一种基于NDIR原理的气体传感装置的制作方法

本实用新型涉及co2传感器技术领域,尤其涉及一种基于ndir原理的气体传感装置。

背景技术：

ndir(non-dispersiveinfraredsensor)红外气体传感器用一个广谱的光源irlamp作为红外传感器的光源，光线穿过光路中的被测气体，透过窄带滤波片，到达红外探测器。其工作原理是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯-比尔lambert-beer定律)鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。其主要由红外光源、光路、红外探测器、电路和软件算法组成的光学传感器，光学结构部分用于测化合物，例如：ch4、co2、sf6、n2o、co、so2、nh3、乙醇、苯等。

现有技术中，有采用ndir红外气体传感器，比如现有技术中cn201420579666.2，一种ndir红外co2传感器模组，其上盖与底座为卡接结构，底座固定连结在模拟电路板上，上盖及底座顶部均设有透气装置；光源设在上盖一端，探测器焊接在模拟电路板上；上盖外壳采用对流式扩散结构。

这种方式虽然安装方便，结实可靠，但是在检测过程中，往往准确性稍差。检测的数据受到环境温度影响较大，导致检测数据不准确，影响后面对co2的处理及使用。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的不足，本实用新型提供一种基于ndir原理的气体传感装置，包括：单片机，光源驱动模块，红外光源驱动电路，红外探测器，运算放大电路，电阻温度采集模块以及输出模块；

单片机通过与电阻温度采集模块连接获取环境温度信号；

单片机通过与光源驱动模块连接，控制光源驱动模块使红外光源驱动电路发出红外光，通过红外光产生的信号值变化量来探测环境中的气体浓度；红外探测器接收红外光输出微弱的模拟量信号值传递给运算放大电路，单片机计算运算放大电路放大的信号值变化，根据气体吸收红外光引起的信号值变化量以及环境温度引起的电阻温度采集模块中热敏电阻阻值信号变化量，补偿温度对信号值的影响得出环境中的气体浓度；

单片机通过与输出模块连接，输出环境中的气体浓度以及环境温度信息。

进一步需要说明的是，电阻温度采集模块包括：测温电阻rntc，电容c14，电阻r9；

测温电阻rntc第一端和电容c14第一端分别连接参考电压vref；

测温电阻rntc第二端，电容c14第二端以及电阻r9第二端分别连接电阻温度采集模块输出端；电阻温度采集模块输出端连接单片机；

电阻r9第一端连接电源。

进一步需要说明的是，还包括：驱动电路；

驱动电路包括：电阻r10，电阻r12，运放器u3，电容c15；

电阻r10第一端接电源，电阻r10第二端分别与电阻r12第一端和运放器u3五脚连接；电阻r12第二端接地；

运放器u3六脚和七脚分别接驱动电路输出端；

运放器u3四脚接地；

运放器u3八脚分别接电源以及接电容c15第一端，c15第二端接地。

进一步需要说明的是，运算放大电路包括：运放器u1，运放器u2，电阻r5，电阻r6，电阻r7，电阻r8，电阻r9，电容c5，电容c6，电容c10，电容c11以及电容c12；

