專利名稱：一種雙光源四探測器紅外氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分析儀器領(lǐng)域，具體涉及一種雙光源四探測器紅外氣體傳感器。
背景技術(shù)：
出于保護(hù)人員和財產(chǎn)的安全的考慮，需要對煤礦井內(nèi)的氣體(特別是一氧化碳)進(jìn)行監(jiān)控分析。由于井下其環(huán)境復(fù)雜，存在易燃、易爆、腐蝕性氣體，溫度高、濕度大、粉塵多、電磁干擾強(qiáng)，此外光源的穩(wěn)定性、探測器響應(yīng)的靈敏度、干擾氣體、傳感器光學(xué)元件本身對紅外光的散射都會對一氧化碳?xì)怏w濃度測量產(chǎn)生較大影響。紅外吸收式氣體檢測原理是基于Lambert-Beer定律,不同氣體對紅外光有著不 同的吸收光譜，某種氣體的特征光譜吸收強(qiáng)度與該氣體的濃度相關(guān)，通過分析紅外光被氣體吸收頻率和能量多少就可以確定它的成分和濃度。而紅外光譜吸收過程中，光路結(jié)構(gòu)是紅外氣體吸收的重要組成部分，直接影響到紅外氣體傳感器檢測精度和檢測靈敏度，目前常用的光路結(jié)構(gòu)有雙光源雙氣室光路結(jié)構(gòu)、單光源單氣室光路結(jié)構(gòu)、單光源雙氣室光路結(jié)構(gòu)等，對于每種光路都有其優(yōu)點(diǎn)和不足，雙光源雙氣室光路避免了溫度、壓力、其他氣體及光源不穩(wěn)定因素影響，但無法解決氣室不匹配帶來的影響，并且雙氣室在結(jié)構(gòu)上也比較復(fù)雜；單光源單氣室光路結(jié)構(gòu)雖結(jié)構(gòu)簡單，擴(kuò)展性較好，但光源不穩(wěn)定性影響、可靠性、抗干擾性、選擇性方面存在不足，單光源雙氣室光路結(jié)構(gòu)結(jié)合了前兩種優(yōu)缺點(diǎn)，但分光路器的分光比不對稱仍然造成誤差，此外上述光路結(jié)構(gòu)均未考慮到氣室等光學(xué)元件吸收紅外光而造成的能量損失，為消除氣室等光學(xué)元件吸收紅外光影響，本發(fā)明提出了一種雙光源四探測器紅外氣體傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高的雙光源四探測器紅外氣體傳感器。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種雙光源四探測器紅外氣體傳感器，包括氣室(0)，所述氣室(O)內(nèi)充滿待測氣體；第一光源(I)與第二光源(2),其中所述第一光源(I)位于所述氣室(O)左側(cè)上方，所述第二光源(2)位于所述氣室(O)右側(cè)下方，所述第一光源(I)與第二光源(2)交替地發(fā)出第一脈沖光線和第二脈沖光線；第一探測器(3)與第二探測器(4)，其中所述第一探測器(3)與第二探測器(4)位于所述氣室(O)左側(cè)下方，所述第一探測器(3)前置有測量波長的第一濾光片(7)，所述第二探測器(4)前置有參比波長的第二濾光片(8);第三探測器(5)與第四探測器(6)，其中所述第三探測器(5)與第四探測器(6)位于所述氣室(O)右側(cè)上方，所述第三探測器(5)前置有所述測量波長的第三濾光片(9)，所述第四探測器(6)前置有所述參比波長的第四濾光片(10);以及第一分光鏡(11 )、第二分光鏡(12)、第一反光鏡(13 )與第二反光鏡(14)，其中，所述第一脈沖光線經(jīng)過所述第一分光鏡(11)分成兩束，其中一束光線穿過所述氣室(O)發(fā)送到第三探測器(5)和第四探測器(6)，另一束光線經(jīng)過第一反光鏡(13)發(fā)送到第一探測器(3)和第二探測器(4)，其中，所述第二脈沖光線經(jīng)過所述第二分光鏡(12)分成兩束，其中一束光線穿過所述氣室(O)發(fā)送到第一探測器
(3)和第二探測器(4)，另一束光線經(jīng)過第二反光鏡(14)發(fā)送到第三探測器(5)和第四探測器(6)。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一光源(I)與第二光源(2)為發(fā)光二極管。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，探測器和對應(yīng)的濾光片集成在一起。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為本發(fā)明實(shí)施例的一種雙光源四探測器紅外氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。