一种红外CO2气体传感器及其标定系统的制作方法

本实用新型涉及红外气体传感器领域，特别涉及一种红外CO2气体传感器、基于该传感器的标定系统和利用该系统的温湿度补偿方法。

背景技术：

如今大气环境中CO2气体浓度的逐渐增高，给全球生态环境、气候及人们的生活带来诸多负面影响，因此，实时准确地监测CO2浓度已迫在眉睫。而非分光的红外吸收法具有选择性好、稳定性好、测量范围宽、响应速度快及适于在线检测等优点，逐渐成为在线监测CO2气体浓度的主要方法。但由于室内外CO2气体浓度非常小且波动极微弱，且环境温湿度对其吸收光谱具有一定影响，研究表明：当温度在0～50℃变化时，随着温度的增加，CO2气体对红外光谱吸收能力增强；当湿度增加时，CO2气体对红外光谱吸收能力增强。现阶段红外CO2气体传感器存在测量灵敏度低且无法良好适用于极端天气气候等问题，有鉴于此，有必要对现有的红外气体传感器及其标定系统予以改进以解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型为了解决现有技术中红外CO2探测器灵敏度低，准确度不高，无法良好适用于极端天气气候等问题，提出一种红外CO2气体传感器、基于该传感器的标定系统和利用该系统的温湿度补偿方法，标定系统产生的CO2气体恒温恒湿，传感器具有扁锥型的腔体结构，小型化，成本低，并利用一种温湿度修正算法有效地消除了温湿度对浓度探测带来的影响，市场应用价值大。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种红外CO2气体传感器，包括依次连接的红外光源、光学气室、红外探测器、驱动红外光源向光学气室辐射红外光的光源驱动电路、微处理器、信号放大电路、A/D转换电路和通信电路，光源驱动电路在微处理器的控制下驱动红外光源向光学气室辐射红外光，红外光穿过光学气室通过红外探测器射出，红外探测器将光信号转换为电信号并依次经过信号放大电路和A/D转换电路得到探测信号，所述探测信号送至微处理器进行处理并通过通信电路输出。

所述光学气室的腔体为扁锥型结构包括扁圆形端和圆形端，该光学气室腔体内侧壁设有镀金反光层，所述扁圆形端设有用于安装红外光源的红外光源安装孔，所述圆形端设有用于安装红外探测器的红外探测器安装孔，所述扁圆形端处设有进气口，所述圆形端处设有出气口，该进气口和出气口位于不同侧。

所述红外探测器为带滤光片的双通道红外探测器，该红外探测器设有两路光强感应通道包括探测通道和参考通道，且感应通道的感应窗口处分别安装有不同型号的滤光片，分别为探测滤光片和参考滤光片，且该红外探测器内置有热敏电阻。

本实用新型还公开了一种基于红外CO2气体传感器的标定系统，包括依次连接的标气瓶、减压阀、恒温箱、导气管、加湿器、湿度传感器和红外CO2气体传感器，所述导气管、加湿器、湿度传感器和红外CO2气体传感器均置于恒温箱内。

所述加湿器从上至下依次包括水槽、用于加热所述水槽中的水以产生水蒸气的加热片、单片机控制电路、用于给加湿器供电的供电电池、蓄水池和用于隔离供电电池和蓄水池的隔离板，该蓄水池通过水泵和水管为水槽供水，所述单片机控制电路与加热片、水泵、湿度传感器连接，还包括用于设置不同湿度的旋转按钮，该旋转按钮与单片机控制电路相连。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)采用全封闭的标定系统，有效解决了环境中温湿度以及CO2浓度带来的干扰，标定结果更加精确。

(2)采用恒温恒湿标定方法解决温湿度误差修正问题，提高了测量精度和稳定性。

(3)采用扁锥型的光学气室，扩大了内部容量，缩小了腔长，符合传感器小型化发展趋势。

(4)采用基于遗传算法改进的小波神经网络(GA-WNN)融合算法对CO2气体传感器进行温湿度误差补偿，提高了测量精度。

附图说明

图1是本实用新型红外CO2气体传感器结构示意图

图2是本实用新型光学气室腔体结构示意图。

图3是本实用新型标定系统示意图。

图4是本实用新型加湿器内部结构示意图。

图5是本实用新型解决温湿度影响的标定方法流程图。

图6是本实用新型CO2浓度温湿度误差补偿曲面示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本实用新型。

如图1和图2所示，红外CO2气体传感器包括依次连接的硬件电路、红外光源、扁锥型光学气室以及带滤光片的双通道红外探测器。硬件电路包括光源驱动电路、信号放大电路、A/D转换电路、STM32微处理器以及通信电路。所述光源驱动电路在STM32微处理器控制下驱动红外光源向光学气室辐射宽谱红外光，光学气室腔体结构为扁锥型，其腔体锥角为5°，扁圆形端设有红外光源安装孔1，其用于安装红外光源，其圆形端设有探测器安装孔4，用于安装探测器，腔体内侧壁5设有镀金反光层，使得待测气体在气室中进行多次反射，充分吸收其红外吸收峰波段的红外光，且两侧分别设有进气口2和出气口3，外侧设有用于固定的螺丝孔6。红外光穿过光学气室，通过滤光片的双通道红外探测器出射，红外探测器将出射的光信号转换为电信号，经过信号放大电路和A/D转换电路，再将探测信号传送STM32进行处理，最后通过通信电路输出数据。

