一种光干涉气体浓度传感器系统的制作方法

本发明属于一种精密检测技术领域，尤其涉及光干涉气体浓度传感器系统，其能够通过巧妙的设计两个不同的光路，使得同一光源发出的光线通过不同形状的气室，由于气室中气体浓度的不同产生光程差以及相移，两路光线发生干涉现象。并且干涉条纹的移动量与通过气室中气体浓度有确定的关系，最终达到精确检测采样气室中气体浓度的目的。

背景技术：

目前，各种检测手段不断发展，各个检测领域所能达到的检测精度不断提高，但是对于气体浓度的检测，虽然在某一量程范围内的精度也在逐步提高，但是一直未能有一种全量程高精度的气体浓度传感器。

气体浓度传感器也被称为气体敏感元件，是进行气体检测的核心部件，是探测存在于环境中气体及其浓度的一种器件或装置。对气体浓度的检测方法，主要有催化反应型、热导型、气敏半导体型、红外型以及光干涉型。催化反应型气体浓度传感器主要是利用可燃气体在传感器中的载体催化元件表面发生氧化反应，产生热量引起元件电阻值的改变，据此来检验不同浓度的气体。此种检测方式只能针对可燃气体，使得可燃气体在反应室中进行无烟燃烧进行检测，适用于浓度低的情况，且探测元件寿命短，温度漂移大，适用范围有限。热导型气体浓度传感器是通过利用被检测气体与空气的热导率差异，得到与被测气体浓度相关的电信号，据此就可以确定气体浓度。此种方式测量的信号非常微弱，且受加工精度的影响非常大。气敏半导体型气体浓度传感器是利用某些金属氧化物在特定温度下，吸附不同气体后电阻率将发生大幅度变化这一原理制成的。气敏半导体元件具有灵敏度高、能耗少、寿命长等优点。但是此种传感器选择性差，受水蒸气的影响严重，并且线性测量的范围窄，测量可燃气体浓度的精度差。红外型气体浓度传感器是利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，吸收强度与气体浓度相关的事实来检测气体浓度。该种传感器对使用环境要求较高，价格昂贵。光干涉式气体浓度传感器的检测原理是应用光的干涉现象来测量气体的浓度。在现有光干涉式气体浓度监测技术与方法中，光路中的气室设计均采用长方体形式，气室由轴向中心凹槽分隔成两个腔体，构成参考气室与采样气室，两腔体平行且长度相同。测量不同浓度范围的气体时需要分别制造不同长度的气室，并且该种长方体气室只适用于低浓度气体的测量，对于高浓度的气体测量，所需的气室长度太短，不能再增加合适尺寸的气体插入口；前后两块高透光的平面透镜几乎贴在一起，生产加工难度大。

技术实现要素：

本发明的目的旨在克服上述现有气体浓度检测技术与方法的缺陷，提供一种新光干涉气体浓度测量光路的设计形式，不但可以测量气体高浓度范围，还可以测量气体低浓度范围，且精度高，使得光干涉式气体传感器的制造更加简便、成本更低。

为此，本发明提出了一种光干涉气体浓度传感器系统，其特征在于，包括第一矩形参考气室、第二梯形参考气室、第一矩形采样气室、第二梯形采样气室、第一光源、第二光源、聚光镜、背面镀有全反射膜的平面镜、第一折光棱镜、第二折光棱镜，其中，第一梯形参考气室和第二矩形参考气室中充有参考气体，而第一梯形采样气室和第二矩形采样气室中充有待测气体；所述第一梯形参考气室和第二矩形参考气室互通，所述第一梯形参考气室和第二矩形参考气室互通；第一参考气室和第一采样气室水平并排排列，且梯形斜边重合；第二矩形参考气室位于第一参考气室和第一采样气室下方，第二矩形采样气室位于第二参考气室下方，第二矩形参考气室和第二矩形采样气室竖直并排排列；

所述第一光源发出的光经过背面镀有全反射膜的平面镜反射后，分成平行的两束光，并分别水平入射至第一梯形参考气室和第一梯形采样气室；经过第一梯形参考气室和第一梯形采样气室的两束光经过第一折光棱镜反射后，再经过第二折光棱镜后水平入射至第二矩形参考气室；经过第二矩形参考气室的两束光水平入射至所述背面镀有全反射膜的平面镜反射后，两束光合并成一束光后，在光电探测元件处产生第一干涉条纹；