如圖I所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種雙光源四探測器紅外氣體傳感器，包括氣室O,氣室O內(nèi)充滿待測氣體；第一光源I與第二光源2,其中第一光源I位于氣室O左側(cè)上方，第二光源2位于氣室O右側(cè)下方，第一光源I與第二光源2交替地發(fā)出第一脈沖光線和第二脈沖光線；第一探測器3與第二探測器4，其中第一探測器3與第二探測器4位于氣室O左側(cè)下方，第一探測器3前置有測量波長的第一濾光片7，第二探測器4前置有參比波長的第二濾光片8 ;第三探測器5與第四探測器6，其中第三探測器5與第四探測器6位于氣室O右側(cè)上方，第三探測器5前置有測量波長的第三濾光片9，第四探測器6前置有參比波長的第四濾光片10 ;以及第一分光鏡11、第二分光鏡12、第一反光鏡13與第二反光鏡14,其中，第一脈沖光線經(jīng)過第一分光鏡11分成兩束，其中一束光線穿過氣室O發(fā)送到第三探測器5和第四探測器6，另一束光線經(jīng)過第一反光鏡13發(fā)送到第一探測器3和第二探測器4，其中，第二脈沖光線經(jīng)過第二分光鏡12分成兩束，其中一束光線穿過氣室O發(fā)送到第一探測器3和第二探測器4，另一束光線經(jīng)過第二反光鏡14發(fā)送到第三探測器5和第四探測器6。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，第一光源(I)與第二光源(2)為發(fā)光二極管。發(fā)光二極管具有熱功率小的優(yōu)點(diǎn)，單位面積發(fā)光強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，探測器和對應(yīng)的濾光片集成在一起。集成元件有利于傳感器的小型化和穩(wěn)定性。本發(fā)明的雙光源四探測器紅外氣體傳感器的光路模型是在工作探測器的位置同時添加了一個起參比作用的探測器，即增加兩個參比探測器，前面放置參比濾光片。經(jīng)過這個模型處理后，只有待測氣體的透射比，其余因素均能被消除掉。這種結(jié)構(gòu)消除了氣室光學(xué)元器件、粉塵等因素的影響，并且產(chǎn)生一個只與待測氣體透射比的平方成正比的信號，提高了抗干擾能力和測量精度。假設(shè)某紅外氣體傳感器用于檢測一氧化碳?xì)怏w，而根據(jù)一氧化碳的紅外吸收光譜特征，其對3. 93 μ m的紅外輻射不吸收，對4. 65 μ m的紅外輻射有較強(qiáng)的吸收。故可以設(shè)置參比濾光片為3. 93 μ m的濾光片,測量濾光片為4. 65 μ m的濾光片。具體地第一探測器3和第三探測器5前均放置波長為4. 65 μ m的測量濾光片，使得照射到這兩個探測器上的紅外輻射僅為4. 65 μ m的輻射；第二探測器4和第四探測器6前均放置波長為3. 93 μ m的參比濾光片，使得照射到這兩個探測器上的紅外輻射僅為3. 93 μ m的輻射。第一光源I和第二光源2的兩個發(fā)光二極管交替地以脈沖方式發(fā)射，當(dāng)?shù)谝还庠碔發(fā)出脈沖光時，第一探測器3、第二探測器4接受到的是直接來自于第一光源I的輻射，第三探測器5、第四探測器6接受到的時穿過氣室O的紅外輻射，由于一氧化碳對3. 93 μ m的紅外輻射不吸收，所以第四探測器6的輸出僅與氣室O的透射比有關(guān)，一氧化碳對4. 65 μ m的紅外輻射有較強(qiáng)的吸收，所以第三探測器5的輸出不僅與氣室O的透射比有關(guān)，還與吸收氣體的透射比有關(guān)。設(shè)第一光源I和第二光源2的輻射強(qiáng)度分別為Il和12，第一探測器3、第二探測器4、第三探測器5、第四探測器6的響應(yīng)度分別為R1、R2、R3、R4，被測氣體的透射比為τ a，氣室O的透射比為％。則當(dāng)?shù)谝还庠碔發(fā)出脈沖光時，第一探測器3、第二探測器4、第三探測器5、第四探測器6產(chǎn)生的電壓輸出信號分別為V1=I1XR1 (測量濾光片波長 4.65 μ m) (I)V2=I1XR2 (參比濾光片波長 3. 93 μ m) (2)V3=I1XR3X τ3Χ τ0 (測量濾光片波長 4.65 μ m) (3)
