專利名稱：一種二氧化碳?xì)怏w分析儀及其分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體濃度測量技術(shù)，尤其涉及一種二氧化碳?xì)怏w分析儀及其分析方法。

背景技術(shù)：
二氧化碳?xì)怏w分析儀是檢測二氧化碳濃度的專用儀器，在工業(yè)檢測、冶金化工、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療診斷、農(nóng)作物栽培及航天生命保障與空間科學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前的各種應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Χ趸細(xì)怏w分析儀的性能又提出了愈來愈高的要求。
光學(xué)探頭是紅外二氧化碳?xì)怏w分析儀的重要組成部件，目前大體可分為兩種結(jié)構(gòu)，一種是時(shí)間雙光路，另一種是空間雙光路。
目前大多采用時(shí)間雙光路、泵吸式的光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)。時(shí)間雙光路是單光源、單氣室的單探測器結(jié)構(gòu)，其利用旋轉(zhuǎn)調(diào)制盤上的兩個(gè)不同波長的濾光片來產(chǎn)生雙光路。具體做法是光源發(fā)出一束光，使探測器在不同的時(shí)刻接收兩個(gè)不同波長的光。但是，工作時(shí)調(diào)制盤的旋轉(zhuǎn)需要電機(jī)來帶動，這一活動部件的使用不僅使分析儀易發(fā)生故障，而且也給系統(tǒng)帶來了安全隱患；除此之外，氣泵的使用也增加了分析儀的體積、重量和功耗，同時(shí)也降低了工作的可靠性。
另一種光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)即空間雙光路結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)的檢測方案有很多種，其中比較典型的一種方案是單光源、雙氣室的雙探測器結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是從光源發(fā)出兩路平行的紅外光束，分別經(jīng)過結(jié)構(gòu)完全相同的測量氣室和參考?xì)馐液笤俜謩e進(jìn)入主探測器和參考探測器進(jìn)行測量。工作時(shí)，參考?xì)馐抑惺孪刃璺馊胍欢▔毫Φ牡獨(dú)?，而測量氣室則由內(nèi)藏的氣泵將被測氣體抽入氣室進(jìn)行進(jìn)一步的測定。該光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是無活動部件，工作可靠性高，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對加工、裝配的工藝要求較高。


發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種二氧化碳?xì)怏w分析儀，能夠方便、精確地測量二氧化碳?xì)怏w的濃度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種二氧化碳?xì)怏w分析方法，能夠消除測量過程中的多種產(chǎn)生誤差的不利因素，提高測量結(jié)果的精度。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種二氧化碳?xì)怏w分析儀，該分析儀的光學(xué)探頭包括紅外光源、氣室、集成型紅外探測器；其中， 紅外光源，用于為所述光學(xué)探頭提供工作光源； 氣室，用于作為被測氣體的測量空間和用于充分利用紅外光能；以及， 集成型紅外探測器，用于接收由所述紅外光源所發(fā)出的、穿過所述氣室后的紅外光信號，并將紅外光信號轉(zhuǎn)換為用于確定二氧化碳?xì)怏w濃度的電信號； 所述氣室為開放式結(jié)構(gòu)的單氣室。
其中，所述氣室的開放式結(jié)構(gòu)為氣室的側(cè)面四周設(shè)置有貫通氣室的開槽或孔。
所述氣室靠紅外光源的一端和氣室靠集成型紅外探測器的一端進(jìn)一步安裝有白寶石窗片。
所述紅外光源與氣室一端的白寶石窗片之間，及氣室另一端的白寶石窗片與集成型紅外探測器之間進(jìn)一步設(shè)有密封墊圈。
