一种红外气体传感器及检测方法
【专利摘要】针对现有矿用红外气体传感器所存在的不足，本发明提供一种红外气体传感器及检测方法；传感器包括外壳、內筒体、电路组件、光源、红外探测器、温度传感器、过滤膜、金属网、通气板；光源经调制，周期性地辐射光波，经待测气体吸收后，照射在红外探测器上，经滤波、放大，提取具有与光源调制相同周期的电信号；本产品在测量模式下对待测气体的浓度进行检测；在标定模式下对设备自身进行标定；本发明有益的技术效果是：本产品在恶劣环境中长期稳定与可靠运行，具有防爆性能，其在光源周期性辐射光波的加热下，形成了呼吸性气室，气室与光学系统为一体，能同时进行多种气体浓度的检测，其测量与标定方法简单、可靠。
【专利说明】一种红外气体传感器及检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于防爆检测【技术领域】，具体涉及煤矿井下的气体检测技术，尤其涉及多组分的红外气体传感器及检测方法。
【背景技术】
[0002]红外气体传感器，是利用被测气体对特定波长的红外辐射有吸收的原理，根据各种气体光谱曲线上某些特定波长处吸收峰的变化来测定气体的浓度。
[0003]采用红外技术的多组分气体传感器，弥补煤矿检测仪器的不足，改善检测仪器的性能，为煤矿安全提供更为行之有效的检测手段及装备，对提高煤矿的安全生产，保障国家财产和人员生命安全有极其重要的现实意义。但是，现有的红外气体传感器不能适合于煤矿井下爆炸性环境、恶劣环境下使用，温度、水汽、粉尘、腐蚀性气体、易燃易爆气体对传感器造成损害，使其性能下降，具体表现总结为如下几个方面:
1、现有的传感器采用传统的红外气体检测手段、没有充分考虑煤矿井下恶劣环境对传感器的影响，采用检测方法和温度补偿方法，不能保证传感器长期工作的稳定性和可靠性；
2、现有的传感器防爆、防尘、防湿、防腐蚀性、防干扰性能差，影响传感器在恶劣环境下的安全使用和测量的准确性；
3、现有的传感器气室结构及光学系统复杂，因此，制造工艺复杂、成本高、维护困难，也很难实现对多组分气体的测量；
4、现有的传感器气室结构及检测方法，不利于气室与环境充分交换气体，导致测量响应时间长，对环境中气体检测的不可靠；
5、现有的传感器一般只检测一种气体浓度；
6、现有的传感器大多只输出红外探测器转化的电信号，没有后续信号处理；
7、现有的传感器没有提供较好的传感器标定与测量方法。
[0004]为此，大量的科研机构与厂矿企业对红外气体传感器进行了广泛的研究与技术探索，但仍然有需要进一步改进、完善的地方。专利“一种非色散红外气体传感器”(CN201477043U)的加工要简单些，但很难实现光路的聚焦。专利“双光源双敏感元件红外多气体检测传感器”(CN101105449)提供一种双光源双敏感元件红外气体检测传感器，其光路结构复杂，需要反射镜聚焦，且气室的制造较为复杂，实用性差，该装置无自检与传输功能，使用的范围有限。专利“具有通信设备的红外气体传感器和传达来自红外气体传感器的校正信息的方法”(CN1886654A)则是介绍一种传达来自红外气体传感器的校正信息的方法，主要是针对传感器外壳内的红外能量源的红外能量，没有对器件整体结构与软件方法提出一体化的优化设计方案。
【发明内容】
[0005]针对现有红外气体传感器所存在的上述不足，本发明提供一种红外气体传感器及检测方法，其具体的结构与检测方法分别为:
一种红外气体传感器，包括外壳1、内筒体2和电路组件；其中，在内筒体2的外部套有外壳1，在内筒体2的底部连接有电路组件；此外:所述外壳I为中空圆筒，在外壳I的顶端设有向内伸展的台阶11 ;所述台阶11呈环形；在台阶11的顶部罩覆有一层过滤膜12 ;在台阶11的底部罩有一层金属网13，金属网13的底面与一块通气板14相连接；所述通气板14为薄片金属盘状，在通气板14上均布有一圈贯穿孔15 ;即由过滤膜12、金属网13和通气板14将外壳I的顶部开口覆盖起来；
所述内筒体2为顶部封口的中空圆筒，在内筒体2的底部设有向外延伸的环形边21，在内筒体2的侧壁上设有一个进光口 22 ;在环形边21上设有一个准三棱柱体，所述准三棱柱体由反射板23、挡光板24和弧形板26围绕而成，其中，反射板23与挡光板24相连处的棱角边与进光口 22左侧的内筒体2侧壁相连接，弧形板26的底边与环形边21的一段边缘相重合；在靠近挡光板24的环形边21上设有一个通孔25 ；
