一種紅外氣體傳感器及檢測方法

2023-12-03 21:03:51 3

一種紅外氣體傳感器及檢測方法
【專利摘要】針對現有礦用紅外氣體傳感器所存在的不足，本發明提供一種紅外氣體傳感器及檢測方法；傳感器包括外殼、內筒體、電路組件、光源、紅外探測器、溫度傳感器、過濾膜、金屬網、通氣板；光源經調製，周期性地輻射光波，經待測氣體吸收後，照射在紅外探測器上，經濾波、放大，提取具有與光源調製相同周期的電信號；本產品在測量模式下對待測氣體的濃度進行檢測；在標定模式下對設備自身進行標定；本發明有益的技術效果是：本產品在惡劣環境中長期穩定與可靠運行，具有防爆性能，其在光源周期性輻射光波的加熱下，形成了呼吸性氣室，氣室與光學系統為一體，能同時進行多種氣體濃度的檢測，其測量與標定方法簡單、可靠。
【專利說明】一種紅外氣體傳感器及檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於防爆檢測【技術領域】，具體涉及煤礦井下的氣體檢測技術，尤其涉及多組分的紅外氣體傳感器及檢測方法。
【背景技術】
[0002]紅外氣體傳感器，是利用被測氣體對特定波長的紅外輻射有吸收的原理，根據各種氣體光譜曲線上某些特定波長處吸收峰的變化來測定氣體的濃度。
[0003]採用紅外技術的多組分氣體傳感器，彌補煤礦檢測儀器的不足，改善檢測儀器的性能，為煤礦安全提供更為行之有效的檢測手段及裝備，對提高煤礦的安全生產，保障國家財產和人員生命安全有極其重要的現實意義。但是，現有的紅外氣體傳感器不能適合於煤礦井下爆炸性環境、惡劣環境下使用，溫度、水汽、粉塵、腐蝕性氣體、易燃易爆氣體對傳感器造成損害，使其性能下降，具體表現總結為如下幾個方面:
1、現有的傳感器採用傳統的紅外氣體檢測手段、沒有充分考慮煤礦井下惡劣環境對傳感器的影響，採用檢測方法和溫度補償方法，不能保證傳感器長期工作的穩定性和可靠性；
2、現有的傳感器防爆、防塵、防溼、防腐蝕性、防幹擾性能差，影響傳感器在惡劣環境下的安全使用和測量的準確性；
3、現有的傳感器氣室結構及光學系統複雜，因此，製造工藝複雜、成本高、維護困難，也很難實現對多組分氣體的測量；
4、現有的傳感器氣室結構及檢測方法，不利於氣室與環境充分交換氣體，導致測量響應時間長，對環境中氣體檢測的不可靠；
5、現有的傳感器一般只檢測一種氣體濃度；
6、現有的傳感器大多只輸出紅外探測器轉化的電信號，沒有後續信號處理；
7、現有的傳感器沒有提供較好的傳感器標定與測量方法。
[0004]為此，大量的科研機構與廠礦企業對紅外氣體傳感器進行了廣泛的研究與技術探索，但仍然有需要進一步改進、完善的地方。專利「一種非色散紅外氣體傳感器」(CN201477043U)的加工要簡單些，但很難實現光路的聚焦。專利「雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測傳感器」(CN101105449)提供一種雙光源雙敏感元件紅外氣體檢測傳感器，其光路結構複雜，需要反射鏡聚焦，且氣室的製造較為複雜，實用性差，該裝置無自檢與傳輸功能，使用的範圍有限。專利「具有通信設備的紅外氣體傳感器和傳達來自紅外氣體傳感器的校正信息的方法」(CN1886654A)則是介紹一種傳達來自紅外氣體傳感器的校正信息的方法，主要是針對傳感器外殼內的紅外能量源的紅外能量，沒有對器件整體結構與軟體方法提出一體化的優化設計方案。

【發明內容】

[0005]針對現有紅外氣體傳感器所存在的上述不足，本發明提供一種紅外氣體傳感器及檢測方法，其具體的結構與檢測方法分別為:
