本發(fā)明涉及一種用于多地區(qū)及多氣體測(cè)量的非分光式紅外氣體傳感器，屬于氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

氣體檢測(cè)技術(shù)在生活及生產(chǎn)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，具體集中在礦井勘測(cè)、大氣污染監(jiān)測(cè)、化工產(chǎn)業(yè)監(jiān)測(cè)、廢水處理裝置等方面。礦井勘測(cè)包括勘探到石油和煤氣、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和精煉，都會(huì)產(chǎn)生大量易燃和有毒氣體，所以氣體檢測(cè)常應(yīng)用在勘探鉆井、生產(chǎn)平臺(tái)、煤氣末站等場(chǎng)合；如今空氣污染嚴(yán)重，氣體檢測(cè)技術(shù)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)人類生存環(huán)境的空氣質(zhì)量指數(shù)，并提供城市空氣污染情況預(yù)報(bào)；化工廠是氣體探測(cè)設(shè)備最大的用戶之一，在其生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生各式各樣的易燃性和毒性氣體，所以氣體檢測(cè)技術(shù)常被應(yīng)用在工藝區(qū)、實(shí)驗(yàn)室等；廢水處理裝置在很多城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)都很常見，污水里含有甲烷和硫化氫，硫化氫氣體能夠通過氣體檢測(cè)技術(shù)被控制。因此，人們對(duì)氣體傳感器的發(fā)展越來越重視。

目前，氣體傳感器根據(jù)氣敏材料及作用效應(yīng)可分為半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、光學(xué)氣體傳感器等。半導(dǎo)體氣體傳感器具有成本低廉、制造簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度敏感低和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是其必須在高溫下工作，穩(wěn)定性差、功率高；電化學(xué)氣體傳感器分為不需供電的原電池式和需要供電的可控電位電解式，可以檢測(cè)許多有毒氣體和氧氣，主要優(yōu)點(diǎn)是氣體的高靈敏度以及良好的選擇性，不足之處是有壽命短(一般為兩年)。固態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器是介于半導(dǎo)體和電化學(xué)之間的一種氣體傳感器，其選擇性和靈敏度都高于半導(dǎo)體，并且壽命較長(zhǎng)，因此能夠應(yīng)用到很多方面，它的缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)。催化燃燒式傳感器屬于高溫氣體傳感器，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)制造成本低，傳感器輸出不受水蒸氣的影響，對(duì)環(huán)境的溫濕度影響不敏感，其缺點(diǎn)是壽命比較低，工作溫度較高(內(nèi)部可達(dá)700℃～800℃)，在缺氧環(huán)境下檢測(cè)指示值誤差較大。光學(xué)式氣體傳感器主要以紅外吸收型為主，由于不同氣體對(duì)紅外波吸收程度不同，通常都是通過測(cè)量紅外吸收波長(zhǎng)來檢測(cè)氣體，目前因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)關(guān)系一般造價(jià)頗高。

