一种非分光红外气体传感器及其标定测量方法

本发明涉及气体传感器，尤其涉及一种非分光红外气体传感器及其标定测量方法。

背景技术：

1、当今工业生产环境下的气体组分复杂，管道布局复杂，外界环境变化复杂等因素都强烈阻碍了气体检测精准展开。因此，对多组分气体精准检测的需求愈加强烈，做好多组分有毒有害气体的实时检测以及报警，对工业领域的安全发展以及环境治理等方面都具有重要的现实意义。

2、目前，常用的气体检测的传统方法主要有催化燃烧法、电化学法。催化燃烧法只能检测可燃性气体，无法检测非可燃性气体，不能满足多组分气体同时检测的需求。电化学法气体传感器具有体积小、稳定性好以及选择性好的优点，但是该传感器易老化、使用寿命短、受环境因素干扰大、性价比低。而光学检测法利用了光和气体相互作用的特性，具有量程大、快速高效和抗入侵的特点。光学检测法中常用的非分光红外技术是采用了不同气体对红外光有不同吸收光谱的原理实现的，具有气体选择性好、检测速度快、监测精度高、使用寿命长、抗干扰能力强以及应用成本低等优点。然而传统的非分光红外传感器一般只能测量单一气体浓度，无法满足当前工业生产多组分气体浓度同时检测的需求。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种能够同时测量多组分气体浓度的非分光红外传感器及其标定测量方法。

2、技术方案：一种非分光红外气体传感器，包括蘑菇型双腔体六棱台光学气室、分时选择器、滤波放大电路、驱动模块和无线传感系统，所述双腔体六棱台光学气室内设有温度传感器和多个双通道热释电红外探测器，双腔体六棱台光学气室的外侧设有pi电热膜；

3、所述分时选择器，分时选择输出一个双通道热释电红外探测器上相对应的一组参考信号和探测信号；所述滤波放大电路用于将分时选择器选择出来的模拟信号进行滤波放大，并将放大后的信号传输给无线传感系统进行模数转化，最终得到一组分别对应着探测信号和参考信号的数字信号，并将该组信号输送给中心终端设备；

4、所述温度传感器用于采集双腔体六棱台光学气室内部的实时温度，并传输给无线传感系统，无线传感系统输出驱动信号至驱动模块，驱动模块根据信号调节pi电热膜的功率，确保双腔体六棱台光学气室内部温度恒定；

5、所述无线传感系统与双通道热释电红外探测器输出端连接，用于接受双通道热释电红外探测器采集的数据。

6、进一步，所述双腔体六棱台光学气室包括顶板、设于顶板内侧的六棱锥型反射面、上腔体、内置的空心六棱台、下腔体、高频红外光源、下底座和上底座，所述上底座设于上腔体和下腔体之间，所述上腔体和下腔体连通，所述上腔体侧壁设有出气孔，所述下腔体侧壁设有进气孔；所述高频红外光源设于空心六棱台内部、下底座的上表面中心处；

7、所述六棱锥型反射面的顶点与下底座中心重合；

8、所述下底座和上底座上分别设有六个自动式可调节升降台，每个自动式可调节升降台上设有一个双通道热释电红外探测器；

9、所述高频红外光源发射的红外光，先后经过内置的空心六棱台内壁、六棱锥型反射面、上腔体内壁和下腔体内壁的反射后，最终照射到任意一个双通道热释电红外探测器上。

10、进一步，所述高频红外光源为热辐射红外光源，出射的红外光波长为2-16μm，视场角为30°。

11、进一步，所述空心六棱台的母线倾角约为6°。

12、进一步，每个双通道热释电红外探测器分别设有探测滤光片和参考滤光片；自动式可调节升降台根据每个探测滤光片选择的特定气体吸收波峰对应的波长，调整每个双通道热释电红外探测器的高度。

13、进一步，所述进气孔和出气孔处分别设有气体干燥管；气体干燥管由3a分子筛和pvdf过滤膜组成，两pvdf过滤膜之间填充有3a分子筛。

14、进一步，所述上腔体内壁、下腔体内壁、六棱锥型反射面以及空心六棱台内外侧分别镀有金膜。

15、进一步，所述分时选择器由四件双四选一的多路选择器组成，所述分时选择器的输入端与所述双通道热释电红外探测器相连，每个双通道热释电红外探测器的参考信号输出端分别与第一多路选择器、第二多路选择器和第三多路选择器的一通道输入端相连，每个双通道热释电红外探测器的探测信号输出端分别与第一多路选择器、第二多路选择器和第三多路选择器的二通道输入端相连；第一多路选择器、第二多路选择器和第三多路选择器的一通道输出端分别与第四多路选择器的一通道的输入端相连，第一多路选择器、第二多路选择器和第三多路选择器的二通道输出端分别与第四多路选择器的二通道的输入端相连；第四多路选择器的输出端分时选择输出一个热释电红外探测器上相对应的一组参考信号和探测信号。