红外光源为IRL-715，其辐射波长从可见光到5μm，包含了CO2气体特征吸收峰，且输出稳定，在5V电压下工作时，寿命高达40000h，符合要求，安装于红外光源安装孔内，在光源驱动电路驱动下，向外辐射宽谱红外光。

带滤光片的双通道红外探测器TPD2T0625，安装于探测器安装孔内，该探测器灵敏度高，设有两路光强感应出窗口，且安装有不同型号的滤光片，分别为探测滤光片和参考滤光片，其中心波长分别为二氧化碳气体的红外吸收峰4.26μm以及远离二氧化碳气体吸收峰的3.95μm。内置一个热敏电阻，由于温度是影响CO2浓度测量的一个重要影响因素，因此可以用它来测量探测器的内部温度来提供参考。

如图3与图4所示，标定系统包括依次连接的标气瓶7、减压阀8、恒温箱14、导气管9、加湿器10、湿度传感器12以及红外CO2气体传感器13。其中导气管9、加湿器10、湿度传感器12以及红外CO2气体传感器13均置于恒温箱14中。标气瓶7与减压阀8相接并置于恒温箱16外面，导气管9一端与减压阀8相接，另一端与红外CO2气体传感器13相接，中部与加湿器10相接。加湿器10包括小水槽15、加热片16、单片机控制电路17、供电电池19、隔离板20、蓄水池21、水泵22、水管23以及旋转按钮18。其中小水槽15通过水管23和水泵22与底部蓄水池21相接，下设加热片16，用于加热小水槽15中的水以产生水蒸气，通过导气管9使得软管内部产生湿气；单片机控制电路17用于控制整个加湿器10系统的运作，内接加热片16、水泵22、旋转按钮18，并通过导线11外接湿度传感器12；供电电池19给整个加湿器10供电；隔离板20将供电电池19与蓄水池21隔离；旋转按钮18用于设置软管中湿度，设有8个不同的档位，用于产生不同的湿度，设置湿度范围从30％～90％。当加湿器10工作时，拧开旋转按钮18，设置湿度值，单片机控制电路17控制水泵22从蓄水池21抽水，通过水管23注入小水槽15，同时控制加热片16开始给小水槽15加热，此时湿度传感器12实时将导气软管中的湿度信息传送给单片机，当湿度小于所设值时，系统正常工作，当湿度大于等于所设值时，加热片16和水泵22停止工作，小水槽15中的水流回蓄水池21，当旋转按钮拧至off档时，加湿器停止工作。

湿度传感器为SHT71数字式温湿度传感器，该湿度传感器输出为数字信号，与单片机相连。

如图5与图6所示，利用该标定系统解决温湿度问题的步骤如下：

步骤一：打开红外CO2气体传感器开关，等待30分钟，检测传感器13是否稳定工作；

步骤二：依次连接好温湿度标定系统各装置，此时标气瓶7的CO2标准浓度值浓度CK为C1，打开阀门，检测是否漏气；

步骤三：设定加湿器10湿度H为H1(30％≤H1≤90％)；

步骤四：打开恒温箱14，调节恒温箱14温度T为T1；

步骤五：等待30分钟，直至导气管9内以及传感器13内部恒温恒湿；

步骤六：打开减压阀8，CO2气体通过恒温恒湿导气管9进入传感器13，等待几秒，直至CO2气体充满传感器13，记录探测器双通道参考通道电压信号Vr，探测通道电压信号Vm，关闭减压阀8；

步骤七：依次调节恒温箱14温度T为T2、T3、T4、T5，重复步骤四至步骤六，实验结束关闭恒温箱14和加湿器10；

步骤八：设定加湿器10湿度H分别为H2、H3、H4、H5(30％≤Hi≤90％，i＝2，3,4,5)，重复步骤四至七，实验结束关闭标气瓶7阀门；

步骤九：更换不同浓度标气瓶7，CO2浓度分别为C2、C3、C4、C5，重复步骤二至步骤八；

步骤九：实验结束关闭传感器13，将湿度H1温度T1下所测数据根据朗伯比尔定律进行公式反演，得到浓度表达式Cr＝f(Vr,Vm)，将其余温湿度下所测电压信号带入公式，得到计算浓度值Cr，将计算得到的浓度值Cr、湿度值H以及温度值T作为Ck(T,H,Cr)的输入变量。利用基于遗传算法改进的小波神经网络(GA-WNN)融合算进行曲面拟合，获得拟合函数Ck(T,H,Cr)＝f(T,H,Vr,Vm)，利用该CO2气体浓度修正函数进行实时补偿修正，提高测量精度。