所述紅外光源后部進(jìn)一步設(shè)有拋物面反光鏡。
所述集成型紅外探測器，集成了一個(gè)主探測器和一個(gè)參考探測器；其中，所述主探測器貼有主濾波片，所述參考探測器貼有參考濾波片。
一種二氧化碳?xì)怏w的分析方法，該方法包括 a、分別采集紅外光源關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，以及紅外光源開啟狀態(tài)時(shí)的主探測器及參考探測器兩端的電壓值，得到測量因子； b、利用光吸收定律建立二氧化碳?xì)怏w濃度測量模型，并使用標(biāo)定方法及參數(shù)估計(jì)方法確定吸收因子及參比因子的值，并結(jié)合所述測量因子，確定二氧化碳?xì)怏w的濃度值。
其中，步驟a中，得到所述測量因子的過程為 紅外光源關(guān)閉時(shí)， 主探測器兩端的電壓為V1＝V背景1+V溫度1， 參考探測器兩端的電壓為V2＝V背景2+V溫度2； 紅外光源開啟時(shí)， 主探測器兩端的電壓為
參考探測器兩端的電壓為V4＝I4.0.Rref.K2.Cref+V背景2+V溫度2； 根據(jù)主探測器兩端電壓變化值Vgas＝V3-V1，參考探測器兩端電壓變化值Vref＝V4-V2，得到測量因子為
其中， V背景1為背景光在主探測器兩端所產(chǎn)生的電壓； V背景2為背景光在參考探測器兩端所產(chǎn)生的電壓； V溫度1為環(huán)境的溫度信號在主探測器兩端所產(chǎn)生的電壓； V溫度2為環(huán)境的溫度信號在參考探測器兩端所產(chǎn)生的電壓； Vgas為主探測器兩端電壓變化值； Vref為參考探測器兩端電壓變化值； I4.26為紅外光源發(fā)出4.26μm波段紅外光的初始光強(qiáng)； I4.0為紅外光源發(fā)出4.00μm波段紅外光的初始光強(qiáng)； Rgas為主探測器的響應(yīng)度； Rref為參考探測器的響應(yīng)度； Cgas為測量濾波片的透過率； Cref為參考濾波片的透過率。
步驟b中所述二氧化碳?xì)怏w濃度測量模型為 其中， K1為4.26μm波段的紅外光通過氣室時(shí)的光損失系數(shù)； K2為4.00μm波段的紅外光通過氣室時(shí)的光損失系數(shù)； Kgas為吸光系數(shù)； J為被測二氧化碳?xì)怏w的濃度； L為氣室的長度；所述氣室的長度是指氣室內(nèi)紅外光垂直穿過氣室的有效距離。
步驟b中所述吸收因子為

參比因子為
其中 步驟b中，所述確定二氧化碳?xì)怏w的濃度值的過程為對二氧化碳?xì)怏w濃度測量模型經(jīng)過標(biāo)定方法及最小二乘法處理后得到二氧化碳?xì)怏w濃度測量公式J＝-2.84x+1.29，其中 本發(fā)明所提供的二氧化碳?xì)怏w分析儀及其分析方法，具有以下優(yōu)點(diǎn) 1)本發(fā)明二氧化碳?xì)怏w分析儀以朗伯·比爾定律為理論基礎(chǔ)，采用單光源、單氣室和雙探測器的空間雙光路結(jié)構(gòu)，不但使通過氣室后照射在主濾波片及參考濾波片前的紅外光強(qiáng)損失一致從而為消除溫度及背景光信號所引入的誤差提供了方便，而且為進(jìn)一步消除光強(qiáng)漂移及紅外探測器響應(yīng)度的漂移對測量結(jié)果的影響提供了可能，因此顯著提高了測量結(jié)果的精度。
2)本發(fā)明二氧化碳?xì)怏w分析儀中無任何活動部件，提高了該分析儀工作的可靠性。
3)本發(fā)明二氧化碳?xì)怏w分析儀的探頭結(jié)構(gòu)摒棄了氣泵，減小了探頭的體積和重量，同時(shí)也降低了分析儀的功耗。
4)本發(fā)明二氧化碳?xì)怏w分析儀的DSP通過輸出TTL電平控制紅外光源周期性地開啟或關(guān)閉，并且以10Hz的頻率周期性地查詢、采集所測得的主探測器及參考探測器的電壓信號，通過運(yùn)算處理使測量結(jié)果能夠?qū)崟r(shí)顯示。



圖1為本發(fā)明實(shí)施例中二氧化碳?xì)怏w分析儀光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中二氧化碳?xì)怏w分析儀的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖及本發(fā)明的實(shí)施例對本發(fā)明的方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
