[发明专利]一种量程可调型气体传感器、传感系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种量程可调型气体传感器、传感系统及方法，特别是涉及一种基于非分光红外(NDIR)原理、单气室双波长结构类型以及光程自动调节的气体传感器，属于红外气体传感器领域。

背景技术

气体传感器已广泛应用于化工、煤炭、冶金、电力、环境监测等众多场所，是确保正常生产、保障人员安全的重要工具。目前，国内外气体传感器最常用的类型主要包括：红外气体传感器、催化燃烧式气体传感器、半导体气体传感器、电化学气体传感器等，相比而言，基于NDIR原理的气体传感器具有选择性好、可靠稳定、反应迅速、不易中毒、使用寿命长等诸多优点。

NDIR型气体传感器的原理是基于红外线是一种电磁波，当一定频率的红外线照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和红外线的辐射频率一致，这个基团就会吸收该频率的红外线，产生振动跃迁或者转动跃迁。即当红外线通过待测气体时，这些待测气体分子对特定波长的红外线有吸收作用，其吸收关系服从朗伯-比尔吸收定律，分析可知待测气体的浓度检测与接收光强度、入射光强度、光程以及摩尔吸光系数有关。

NDIR型气体传感器的结构类型包括单气室单波长、双气室单波长以及单气室双波长等，相比而言，单气室双波长结构类型加工简单，可以有效消除一些问题所带来的干扰，提高测量精度，因为利用单气室双波长得到待测气体的浓度表达式与气室中非气体吸收的衰减系数无关，这样能够有效的消除气室问题所带来的干扰。此外表达式中测量波长的入射光强度和参考波长的入射光强度是比值的形式，这样能够一定程度上消除红外光源波动问题所带来的干扰。

目前，基于NDIR原理的气体传感器产品众多，但受限于检测量程的固定，降低了单个气体传感器的利用率，其次，在进行气体浓度检测时无法保证透射比(即接收光强度与入射光强度的比值)在最优的理论范围内，从而增加了检测浓度偏差，降低了气体传感器的检测精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种量程可调型气体传感器、传感系统及方法，不仅使气体传感器可适用于不同浓度的检测环境，提高单个气体传感器的利用率，而且基于透射比的最优值，减少检测浓度偏差，提高气体传感器的检测精度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种量程可调型气体传感器，包括由内筒和外筒组合成的封闭气室，气室上开有待测气体进气口和待测气体出气口，气室内一侧设有电调制宽带红外光源、窄带滤波片、双通道红外探测器，另一侧设有直角棱镜，所述电调制宽带红外光源、窄带滤波片、双通道红外探测器以及直角棱镜的中心位置均在同一基准面上，且直角棱镜的反射偏移量与电调制宽带红外光源和双通道红外探测器之间的间距相同，外筒可沿气室的轴线方向相对内筒移动；所述电调制宽带红外光源发出的红外线由直角棱镜反射后，射向窄带滤波片，由窄带滤波片滤波后被双通道红外探测器接收。

优选的，所述气室的内壁为镀金反射膜。

一种传感系统，包括如上所述量程可调型气体传感器，还包括连接滑块、滑动轨道、舵机、微控制单元、光源驱动单元、信号处理单元、A/D转换单元以及输出单元，所述连接滑块一端固定于外筒外壁，另一端置于滑动轨道上，连接滑块还与舵机连接，舵机旋转带动连接滑块在滑动轨道上滑动，舵机与微控制单元连接，微控制单元分别与光源驱动单元、A/D转换单元以及输出单元连接，光源驱动单元与电调制宽带红外光源连接，A/D转换单元与信号处理单元连接，信号处理单元与双通道红外探测器连接。

优选的，所述微控制单元的型号为MSP430F149。

一种传感方法，利用如上所述传感系统实现，将光程公式中的透射比T设为定值，该定值大小为浓度偏差最小时对应的透射比T_o，配制已知浓度为c_i的气体，其对应的光程为将上述光程转换为舵机的旋转角度存储在微控制单元中；将已知浓度为c_i的气体在对应光程为l_i的传感系统中检测，记录各个浓度气体对应输出的参比电压和测量电压并存储在微控制单元中；得到c_i、l_i、旋转角度之间的对应关系；

对待测气体浓度进行检测时，调整舵机的初始角度，判断当前输出的参比电压和测量电压是否超过初始角度对应的参比电压和测量电压，若未超出则输出检测结果，若超出则调整舵机进入浓度为c₁的气体对应的旋转角度，再次进行上述判断，以此类推，直至输出检测结果，c_i为气体浓度，i＝1…n为自然数，K为摩尔吸光系数。