一種紅外氣體傳感器，包括外殼1、內筒體2和電路組件；其中，在內筒體2的外部套有外殼1，在內筒體2的底部連接有電路組件；此外:所述外殼I為中空圓筒，在外殼I的頂端設有向內伸展的臺階11 ;所述臺階11呈環形；在臺階11的頂部罩覆有一層過濾膜12 ;在臺階11的底部罩有一層金屬網13，金屬網13的底面與一塊通氣板14相連接；所述通氣板14為薄片金屬盤狀，在通氣板14上均布有一圈貫穿孔15 ;即由過濾膜12、金屬網13和通氣板14將外殼I的頂部開口覆蓋起來；
所述內筒體2為頂部封口的中空圓筒，在內筒體2的底部設有向外延伸的環形邊21，在內筒體2的側壁上設有一個進光口 22 ;在環形邊21上設有一個準三稜柱體，所述準三稜柱體由反射板23、擋光板24和弧形板26圍繞而成，其中，反射板23與擋光板24相連處的稜角邊與進光口 22左側的內筒體2側壁相連接，弧形板26的底邊與環形邊21的一段邊緣相重合；在靠近擋光板24的環形邊21上設有一個通孔25 ；
內筒體2的頂面與通氣板14的底面緊密接觸；內筒體2的環形邊21與外殼I的內壁相接；環形邊21與外殼I的連接處填充有環氧樹脂密封；外殼I與內筒體2所圍成的區域構成本紅外氣體傳感器的氣室9 ;即外界環境氣體依次穿過過濾膜12、金屬網13和通氣板14的貫穿孔15後擴散並進入氣室9 ；
所述電路組件包括底板3、光源4、紅外探測器5、溫度傳感器6和信號處理電路7 ;所述底板3為金屬圓板且與環形邊21的外徑等長；底板3與環形邊21的底面相連接，即通過底板3將內筒體2下方的開口封住；
在底板3頂面的中央設有紅外探測器5 ;在靠近紅外探測器5的底板3頂面上設有溫度傳感器6 ;光源4設置在靠近擋光板24 —側的氣室9端部，光源4的底部穿過通孔25後與底板3相連接；信號處理電路7安置在底板3上，並通過導線將紅外探測器5、溫度傳感器6和光源4分別與信號處理電路7相連接；
所述信號處理電路7的控制端與光源4相連，向光源4輸送周期性的電壓；信號處理電路7的信號輸入端分別與紅外探測器5以及溫度傳感器6的信號輸出端相連接；
所述光源4在周期性電壓的驅動下產生周期性的輻射光波；光源4產生的周期性輻射光波經氣室9多次反射並穿過進光口 22照射在紅外探測器5上；光源4產生的周期性輻射光波一方面用作檢測用的紅外輻射光波，另一方面對氣室9內的氣體進行周期性的加熱，促使氣室9內的氣體周期性地膨脹收縮，從而實現氣室9內的氣體與外殼I外部的環境氣體快速地進行氣體交換，形成了 「呼吸性氣室」；
紅外探測器5將接收到的周期性輻射光波，轉化為與輻射光波相同周期的電信號後傳遞至信號處理電路7 ;溫度傳感器6實時檢測紅外探測器5附近的溫度並傳遞至信號處理電路7，供信號處理電路7對紅外探測器5傳回的電信號做溫度補償。
[0006]進一步地說，光源4所發出的輻射光波的光譜範圍為可見光至紅外波段。紅外輻射優選的波段範圍是2?5μπι、8?12μπι、2?12μπι和2?20 μ m ;紅外探測器5由2至16個紅外敏感元件構成，其中I個紅外敏感元件接收波長為3.9μπι的紅外輻射，餘下的紅外敏感元件的敏感面上均安裝有窄帶幹涉濾光片，接收與窄帶幹涉濾光片相對應波長的紅外輻射；光源4所發出的輻射光波經氣室9的多次反射後，形成的光斑直接照射在紅外探測器5的整個敏感面上，整個光路上不加設任何匯聚或分光的光學器件。