本發(fā)明的基本思想是二氧化碳?xì)怏w分析儀的光學(xué)探頭采用單光源、單氣室和雙探測器的空間雙光路結(jié)構(gòu)。光源關(guān)閉時(shí)，分別測定光學(xué)探頭中主探測器及參考探測器的電壓值；光源打開時(shí)，分別測定主探測器及參考探測器兩端的電壓值，將光源打開前后所測得的電壓值分別進(jìn)行比較，消除測量過程中引入的誤差，再利用朗伯·比耳定律建立測量模型，對測量氣室及參考?xì)馐覂?nèi)待測二氧化碳?xì)怏w的濃度進(jìn)行分析，從而計(jì)算出待測二氧化碳的氣體濃度。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例中二氧化碳?xì)怏w分析儀光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)包括紅外光源1、白寶石窗片2、氣室3及集成型紅外探測器4。
紅外光源1，用于作為光學(xué)探頭對二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行探測的工作光源。
本發(fā)明實(shí)施方式中所采用的紅外光源型號為IR-55，是一種反射型電調(diào)制脈沖紅外光源，其發(fā)出紅外光的光譜范圍為2～20μm。該光源的工作物質(zhì)能夠被迅速加熱和冷卻，加熱時(shí)長和冷卻時(shí)長分別為35ms和11.5ms。紅外光源后部設(shè)有拋物面反光鏡，其采用無窗封裝結(jié)構(gòu)，可使從紅外光源1所發(fā)出的光的邊緣損失減小，大大提高軸向的紅外光強(qiáng)度及增強(qiáng)軸向紅外光能量，有效地提高探測器所探測到的紅外光信號的信噪比。
所述紅外光源1和集成型紅外探測器4分別安裝在氣室3的兩端，并由白寶石窗片2將紅外光源1、集成型紅外探測器4與氣室3隔離。在長期使用中，能夠避免紅外光源1和集成型紅外探測器4被二氧化碳?xì)怏w污染。
白寶石窗片2，用于隔開紅外光源1與氣室3，以及隔開集成型紅外探測器4與氣室3，避免氣室3內(nèi)被測氣體與紅外光源1、集成型紅外探測器4直接接觸。白寶石對波長為4.26μm和4.0μm的紅外光有良好的透過性能，而且它的機(jī)械強(qiáng)度好、不易破碎、不怕潮濕、對接觸的二氧化碳?xì)怏w有化學(xué)穩(wěn)定性。該光學(xué)探頭中的白寶石窗片2直徑為12.0mm，厚度為0.5～1.0mm。
氣室3，用于容納被測的二氧化碳?xì)怏w。為了充分利用光能，紅外二氧化碳?xì)怏w分析儀的光學(xué)探頭中必須設(shè)有氣室，測量時(shí)紅外光源1所發(fā)出的紅外光穿過氣室3后再照射到所述集成型紅外探測器4的主探測器和參考探測器上。本發(fā)明中的光學(xué)探頭外形設(shè)計(jì)為圓柱形，使用金屬材料制成，如鋁合金等，所述氣室3的外徑為23mm，內(nèi)徑為9.00～11.00mm，長為20mm。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，氣室3內(nèi)徑的尺寸為10.58mm時(shí)，穿過氣室3的紅外光強(qiáng)度效果最佳。氣室3內(nèi)壁的粗糙度為0.04，氣室3內(nèi)壁非常光滑，是為了能夠最大程度地反射紅外光，進(jìn)一步提高照射在集成型紅外探測器4的紅外光的強(qiáng)度。
所述氣室3實(shí)質(zhì)上是既作為參考?xì)馐矣肿鳛闇y量氣室使用的。氣室3采用開放式結(jié)構(gòu)，并且側(cè)面設(shè)置有多個(gè)貫通氣室3的開槽或孔，能夠使被測氣體自由進(jìn)入氣室3。本發(fā)明實(shí)施例中氣室3的氣室壁四周均勻分布有多個(gè)長為12mm，寬為3mm的矩形通孔。
由于與氣室3相關(guān)的部件未使用氣泵等體積大、且易損壞的活動部件，因此該光學(xué)探頭的體積大大降低，探頭工作的可靠性得到了顯著提高。
集成型紅外探測器4，用于接收從紅外光源1所發(fā)出、穿過氣室3的紅外光信號，將收到的光信號轉(zhuǎn)換為用于確定二氧化碳?xì)怏w濃度的電信號。