然而，常用的紅外吸收型氣體傳感器在氣體探測(cè)過程中，往往只能對(duì)單一氣體濃度進(jìn)行探測(cè)，而對(duì)于多種氣體的測(cè)量，需要利用傅里葉分析儀和多個(gè)不同波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器，或者切換多個(gè)濾波器，才能夠完成，其探測(cè)系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且體積龐大。另外，現(xiàn)有的紅外吸收型氣體傳感器無法做到對(duì)不同地方進(jìn)行測(cè)量，此外這些傳感器難以集成化、成本十分高，導(dǎo)致無法完全市場(chǎng)化。所以市場(chǎng)更加需要技術(shù)成熟，成本低廉，更加實(shí)用的氣體傳感器，有鑒于此，有必要對(duì)現(xiàn)有的紅外氣體傳感器予以改進(jìn)以解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種體積小功耗低、性能好、集成化高的用于多地區(qū)及多氣體測(cè)量的非分光式紅外氣體傳感器，該傳感器采用旋轉(zhuǎn)盤的形式，控制旋轉(zhuǎn)盤以達(dá)到切換濾光片陣列來檢測(cè)不同地區(qū)的多氣體濃度，通過分析特定波長(zhǎng)下紅外光強(qiáng)度的變化來測(cè)定不同氣體的濃度，精度高，溫漂小。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明的一種用于多地區(qū)及多氣體測(cè)量的非分光式紅外氣體傳感器，包括敏感探頭、信號(hào)調(diào)理電路和控制電路；所述敏感探頭包括檢測(cè)氣室、安裝在檢測(cè)氣室一端的紅外光源、設(shè)置在紅外光源發(fā)射端的聚光片、m個(gè)濾光片陣列、紅外探測(cè)器陣列和旋轉(zhuǎn)盤，所述檢測(cè)氣室上設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，所述旋轉(zhuǎn)盤上設(shè)有多個(gè)標(biāo)識(shí)符，每個(gè)所述標(biāo)識(shí)符內(nèi)置不同阻值的電阻，當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)定的標(biāo)識(shí)符時(shí)，所述旋轉(zhuǎn)盤上的旋轉(zhuǎn)盤引線接入到單片機(jī)中；檢測(cè)氣室包括框架和安裝在框架內(nèi)壁面的反射鏡，所述濾光片陣列、紅外探測(cè)器陣列和旋轉(zhuǎn)盤依次設(shè)置在紅外光源出射端的框架上；所述濾光片陣列包括n個(gè)濾光片和用于連接濾光片的支架，所述紅外探測(cè)器陣列包括n個(gè)紅外探測(cè)器；所述支架的中心設(shè)有支柱，所述支柱的頂端與旋轉(zhuǎn)盤相連接；信號(hào)調(diào)理電路包括信號(hào)放大器、與信號(hào)放大器輸出端相連接的信號(hào)濾波器和信號(hào)濾波器輸出端相連接的功率放大器，所述信號(hào)放大器的輸入端與紅外探測(cè)器的輸出端相連接；控制電路包括與功率放大器輸出端相連接的ad轉(zhuǎn)換器、與ad轉(zhuǎn)換器輸出端相連接的信號(hào)隔離器和單片機(jī)；旋轉(zhuǎn)盤的輸出端和信號(hào)隔離器的輸出端均與單片機(jī)的輸入端相連接,其中，m、n均為正整數(shù)。

上述濾光片陣列具體設(shè)有三條，每條濾光片陣列具體設(shè)有四個(gè)濾光片；且每條所述濾光片陣列均以中心點(diǎn)為交叉點(diǎn)，相鄰兩條濾光片陣列之間的夾角為60°。

每個(gè)所述濾光片的長(zhǎng)度和相鄰兩個(gè)濾光片間間隔的長(zhǎng)度相等。

每條所述濾光片陣列中的三個(gè)濾光片為探測(cè)濾光片，另一個(gè)濾光片為對(duì)比濾光片。

m個(gè)所述濾光片陣列安裝在圓盤上，所述圓盤正對(duì)檢測(cè)氣室的一面為反射面。

轉(zhuǎn)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)盤，當(dāng)所述標(biāo)識(shí)符上箭頭方向與框架上對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志符對(duì)齊時(shí)，每個(gè)所述紅外探測(cè)器正對(duì)一個(gè)濾光片。

上述紅外光源具體采用的是led紅外光源，其波長(zhǎng)范圍為1～20μm。

上述聚光片具體采用的是光學(xué)玻璃led聚光透鏡，用于將紅外光源發(fā)出的紅外光匯聚成一束平行光。

上述濾光片具體采用的是帶通濾光片；所述紅外探測(cè)器具體采用的是熱釋電紅外傳感器。

上述ad轉(zhuǎn)換器采用的是ad7195；所述信號(hào)隔離器采用的是adum5401數(shù)字隔離器；所述單片機(jī)采用的是stm32f407。

(1)本發(fā)明涉及的多地區(qū)測(cè)量紅外氣體傳感器，采取陣列的形式，對(duì)比分析多個(gè)特征波長(zhǎng)紅外光的強(qiáng)度差別來計(jì)算多種氣體的濃度，集成化程度高。

(2)本發(fā)明涉及的多地區(qū)測(cè)量紅外氣體傳感器，采取反射的形式，增加光程，使得特定波段的紅外光光強(qiáng)變化更為明顯。

(3)本發(fā)明涉及的多地區(qū)測(cè)量紅外氣體傳感器，采取旋轉(zhuǎn)盤的形式，僅需通過控制旋轉(zhuǎn)盤，來更換濾光片陣列，就可測(cè)量不同地區(qū)的多氣體濃度。

(4)本發(fā)明涉及的多地區(qū)測(cè)量紅外氣體傳感器，采用對(duì)比的形式，通過對(duì)比分析檢測(cè)氣體的紅外吸收峰光強(qiáng)與對(duì)比濾光片所對(duì)應(yīng)的紅外光強(qiáng)度，使檢測(cè)結(jié)果更精確。