[0007]進一步地說，所述信號處理電路7由窄帶帶通濾波放大電路71、模數轉換電路72、微處理器73、光源調製驅動電路74和接口 75組成；紅外探測器5的每個紅外敏感元件的信號輸出端均與一個窄帶帶通濾波放大電路71相連接；每個窄帶帶通濾波放大電路71的信號輸出端共同與模數轉換電路72的多路模擬量輸入端相連接；窄帶帶通濾波放大電路71將紅外探測器5輸出的電信號進行濾波、放大後傳輸至模數轉換電路72，濾波、放大後的電壓信號與微處理器73的驅動光源調製驅動電路74的信號具有相同的周期；溫度傳感器6的信號輸出端與模數轉換電路72的模擬量輸入端相連接；模數轉換電路72的數字量輸出端與微處理器73的信號輸入端相連接，即模數轉換電路72將接收到的溫度信號和每個紅外敏感元件的電信號均轉為數位訊號後再輸入給微處理器73進行處理；微處理器73依據接收到的數字量，進行分析處理、溫度補償、計算出待測氣體的濃度；微處理器73的信號輸出端與光源調製驅動電路74的信號輸入端相連接；微處理器73負責產生周期性的控制信號，所述周期性的控制信號為方波；光源調製驅動電路74將接收到的周期性控制信號轉換成相同周期的電壓加載在光源4上，令光源4產生周期性的輻射光波，該輻射光波經氣室9側壁反射和氣室9中待測氣體吸收後,照射在紅外探測器5的光敏面上,轉換成電信號；微處理器73與接口 75相連接，通過接口 75實現微處理器73與遠程上位機的連接。
[0008]進一步地說,紅外探測器5內每一個紅外敏感元件均與一個窄帶帶通濾波放大電路71相連接；每一個窄帶帶通濾波放大電路71共同與一個模數轉換電路72多路模擬量輸入端相連接；窄帶帶通濾波放大電路71由第一電阻R1、第二電阻R2、第一電容Cl、第二電容C2和運算放大器OP組成；其中，在運算放大器OP的輸出端與負輸入端之間並聯有第一電阻Rl和第一電容Cl ;運算放大器OP的負輸入端與第二電阻R2的一端相連接，第二電阻R2的另一端與第二電容C2的一端相連接；第二電容C2的另一端與紅外探測器5的供電電源負端相連接；運算放大器OP的正輸入端與紅外敏感元件的輸出端相連接；運算放大器OP的輸出端與模數轉換電路72相連接；窄帶帶通濾波放大電路71的傳輸函數是:
【權利要求】
1.一種紅外氣體傳感器,包括外殼(I)、內筒體(2)和電路組件；其中，在內筒體(2)的外部套有外殼(1)，在內筒體(2)的底部連接有電路組件；其特徵在於:所述外殼(I)為中空圓筒，在外殼(I)的頂端設有向內伸展的臺階(11);所述臺階(11)呈環形；在臺階(11)的頂部覆蓋有一層過濾膜(12);在臺階(11)的底部罩有一層金屬網(13)，金屬網(13)的底面與通氣板(14)相連接；所述通氣板(14)為薄片金屬盤狀，在通氣板(14)上均布有一圈貫穿孔(15);即由過濾膜(12)、金屬網(13)和通氣板(14)將外殼(I)的頂部開口覆蓋起來；所述內筒體(2)為頂部封口的中空圓筒，在內筒體(2)的底部設有向外延伸的環形邊(21)，在內筒體(2)的側壁上設有一個進光口(22);在環形邊(21)上設有一個準三稜柱體，所述準三稜柱體由反射板(23)、擋光板(24)和弧形板(26)圍繞而成，其中反射板(23)與擋光板(24)相連處的稜角邊與進光口(22)左側的內筒體(2)側壁相連接，弧形板(26)的底邊與環形邊(21)的一段邊緣相重合；在靠近擋光板(24)的環形邊(21)上設有一個通孔(25)； 內筒體(2)的頂面與通氣板(14)的底面緊密接觸；內筒體(2)的環形邊(21)與外殼(I)的內壁相接；在環形邊(21)與外殼(I)的連接處填充有環氧樹脂密封；外殼(I)與內筒體(2)所圍成的區域構成本紅外氣體傳感器的氣室(9);即外界環境氣體依次穿過過濾膜(12)、金屬網(13)和通氣板(14)的貫穿孔(15)後擴散並進入氣室(9)； 