所述集成型紅外探測器4能夠?qū)⑼ㄟ^氣室3后的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號。本發(fā)明實(shí)施例中所采用的集成型紅外探測器4的型號為PYS3228TC G2/G20，它集成有兩個(gè)探測器，分別為主探測器和參考探測器；其中，主探測器上貼有一片工作波長為4.26μm的主濾波片，參考探測器上貼有一片工作波長為4.0μm的參考濾波片；4.26μm波長是二氧化碳?xì)怏w的吸收波長，而4.0μm波長是二氧化碳?xì)怏w的完全不吸收波長即透射光波長。主探測器和參考探測器除了濾波片不同外，其余部分完全相同，均屬于熱釋電紅外探測器，探測器的響應(yīng)度為3.5kV/W。所述響應(yīng)度，是描述探測器光電轉(zhuǎn)換能力的物理量。響應(yīng)度的標(biāo)準(zhǔn)定義為在規(guī)定的波長上，光電探測器輸出的短路電流與入射到該探測器的輻通量(功率)之比。
氣室3的兩端分別設(shè)有一片白寶石窗片2，紅外光源1和集成型紅外探測器4安裝在設(shè)有白寶石窗片2的氣室3的兩端。根據(jù)需要還可在紅外光源1與白寶石窗片2之間設(shè)有密封墊圈；同樣地，氣室3另一端的白寶石窗片2與集成型紅外探測器4之間也可設(shè)密封墊圈。安裝時(shí)，使紅外光源1、集成型紅外探測器4以及氣室3的中心軸保持在同一直線上，整個(gè)光學(xué)探頭中無活動部件。
本發(fā)明二氧化碳?xì)怏w分析儀的光學(xué)探頭采用單光源、單氣室的空間雙光路結(jié)構(gòu)，比采用雙氣室的空間雙光路結(jié)構(gòu)減小了光學(xué)探頭的體積。采用單氣室結(jié)構(gòu)，保證了通過氣室3的紅外光的光強(qiáng)及光程一致，為消除儀器誤差提供了計(jì)算依據(jù)。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中二氧化碳?xì)怏w分析儀的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，紅外光源1發(fā)出的紅外光通過充滿被測氣體的開放式氣室3后，紅外光經(jīng)主探測器41及參考探測器42后轉(zhuǎn)換為電信號；為了實(shí)現(xiàn)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，集成型紅外探測器4輸出的測量電壓信號和參考電壓信號各經(jīng)一路放大電路201放大；經(jīng)過放大后的兩路模擬電壓信號被型號為TLV1544的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器202轉(zhuǎn)化為兩路數(shù)字電壓信號，再傳入型號為TMS320VC5402的數(shù)字信號處理器(DSP)203進(jìn)行處理。DSP是整個(gè)信號處理過程的核心，它不僅以10Hz左右的頻率周期性地查詢、采集由A/D轉(zhuǎn)換器202輸出的數(shù)字電壓信號，運(yùn)算并求出二氧化碳?xì)怏w的濃度值，而且還通過輸出晶體管-晶體管邏輯(TTL)電平控制紅外光源1周期性地開啟或關(guān)閉；經(jīng)過DSP203處理后的攜帶被測二氧化碳?xì)怏w濃度信息的電信號經(jīng)液晶顯示器(LCD)驅(qū)動電路204驅(qū)動后由液晶顯示器(LCD)205將濃度結(jié)果顯示出來。所采用的液晶驅(qū)動電路204的型號為HT1621B；所采用的LCD205型號為SONY公司的CXA1854AR。
下面對本發(fā)明二氧化碳?xì)怏w分析儀的DSP對數(shù)字信號進(jìn)行處理并得到測量結(jié)果的處理方法進(jìn)行詳細(xì)描述 第一步將二氧化碳?xì)怏w分析儀的光學(xué)探頭置于待測環(huán)境下，DSP分別采集紅外光源關(guān)閉和開啟兩種狀態(tài)時(shí)的主探測器及參考探測器兩端的電壓。
紅外光源關(guān)閉時(shí)， 主探測器兩端的電壓為V1＝V背景1+V溫度1 (1) 參考探測器兩端的電壓為V2＝V背景2+V溫度2 (2) 紅外光源開啟時(shí)， 主探測器兩端的電壓為
參考探測器兩端的電壓為V4＝I4.0.Rref.K2.Cref+V背景2+V溫度2 (4) 其中 V背景1為背景光在主探測器兩端所產(chǎn)生的電壓； V背景2為背景光在參考探測器兩端所產(chǎn)生的電壓； V溫度1為環(huán)境的溫度信號在主探測器兩端所產(chǎn)生的電壓； V溫度2為環(huán)境的溫度信號在參考探測器兩端所產(chǎn)生的電壓； Vgas為主探測器兩端電壓變化值； Vref為參考探測器兩端電壓變化值； I4.26為紅外光源發(fā)出4.26μm波段紅外光的初始光強(qiáng)； I4.0為紅外光源發(fā)出4.00μm波段紅外光的初始光強(qiáng)； Rgas為主探測器的響應(yīng)度； Rref為參考探測器的響應(yīng)度； Cgas為測量濾波片的透過率； Cref為參考濾波片的透過率。
