[发明专利]一种基于NDIR的智能红外气体传感器

说明书

技术领域

本发明与一种气体传感器有关，具体而言，是一种包括待测气体吸收腔室、红外光源、热释电探头以及信号采集控制板的一种智能红外气体传感器。

背景技术

在煤矿安全生产中，可靠、精确、实时地监控瓦斯（CH₄）浓度是预防煤矿瓦斯爆炸事故的重要手段。现有常用的自动检测CH₄的仪器，按其检测原理来分类，主要可分为催化燃烧型、红外光谱型、半导体气敏型、气相色谱型和光纤测量型等，其中使用最普遍的为催化燃烧式气体传感器，有便携式和固定式两种。但是这种传感器存在着易受环境影响，可靠性和准确性差、使用寿命短、维护成本高、易产生催化中毒的种种弊端，属于落后的即将淘汰产品。而基于NDIR技术的红外光谱型传感器是目前的研究热点之一，它从原理上避免了旧的催化燃烧式传感器的那些弊端，具有精度和灵敏度高，可靠性和选择性好，不中毒、不依赖于氧气、受环境干扰因素较小、使用寿命长和不需频繁调校等显著优点，可以实现连续分析和智能实时检测等功能。

红外光谱型气体传感器是基于红外光谱吸收原理，利用甲烷气体对红外光谱的吸收性能来检测气体浓度，不易受现场环境的影响。采用差分测量方法来抑制零点漂移。与传统的催化燃烧式传感器相比，具有显著的高可靠性和准确性，同时，还具有标定周期长、选择性好、抗干扰能力强和使用寿命长等优点，是一种新型的智能化瓦斯气体检测装置。

红外光谱吸收原理是基于不同化合物在光谱作用下由于振动和旋转变化而表现了不同的吸收峰值。不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相关，利用这一原理可以测量某种气体的浓度。测量吸收光谱，可知气体类型；测量吸收强度，可知气体的浓度。每种物质都有特定的吸收光谱,而甲烷CH₄分子具有四种固有的振动方式，相应产生四个基频，波长分别为3.433，6.522，3.392和7.658μm。由此，可以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。可见，甲烷在中红外区域的吸收强度远远超过在近红外区域的吸收线强度，因此，本发明选用甲烷气体在3.39μm处的波长来检测瓦斯气体浓度。

当红外光通过待测气体时，其出射光强服从朗伯－比尔(Lambert-Beer)吸收定律。为消除光源波动和光路中产生的干扰，采用双波长差分测量技术，即引入双窗口探测头，一个为活跃探测头（吸收目标气体），另一个为参考探测头（不吸收目标气体），待测气体的吸收波长和参考波长可以通过在探测头窗口前加窄带滤光片实现。对于甲烷气体而言，活跃探测头窗口选用中心波长为3.39μm 的窄带滤光片，参考探测头选用中心波长为3.9μm 的窄带滤光片。活跃探测头信号与参考探测头信号的比值可用来确定气体的浓度，且可以消除光源及环境变化等因素对探测头信号的影响。

因此，计算红外光穿过待测气体后被吸收的能量，其满足朗伯－比尔(Lambert-Beer)吸收定律，可以得知，两个探测头输出信号与目标气体浓度的关系为：

式中，是与活跃探测器成比例的信号，是与参考探测器成比例的信号，为目标气体的吸收系数，为目标气体浓度，为光源到探测器的光路长度,即吸收气室长度。

由上式可知，增加气室光路吸收长度可以提高采样精度，从而提高探测精度及灵敏度。但单纯增加气室吸收长度将带来光腔气室的物理体积增大和光能加大的不利。欧洲专利EP0896216A3采用光学聚焦系统原理，通过光线的多次反射来增加光程，最后将光斑聚焦成像在探测头的感光元件上，其优点是光能利用率高、光信号信噪比高，但其弊端为光路对焦调整复杂、稳定性弱，且工程化难度大；美国专利US20090268204A1采用增加多个探测头累加信号来提高气体检测的快速响应和灵敏度，其同样存在光学系统调整复杂，光路的偏移对信号采集影响较大，系统稳定性差，不利于低成本生产；美国专利US6469303B1将吸收气室设计成非聚焦系统，通过设计一个反射椭球圆柱使吸收腔室光强均匀，信号稳定性得到改善，但其非开放式腔室牺牲了气体检测的响应速度和灵敏性，无法解决气体检测稳定性与灵敏性及检测精度的矛盾问题。

现有的红外气体传感器，其吸收气室大多采用上部单向通气孔方式和光学聚焦系统，在进行气体检测时，腔室易受待测气体来向干扰或因光强不均匀等因素而造成测量漂移等现象，即当待测气体由不同方向扩散而来或因光路调校不准确，探头响应时间和检测精度及稳定性表现均不理想。为此，人们一直在气体检测稳定性、灵敏性及及检测精度的矛盾中寻求一种更加稳定、更加合理适用的解决方案。

发明内容