所述電路組件包括底板(3)、光源(4)、紅外探測器(5)、溫度傳感器(6)和信號處理電路(7);所述底板(3)為金屬圓板且與環形邊(21)的外徑等長；底板(3)與環形邊(21)的底面相連接，即通過底板(3)將內筒體(2)下方的開口封住； 在底板(3 )頂面的中央設有紅外探測器(5 );在靠近紅外探測器(5 )的底板(3 )頂面上設有溫度傳感器(6);光源(4)設置在靠近擋光板(24) —側的氣室(9)端部,光源(4)的底部穿過通孔(25)後與底板(3)相連接；信號處理電路(7)安置在底板(3)上，並通過導線將紅外探測器(5)、溫度傳感器(6)和光源(4)分別與信號處理電路(7)相連接； 所述信號處理 電路(7)的控制端與光源(4)相連，向光源(4)輸送周期性的電壓；信號處理電路(7)的信號輸入端分別與紅外探測器(5)以及溫度傳感器(6)的信號輸出端相連接; 所述光源(4)在周期性電壓的驅動下產生周期性的輻射光波；光源(4)產生的周期性輻射光波經氣室(9)反射後並穿過進光口(22)照射在紅外探測器(5)上；光源(4)產生的周期性輻射光波對氣室(9)內的氣體進行周期性的加熱，促使氣室(9)內的氣體周期性地膨脹收縮，從而實現氣室(9)內的氣體與外殼(I)外部的環境氣體快速地進行氣體交換，形成了「呼吸性氣室」； 紅外探測器(5)將接收到的周期性輻射光波，轉化為與輻射光波相同周期的電信號後傳遞至信號處理電路(7); 溫度傳感器(6)實時檢測紅外探測器(5)附近的溫度並傳遞至信號處理電路(7)，供信號處理電路(7)對紅外探測器(5)傳回的電信號做溫度補償。
2.根據權利要求1所述的一種紅外氣體傳感器，其特徵在於，光源(4)所發出的福射光波的光譜範圍為可見光至紅外波段；紅外探測器(5)由2至16個紅外敏感元件構成，其中I個紅外敏感元件接收波長為3.9μπι的紅外輻射，餘下的紅外敏感元件的敏感面上均安裝有窄帶幹涉濾光片且接收與窄帶幹涉濾光片相對應波長的紅外輻射；光源(4)所發出的輻射光波經氣室(9)的多次反射後形成的光斑直接照射在紅外探測器(5)的整個敏感面上，整個光路上不加設任何匯聚或分光的光學器件。
3.如權利要求1所述的一種紅外氣體傳感器，其特徵在於，所述信號處理電路(7)由窄帶帶通濾波放大電路(71)、模數轉換電路(72)、微處理器(73)、光源調製驅動電路(74)和接口(75)組成； 紅外探測器(5)的每個紅外敏感元件的信號輸出端均與一個窄帶帶通濾波放大電路(71)相連接；每個窄帶帶通濾波放大電路(71)的信號輸出端共同與模數轉換電路(72)的多路模擬量輸入端相連接；窄帶帶通濾波放大電路(71)將紅外探測器(5)輸出的電信號進行濾波、放大後傳輸至模數轉換電路(72)，濾波、放大後的電壓信號與微處理器(73)的驅動光源調製驅動電路(74)的信號具有相同的周期； 溫度傳感器(6)的信號輸出端與模數轉換電路(72)的模擬量輸入端相連接； 模數轉換電路(72)的數字量輸出端與微處理器(73)的信號輸入端相連接，即模數轉換電路(72)將接收到的溫度信號和每個紅外敏感元件的電信號均轉為數位訊號後再輸入給微處理器(73)進行處理；微處理器(73)依據接收到的數字量，進行分析處理、溫度補償、計算出待測氣體的濃度； 微處理器(73)的信號輸出端與光源調製驅動電路(74)的信號輸入端相連接；微處理器(73)負責產生周期性的控制信號，所述周期性的控制信號為方波；光源調製驅動電路(74)將接收到的周期性控制信號轉換為同周期的驅動電壓加載在光源(4)上，令光源(4)產生周期性的 輻射光波，該輻射光波經氣室(9)側壁反射和氣室(9)中待測氣體吸收後，照射在紅外探測器(5)的光敏面上，轉換成電信號； 微處理器(73 )與接口( 75 )相連接，通過接口( 75 )實現微處理器(73 )與遠程上位機的連接。