第二步以朗伯·比爾定律為理論基礎(chǔ)結(jié)合該分析儀的工作原理，并通過運(yùn)算處理后消除誤差干擾，得到二氧化碳?xì)怏w濃度表達(dá)式。
所述朗伯·比爾定律即光吸收定律，其物理意義在于當(dāng)一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，其吸光度與吸光物質(zhì)的濃度及吸收層厚度成正比。
為了消除環(huán)境的溫度信號和背景光信號被探測器感受后所產(chǎn)生的電壓對測量結(jié)果的影響，使Vgas＝V3-V1，Vref＝V4-V2； 為消除由紅外光源的光強(qiáng)變化所引起的誤差、熱釋電探測器以及電子器件由于溫度變化所引起的誤差，將Vgas與Vref相比，使得紅外光源發(fā)出的光強(qiáng)漂移以及紅外探測器響應(yīng)度的漂移對測量結(jié)果幾乎不構(gòu)成影響。
于是，得到二氧化碳?xì)怏w的濃度表達(dá)式，即具體化了的二氧化碳?xì)怏w濃度測量模型 從上式可以看出

與二氧化碳?xì)怏w的濃度值J在理論上成線性關(guān)系。
其中 K1為4.26μm波段的紅外光通過氣室時(shí)的光損失系數(shù)； K2為4.00μm波段的紅外光通過氣室時(shí)的光損失系數(shù)； Kgas為吸光系數(shù)；所述吸光系數(shù)是一個(gè)非常復(fù)雜的量，它與氣體的種類、光譜波長、壓力、溫度等許多因素有關(guān)； J為被測二氧化碳?xì)怏w的濃度； L為氣室的長度；所述氣室的長度是指氣室內(nèi)紅外光垂直穿過氣室的有效距離；

為測量因子，攜帶有主探測器及參考探測器兩端的電壓變化值信息。
第三步對二氧化碳?xì)怏w分析儀的測量模型進(jìn)行標(biāo)定，確定二氧化碳?xì)怏w濃度測量公式中的未知系數(shù)。
所述標(biāo)定，是一種常用的儀器校準(zhǔn)方法，標(biāo)定通?？煞譃槌Ｒ?guī)法和精密法。常規(guī)法采用單點(diǎn)標(biāo)定，通常用于粗略估算測量；精密法采用多點(diǎn)標(biāo)定，通常用于精密測量。
本發(fā)明實(shí)施例中采用的多點(diǎn)標(biāo)定方法為 首先，將二氧化碳?xì)怏w分析儀放入氣壓室內(nèi)，預(yù)熱十分鐘； 所述氣壓室，是標(biāo)定過程中用到的一種實(shí)驗(yàn)容器，供二氧化碳?xì)怏w分析儀對二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行采樣測量。
然后，將濃度分別為0.0％、0.213％、0.97％、1.61％、3.04％的標(biāo)準(zhǔn)二氧化碳?xì)怏w依次充入氣壓室，待氣壓室內(nèi)外二氧化碳?xì)怏w濃度恒定后，每個(gè)濃度點(diǎn)上記錄10個(gè)測量值，然后取均值作為該濃度點(diǎn)的標(biāo)定值。
表一～表五分別為充入0.0％、0.213％、0.97％、1.61％、3.04％的標(biāo)準(zhǔn)二氧化碳?xì)怏w時(shí)的測量值。
表一
表二
表三
表四
表五
最后，利用最小二乘法估計(jì)測量模型中的吸收因子及參比因子。所述最小二乘法是一種常用的參數(shù)估計(jì)方法。
具體為 已知分析儀的測量模型為 令a＝-Kgas·L；y＝J； 則式(5)可簡化為 其中

為吸收因子，

為參比因子； 從式(6)可以看出，變量y與變量x之間的關(guān)系是線性的，因此可以采用一元線性回歸的方法來擬合直線。
由最小二乘法可得 式(7)、(8)中 則 將上述計(jì)算數(shù)值代入式(6)，得到本發(fā)明二氧化碳?xì)怏w分析儀的二氧化碳?xì)怏w的濃度測量公式 J＝-2.84x+1.29； (9) 其中測量因子已知Vgas＝V3-V1，Vref＝V4-V2。
故，本發(fā)明二氧化碳?xì)怏w分析儀只需將所測得的V1、V2、V3、V4的值代入式(9)即可計(jì)算出待測二氧化碳?xì)怏w的濃度值。