运放器u1的二脚分别与运算放大电路输入端和电容c11第一端连接；

电容c11第二端接参考电压vref；

运放器u1的三脚分别与电阻r6第一端，电阻r8第二端以及电容c5第一端连接；

电阻r8第一端接驱动电路输出端；

电阻r6第二端，电容c5第二端，运放器u1的五脚以及电容c10第一端共同连接；

电容c10第二端分别与电阻r9第一端和运放器u2二脚连接；

运放器u2一脚接地，运放器u2四脚分别接电源以及接电容c12第一端，c12第二端接地；

运放器u2三脚分别与电阻r5第一端，电阻r7第二端以及电容c6第一端连接；

电阻r7第一端接驱动电路输出端；

电阻r5第二端，电容c6第二端，运放器u2的五脚以及运算放大电路输出端共同连接。

进一步需要说明的是，单片机用于将获取的环境温度信号与预设的温度阈值进行比较，确定t在ti和ti+1之间，

判断环境温度信号是否在ti<t<ti+l范围内；

如在范围内，配置电压阈值

ui,j＝ui,j+(t-ti)(ui,j+1-ui,j)/(ti+l-ti)；

将红外探测器的输出电压值u与电压阈值进行对比；

判断红外探测器的输出电压值u是否在ui,j<u<ui+1,j范围内；

如在范围内，则在温度t条件下，通入co2气体得到的信号值u对应的气体浓度为：

co2_ppm＝pj+(u-ui,j)(pj+i+pj)/(ui+1,j-ui,j)。

进一步需要说明的是，传感器本体设有底座和管体，底座的一端设有卡槽，卡槽上卡设有红外探测板；管体的第一端与红外探测板连接；

管体的第二端连接有反射封板；

管体上设有多个通孔；管体内壁采用内孔抛光或电镀反光处理；

通孔上设有防水透气膜；

红外光源驱动电路与底座连接，且红外光源驱动电路延伸至管体内部。

进一步需要说明的是，红外探测板与管体连接的侧面上设有电路板；

单片机，光源驱动模块，运算放大电路，电阻温度采集模块设置在电路板上；

红外探测器和输出模块设置在红外探测板的外侧面；

进一步需要说明的是，输出模块包括：无线通信模块，通信网卡以及显示器；

单片机通过与无线通信模块连接，与上位机采用无线方式通信连接；

单片机通过与通信网卡连接，与上位机采用有线方式通信连接；

单片机通过与显示器连接，显示数据信息。

从以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：

本实用新型提供的基于ndir原理的气体传感装置可以将红外探测器探测的气体浓度，经过温度信号的补偿并处理，与气体浓度形成关系式，最终输出气体浓度值。使得可以实现对直接获取的气体浓度，结合当前环境温度的来进行补偿，提升被测气体浓度的准确值，保证测量精度。避免检测的数据受到环境温度影响较大，导致检测数据不准确，影响后续对气体检测数据的处理及使用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于ndir原理的气体传感装置示意图；

图2为电阻温度采集模块电路图；

图3为驱动电路图；

图4为运算放大电路图；

图5为气体传感装置示意图；

图6为气体传感装置结构示意图；

图7为气体传感装置结构实施例示意图；

图8为采用二维线性插值法来模拟传感器信号值与co2的变化曲线。

具体实施方式

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

本实用新型提供一种基于ndir原理的气体传感装置，如图1至8所示，包括：单片机1，光源驱动模块2，红外光源驱动电路3，红外探测器4，运算放大电路5，电阻温度采集模块6以及输出模块7。

为了进一步说明本实用新型涉及的技术方案，下面以co2浓度检测进行举例说明。当然不局限于co2浓度检测，本实用新型涉及的气体传感装置还可以检测ch4的浓度、sf6的浓度、n2o的浓度、co的浓度、so2的浓度、nh3的浓度、乙醇的浓度、苯的浓度等。对于不同气体浓度的检测，可以调节相应的红外探测器4检测气体吸收波长，这样满足被测气体的要求，实现检测过程，得出相应的检测数据。

单片机1通过与光源驱动模块2连接，控制光源驱动模块2使红外光源驱动电路3发出红外光，通过红外探测器4检测co2吸收波长为4.26um的红外光而产生的信号值变化量来探测环境中的co2浓度。本系统由单片机通过与电阻温度采集模块6连接获取环境温度信号；红外探测器4接收红外光输出微弱的模拟量信号值传递给运算放大电路，单片机计算运算放大电路5放大的信号值变化，根据co2吸收红外光引起的信号值变化量以及环境温度引起的ntc阻值信号变化量，通过补偿温度对信号值的影响的来分析出环境中的co2浓度。单片机1通过与输出模块7连接，输出环境中的co2浓度以及环境温度信息。