内筒体2的顶面与通气板14的底面紧密接触；内筒体2的环形边21与外壳I的内壁相接；环形边21与外壳I的连接处填充有环氧树脂密封；外壳I与内筒体2所围成的区域构成本红外气体传感器的气室9 ;即外界环境气体依次穿过过滤膜12、金属网13和通气板14的贯穿孔15后扩散并进入气室9 ；
所述电路组件包括底板3、光源4、红外探测器5、温度传感器6和信号处理电路7 ;所述底板3为金属圆板且与环形边21的外径等长；底板3与环形边21的底面相连接，即通过底板3将内筒体2下方的开口封住；
在底板3顶面的中央设有红外探测器5 ;在靠近红外探测器5的底板3顶面上设有温度传感器6 ;光源4设置在靠近挡光板24 —侧的气室9端部，光源4的底部穿过通孔25后与底板3相连接；信号处理电路7安置在底板3上，并通过导线将红外探测器5、温度传感器6和光源4分别与信号处理电路7相连接；
所述信号处理电路7的控制端与光源4相连，向光源4输送周期性的电压；信号处理电路7的信号输入端分别与红外探测器5以及温度传感器6的信号输出端相连接；
所述光源4在周期性电压的驱动下产生周期性的辐射光波；光源4产生的周期性辐射光波经气室9多次反射并穿过进光口 22照射在红外探测器5上；光源4产生的周期性辐射光波一方面用作检测用的红外辐射光波，另一方面对气室9内的气体进行周期性的加热，促使气室9内的气体周期性地膨胀收缩，从而实现气室9内的气体与外壳I外部的环境气体快速地进行气体交换，形成了 “呼吸性气室”；
红外探测器5将接收到的周期性辐射光波，转化为与辐射光波相同周期的电信号后传递至信号处理电路7 ;温度传感器6实时检测红外探测器5附近的温度并传递至信号处理电路7，供信号处理电路7对红外探测器5传回的电信号做温度补偿。
[0006]进一步地说，光源4所发出的辐射光波的光谱范围为可见光至红外波段。红外辐射优选的波段范围是2?5μπι、8?12μπι、2?12μπι和2?20 μ m ;红外探测器5由2至16个红外敏感元件构成，其中I个红外敏感元件接收波长为3.9μπι的红外辐射，余下的红外敏感元件的敏感面上均安装有窄带干涉滤光片，接收与窄带干涉滤光片相对应波长的红外辐射；光源4所发出的辐射光波经气室9的多次反射后，形成的光斑直接照射在红外探测器5的整个敏感面上，整个光路上不加设任何汇聚或分光的光学器件。[0007]进一步地说，所述信号处理电路7由窄带带通滤波放大电路71、模数转换电路72、微处理器73、光源调制驱动电路74和接口 75组成；红外探测器5的每个红外敏感元件的信号输出端均与一个窄带带通滤波放大电路71相连接；每个窄带带通滤波放大电路71的信号输出端共同与模数转换电路72的多路模拟量输入端相连接；窄带带通滤波放大电路71将红外探测器5输出的电信号进行滤波、放大后传输至模数转换电路72，滤波、放大后的电压信号与微处理器73的驱动光源调制驱动电路74的信号具有相同的周期；温度传感器6的信号输出端与模数转换电路72的模拟量输入端相连接；模数转换电路72的数字量输出端与微处理器73的信号输入端相连接，即模数转换电路72将接收到的温度信号和每个红外敏感元件的电信号均转为数字信号后再输入给微处理器73进行处理；微处理器73依据接收到的数字量，进行分析处理、温度补偿、计算出待测气体的浓度；微处理器73的信号输出端与光源调制驱动电路74的信号输入端相连接；微处理器73负责产生周期性的控制信号，所述周期性的控制信号为方波；光源调制驱动电路74将接收到的周期性控制信号转换成相同周期的电压加载在光源4上，令光源4产生周期性的辐射光波，该辐射光波经气室9侧壁反射和气室9中待测气体吸收后,照射在红外探测器5的光敏面上,转换成电信号；微处理器73与接口 75相连接，通过接口 75实现微处理器73与远程上位机的连接。