4.根據權利要求1所述的一種紅外氣體傳感器，其特徵在於，紅外探測器(5)內每一個紅外敏感元件均與一個窄帶帶通濾波放大電路(71)相連接；每一個窄帶帶通濾波放大電路(71)共同與一個模數轉換電路(72)的多路模擬量輸入端相連接； 窄帶帶通濾波放大電路(71)由第一電阻R1、第二電阻R2、第一電容Cl、第二電容C2和運算放大器OP組成；其中，在運算放大器OP的輸出端與負輸入端之間並聯有第一電阻Rl和第一電容Cl ;運算放大器OP的負輸入端與第二電阻R2的一端相連接，第二電阻R2的另一端與第二電容C2的一端相連接；第二電容C2的另一端與紅外探測器(5)的供電電源負端相連接；運算放大器OP的正輸入端與紅外敏感元件的輸出端相連接；運算放大器OP的輸出端與模數轉換電路(72)相連接；窄帶帶通濾波放大電路(71)的傳輸函數是:
5.根據權利要求1所述的一種紅外氣體傳感器，其特徵在於，光源(4)的燈芯為鎢絲或熱電阻薄膜；在通電狀態下，光源(4)發熱並產生紅外輻射； 光源調製驅動電路(74)由光源(4)、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、三極體VTl和場效應管VT2組成；其中，場效應管VT2的源極連接電源地，場效應管VT2的源極與場效應管VT2的漏極通過第六電阻R6相連接，場效應管VT2的漏極連接第五電阻R5，場效應管VT2的門極分別與第四電阻R4的一端、三極體VTl的發射極相連接，第四電阻R4的另一端連接電源VCC，三極體VTl集電極與場效應管VT2的源極相連接，三極體VTl的基極與第三電阻R3的一端相連接，第三電阻R3的另一端與微處理器(73)相連接；在第四電阻R4的另一端與第五電阻R5的另一端之間串聯有光源(4);即電源VCC提供的電流依次流經光源(4)、第五電阻R5、第六電阻R6和場效應管VT2，實現對光源(4)的供電，微處理器(73)產生的周期性控制信號依次經過第三電阻R3、三極體VTl和場效應管VT2，驅動光源(4)周期性地發出輻射光波； 鎢絲通入電流加熱，溫度升高，隨著溫度的升高，鎢絲電阻值增加，沒有電流通過時的電阻叫做冷阻，當有電流通過時，電阻將升高，叫做熱阻；鎢絲冷阻很小，如果光源(4)從冷阻狀態點亮，這個過程會產生很大的衝擊電流；光源調製驅動電路(74)將加載一定的電流在光源(4)上，避免了光源(4)從冷阻狀態點亮； 場效應管VT2截止時，電源VCC經光源(4)、電阻R5、R6到達電源地，通過調節電阻R6可設定通過光源(4)電流值，決定光源(4)調製深度，也就是在場效應管VT2截止時，光源(4)中通入電流，避免光源(4)冷阻狀態點亮時，對電源VCC的衝擊； 場效應管VT2是個低導通電阻的N溝道MOSFET，導通電阻僅零點幾歐姆；場效應管VT2導通時，電源VCC經光源(4)、電阻R5、場效應管VT2及並聯於場效應管VT2的漏、源極電阻R6到達電源地，通過調節電阻R5設定通過光源(4)電流值，決定光源(4)產生的輻射光波的強度； 三極體VTl —是用於保護場效應管VT2，防止場效應管VT2損壞，二是將微處理器(73)輸出的控制信號與光源(4)供電電源VCC進行隔離，防止相互幹擾。