(5)本發(fā)明涉及的多地區(qū)測(cè)量紅外氣體傳感器，工藝簡(jiǎn)單、成本低，于cmos工藝兼容，可將信號(hào)的檢測(cè)、調(diào)理和處理電路集成在一起，符合傳感器小型化、陣列化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的傳感器剖面圖；

圖2是本發(fā)明的濾光片陣列圖；

圖3是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)盤圖；

圖4是本發(fā)明的紅外探測(cè)器陣列圖；

圖5是本發(fā)明的電路測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖中各標(biāo)號(hào)：1.紅外光源，2.聚光片，3.進(jìn)氣口，4.框架，5.檢測(cè)氣室，6.紅外探測(cè)器，7.紅外探測(cè)器引線，8.旋轉(zhuǎn)盤，9.反射鏡，10.濾光片，11.支架，12出氣口，13.旋轉(zhuǎn)盤引線，14.標(biāo)識(shí)符，15.對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志符。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

參見圖1至圖5，本實(shí)施例中，紅外氣體傳感器包括依次連接的交流電源、敏感探頭、信號(hào)調(diào)理電路以及控制電路。

敏感探頭包括紅外光源1、聚光片2、進(jìn)氣口3、框架4、檢測(cè)氣室5、紅外探測(cè)器6、紅外探測(cè)器引線7、旋轉(zhuǎn)盤8、反射鏡9、濾光片10、支架11、出氣口12、旋轉(zhuǎn)盤引線13、標(biāo)識(shí)符14、對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符15。

檢測(cè)氣室5與紅外光源1的凹槽端設(shè)有進(jìn)氣口3，檢測(cè)氣室5的右端設(shè)有出氣口12。紅外光源1安裝在檢測(cè)氣室5的左端，且紅外光源1出射端的框架4為圓柱結(jié)構(gòu)，使得出射的光盡量為平行光。

紅外光源1通以電流后向外輻射波長(zhǎng)范圍在1～20μm的紅外光，經(jīng)過聚光片2后匯聚成一束平行光，再在檢測(cè)氣室5中多次反射到達(dá)濾光片陣列。

其中，紅外光源1為led紅外光源，該光源通以電流后。向外輻射寬譜紅外光，其波長(zhǎng)范圍在1～20μm，滿足儀器對(duì)紅外光波長(zhǎng)范圍的需要。

其中，聚光片2為光學(xué)玻璃led聚光透鏡，該透鏡將led紅外光源發(fā)出的發(fā)散式的紅外光匯聚成一束平行光。

其中，檢測(cè)氣室5為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，且氣室內(nèi)壁面均設(shè)反射鏡9，由紅外光源1發(fā)出經(jīng)聚光片2匯聚的平行光在檢測(cè)氣室5內(nèi)來回多次反射后到達(dá)濾光片10。

其中，濾光片10采用陣列的形式，將濾光片10布置在一個(gè)圓盤上，分為三條濾光片陣列，每條陣列設(shè)有四個(gè)濾光片10，且每個(gè)濾光片10的長(zhǎng)度和濾光片10間間隔的長(zhǎng)度相等，使得反射到濾光片10上的再反射后剛好到達(dá)下一個(gè)濾光片10，每個(gè)間隔段都用支架11連接著，每條陣列均以其中心點(diǎn)為交叉點(diǎn)，每條陣列的夾角為60°。

其中，每條濾光片陣列中三個(gè)濾光片10為探測(cè)濾光片，另一個(gè)為對(duì)比濾光片，即探測(cè)濾光片可以通過對(duì)應(yīng)的三種氣體的一個(gè)紅外吸收峰，對(duì)比濾光片可以通過一個(gè)波段的紅外光，此紅外光不被氣體所吸收。

其中，三條濾光片陣列所在的圓盤其他部位為金屬材料，此材料正對(duì)氣室的一面為反射面。

其中，濾光片10為帶通濾光片，該濾光片10透過一種所需檢測(cè)波長(zhǎng)的紅外光，反射其他波段的紅外光。

其中，濾光片陣列排布的圓盤中心連接著一根支柱，支柱上端連接著旋轉(zhuǎn)盤8，用來旋轉(zhuǎn)控制濾光片陣列。

其中，紅外探測(cè)器6采用陣列的形式，將四個(gè)探測(cè)器固定在氣室上部框架4上，每個(gè)探測(cè)器正對(duì)一個(gè)濾光片10。

其中，紅外探測(cè)器6為熱釋電。

其中，紅外光源1發(fā)出的紅外光穿過檢測(cè)氣室5后，經(jīng)濾光片10后出射到紅外探測(cè)器6中，并依所穿過的氣室內(nèi)氣體的成分和濃度形成不同特征的透射光譜，透射光譜上吸收峰強(qiáng)度的變化則體現(xiàn)了氣體的濃度，再用ad轉(zhuǎn)換器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，依據(jù)信號(hào)變化的大小來計(jì)算氣體的濃度。