V4=I1XR4X τ0 (參比濾光片波長 3· 93 μ m) (4)當(dāng)?shù)诙庠?發(fā)出脈沖光時，第三探測器5、第四探測器6接受到的是直接來自于第二光源2的輻射，第一探測器3、第二探測器4接受到的是穿過氣室O的紅外輻射。與上述原理相同，第一探測器3、第二探測器4、第三探測器5、第四探測器6產(chǎn)生的電壓輸出信號分別為V5=I2XR1X TaX τ0 (測量濾光片波長 4. 65 μ m) (5)V6=I2XR2X τ0 (參比濾光片波長 3. 93 μ m) (6)V7=I2XR3 (測量濾光片波長 4.65 μ m) (7)V8=I2XR4 (參比濾光片波長 3. 93 μ m) (8) 結(jié)合關(guān)系式(I)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)有
_ I Wx — s=-= τα⑶)
IW6V7由此可見本發(fā)明的光路系統(tǒng)的透射率(S)與探測器響應(yīng)度(R)和發(fā)光二極管輻射強(qiáng)度(I)無關(guān)、與％(光學(xué)元件本身、粉塵、干擾氣體)無關(guān)，而只與Ta2成正比。本發(fā)明的技術(shù)方案不僅補(bǔ)償了由于溫度變化所帶來的影響，而且也補(bǔ)償了由于發(fā)光二極管輸出功率的變化、探測器響應(yīng)度的變化產(chǎn)生的信號波動、探測器的失配、由灰塵或光學(xué)元件的磨損而引起的氣室透射比的變化帶來的影響，實(shí)現(xiàn)了光源和探測器光譜特性與被測氣體特征吸收帶的匹配。同時，在保證靈敏度的前提下，實(shí)際氣室長度可以是其它方案的一半。本發(fā)明能夠較好地對外部干擾補(bǔ)償，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個或多個實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
權(quán)利要求
1.一種雙光源四探測器紅外氣體傳感器，包括 氣室(0)，所述氣室(O)內(nèi)充滿待測氣體； 第一光源(I)與第二光源(2)，其中所述第一光源(I)位于所述氣室(O)左側(cè)上方，所述第二光源(2)位于所述氣室(O)右側(cè)下方，所述第一光源(I)與第二光源(2)交替地發(fā)出第一脈沖光線和第二脈沖光線； 第一探測器(3)與第二探測器(4)，其中所述第一探測器(3)與第二探測器(4)位于所述氣室(O)左側(cè)下方，所述第一探測器(3)前置有測量波長的第一濾光片(7)，所述第二探測器(4)前置有參比波長的第二濾光片(8)； 第三探測器(5)與第四探測器(6)，其中所述第三探測器(5)與第四探測器(6)位于所述氣室(O)右側(cè)上方，所述第三探測器(5)前置有所述測量波長的第三濾光片(9)，所述第四探測器(6)前置有所述參比波長的第四濾光片(10);以及 第一分光鏡(11 )、第二分光鏡(12)、第一反光鏡(13)與第二反光鏡(14), 其中，所述第一脈沖光線經(jīng)過所述第一分光鏡(11)分成兩束，其中一束光線穿過所述氣室(O)發(fā)送到第三探測器(5)和第四探測器(6)，另一束光線經(jīng)過第一反光鏡(13)發(fā)送到第一探測器(3 )和第二探測器(4 )， 其中，所述第二脈沖光線經(jīng)過所述第二分光鏡(12)分成兩束，其中一束光線穿過所述氣室(O)發(fā)送到第一探測器(3)和第二探測器(4)，另一束光線經(jīng)過第二反光鏡(14)發(fā)送到第三探測器(5 )和第四探測器(6 )。
2.如權(quán)利要求I所述的雙光源四探測器紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一光源I與第二光源2為發(fā)光二極管。
3.如權(quán)利要求I和2所述的雙光源四探測器紅外氣體傳感器，其特征在于，探測器和對應(yīng)的濾光片集成在一起。
全文摘要
本發(fā)明提出雙光源四探測器紅外氣體傳感器，該傳感器的光路模型是在工作探測器的位置同時添加了一個起參比作用的探測器，即增加兩個參比探測器，前面放置參比濾光片。經(jīng)過這個模型處理后，只有待測氣體的透射比，其余因素均能被消除掉。本發(fā)明能夠消除氣室光學(xué)元器件、粉塵等因素的影響，并且產(chǎn)生一個只與待測氣體透射比的平方成正比的信號，這種設(shè)計提高了抗干擾能力和測量精度。
文檔編號G01N21/35GK102954947SQ20121043665
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者賀玉凱, 王鵬, 張殿國, 殷大發(fā), 王紅堯, 王汝琳 申請人:煤炭科學(xué)研究總院