所述第二光源发出的光经过背面镀有全反射膜的平面镜反射后，分成平行的两束光，并分别水平入射至第一矩形参考气室和第一矩形采样气室；经过第一矩形参考气室和第一矩形采样气室的两束光经过第二折光棱镜反射后，水平入射至第二矩形参考气室；经过第二矩形参考气室的两束光水平入射至所述背面镀有全反射膜的平面镜反射后，两束光合并成一束光后，在光电探测元件处产生第二干涉条纹；

所述光电探测元件分别探测第一干涉条纹和第二干涉条纹，以根据第一干涉条纹和第二干涉条纹获得待测气体的浓度。

本发明提出的光干涉式气体浓度传感器系统与现有技术相比具有如下优点：

(1)可测量高低不同范围的气体浓度；

(2)测量不同范围气体浓度时，待测气体进入梯形采样气室和矩形采样气室，通过两次不同的光路，分别确定出待测气体的基本浓度范围和在某一浓度范围内的精确浓度，结合两次测量结果即可得到待测气体的精确浓度；

(3)在实际应用中，可以根据作业性能的好坏选择适于加工的全反射膜平面镜，简化了产品生产制作过程，降低了生产成本，提高了产品性能。

附图说明

图1是本发明中光干涉气体浓度传感器系统的结构示意图；

图2是本发明中气室的立体结构图；

图3是本发明检测气体浓度的流程图；

图4(a)-(b)是利用本发明在第一阶段测量产生的干涉条纹示意图；

图5(a)-(b)是利用本发明在第二阶段微小浓度变化前后测量产生的干涉条纹示意图；

图6(a)-(b)是利用本发明在第二阶段大浓度变化前后测量产生的干涉条纹示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作详细说明。

本发明提出的传感器系统用于全量程范围内的气体浓度的测量，且测量精度高，由第一光源或者第二光源发出的一束光经过平面镜反射和折射后分成两束光，并分别通过充有空气的参考气室和充有待测气体的采样气室后，经过平面镜反射和折射后再相遇时两束光会产生干涉条纹，随待测气体的浓度不同，干涉条纹的位置会随之发生移动；

在所述光路设计中的第一光源和第二光源分别放置在光电探测元件两侧，第一光源和第二光源分时发光，逐步对待测气体进行检测；

所述参考气室和采样气室在所述光路设计中各有一个矩形气室和一个梯形气室，同一类型的矩形气室和梯形气室相互连通，参考气室和采样气室的梯形气室位于气室的上半部分，两梯形气室水平并排排列，左侧为梯形采样气室，右侧为梯形参考气室，两梯形气室斜边重合，用高透光平面透镜密封隔离，梯形采样气室的左侧和梯形参考气室的右侧分别用高透光平面透镜与外界进行密封隔离，其他方向用金属与外界密封隔离；

参考气室和采样气室的矩形气室位于气室的下半部分，两矩形气室竖直并排排列，上侧为矩形参考气室，下侧为矩形采样气室，两矩形气室之间用金属密封隔离，左侧和右侧分别用高透光平面透镜与外界进行密封隔离，矩形参考气室和梯形参考气室之间有一连通区域，保证两参考气室中气体完全一致，两采样气室通过毛细管相互连通，保证两采样气室中气体完全一致；梯形气室用于确定待测气体浓度的基本数值范围，矩形气室用于精确测量待测气体浓度，采样气室经过滤室连接到进气口，参考气室用毛细管连接到标准气囊；

所述的第一折光棱镜位于气室的右侧偏上部分，两反射面的背面均镀有全反射膜，用于反射由第一光源发出的光线，所述的第二折光棱镜位于气室的右侧偏下部分，下侧反射面背面镀有全反射膜，用来反射由第二光源发出的光线，上侧反射面的背面贴有单向透射玻璃，用来反射有下侧反射面反射而来的光线并且透射经第一折光棱镜反射的光线，第二折光棱镜的上侧反射面后放置有一三角镜片，保证有第一折光棱镜折射后的光线透射经过第二折光棱镜后光线方向不会发生改变；第一折光棱镜和第二折光棱镜的位置恰好能使得经过棱镜反射的光线重合；