本实用新型中，单片机1采用stm32f051单片机1。由stm32f051单片机1调制pwm信号控制光源驱动模块2，使红外光源驱动电路3发出占空比为0.5的1hz的红外信号。红外探测器4接收到红外信号后，将微弱的电信号传递给运算放大电路5，调制为单片机1可识别的电压信号值。本实用新型中红外探测器4内部集成的电阻温度采集模块6，由电阻温度采集模块6采集温度信号传递给单片机1。当然电阻温度采集模块6和红外探测器4也可以为两个分体的元件。由单片机1对不同通道的电压信号值进行采集处理，经过温度信号的补偿，信号值经过处理与气体浓度形成关系式，最终输出co2浓度值。

红外探测器4的输出电压u不仅与输入co2浓度ppm有关，而且与环境温度t有关。这里将co2传感器特征数据整合为和里的关系式，使co2传感器能够输出合理范围内的co2浓度值。经过分析，选用了二维线性插值法来模拟传感器信号值与co2浓度的变化曲线。如图6所示，其中，单片机1将获取的环境温度信号与预设的温度阈值进行比较，确定t在ti和ti+1之间，判断环境温度信号是否在ti<t<ti+l范围内；

如在范围内，配置电压阈值

ui,j＝ui,j+(t-ti)(ui,j+1-ui,j)/(ti+l-ti)；

将红外探测器4的输出电压值u与电压阈值进行对比；判断红外探测器4的输出电压值u是否在ui,j<u<ui+1,j范围内；如在范围内，则在温度t条件下，通入co2气体得到的信号值u对应的co2浓度为：

ppm＝pj+(u-ui,j)(pj+i+pj)/(ui+1,j-ui,j)。

温度阈值为预设设置的温度范围。电压阈值为预设匹配的各个温度条件下，相对应的电压阈值。

单片机1可以实现在硬件，软件，固件或它们的任何组合。所述的各种特征为模块，单元或组件可以一起实现在集成逻辑装置或分开作为离散的但可互操作的逻辑器件或其他硬件设备。在一些情况下，电子电路的各种特征可以被实现为一个或多个集成电路器件，诸如集成电路芯片或芯片组。

单片机1包括一个或多个处理器执行，如一个或多个数字信号处理器(dsp)，通用微处理器，特定应用集成电路asics，现场可编程门阵列(fpga)，或者其它等价物把集成电路或离散逻辑电路。因此，术语“处理器，”由于在用于本文时可以指任何前述结构或任何其它的结构更适于实现的这里所描述的技术。另外，在一些方面，本公开中所描述的功能可以提供在软件模块和硬件模块。

其中，如图2所示，电阻温度采集模块6包括：测温电阻rntc，电容c14，电阻r9；测温电阻rntc第一端和电容c14第一端分别连接参考电压vref；测温电阻rntc第二端，电容c14第二端以及电阻r9第二端分别连接电阻温度采集模块6输出端；电阻温度采集模块6输出端连接单片机1；电阻r9第一端连接电源。

其中，通过运放电压跟随器形成一个稳定的参考电压vref，供给电阻温度采集模块6。测温电阻rntc的阻值通过下式获取：

测量的阻值变化用于温度补偿。

本实用新型还包括：如图3所示，驱动电路；驱动电路包括：电阻r10，电阻r12，运放器u3，电容c15；

电阻r10第一端接电源，电阻r10第二端分别与电阻r12第一端和运放器u3五脚连接；电阻r12第二端接地；运放器u3六脚和七脚分别接驱动电路输出端；运放器u3四脚接地；运放器u3八脚分别接电源以及接电容c15第一端，c15第二端接地。

本实用新型中，如图4所示，运算放大电路5包括：运放器u1，运放器u2，电阻r5，电阻r6，电阻r7，电阻r8，电阻r9，电容c5，电容c6，电容c10，电容c11以及电容c12；

