一种高精度双量程红外气体传感器及气体分析方法与流程

本发明涉及红外气体传感器领域，尤其涉及一种高精度双量程红外气体传感器及气体分析方法。

背景技术：

1、近年来人们越来越关注室内或公共场所空气质量，如二氧化碳是室内空气质量监控的一项重要指标之一，在暖通空调hvac(heating,ventilatingand airconditioning采暖，通风以及空气调节)领域，利用二氧化碳传感器监测室内或车内的二氧化碳含量，在二氧化碳含量超过设定限度时，通过暖通空调中的通风系统引进新鲜空气，可以有效地提高能量利用效率，对于节能环保具有重要意义。

2、另外，二氧化碳作为新型制冷剂r744的重要组成成分，由于其对大气臭氧层无破坏，odp值为零、gwp值很小，将是未来空调技术的理想制冷剂，文献《二氧化碳制冷剂的应用研究》中提出：20世纪90年代初，挪威nth-sintef开发了采用二氧化碳临界制冷循环的汽车空调样机，从1994年起bmw、dalmlerenz、volvo、大众等欧洲著名公司发起了名为“race”的合作项目，联合欧洲著名高校、汽车空调制造商等研制二氧化碳汽车空调系统并已被很多国家作为汽车空调制冷剂的长期替代物，在实际应用时二氧化碳作为空调制冷剂一旦泄露将直接影响制冷效率，需配套二氧化碳气体传感器监测制冷剂泄露情况，因此使用二氧化碳传感器进行r744冷媒气体泄漏检测具有巨大的市场前景。

3、在实际应用时一旦r744泄露不仅直接影响制冷效率，还有可能导致人员窒息，需配套二氧化碳气体传感器监测制冷剂泄露情况，并及时进行报警。

4、通常因传感器应用场景的不同，对气体测量量程要求不同，对于室内或车内的二氧化碳含量的精准监测，一般会使用低量程传感器；而对于热泵空调制冷剂泄露(r744)的监测，由于一旦泄露，二氧化碳浓度会很高，有安全风险，因此需要使用高量程传感器。为了能满足这两种场景应用，一般需要在不同位置同时配备两个不同量程浓度监测的传感器，这样成本高，不利于批量应用，而且由于两个传感器一直处于工作状态，同时出现故障的概率很高。因此，急需一种高精度、双量程、低成本的co2传感器。

5、ndir非分光红外光谱分析法作为一种重要的气体分析方法，常用于气体的定量分析。运用ndir对被测气体进行分析的原理是：红外光照射被测气体，被测气体对特定波长的光具有吸收功能，根据朗伯—比尔吸收定律，在理想情况下，已知光的有效吸收光程与分子在特定波长上的吸收系数，利用被测气体吸收之前的光信号与吸收之后的光信号的比值可计算出被测气体的浓度。应用ndir原理的气体传感器具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好及寿命长的优势，因此红外气体传感器近年来得到快速发展。

6、专利文献wo02077619a2公开了一种红外气体传感器，采用单光源、单探测器、单气室结构实现气体浓度检测功能，这种气体传感器结构简单，成本低，缺陷在于检测精度低，量程小，无法实现高精度测量大量程二氧化碳浓度。

7、专利文献cn2554623y公开了一种气体浓度检测仪，采用单光源或双光源、双探测器、独立双气室结构，实际工作时，参考气室中封入一定浓度的氮气，测量气室充入被测气体，红外光源照射测量气室和参考气室，根据两个探测器输出的电信号比值得到被测气体的浓度，该方案可克服气体传感器因温度、光源和气室老化造成的漂移问题，缺陷在于检测精度低，量程小，无法实现高精度测量大量程二氧化碳浓度，采用双探测器成本高，不利于气体传感器结构微型化和低成本化。

8、专利文献de19925196c2公开了一种ndir气体传感器，采用双光源、单探测器结构，两个光源基于测量腔体对称定位，两个光源到探测器的路径长度相同，第一光源用作检测长期工作，第二光源用作参考，在第一光源在预定的使用寿命后切换第二光源工作，两个光源采用不同的脉冲间歇工作，第二光源仅作为备用光源使用。该方案无法实现对不同量程浓度co2的高精度检测来满足复杂应用场景。