所述第一光源发出的光线经聚光镜会聚后以45°角入射到背面镀有全反射膜的平面镜，平面镜将光线分成平行的两束光，两束光通过高透光平面透镜同时穿过梯形采样气室和梯形参考气室，然后分别经折光棱镜反射后同时穿过矩形参考气室，最后光线穿过补偿棱镜后到达平面镜重新汇合成一束光，在光电探测元件处产生第一次干涉条纹；

所述产生的第一次干涉条纹随气体浓度变化在光电探测元件处的移动量小，用于确定气体浓度的基本数值范围，第一次干涉条纹产生后，关闭第一光源，开启第二光源，第二光源发出的光线经聚光镜会聚后以45°角入射到背面镀有全反射膜的平面镜，平面镜将光线分成平行的两束光，两束光通过高透光平面透镜分别穿过矩形采样气室和梯形参考气室，然后经折光棱镜反射后穿过矩形参考气室，最后光线穿过补偿棱镜后到达平面镜重新汇合成一束光，在光电探测元件处产生第二次干涉条纹；

所述的第二次干涉条纹随气体浓度变化在光电探测元件出的移动量大，用于精确测量待测气体小范围的浓度变化，结合产生的第一次产生的干涉条纹所确定的待测气体浓度的基本数值范围，可精确测量全量程范围待测气体浓度。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明提出了一种全量程高精度光干涉气体浓度传感系统，所述传感系统包括第一光源1、第二光源2、光电探测元件3、背面镀有全反射膜的平面镜4、梯形采样气室5、梯形参考气室6、矩形参考气室7、矩形采样气室8、第一折光棱镜9、第二折光棱镜10、补偿棱镜11以及聚光镜12。背面镀有全反射膜的平面镜4布置在梯形采样气室5的一侧，背面镀有全反射膜的平面镜4与梯形采样气室呈45°角相对布置，以便于竖直射入的光线经过背面镀有全反射膜的平面镜4反射后能够水平射出，当然也可以采用其他方式设置，只要保证光源输出的光能够水平射出至各个气室即可。第一光源1和第二光源2布置在背面镀有全反射膜的平面镜4的另一侧，光电探测元件3布置于第一光源1和第二光源2之间，用于接收干涉条纹；聚光镜12分别布置在第一光源1、第二光源2和平面镜4之间，用于汇聚光源；所述补偿棱镜11布置在平面镜4与矩形参考气室11之间，用于补偿同一光源发出光线的光程差，使得在任何情况下光电探测元件出都能有干涉条纹出现；所述的第一折光棱镜9布置在梯形参考气室6和矩形参考气室7的一侧，用于反射由第一光源1所发出的光线；第二折光棱镜10布置矩形参考气室7和矩形采样气室8的一侧，用于反射由第二光源2所发出的光线。第一折光棱镜9位于气室的右侧偏上部分，两反射面的背面均镀有全反射膜，用于反射由第一光源1发出的光线，所述的第二折光棱镜10位于气室的右侧偏下部分，下侧反射面背面镀有全反射膜，用来反射由第二光源2发出的光线，上侧反射面的背面贴有单向透射玻璃，用来反射由下侧反射面反射而来的光线并且透射经第一折光棱镜9反射的光线，第二折光棱镜10的上侧反射面后放置有一三角镜片13，第一折光棱镜9和第二折光棱镜10的位置恰好能使得经过棱镜反射的光线重合。其中，三角镜片的目的是使得从空气射入第二折光棱镜10的光线不会发生变化。从第一折光棱镜9射出的水平光线垂直射入三角镜片，由于入射角为0度，故不会发生折射，当光线到达三角镜片的斜边，在此出发生第一次折射，随后到达第二折光棱镜10的上侧反射面，由于此反射面贴有单向透射玻璃，所以光线在此反射面发生第二次折射进入第二折光棱镜10，经过两次折射，保证了从第一折光棱镜9射出的光线方向与进入第二折光棱镜10的光线方向一致。