6.根據 權利要求2所述的一種紅外氣體傳感器,其特徵在於,紅外福射的波長範圍為2~ 5 μ m、8 ~12 μ m、2 ~12 μ m 和 2 ~20 μ m。
7.採用如權利要求1所述紅外氣體傳感器的檢測方法；其特徵在於， 測量步驟一，初始化；微處理器(73)輸出周期性控制信號，所述周期性控制信號為方波，光源(4)就周期性地發出輻射光波，輻射光波所產生的熱量對氣室內氣體進行周期性地加熱，促使氣室內氣體進行「膨脹-收縮」的循環，與環境進行充分的氣體交換，對氣室(9)進行乾燥、清潔； 測量步驟二，信號採集；微處理器(73)輸出採樣信號的通道編碼及指令，分別對溫度、各點電壓、紅外探測器(5)輸出信號進行採集並轉換為數位訊號；對紅外探測器(5)的各個敏感元件輸出經放大、濾波後的正弦波，在周期性控制信號使光源(4)中電流由大變小後，進行128~1024次採樣； 測量步驟三，計算；對溫度、各點電壓、紅外探測器(5)輸出，在信號採集空閒時進行計算，具體的是在周期性控制信號使光源(4)中電流由小變大後進行計算；其中，紅外探測器(5)內各個敏感元件的輸出信號經窄帶帶通濾波放大電路(71)處理後為正弦波，在一個正弦波內進行採樣，並按如下公式進行計算:
8.採用如權利要求7所述的紅外氣體傳感器的檢測方法；其特徵在於，在檢測之前，對紅外氣體傳感器的零點常數a和量程常數b、零點溫度補償係數1?和量程溫度補償係數ks進行標定並存入微處理器(73)存貯器內，待測量時調取並使用；具體的標定的方法按如下步驟進行: 標定步驟一，零點標定； 紅外氣體傳感器在標定溫度Ttl條件下，往氣室(9 )中通入氮氣，直至氣室(9 )完全充滿氮氣，測量出每個紅外敏感元件的待測氣體吸收紅外輻射能量後的模擬正弦波測量值Um和待測氣體均不吸收紅外輻射能量後的模擬正弦波參考值W，並按公式 UmJur計算得到零點常數a的值，存入微處理器(73)存貯器內，溫度傳感器(6)測量到的溫度Ttl值也存入微處理器(73)存貯器內； 標定步驟二，量程標定； 在標定步驟一同樣的溫度Ttl時，往氣室(9)中通入濃度為最大量程值的待測氣體的標準氣樣，直至氣室(9)完全充滿該待測氣體的標準氣樣，測量出每個紅外敏感元件在該待測氣體的標準氣樣下的吸收紅外輻射能量後的模擬正弦波測量值Um和在該待測氣體的標準氣樣下的不吸收紅外輻射能量後的模擬正弦波參考值的值，按標定步驟一的公式計算得到b的值，存入微處理器(73)存貯器內；標定步驟三，零點溫度補償係數標定；令溫度傳感器(6 )的環境溫度上升或下降到Tt，再次往氣室(9 )中通入氮氣，直至氣室(9)完全充滿氮氣，測量計算得出um/X的值，即溫度為Tt時的零點常數at值，由測量步驟五中的零點溫度補償公式~=?+知(石-石)，計算出1?值，存入微處理器(73)存貯器內； 標定步驟四，量程溫度補償係數標定；繼續將溫度傳感器(6)的環境溫度保持在Tt狀態下，往氣室(9)中通入溫度為Tt、濃度為最大量程值的待測氣體的標準氣樣，測量計算得出um/X的值，由測量步驟五中的量程溫度補償公式
【文檔編號】G01N21/3504GK103868877SQ201410094249
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月14日 優先權日:2014年3月14日
【發明者】劉永平, 劉丁鑫 申請人:劉永平, 劉丁鑫