运放器u1的二脚分别与运算放大电路5输入端和电容c11第一端连接；电容c11第二端接参考电压vref；

运放器u1的三脚分别与电阻r6第一端，电阻r8第二端以及电容c5第一端连接；电阻r8第一端接驱动电路输出端；电阻r6第二端，电容c5第二端，运放器u1的五脚以及电容c10第一端共同连接；电容c10第二端分别与电阻r9第一端和运放器u2二脚连接；运放器u2一脚接地，运放器u2四脚分别接电源以及接电容c12第一端，c12第二端接地；运放器u2三脚分别与电阻r5第一端，电阻r7第二端以及电容c6第一端连接；电阻r7第一端接驱动电路输出端；电阻r5第二端，电容c6第二端，运放器u2的五脚以及运算放大电路5输出端共同连接。

运算放大电路5为两级放大电路，c10电容和电阻r9组成rc低通噪声滤波器。运算放大电路5配置为84kω/10nf滤波器，其阶跃函数在22位建立时间约为：

84kω×10nf×ln2²²≈12.8ms

r8和r6调节放大增益为50，-3db截止频率为：

22位建立时间约为：

t＝100k×100nf×ln2²²≈152ms

本方案使用的ndir斩波频率为1hz，半周期脉宽为500ms，22为建立时间约为0.3倍数最小斩波脉宽。r6和c5则影响噪声性能和响应时间。后级放大电路的理解和前级是一样的。

进一步需要说明的是，气体传感器还包括：传感器本体；传感器本体设有底座31和管体33，底座31的一端设有卡槽37，卡槽37上卡设有红外探测板32；管体33的第一端与红外探测板32连接；管体33的第二端连接有反射封板36；管体33上设有多个通孔34；管体33内壁采用内孔抛光或电镀反光处理；红外光源驱动电路3与底座31连接，且红外光源驱动电路3延伸至管体33内部；红外探测板32与管体33连接的侧面上设有电路板；单片机1，光源驱动模块2，运算放大电路5，电阻温度采集模块6设置在电路板上；红外探测器4和输出模块7设置在红外探测板32的外侧面；通孔34上设有防水透气膜。

红外探测板32卡设在底座31的卡槽37上，用锡焊接牢靠，无外漏电线，信号传输稳定可靠。红外探测板32焊接竖直电路板。管体33为直管通道，管体33与红外光源驱动电路成90度安装，红外光源驱动电路与管道垂直，红外探测器4与管体33同轴。

管体33的内部检测通道采用高反光处理，采用内孔抛光或电镀，减少光的损失，提高检测灵敏度和量程。

管体33的内部检测通道上设有的多个通孔34可以提高气体流通性，提高检测灵敏度。

管体33的内部检测通道开孔处贴有防水透气膜，管体33上设置的发射、接收端连接位置有缝隙处均涂有防水胶，能有效防止外界水分进入检测腔体，有效防止水分对检测精度的影响。

反射封板36为高反光的圆形封堵片，反射封板36设计尺寸小于管体33的检测通道外径，安装时直接放置在检测通道设计的卡槽里，外部封胶固定。安装方便，防水，一致性高。

作为优选的方式，管体33为铝管或不锈钢材质；铝管为对射式光学结构腔体，铝管内壁抛光。

优选地，采用了铝管对射式光学结构腔体，铝管内壁抛光保证光路的完整性，铝管两侧各开6个1.5mm的圆孔，增加空气对流速度，提高传感器响应速率。

使用侧板进行红外探测器4和铝管的固定，保证探测器方向与光学腔体在一个平行面上保证了产品信号的一致性，铝管下部开孔放置红外光源驱动电路3，是生产装配更加简洁。

输出模块7包括：无线通信模块，通信网卡以及显示器；单片机1通过与无线通信模块连接，与上位机采用无线方式通信连接；单片机1通过与通信网卡连接，与上位机采用有线方式通信连接；单片机1通过与显示器连接，显示数据信息。这里可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。

电阻温度采集模块6以及输出模块7分别设置在侧板32上；方便接入各种类型的检测仪器。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等如果存在是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。