[0008]进一步地说,红外探测器5内每一个红外敏感元件均与一个窄带带通滤波放大电路71相连接；每一个窄带带通滤波放大电路71共同与一个模数转换电路72多路模拟量输入端相连接；窄带带通滤波放大电路71由第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容Cl、第二电容C2和运算放大器OP组成；其中，在运算放大器OP的输出端与负输入端之间并联有第一电阻Rl和第一电容Cl ;运算放大器OP的负输入端与第二电阻R2的一端相连接，第二电阻R2的另一端与第二电容C2的一端相连接；第二电容C2的另一端与红外探测器5的供电电源负端相连接；运算放大器OP的正输入端与红外敏感元件的输出端相连接；运算放大器OP的输出端与模数转换电路72相连接；窄带带通滤波放大电路71的传输函数是:
【权利要求】
1.一种红外气体传感器,包括外壳(I)、内筒体(2)和电路组件；其中，在内筒体(2)的外部套有外壳(1)，在内筒体(2)的底部连接有电路组件；其特征在于:所述外壳(I)为中空圆筒，在外壳(I)的顶端设有向内伸展的台阶(11);所述台阶(11)呈环形；在台阶(11)的顶部覆盖有一层过滤膜(12);在台阶(11)的底部罩有一层金属网(13)，金属网(13)的底面与通气板(14)相连接；所述通气板(14)为薄片金属盘状，在通气板(14)上均布有一圈贯穿孔(15);即由过滤膜(12)、金属网(13)和通气板(14)将外壳(I)的顶部开口覆盖起来；所述内筒体(2)为顶部封口的中空圆筒，在内筒体(2)的底部设有向外延伸的环形边(21)，在内筒体(2)的侧壁上设有一个进光口(22);在环形边(21)上设有一个准三棱柱体，所述准三棱柱体由反射板(23)、挡光板(24)和弧形板(26)围绕而成，其中反射板(23)与挡光板(24)相连处的棱角边与进光口(22)左侧的内筒体(2)侧壁相连接，弧形板(26)的底边与环形边(21)的一段边缘相重合；在靠近挡光板(24)的环形边(21)上设有一个通孔(25)； 内筒体(2)的顶面与通气板(14)的底面紧密接触；内筒体(2)的环形边(21)与外壳(I)的内壁相接；在环形边(21)与外壳(I)的连接处填充有环氧树脂密封；外壳(I)与内筒体(2)所围成的区域构成本红外气体传感器的气室(9);即外界环境气体依次穿过过滤膜(12)、金属网(13)和通气板(14)的贯穿孔(15)后扩散并进入气室(9)； 所述电路组件包括底板(3)、光源(4)、红外探测器(5)、温度传感器(6)和信号处理电路(7);所述底板(3)为金属圆板且与环形边(21)的外径等长；底板(3)与环形边(21)的底面相连接，即通过底板(3)将内筒体(2)下方的开口封住； 在底板(3 )顶面的中央设有红外探测器(5 );在靠近红外探测器(5 )的底板(3 )顶面上设有温度传感器(6);光源(4)设置在靠近挡光板(24) —侧的气室(9)端部,光源(4)的底部穿过通孔(25)后与底板(3)相连接；信号处理电路(7)安置在底板(3)上，并通过导线将红外探测器(5)、温度传感器(6)和光源(4)分别与信号处理电路(7)相连接； 所述信号处理 电路(7)的控制端与光源(4)相连，向光源(4)输送周期性的电压；信号处理电路(7)的信号输入端分别与红外探测器(5)以及温度传感器(6)的信号输出端相连接; 所述光源(4)在周期性电压的驱动下产生周期性的辐射光波；光源(4)产生的周期性辐射光波经气室(9)反射后并穿过进光口(22)照射在红外探测器(5)上；光源(4)产生的周期性辐射光波对气室(9)内的气体进行周期性的加热，促使气室(9)内的气体周期性地膨胀收缩，从而实现气室(9)内的气体与外壳(I)外部的环境气体快速地进行气体交换，形成了“呼吸性气室”； 红外探测器(5)将接收到的周期性辐射光波，转化为与辐射光波相同周期的电信号后传递至信号处理电路(7); 温度传感器(6)实时检测红外探测器(5)附近的温度并传递至信号处理电路(7)，供信号处理电路(7)对红外探测器(5)传回的电信号做温度补偿。
2.根据权利要求1所述的一种红外气体传感器，其特征在于，光源(4)所发出的福射光波的光谱范围为可见光至红外波段；红外探测器(5)由2至16个红外敏感元件构成，其中I个红外敏感元件接收波长为3.9μπι的红外辐射，余下的红外敏感元件的敏感面上均安装有窄带干涉滤光片且接收与窄带干涉滤光片相对应波长的红外辐射；光源(4)所发出的辐射光波经气室(9)的多次反射后形成的光斑直接照射在红外探测器(5)的整个敏感面上，整个光路上不加设任何汇聚或分光的光学器件。