9、专利文献cn104122223b公开了一种双光程多气体红外气体传感器，其中红外光源发出红外光的下半部分经平面反光镜反射后到达双通道探测器下半部分，构成短光程；红外光源发出红外光的上半部分经环形腔内表面多次反射后到达双通道探测器上半部分，构成长光程，在单腔室内实现了长、短两种光程。可以满足红外吸收率不同气体同时检测的要求，同时还可以满足同种气体不同检测精度的需求。然而该方案光源需长时间工作，其工作寿命受影响大，并且由于采用了双通道红外探测器，成本较高。

10、专利文献cn114136911a公开了一种兼顾量程与分辨率的气体传感器及其实现方法，光源组件发出的光束经由分光件分光，分光后的光束分别入射至不同的探测器，形成不同光程长度的光路，每个探测器分别接收对应光程光路的光信号，分别计算不同长度光程的光路对应的气体浓度测量结果。通过长光程光路对应的探测器实现了气体浓度高灵敏度的检测，通过短光程光路对应的探测器实现了气体浓度的大量程检测，可以实现高、低浓度co2的检测。该方案缺陷在于单一光源寿命比不上双光源，且双探测器成本高。

11、综上所述，现有的ndir红外气体传感器在检测精度、检测范围上存在缺陷，无法同时在不同量程内同时保证高精度co2浓度测量的同时保证低成本和长寿命，只能使用两个传感器分别测量低量程和高量程范围。因此，目前急需开发一款低成本、长寿命、双量程范围内都能保证高精度的红外气体传感器。

技术实现思路

1、为了解决现有的ndir红外气体传感器在检测精度、范围和制造成本上的缺陷，本发明提出一种采用双光源、单探测器的双量程ndir红外气体传感器及其对应的气体分析方法。

2、具体的，本发明提供一种高精度双量程红外气体传感器，包括：

3、腔室外框架呈围合结构；对应的，腔室内壁设有呈围合结构的反射部；

4、腔室的腔体内设有第一光源、第二光源、红外探测器；

5、第一光源发射出的光经反射部反射后，被红外探测器捕获，形成长光程气室l1，以对第一浓度气进行检测；

6、第二光源发射出的光经反射部反射后，被红外探测器捕获，形成短光程气室l2，以对第二浓度气进行检测；

7、所述第一光源和所述第二光源经由控制模块控制；所述控制模块包括：光源驱动单元、控制单元和运放单元；

8、红外探测器的检测信号经由运放单元放大后，传输至控制单元；

9、控制单元采用分时控制产生控制信号，控制信号经过光源驱动单元传输至第一光源和第二光源；

10、所述第一浓度气浓度小于第二浓度气浓度。

11、一种高精度双量程红外气体分析方法，应用于所述的一种高精度双量程红外气体传感器，方法具体如下：

12、s1、控制单元发送初始控制信号，控制第一光源和第二光源交替闪烁；

13、s2、运放电路从红外探测器处采样长光程气室l1的信号值c1和短光程气室l2的信号值c2；

14、s3、根据长光程气室l1的标定数据拟合线性公式d1＝f(c1)，计算得到气体浓度d1；根据短光程气室l2的标定数据拟合线性公式d2＝f(c2)，计算得到气体浓度d2；

15、s4、判断当前浓度是处于低量程区间、高量程区间还是中量程区间，若属于低量程区间，则输出气体浓度d1；若属于高量程区间，则输出气体浓度d2，否则输出综合计算值k*d1+(1-k)*d2。

16、本发明提供的有益效果是：

17、1、解决了无法同时高精度测量低量程浓度和高量程浓度的技术问题；

18、2、实现低成本化：仅通过增加一个低成本的光源，解决了采用两个红外气体传感器成本高、不利于大规模批量应用的技术问题；

19、3、长寿命、高可靠性：由于红外气体传感器采用两个光源周期交替工作，能够有效缩短每个光源的工作时间，相对于单光源单探测器传感器，相当于延长了工作寿命，可靠性高。