應電晶體，電晶體33的漏極端與固定電阻32的一端以及數字電位器34的移動臂端W 相連接，場效應管的柵極與MCU微控制器5的調製信號控制端頂DRV相連接，場效應電晶體33的源極與電源地線相連接。在本發明的實施例中，MCU微控制器5選用的是數位訊號處理控制器 DSPIC33FJ256GP710，MCU微控制器5的光源調製信號控制端頂DRV與場效應電晶體33的柵極相連接，MCU微控制器5的數據端SDA和時鐘端SCL分別與數字電位器34的數據端SDA 和時鐘端SCL相連接。MCU微控制器5根據接收到的探測器參比單元輸出的光強信號判別光強是否與沒有甲烷濃度時標定的強度信號相等，當兩者出現偏差，且偏差值超過預定範圍時，MCU微控制器5向與數字電位器34數據端SDA和時鐘端端SCL輸出控制信號，改變數字電位器34的阻值大小，以改變光源的電流，進而改變發射光源的光強，使光強始終趨近於標定的強度， 達到穩定光強，消除環境以及光源長時間工作帶來的光強變化的目的。由於光強能在傳感器工作過程中始終趨近於初始標定光強，因此，不需再進行模擬不同溫度、溼度以及氣室汙染程度下探測器輸出信號強度的標定，極大地簡化了標定過程，降低了標定成本，為礦用紅外甲烷傳感器的低成本化提供了一個全新的技術方案。
權利要求
1.一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器，包括電源電路、傳感器-前端放大電路、光源光強控制電路、在線編程電路、MCU微控制器、LCD顯示電路、通訊電路和聲光報警電路，其特徵在於，所述光源光強控制電路由一個光源、一個可編程恆流源控制器、一個固定電阻、一個數字電位器、一個場效應電晶體以及MCU微控制器組成。
2.權利要求1所述一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器，其特徵在於，所述光源光強控制電路的光源為廣譜光源，光源的一端與電源相連接，光源的另一端與可編程恆流源控制器的輸入端相連接。
3.權利要求1所述一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器，其特徵在於，所述光源光強控制電路的可編程恆流源控制器的輸入端與廣譜光源的一端相連接，可編程恆流源控制器的輸出端與固定電阻的一端相連接，可編程控制器的設置端與數字電位器的高端相連接。
4.權利要求1所述一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器，其特徵在於，所述光源光強控制電路的固定電阻的一端與可編程恆流源控制器的輸出端相連接，固定電阻的另一端與場效應電晶體的漏極以及數字電位器的移動臂端相連接。
5.權利要求1所述一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器，其特徵在於，所述光源光強控制電路的數字電位器的高端與可編程恆流源控制器的設置端相連接，數字電位器的移動臂端與場效應電晶體的漏極以及固定電阻的一端相連接，數字電位器的電源端與電源相連，數字電位器的地線端與電源的地線相連接，數字電位器的數據線端和時鐘線端分別與微控制器的數據線端和時鐘線端相連接。
6.權利要求1所述一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器，其特徵在於，所述光源光強控制電路的場效應電晶體的漏極端分別與固定電阻的一端以及數字電位器的移動臂端相連接，場效應管的柵極與微控制器的調製信號控制端相連接，場效應電晶體的源極與電源的地線相連接。
全文摘要
本發明涉及紅外氣體探測器，具體涉及一種具有自動校準功能的礦用紅外氣體傳感器。本傳感器括電源電路、傳感器前端放大電路、光源光強控制電路、在線編程電路、MCU微控制器、LCD顯示電路、通訊電路和聲光報警電路。特徵在於光源光強控制電路由一個可編程恆流源控制器、一個數字電位器、一個固定電阻以及一個場效應電晶體組成。微控制器根據探測器參比單元輸出的光強信號動態調整光源光強控制電路中數字電位器的電阻，以改變恆流源的電流恆定值，進而控制發射光強，使探測器參比單元接收到的紅外光強始終逼近預先標定的數值，從而實現紅外氣體傳感器的自動校準。
文檔編號G01N21/35GK102419311SQ20111025448
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者普照光, 趙捷 申請人:趙捷