如图2所示，为本发明中气室的立体透视示意图，梯形采样气室5、梯形参考气室6、矩形参考气室7、矩形采样气室8两端都安装有高透光平面透镜16，以便于光线能够顺利的穿过气室。梯形采样气室5和梯形参考气室6位于气室的上半部分，两梯形气室水平并排排列，左侧为梯形采样气室5，右侧为梯形参考气室6，梯形采样气室5和梯形参考气室6斜边重合，用梯形高透光平面透镜15密封隔离，梯形采样气室5的左侧和梯形参考气室6的右侧分别用高透光平面透镜16与外界进行密封隔离，其他方向用金属外壳17与外界密封隔离；矩形参考气室7和矩形采样气室8位于气室的下半部分，两矩形气室竖直并排排列，上侧为矩形参考气室7，下侧为矩形采样气室8，两矩形气室7，8之间用金属外壳17密封隔离，左侧和右侧分别用高透光平面透镜与外界进行密封隔离；梯形参考气室6、矩形参考气室7通过连通孔14相通的，并且通过毛细管连接到标准气囊；梯形采样气室5和矩形采样气室8经过滤室连接到进气口。

其中，第一光源1和第二光源2采用可发出可见光的超高亮红色聚光型LED作为光源，并用恒流源进行驱动，采用Si材料的光电二极管作为光电探测元件3。

补偿棱镜目的在于改变两束光线的光程差，进而改变所形成的干涉条纹，使得干涉条纹发生移动，补偿棱镜的角度调整，可作为传感器的机械调零装置，也可保证即使在采样气室中的气体与参考气室中的气体一致时，在光电探测元件出也能产生干涉条纹；

可选地，基本数值范围可通过查表法得到，通过在光电探测元件上干涉条纹光强变化，建立待测气体浓度基本数值范围与干涉条纹光强变化索引表；

可选地，气体小范围浓度测量采用插值法进行精确计算，根据所述的待测气体浓度基本数值范围与干涉条纹光强变化索引表，通过第二光源发射光线经过矩形气室，得到在每个气体浓度基本数值范围内光强变化的最大值和最小值，在基本数值范围内将待测气体浓度与干涉条纹光强近似为线性关系，从而通过测量干涉条纹光强精确得到待测气体浓度。第i个气体浓度基本数值范围内精确光强的计算公式如下：

其中，C_i为第i个气体浓度基本数值范围内任意浓度值，l_i为第i个气体浓度基本数值范围内在光电探测元件上检测到的干涉条纹的光强，C_{i max}，C_{i min}为第i个气体浓度基本数值范围内浓度的最大值和最小值，l_{i max}，l_{i min}为第i个气体浓度基本数值范围内在光电探测元件上检测到干涉条纹光强的最大值和最小值。

气体浓度检测过程如图3所示，具体流程如下：

步骤一：将标准气囊中的气体充入梯形参考气室6和矩形参考气室7，将进气口打开，置于待测气体环境当中；

步骤二：打开第一光源1电源，第一光源发出光线穿过聚光镜12汇聚以45°的入射角射入背面镀有全反射膜的平面镜4后同时发生反射和折射，最终以两条平行光线射出平面镜4；

步骤三：步骤二所述的两条平行光线，依次穿过梯形采样气室5和梯形参考气室6，射入到第一折光棱镜9后光路逆转，通过三角镜片13进入第二折光棱镜10后，穿过矩形参考气室7后，穿过补偿棱镜11再次射入背面镀有全反射膜的平面镜4发生折射和反射，射出光线重新重合，在光电探测元件3上第一次形成干涉条纹；

步骤四：根据在光电探测元件3上第一次形成的干涉条纹，此时的干涉条纹随浓度变化移动量小，无法精确的得到在光电探测元件3处得到精确的待测气体浓度，仅能测得采样气室5中气体的大概浓度范围；此时关闭第一光源1的电源，打开第二光源2的电源，形成第二条光路；

步骤五：从第二光源2发出的光线与第一光源发出的光线类似，穿过聚光镜12汇聚以45°的入射角射入背面镀有全反射膜的平面镜4后同时发生反射和折射，最终以两条平行光线射出平面镜4；

步骤六：步骤五所述的两条平行光线分别穿过矩形参考气室7和矩形采样气室8后射入到第二折光棱镜10后光路逆转，同时穿过矩形参考气室7后，穿过补偿棱镜11再次射入背面镀有全反射膜的平面镜4发生折射和反射，射出光线重新重合，在光电探测元件3上第二次形成干涉条纹，此时干涉条纹随浓度变化移动量大，仅可精确得到某一浓度范围气体的气体浓度精确值。