3.如权利要求1所述的一种红外气体传感器，其特征在于，所述信号处理电路(7)由窄带带通滤波放大电路(71)、模数转换电路(72)、微处理器(73)、光源调制驱动电路(74)和接口(75)组成； 红外探测器(5)的每个红外敏感元件的信号输出端均与一个窄带带通滤波放大电路(71)相连接；每个窄带带通滤波放大电路(71)的信号输出端共同与模数转换电路(72)的多路模拟量输入端相连接；窄带带通滤波放大电路(71)将红外探测器(5)输出的电信号进行滤波、放大后传输至模数转换电路(72)，滤波、放大后的电压信号与微处理器(73)的驱动光源调制驱动电路(74)的信号具有相同的周期； 温度传感器(6)的信号输出端与模数转换电路(72)的模拟量输入端相连接； 模数转换电路(72)的数字量输出端与微处理器(73)的信号输入端相连接，即模数转换电路(72)将接收到的温度信号和每个红外敏感元件的电信号均转为数字信号后再输入给微处理器(73)进行处理；微处理器(73)依据接收到的数字量，进行分析处理、温度补偿、计算出待测气体的浓度； 微处理器(73)的信号输出端与光源调制驱动电路(74)的信号输入端相连接；微处理器(73)负责产生周期性的控制信号，所述周期性的控制信号为方波；光源调制驱动电路(74)将接收到的周期性控制信号转换为同周期的驱动电压加载在光源(4)上，令光源(4)产生周期性的 辐射光波，该辐射光波经气室(9)侧壁反射和气室(9)中待测气体吸收后，照射在红外探测器(5)的光敏面上，转换成电信号； 微处理器(73 )与接口( 75 )相连接，通过接口( 75 )实现微处理器(73 )与远程上位机的连接。
4.根据权利要求1所述的一种红外气体传感器，其特征在于，红外探测器(5)内每一个红外敏感元件均与一个窄带带通滤波放大电路(71)相连接；每一个窄带带通滤波放大电路(71)共同与一个模数转换电路(72)的多路模拟量输入端相连接； 窄带带通滤波放大电路(71)由第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容Cl、第二电容C2和运算放大器OP组成；其中，在运算放大器OP的输出端与负输入端之间并联有第一电阻Rl和第一电容Cl ;运算放大器OP的负输入端与第二电阻R2的一端相连接，第二电阻R2的另一端与第二电容C2的一端相连接；第二电容C2的另一端与红外探测器(5)的供电电源负端相连接；运算放大器OP的正输入端与红外敏感元件的输出端相连接；运算放大器OP的输出端与模数转换电路(72)相连接；窄带带通滤波放大电路(71)的传输函数是:
5.根据权利要求1所述的一种红外气体传感器，其特征在于，光源(4)的灯芯为钨丝或热电阻薄膜；在通电状态下，光源(4)发热并产生红外辐射； 光源调制驱动电路(74)由光源(4)、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、三极管VTl和场效应管VT2组成；其中，场效应管VT2的源极连接电源地，场效应管VT2的源极与场效应管VT2的漏极通过第六电阻R6相连接，场效应管VT2的漏极连接第五电阻R5，场效应管VT2的门极分别与第四电阻R4的一端、三极管VTl的发射极相连接，第四电阻R4的另一端连接电源VCC，三极管VTl集电极与场效应管VT2的源极相连接，三极管VTl的基极与第三电阻R3的一端相连接，第三电阻R3的另一端与微处理器(73)相连接；在第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的另一端之间串联有光源(4);即电源VCC提供的电流依次流经光源(4)、第五电阻R5、第六电阻R6和场效应管VT2，实现对光源(4)的供电，微处理器(73)产生的周期性控制信号依次经过第三电阻R3、三极管VTl和场效应管VT2，驱动光源(4)周期性地发出辐射光波； 钨丝通入电流加热，温度升高，随着温度的升高，钨丝电阻值增加，没有电流通过时的电阻叫做冷阻，当有电流通过时，电阻将升高，叫做热阻；钨丝冷阻很小，如果光源(4)从冷阻状态点亮，这个过程会产生很大的冲击电流；光源调制驱动电路(74)将加载一定的电流在光源(4)上，避免了光源(4)从冷阻状态点亮； 