16、进一步，所述无线传感系统包括信号处理模块、信号发送模块，声光报警装置以及中心终端设备；所述信号处理模块，采用a/d转换器、高主频处理器来实现数据的采集；所述信号发送模块，采用无线收发器将收集到的数据通过wifi模块发送至声光报警系统以及中心终端设备，若出现浓度超过预定阈值的情况下，声光报警装置报警。

17、上述任一项非分光红外气体传感器的标定测量方法，包括以下步骤：

18、s1，将所述非分光红外气体传感器放入温湿度试验箱中，在其交换口接入通气管、电源线及串口线；

19、s2，设定恒温控制的目标温度值与比例参数，将获取的当前实际温度值与设定的目标温度值进行对比，并算出偏差并将偏差作为积分分离pid算法的输入进行判断；

20、将偏差阈值设置为0.5℃，若偏差大于0.5℃，则控制pwm处于工作电平范围内，使其正常工作，驱动pi电热膜；

21、若偏差小于等于0.5℃，则控制pwm脱离工作电平范围，pi电热膜也随之停止工作；

22、s3，将氮气通入到双腔体六棱台光学气室中并持续一段时间，以排除气室内残留空气，同时利用温湿度传感器检测湿度的方式间接检查装置气密性；

23、s4，将气体co、co2、ch4、h2co、nh3、no、no2、so2、sf6、h2s、ch2o和hcl分别与氮气同时输送至气体配比仪，分别进行相应浓度的十二种气体与氮气的混合配比，并等待气体配比仪将混合的气体混合均匀；

24、s5，打开传感器开关，待其工作稳定后，打开温湿度试验箱，设置温度和湿度；待试验箱中温度稳定后，将混合后的一种浓度的co气体通入非分光红外气体传感器，打开氮气的减压阀，维持其流速略大于空气流速，持续两分钟左右后，利用串口调试助手记下对比通道与检测通道的电压值，计算两通道电压的比值f并取平均值，f为对比通道电压值与检测通道电压值的比值；

25、随后利用氮气清洁气室，依次输入混合后的不同浓度的co气体，得到不同的f；令f为自变量，待测气体浓度为因变量，进行拟合，可得co标定公式；

26、s6，将氮气通入气室以清洁气室，将剩余十一种混合气体依次按照步骤s5操作，完成十二种气体标定，得到十二种气体的标定公式；

27、s7，在确定气室气密性良好且传感器工作正常的前提下，将所需检测的混合气体通入双腔体六棱台光学气室；

28、若混合气体中不存在所述十二种气体，则探测器上无信号产生；

29、若混合气体中含有上述十二种气体中的一种或多种，相对应的探测器上就会产生相应的模拟电压信号，根据各个探测器输出的信息和不同气体的标定公式分别计算各种气体浓度。

30、本发明与现有技术相比，其显著效果如下：

31、1、本发明使用了蘑菇型双腔体六棱台光学气室，顶部设有六棱锥型反射面，底部设有空心六棱台，使得红外光线能够汇聚在内外腔体底部探测器处，能大幅增加探测器面的红外辐射照度，提高传感器的精度和灵敏度；采用反射式光学结构，在保证增加光程的前提条件下，能够有效缩减腔体长度，使得光学气室小型化，具有便携性特点；

32、2、本发明光学气室进气口和出气口处设有气体干燥管，下腔体内部设有温度传感器，同时外壁还包裹着pi电热膜，能够对气体进行恒温降湿处理；采用了积分分离的pid恒温控制算法，更好地维持气室内温度恒定，避免水分、微小颗粒和温度等环境因素对探测造成的影响，确保了探测结果的准确性；

33、3、本发明光学气室安置有不同滤光片的热释电红外探测器，自动式可调节升降台与热释电红外探测器相连接，可以根据待测气体吸收波峰波段的大小调节热释电红外探测器的高度，以保证红外光照射到探测面时具有最优光程；每个探测器上都包含了一个探测通道和一个参考通道，能够同时测量co、co2、ch4、h2co、nh3、no、no2、so2、sf6、h2s、ch2o和hcl十二种气体，降低成本的同时，还能消除红外光源波动、电路器件漂移以及气室内非气体吸收衰减的影响，大大提升了测量精度；

34、4、本发明的装置与终端设备相连接，可以更加方便检测人员远程监测工业多组分气体是否泄漏以及浓度等情况。可以及时发送预警信号，提醒相关人员采取措施，同时声光报警装置也会及时报警，实现双重报警功能；

35、5、本发明使用了4块74hc4052构成两组12通道选一的分时选择器，通过对74hc4052使能端和控制端输入设置好的波形，可以实现二十四通道选二功能，大大降低了滤波放大电路和a/d转换器的数量，使得电路部分更加简单，效率更高，同时最终输出的结果是以探测信号和参考信号组合输出，对比性更强、错误率更低、为后续操作带来简便。