[发明专利]一种基于热释电器件的多通道NDIR气体分析系统

说明书

一种基于热释电器件的多通道NDIR气体分析系统，属于热释电探测器技术领域。本发明包括外壳，所述外壳上设置一个通光孔，通光孔上安装有中心窗片，所述外壳内部设置有若干个探测单元和温度传感器，其中，探测单元设置在中心窗片的下方，且全部落入中心窗片在探测单元所在平面的投影内；探测单元为堆叠结构且关于通光孔中心两两对称分布，温度传感器设置在探测单元对称中心所在位置。该系统采用的堆叠式设计使系统在单通光孔进行八通道同步探测时仍有足够宽的视场角，在满足多通道探测需求的同时实现了结构的微型化。另外，本发明还能实时提供温度补偿数据，数据获取精度更高，有利于提升系统稳定性。

技术领域

本发明属于热释电探测器技术领域，特别涉及一种基于热释电器件的多通道NDIR气体分析系统。

背景技术

非色散红外(NDIR)气体分析仪作为一种快速、准确的气体分析技术，由红外光源、气室、传感器、电路和软件算法组成的光学气体分析系统，在实际应用中十分普遍。在分析混合气体中特定组分的过程中，当红外光通过待测气体时，待测气体对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯比尔(Lambert-Beer)吸收定律。每种气体都有自己的特征红外吸收频率，在混合气体检测时，各种气体吸收各自对应的特征频率光谱，它们是互相独立，互不干扰的，这就为测量混合气体中某种特定气体的浓度提供了条件。相比以往的电化学传感器、薄膜电容微音器传感器，采用先进的热释电器件作为核心部件实现NDIR技术测量气体浓度的测量精度更高、稳定度更好以及使用寿命更长的优点。

目前，国内公知的红外热释电探测器多为单通道探测器，无法满足多种分析物的同步测量，并且准确度有一定的局限性，主要应用于人体、防盗等领域。而对于多通道探测器研究鲜少，主要有以下三类：

第一种是传统直线型结构，该结构是指采用多个光源分别进入几个并行通道中进行气体同步分析。这种结构有多个光源，使用时，每个光源发射的光束经过滤光片后直接进入探测通道中，经吸收到达热释电芯片。这种结构相对简单，但探测率低，信号微弱，在应用领域和精确度上都有一定的局限性。

第二种是分光型探测器，该结构是指基于一个光源发出的光线分别进入几个并行通道中进行气体同步分析。这种结构只有一个单独的通光孔，内部封装了微型反光面阵列作为分光器，分光器结构依通道数量要求而设计，对于四通道探测器设计为四面反射微型金字塔结构，对于双通道探测器设计为V型沟槽结构，使用时，同一光源发出的光被分光器反射形成两束或者四束光线，每一部分光束经滤光片进入探测通道中，经吸收到达热释电芯片。但是，这种结构对于更多通道的微型结构设计比较困难，更多通道的设计也需要更大的气室，就会显著增大传感器模块的尺寸。

第三种是转轮型探测器，该结构是指基于一个光源发出的光线先后进入不同通道中进行气体分析。这种结构通常采用机械的滤光轮进行多个通道的先后探测，即在探测器外壳上设计多个通光孔，在通光孔上封装不同波段的滤光片，使用时同一光源发出的光根据滤光片的选择进入对应探测通道中，经吸收到达热释电芯片。这种结构无法实现多路通道同步检测，并且由于要在有限的探测器外壳上设计多个通光孔，导致探测器的可视角较小，不能获得较多的有效辐射，背景噪声和无关辐射信号也比较多，探测器的精确度上有一定的局限性。

为克服现有多通道热释电探测器的缺陷，亟需发展一种具有多通道同步检测能力的微型高精度红外热释电探测器。

此外，热释电探测器在检测气体时，由于NDIR气体分析系统的信号受环境温度变化影响的因素较多，包括：光源的光谱、探测器、滤光片温度系数、运放温度系数、电阻和电容温度系数等诸多因素，使得非分光红外传感器的温度补偿变得非常复杂。实际中技术人员往往仅考虑(外部)环境温度变化的影响，但稳态时的光学滤光片因内部温度的变化会发生中心波长的漂移。一般情况下，当温度升高时，红外滤光片会向长波长方向漂移，并且透过率有所下降，而现有设计均是将温度传感器置于系统外部，存在温度补偿延迟、准确性有局限的问题。

发明内容