一种适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统

本发明属于气体检测，更具体地，涉及一种适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统。

背景技术：

1、随着现代工业发展，毒害危害、易燃易爆等气体的检测愈发重要，气体传感器作为环境监测、工业生产、石油化工、航空航天等领域的关键部件，对于气体检测具有重大意义。

2、ndir(非色散型红外)气体传感器作为目前常用的红外型气体传感器，具有环境耐受性好、选择性强、性能稳定、寿命长等优点。然而，目前的ndir型气体传感器通常采用热电型探测器作为核心部件，其基于光热原理，吸收红外光携带的热信号并将其转换为电信号；目前已经存在的集成超材料红外吸收体的热电型探测器基于光热原理，其原理是红外辐射通过超材料红外吸收体选择性吸收，并转换为热量，并导致双层结构的温度升高，后传导至热电型探测器将温度变化转换为电信号变化；导致其存在如下问题：第一，测量动态范围小，辐射源与气体吸收波长单一，多组分气体检测能力弱；第二，普遍采用热电型探测器，限制了低浓度气体的检测应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，能实现对多种组分气体的低浓度实时检测。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，包括：

3、红外光源，用于输出气体检测所需波段范围的红外光，该红外光经过待测气体时发生多个波段的特征红外吸收；其中，所述红外光源输出的波段范围覆盖待测气体所处场景下的所有待测组分气体的红外特征吸收波段；

4、窄带红外探测器阵列，包括多个集成超材料红外吸收体的高灵敏光子型探测器芯片，超材料红外吸收体的吸收波段和每个光子型探测器芯片的响应波段均覆盖待测气体所处场景下的所有待测组分气体的红外特征吸收波段；其中，超材料红外吸收体用于滤除与气体特征吸收波段无关的红外光，只保留与待测气体浓度信息相关波段的红外光；多个光子型探测器芯片用于将与待测气体浓度信息相关波段的红外光信号转换为多路电信号；

5、信号处理与运算模块，用于执行如下功能：(1)将窄带红外探测器阵列输出的多路电信号进行放大、滤波与模数转换为数字信号；(2)获取并根据所述数字信号，分析超材料红外吸收体的吸收波段以及各光子型探测器芯片的响应电信号；(3)根据预先构建的光子鼻响应与气体浓度的数学模型，对待测气体进行分类与定量处理，得到待测气体的组分与浓度信息并存储。

6、在其中一个实施例中，还包括：

7、成像模块，用于接收各光子型探测器芯片的响应电信号，并结合超材料红外吸收体的吸收角度范围与待测气体吸收光谱，将该响应电信号转换为与气体三维位置相关的成像信息，并进行存储。

8、在其中一个实施例中，还包括：

9、存储模块，用于存储光子鼻响应与气体浓度的数学模型、待测气体的组分与浓度信息和成像信息；

10、数字显示模块，用于实时显示存储模块中待测气体组分和浓度信息以及成像信息。

11、在其中一个实施例中，在构建光子鼻响应与气体浓度的数学模型之前，采用纯氮气标准气体作为待测气体通入光子鼻系统中，对气体零点浓度进行标定，并将零点气体浓度信息存储于所述存储模块中。

12、在其中一个实施例中，所述光子鼻响应与气体浓度的数学模型的构建方法为：

13、根据待测气体所处场景，依次向光子鼻系统中通入不同浓度的混合气体，该混合气体为该场景下的所有待测组分气体的任意组合；首先记录窄带红外探测器阵列中各光子型探测器芯片的响应值，后根据朗伯-比尔定律与气体红外特征吸收原理，提取各光子型探测器芯片响应特征参数并结合cls/pls定量分析算法，建立光子鼻响应与气体浓度的数学模型。

