一种非分红外光气体检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明的非分红外光气体检测系统采用了电脉冲调制红外光方法，使得在红外光调制部分减少了功耗、提高了稳定性；在气室结构设计采用内部镀膜方法，进一步减少了红外光扩散及外部干扰，提高了气体检测精度；同时对信号处理使用了校准电路使得对不同气体采集均可通过校准完成准确检测；采用了可编程逻辑器件，对空气中不同的环境因素可以通过软件采集进一步校准，通过FPGA处理，可以实现数据远程传输、异常报警等功能要求，从而提供高模块检测精度、实时性、稳定性，同时降低系统成本。本发明的非分红外光气体检测系统体积小、功耗低，而且能实现气体检测的连续性、实时性，检测精度得到了很大的提高。
【专利说明】一种非分红外光气体检测系统
【技术领域】
[0001]本发明属于非分红外光气体传感器领域，尤其涉及一种非分红外光气体检测系统。
【背景技术】
[0002]随着人们对环境卫生安全意识的提高，对空气环境质量连续监测要求进一步提高。目前国内外在非分光红外气体检测方面得到了快速发展，得到了广泛应用，但大多气体检测采用了电机机械调制红外光，而电机机械调制红外光检测仪器存在各种缺陷，如:功耗大，稳定性差，检测精度不高，在对有害气体连续监测过程中实时性差等。
【发明内容】
[0003]为解决上述问题，本发明提供一种非分红外光气体检测系统，该非分红外光气体检测系统体积小、功耗低，而且能实现气体检测的连续性、实时性，检测精度得到了很大的提闻。
[0004]本发明的非分红外光气体检测系统，包括:米样气室、信号放大器、校准处理器、信号处理器；
[0005]所述采样气室利用MEMS电调制红外光源发出波长范围为2?20 μ m的红外光；
[0006]所述采样气室内依次安装有红外光源、滤光片和红外探测器，且三者位于同一光学中心轴上；
[0007]所述所述非分红外光气体检测系统采用反馈式三级放大电路，其中第一级电路将电流信号转化为电压信号，第二级电路对所述电压信号进行放大处理，第三级电路将经放大处理的电压信号转化为4?20mA标准电流信号；
[0008]所述非分红外光有害气体检测系统的工作步骤如下:
[0009]Stll，所述采样气室利用基于MEMS的IRL715红外光源，根据电调制信号进行调制，产生红外光，所述红外光透过滤光片到达红外探测器上输出电信号；
[0010]S02,所述信号放大器对所述采样气室输出的电信号进行放大处理，将所述电信号调理为标准信号；
[0011 ] S03,所述校准处理器通过在反馈式三级放大电路中配置可调电位计对所述标准信号进行检测范围和零点漂移的调节，将经放大处理的标准信号转化为4?20mA标准电流信号;
[0012]S04,所述信号处理器通过A\D采集电路将所述4?20mA电流信号转化为数字量信号，在可编程逻辑控制器FPGA内完成电流与空气气体含量的换算，根据换算结果及气体设定范围获得检测结果。
[0013]进一步的，所述信号处理器获得检测结果后，还进行以下处理:
[0014]将检测结果通过内部FIFO进行数据存储；
[0015]通过RS485串口进行数据上传；[0016]通过外扩显示屏进行数据实时显示；
[0017]根据检测结果及气体设定范围判断是否异常，并在异常时通过界面指示灯闪烁进行报警。
[0018]进一步的，所述采样气室的内壁采用镀金石英玻璃管材料进行镀膜；
[0019]所述采样气室的下内壁设有进气口，上内壁设有出气口 ；
[0020]本发明的有益效果在于:
[0021]1.利用MEMS电调制红外光源，光源强度稳定，使空气中含量与输出信号能够线性比例输出，对气体的检测灵敏度可以达到0.lppm，可以满足常见气体分析需求。