步骤七：结合在光电探测元件3上第一次形成的干涉条纹所得到的采样气室5，8中气体的大概浓度范围，即可精确得到采样气室5，8中气体的精确浓度。

检测原理如下：

当光线由第一光源1或者第二光源2发出通过背面镀有全反射膜的平面镜4发生折射以及反射后，形成两条光线，这两条光线穿过气室并在第一折光棱镜9或者第二折光棱镜10之后再次穿过气室，再穿过补偿棱镜11，经背面镀有全反射膜的平面镜4反射以及折射后，将会产生光程差，从而在光电探测元件3上形成干涉条纹。当待测气体浓度改变时，在光电探测元件3上形成的干涉条纹将会发生移动，根据干涉条纹的移动量，可以推出矩形采样气室8或者梯形采样气室5中气体的折射率，进而根据气体折射率与该气体浓度的关系，从而得到被采样气体的浓度。这就是使用光干涉法测量气体浓度基本原理。

当由第一光源1发出光线时，光线经过背面镀有全反射膜的平面镜4分成两条平行光线同时通过梯形采样气室5和梯形参考气室6时，由于通过梯形采样气室5和梯形参考气室6的光路长度不同，且两气室中的气体的折射率不同，即产生了光程差。由于同时经过梯形采样气室5和梯形参考气室6的光线的差异非常小，所以由于梯形采样气室5气体浓度变化所引起的干涉条纹的移动量非常小，测量精度差，只能确定梯形采样气室5中待测气体浓度的基本范围。由第二光源2发出光线经过背面镀有全反射膜的平面镜4分成两条平行光线，分别经过矩形参考气室7和矩形采样气室8，由于通过两气室的光路差异大，所以由于矩形采样气室8气体浓度变化所引起的干涉条纹的移动量非常大，测量精度高，但是仅能测量某一范围的气体浓度，气体浓度过大则无法判断是光电探测元件3处是第几条干涉条纹。由于干涉条纹的数量的变化直观体现是光强的变化，故传感器采用光电探测元件3检测干涉光强。

整个测量过程分为两个阶段，第一阶段为第一光源1发出的光线经过两梯形气室5，6，逆转后通过矩形参考气室7，用于确定待测气体的基本浓度范围；由于同时经过梯形采样气室5和梯形参考气室6的光线的差异非常小，干涉条纹随待测气体浓度变化而产生的移动量很小，由于光电探测元件的精度问题，不能得到精确的浓度。

假设图4(a)-(b)为第一阶段测量产生的干涉条纹，图4(a)表示待测气体浓度为20％对应的干涉条纹，图4(b)表示待测气体浓度为60％对应的干涉条纹。可以明显的看出气体浓度变化了40％，干涉条纹的移动量很小，一般气体浓度检测的分辨率要在0.01％，所以仅通过第一阶段测量是无法得到精确的待测气体浓度值。

第二阶段为第二光源2发出的光线经过矩形参考气室，逆转后经过矩形采样气室，用于确定某一浓度范围内待测气体的精确浓度值。由于通过两气室的光路差异大，所以由于矩形采样气室8气体浓度变化所引起的干涉条纹的移动量非常大，测量精度高，但是仅能测量某一范围的气体浓度，气体浓度过大则无法判断是光电探测元件3处是第几条干涉条纹。

如图5(a)-(b)所示，为第二阶段微小浓度变化前后测量产生的干涉条纹，图5(a)表示待测气体浓度为19.5％对应的干涉条纹，图5(b)表示待测气体浓度为20.4％对应的干涉条纹。可以看出条纹的移动量随待测气体浓度变化很大，能够精确的得到这一浓度数值。图6(a)-(b)所示，为第二阶段大浓度变化前后测量产生的干涉条纹，图6(a)表示待测气体浓度为19.5％对应的干涉条纹，图6(b)表示待测气体浓度为3.2％对应的干涉条纹。但是如图6(a)-(b)所示，相差较大的两个浓度在第二个测量阶段可能会得到相同的条纹，所以仅通过第二阶段的测量也无法准确得到待测气体的浓度。

若结合两个阶段的测量，通过第一阶段的测量得到待测气体浓度的大致范围(如通过得到图4(a)确定待测气体浓度为20％左右)，再通过第二阶段的测量得到在这个大致范围下的精确值(比如通过图5(a)或者图6(a)得到精确的气体浓度值为19.5％，而不是3.2％)。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。