场效应管VT2截止时，电源VCC经光源(4)、电阻R5、R6到达电源地，通过调节电阻R6可设定通过光源(4)电流值，决定光源(4)调制深度，也就是在场效应管VT2截止时，光源(4)中通入电流，避免光源(4)冷阻状态点亮时，对电源VCC的冲击； 场效应管VT2是个低导通电阻的N沟道MOSFET，导通电阻仅零点几欧姆；场效应管VT2导通时，电源VCC经光源(4)、电阻R5、场效应管VT2及并联于场效应管VT2的漏、源极电阻R6到达电源地，通过调节电阻R5设定通过光源(4)电流值，决定光源(4)产生的辐射光波的强度； 三极管VTl —是用于保护场效应管VT2，防止场效应管VT2损坏，二是将微处理器(73)输出的控制信号与光源(4)供电电源VCC进行隔离，防止相互干扰。
6.根据 权利要求2所述的一种红外气体传感器,其特征在于,红外福射的波长范围为2~ 5 μ m、8 ~12 μ m、2 ~12 μ m 和 2 ~20 μ m。
7.采用如权利要求1所述红外气体传感器的检测方法；其特征在于， 测量步骤一，初始化；微处理器(73)输出周期性控制信号，所述周期性控制信号为方波，光源(4)就周期性地发出辐射光波，辐射光波所产生的热量对气室内气体进行周期性地加热，促使气室内气体进行“膨胀-收缩”的循环，与环境进行充分的气体交换，对气室(9)进行干燥、清洁； 测量步骤二，信号采集；微处理器(73)输出采样信号的通道编码及指令，分别对温度、各点电压、红外探测器(5)输出信号进行采集并转换为数字信号；对红外探测器(5)的各个敏感元件输出经放大、滤波后的正弦波，在周期性控制信号使光源(4)中电流由大变小后，进行128~1024次采样； 测量步骤三，计算；对温度、各点电压、红外探测器(5)输出，在信号采集空闲时进行计算，具体的是在周期性控制信号使光源(4)中电流由小变大后进行计算；其中，红外探测器(5)内各个敏感元件的输出信号经窄带带通滤波放大电路(71)处理后为正弦波，在一个正弦波内进行采样，并按如下公式进行计算:
8.采用如权利要求7所述的红外气体传感器的检测方法；其特征在于，在检测之前，对红外气体传感器的零点常数a和量程常数b、零点温度补偿系数1?和量程温度补偿系数ks进行标定并存入微处理器(73)存贮器内，待测量时调取并使用；具体的标定的方法按如下步骤进行: 标定步骤一，零点标定； 红外气体传感器在标定温度Ttl条件下，往气室(9 )中通入氮气，直至气室(9 )完全充满氮气，测量出每个红外敏感元件的待测气体吸收红外辐射能量后的模拟正弦波测量值Um和待测气体均不吸收红外辐射能量后的模拟正弦波参考值W，并按公式 UmJur计算得到零点常数a的值，存入微处理器(73)存贮器内，温度传感器(6)测量到的温度Ttl值也存入微处理器(73)存贮器内； 标定步骤二，量程标定； 在标定步骤一同样的温度Ttl时，往气室(9)中通入浓度为最大量程值的待测气体的标准气样，直至气室(9)完全充满该待测气体的标准气样，测量出每个红外敏感元件在该待测气体的标准气样下的吸收红外辐射能量后的模拟正弦波测量值Um和在该待测气体的标准气样下的不吸收红外辐射能量后的模拟正弦波参考值的值，按标定步骤一的公式计算得到b的值，存入微处理器(73)存贮器内；标定步骤三，零点温度补偿系数标定；令温度传感器(6 )的环境温度上升或下降到Tt，再次往气室(9 )中通入氮气，直至气室(9)完全充满氮气，测量计算得出um/X的值，即温度为Tt时的零点常数at值，由测量步骤五中的零点温度补偿公式~=?+知(石-石)，计算出1?值，存入微处理器(73)存贮器内； 标定步骤四，量程温度补偿系数标定；继续将温度传感器(6)的环境温度保持在Tt状态下，往气室(9)中通入温度为Tt、浓度为最大量程值的待测气体的标准气样，测量计算得出um/X的值，由测量步骤五中的量程温度补偿公式
【文档编号】G01N21/3504GK103868877SQ201410094249
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2014年3月14日
【发明者】刘永平, 刘丁鑫 申请人:刘永平, 刘丁鑫