其中，ad轉(zhuǎn)換器采用ad7195。

其中，信號(hào)隔離器采用adum5401數(shù)字隔離器。

其中，單片機(jī)采用stm32f407。

信號(hào)調(diào)理電路包括信號(hào)放大器、信號(hào)濾波器和功率放大器。

控制電路包括ad轉(zhuǎn)換器、信號(hào)隔離器、單片機(jī)、ldo線性電源和usb接口。

紅外探測(cè)器引線連接信號(hào)放大器，信號(hào)隔離器的輸出端連接單片機(jī)的輸入端，旋轉(zhuǎn)盤引線13連接單片機(jī)。

本實(shí)施例具體的工作過程如下：

接通電源將裝置的旋轉(zhuǎn)盤8旋轉(zhuǎn)至“化工廠”名稱的區(qū)域，使“化工廠”名稱標(biāo)識(shí)符14與對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符15對(duì)齊，則對(duì)應(yīng)的濾光片陣列從左到右依次為so2的窄帶通濾光片、co的窄帶通濾光片、no的窄帶通濾光片、對(duì)比濾光片，so2在紅外波段中選取了8.7μm的一個(gè)吸收峰，co在紅外波段中選取了4.65μm的一個(gè)吸收峰，no在紅外波段中選取了5.3μm的一個(gè)吸收峰，對(duì)比濾光片在紅外波段中選取了波長(zhǎng)為18μm的紅外光。再將裝置放置于已知濃度的so2、co、no氣體中，通過進(jìn)出氣口12，使得檢測(cè)氣室5中充滿待測(cè)氣體后，紅外光源1發(fā)出的紅外光經(jīng)過檢測(cè)氣室5反射過程中被檢測(cè)氣室5中的氣體吸收，使得光強(qiáng)發(fā)生變化，而在氣體的吸收峰波段光強(qiáng)變化尤為明顯，經(jīng)過濾光片10后，特定波長(zhǎng)的紅外光到達(dá)紅外探測(cè)器6上，由探測(cè)器元件將探測(cè)并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電流信號(hào)，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出，通過調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并將電流信號(hào)通過ad轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，記錄下對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，此外通過對(duì)比濾光片的18μm的紅外光強(qiáng)度到達(dá)紅外探測(cè)器6上，由探測(cè)器元件將探測(cè)并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電流信號(hào)，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出，通過調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并將電流信號(hào)通過ad轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，記錄下對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。再大量測(cè)量已知不同濃度下的so2、co、no氣體，將檢測(cè)濾光片得到的數(shù)字信號(hào)與對(duì)比濾光片得到的數(shù)字信號(hào)對(duì)比，從而得到數(shù)字信號(hào)變化的大小，依據(jù)數(shù)字信號(hào)變化的大小得到關(guān)于so2、co、no氣體濃度與數(shù)字信號(hào)變化大小之間擬合曲線關(guān)系。同理，將旋轉(zhuǎn)盤8旋轉(zhuǎn)至“廢水廠”和“礦井”名稱的區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。

當(dāng)進(jìn)行某一化工廠未知?dú)怏w濃度探測(cè)時(shí)，接通電源將裝置的旋轉(zhuǎn)盤8旋轉(zhuǎn)至“化工廠”名稱的區(qū)域，使“化工廠”名稱標(biāo)識(shí)符14與對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符15對(duì)齊，則旋轉(zhuǎn)盤8上的引線接通單片機(jī)，單片機(jī)調(diào)整至“化工廠”探測(cè)模式。通過進(jìn)氣口3和出氣口12，使得檢測(cè)氣室5中充滿待測(cè)氣體，再接通紅外光源1，紅外光源1發(fā)出的紅外光經(jīng)聚光片2匯聚經(jīng)過氣室的不斷發(fā)射和氣體的吸收后，通過濾光片陣列出射到紅外探測(cè)器陣列，由紅外探測(cè)器6接收從濾光片10進(jìn)來的紅外光探測(cè)后轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娏餍盘?hào)，經(jīng)過在探頭內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出，通過調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并將電流信號(hào)通過ad轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后根據(jù)數(shù)字信號(hào)變化的大小來計(jì)算出檢測(cè)氣室5中so2、co、no氣體的濃度。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。