14、在其中一个实施例中，所述光子型探测器芯片响应特征参数包括峰峰值、一阶导数、二阶导数、响应时间和响应积分面积特征参数集。

15、在其中一个实施例中，所述窄带红外探测器阵列的封装底部设有半导体制冷器模块，外部采用to封装。

16、在其中一个实施例中，所述光子型探测器芯片采用硒化铅光子探测芯片、铟镓砷光子探测芯片、碲镉汞(mct)光子探测芯片或ii类超晶格(t2sl)光子探测芯片。

17、在其中一个实施例中，所述超材料红外吸收体采用光学天线阵列构建，且所述超材料红外吸收体与光子型探测器芯片采用一体化设计与封装。

18、在其中一个实施例中，所述待测气体所处场景包括温室气体检测场景、工业气体检测场景、煤矿开采场景和火焰场景；

19、当待测气体所处场景为温室气体检测场景时，红外光源输出波段范围至少满足1～6μm；当待测气体所处场景为工业气体检测场景时，红外光源输出波段范围至少满足2～12μm；当待测气体所处场景为煤矿开采场景时，红外光源输出波段范围至少满足1～5μm；当待测气体所处场景为火焰场景时，红外光源输出波段范围至少满足1～12μm。

20、在其中一个实施例中，所述红外光源采用mems光源。

21、本发明提供的适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，具有如下效果：(1)根据不同气体的红外吸收谱特征，采用集成超材料红外吸收体的高灵敏光子型探测器芯片形成窄带红外探测器阵列，利用光子鼻响应生成探测目标气体的特征吸收谱，结合信号处理与算法技术，构建气体浓度与的分类与定量分析数学模型，能实现对多组分气体的智能识别与浓度预测；(2)本发明提供的高灵敏光子鼻系统可搭载运算、成像、存储、无线通信和数字显示模块，形成感存算显传一体化的智能气体传感器，并可适配多种红外光源，结合光路设计满足不同场景的气体传感需求。

技术特征：

1.一种适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求2所述的适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，其特征在于，还包括：

4.根据权利要求3所述的适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，其特征在于，在构建光子鼻响应与气体浓度的数学模型之前，采用纯氮气标准气体作为待测气体通入光子鼻系统中，对气体零点浓度进行标定，并将零点气体浓度信息存储于所述存储模块中。

5.根据权利要求4所述的适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，其特征在于，所述光子鼻响应与气体浓度的数学模型的构建方法为：

6.根据权利要求5所述的适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，其特征在于，所述光子型探测器芯片响应特征参数包括峰峰值、一阶导数、二阶导数、响应时间和响应积分面积特征参数集。

7.根据权利要求1所述的适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，其特征在于，所述窄带红外探测器阵列的封装底部设有半导体制冷器模块，外部采用to封装。

8.根据权利要求1所述的适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，其特征在于，所述光子型探测器芯片采用硒化铅光子探测芯片、铟镓砷光子探测芯片、碲镉汞光子探测芯片或ii类超晶格光子探测芯片。

9.根据权利要求1所述的适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，其特征在于，所述超材料红外吸收体采用光学天线阵列构建，且所述超材料红外吸收体与光子型探测器芯片采用一体化设计与封装。

10.根据权利要求1所述的适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，其特征在于，所述待测气体所处场景包括温室气体检测场景、工业气体检测场景、煤矿开采场景和火焰场景；

技术总结
本发明公开了一种适用于多组分气体传感的高灵敏光子鼻系统，包括红外光源、窄带红外探测器阵列和信号处理与运算模块，根据不同气体的红外吸收谱特征，采用集成超材料红外吸收体的高灵敏光子型探测器芯片形成窄带红外探测器阵列，利用光子鼻系统响应生成探测目标气体的特征吸收谱；结合信号处理与算法技术，构建气体种类与浓度分析数学模型，实现对多组分气体的智能识别与浓度预测。本发明提供的高灵敏光子鼻系统可搭载运算、成像、存储、无线通信和数字显示模块，形成感存算显传一体化的智能气体传感器，并可适配多种红外光源，结合光路设计满足不同场景的气体传感需求。

技术研发人员：刘欢,李华曜,侯建宇,陈鹏,易飞,唐江
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4