[0022]2.采用气室采用镀膜技术，避免了由于检测气体成分复杂，长时间接触对其造成腐蚀的缺陷，也避免了腐蚀气体对检测精度的影响，从而使检测精度得到很大提高。
[0023]3.采用反馈式三级放大电路具有高精度、漂移小、响应快的优势，通过对信号的放大与处理，实现了与气体浓度线性对应的模拟信号以及对检测范围、漂移的校准功能。
[0024]4.本发明实现了有害气体的长期、稳定、可靠、连续的实时监测，可广泛安装到会议中心、大型商场、候车厅、候诊室、宾馆等场合，实时对空气质量进行监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明的非分红外光气体检测系统的采样气室结构示意图；
[0026]图2是本发明的非分红外光气体检测系统工作原理图。
【具体实施方式】
[0027]图1是本发明的非分红外光气体检测系统的采样气室结构示意图。图中电调制信号及红外光源为气体检测提供了单一波长的红外光；镀膜气室内壁采用镀金石英玻璃管材料，最大程度上减少了红外光在传播过程中的损耗，增加了抗腐蚀性；上下两个气孔实现检测气体在镀膜气室中流通；红外光透过滤光片到达红外探测器上，红外探测器实现对经过气体吸收后的红外光强度检测，并根据光强输出相应的电压信号。
[0028]图2是本发明的非分红外光气体检测系统工作原理图。利用Lamber-Beer定律，针对特定气体分子吸收特性波长的红外光这一特性，当气体通过扩散式经过检测气室时，气室一端的光源将被吸收掉一部分，在气室的另一端将检测该光强变化，将光强变化转换为电信号变化，再经过电信号采集变换完成对空气中气体成分检测。
[0029]采样气室利用特定气体对固定波长红外光吸收的原理，将通过空气中气体含量的变化通过红外探测器转换为电信号变化。
[0030]信号放大实现对红外探测器微弱信号的放大，将微弱信号调理为标准信号，实现电信号与检测气体含量线性关系；
[0031]校准部分主要是通过放大电路中配置的可调电位计实现在检测范围、零点漂移两方面的调节，实现传感器在长期使用过程校准。
[0032]信号处理部分采用FPGA为核心处理器设计，实现了信号采集、数据解析、软件校准等功能，并根据设定参数范围进行实时数据判读、显示及异常数据报警等。针对不同的气体采用不同的数据处理算法，将数据进行优化，提高了数据存储的实时性和可靠性。
[0033]利用基于MEMS技术的电调制红外光源，发光波长范围为2?20 μ m,可以满足常见气体分析需求，调制频率可达200Hz。为提高光源强度稳定，采用精密低压稳压芯片来驱动，去送输出误差±0.7%。采用FPGA控制达到对光源驱动和调制目的，克服了光源的不稳定性和抗震性差等缺点。为减少外界温度变化对检测精度的影响，同时为降低制造难度及安装方便因素，在气室结构设计上采用独立设计；同时由于检测气体成分复杂，长时间接触会对气室造成一定腐蚀，影响检测精度，因此在气室内壁采用镀膜技术，在气室上选用镀金石英玻璃管。经过以上两方面改进，既能提高检测精度又易于装卸、更换。
[0034]如图2所示，本发明的非分红外光气体检测系统，包括:采样气室、信号放大器、校准处理器、信号处理器；
[0035]所述采样气室利用MEMS电调制红外光源发出波长范围为2?20 μ m的红外光；
[0036]所述采样气室的内壁采用镀金石英玻璃管材料进行镀膜；
[0037]所述采样气室的下内壁设有进气口，上内壁设有出气口 ；
[0038]所述采样气室内依次安装有红外光源、滤光片和红外探测器，且三者位于同一光学中心轴上；
[0039]所述信号放大器采用反馈式三级放大电路，其中第一级电路将电流信号转化为电压信号，第二级电路对所述电压信号进行放大处理，第三级电路将经放大处理的电压信号转化为4?20mA标准电流信号；
[0040]所述非分红外光有害气体检测系统的工作步骤如下:
[0041]Stll，所述采样气室利用基于MEMS的IRL715红外光源，根据电调制信号进行调制，产生红外光，所述红外光透过滤光片到达红外探测器上输出电信号；
[0042]S02,所述信号放大器对所述采样气室输出的电信号进行放大处理，将所述电信号调理为标准信号；
[0043]S03,所述校准处理器通过在反馈式三级放大电路中配置可调电位计对所述标准信号进行检测范围和零点漂移的调节，将经放大处理的标准信号转化为4?20mA标准电流信号;
[0044]S04,所述信号处理器通过A\D采集电路将所述4?20mA电流信号转化为数字量信号，在可编程逻辑控制器FPGA内完成电流与空气气体含量的换算，根据换算结果及气体设定范围获得检测结果。
[0045]进一步的，所述信号处理器获得检测结果后，还进行以下处理:
[0046]将检测结果通过内部FIFO进行数据存储；
[0047]通过RS485串口进行数据上传；
[0048]通过外扩显示屏进行数据实时显示；
[0049]根据检测结果及气体设定范围判断是否异常，并在异常时通过界面指示灯闪烁进行报警。
[0050]由于红外探测器输出的电压信号十分微弱，一般在几十毫伏级，弱信号容易被干扰，从而影响检测精度。采用反馈式三级放大电路，采用高精度、漂移小、响应快的放大电路设计，通过对信号的放大与处理，实现与气体浓度线性对应的模拟信号，同时通过匹配运放可调电阻器，实现对检测范围、漂移的校准功能。
[0051]当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种非分红外光气体检测系统，包括:采样气室、信号放大器、校准处理器、信号处理器，其特征在于， 所述采样气室利用MEMS电调制红外光源发出波长范围为2?20 μ m的红外光； 所述采样气室内依次安装有红外光源、滤光片和红外探测器，且三者位于同一光学中心轴上； 进一步的，所述非分红外光气体检测装置采用反馈式三级放大电路，其中第一级电路将电流信号转化为电压信号，第二级电路对所述电压信号进行放大处理，第三级电路将经放大处理的电压信号转化为4?20mA标准电流信号； 所述非分红外光有害气体检测装置的工作步骤如下: Stll，所述采样气室利用基于MEMS的IRL715红外光源，根据电调制信号进行调制，产生红外光，所述红外光透过滤光片到达红外探测器上输出电信号； S02,所述信号放大器对所述采样气室输出的电信号进行放大处理，将所述电信号调理为标准信号；Stl3，所述校准处理器通过在反馈式三级放大电路中配置可调电位计对所述标准信号进行检测范围和零点漂移的调节，将经放大处理的标准信号转化为4?20mA标准电流信号；S04,所述信号处理器通过A\D采集电路将所述4?20mA电流信号转化为数字量信号，在可编程逻辑控制器FPGA内完成电流与空气气体含量的换算，根据换算结果及气体设定范围获得检测结果。
2.如权利要求1所述的非分红外光气体检测装置，其特征在于，所述信号处理器获得检测结果后，还进行以下处理: 将检测结果通过内部FIFO进行数据存储； 通过RS485串口进行数据上传； 通过外扩显示屏进行数据实时显示； 根据检测结果及气体设定范围判断是否异常，并在异常时通过界面指示灯闪烁进行报m目O
3.如权利要求1所述的非分红外光气体检测系统，其特征在于， 所述采样气室的内壁采用镀金石英玻璃管材料进行镀膜； 所述采样气室的下内壁设有进气口，上内壁设有出气口。
【文档编号】G01N21/3504GK103674882SQ201310722559
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】张化良, 龚飞, 郭照峰, 刘志军, 韩全, 唐学术, 张志 , 杨增顺, 卢蕴哲, 靳京峰 申请人:北京航天测控技术有限公司