本發(fā)明二氧化碳?xì)怏w分析儀的主要性能指標(biāo)如下體積80mm(L)×78mm(W)×35mm(H)；重量200g左右；功耗約為1.5W；測量范圍0～3000ppm；測量精度≤±2％FS。本發(fā)明二氧化碳?xì)怏w分析儀具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高及測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種二氧化碳?xì)怏w分析儀，該分析儀的光學(xué)探頭包括紅外光源、氣室、集成型紅外探測器；其中，
紅外光源，用于為所述光學(xué)探頭提供工作光源；
氣室，用于作為被測氣體的測量空間和用于充分利用紅外光能；以及，
集成型紅外探測器，用于接收由所述紅外光源所發(fā)出的、穿過所述氣室后的紅外光信號，并將紅外光信號轉(zhuǎn)換為用于確定二氧化碳?xì)怏w濃度的電信號；
其特征在于，所述氣室為開放式結(jié)構(gòu)的單氣室。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析儀，其特征在于，所述氣室的開放式結(jié)構(gòu)為氣室的側(cè)面四周設(shè)置有貫通氣室的開槽或孔。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分析儀，其特征在于，所述氣室靠紅外光源的一端和氣室靠集成型紅外探測器的一端進(jìn)一步安裝有白寶石窗片。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分析儀，其特征在于，所述紅外光源與氣室一端的白寶石窗片之間，及氣室另一端的白寶石窗片與集成型紅外探測器之間進(jìn)一步設(shè)有密封墊圈。
5、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分析儀，其特征在于，所述紅外光源后部進(jìn)一步設(shè)有拋物面反光鏡。
6、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分析儀，其特征在于，所述集成型紅外探測器，集成了一個(gè)主探測器和一個(gè)參考探測器；其中，所述主探測器貼有主濾波片，所述參考探測器貼有參考濾波片。
7、一種二氧化碳?xì)怏w的分析方法，其特征在于，該方法包括
a、分別采集紅外光源關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，以及紅外光源開啟狀態(tài)時(shí)的主探測器及參考探測器兩端的電壓值，得到測量因子；
b、利用光吸收定律建立二氧化碳?xì)怏w濃度測量模型，并使用標(biāo)定方法及參數(shù)估計(jì)方法確定吸收因子及參比因子的值，并結(jié)合所述測量因子，確定二氧化碳?xì)怏w的濃度值。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的分析方法，其特征在于，步驟a中，得到所述測量因子的過程為
紅外光源關(guān)閉時(shí)，
主探測器兩端的電壓為V1＝V背景1+V溫度1，
參考探測器兩端的電壓為V2＝V背景2+V溫度2；
紅外光源開啟時(shí)，
主探測器兩端的電壓為
參考探測器兩端的電壓為V4＝I4.0.Rref.K2.Cref+V背景2+V溫度2；
根據(jù)主探測器兩端電壓變化值Vgas＝V3-V1，參考探測器兩端電壓變化值Vref＝V4-V2，得到測量因子為
其中，
V背景1為背景光在主探測器兩端所產(chǎn)生的電壓；
V背景2為背景光在參考探測器兩端所產(chǎn)生的電壓；
V溫度1為環(huán)境的溫度信號在主探測器兩端所產(chǎn)生的電壓；
V溫度2為環(huán)境的溫度信號在參考探測器兩端所產(chǎn)生的電壓；
Vgas為主探測器兩端電壓變化值；
Vref為參考探測器兩端電壓變化值；
I4.26為紅外光源發(fā)出4.26μm波段紅外光的初始光強(qiáng)；
I4.0為紅外光源發(fā)出4.00μm波段紅外光的初始光強(qiáng)；
Rgas為主探測器的響應(yīng)度；
Rref為參考探測器的響應(yīng)度；
Cgas為測量濾波片的透過率；
Cref為參考濾波片的透過率。
9、根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的分析方法，其特征在于，步驟b中所述二氧化碳?xì)怏w濃度測量模型為
其中，
K1為4.26μm波段的紅外光通過氣室時(shí)的光損失系數(shù)；
K2為4.00μm波段的紅外光通過氣室時(shí)的光損失系數(shù)；
Kgas為吸光系數(shù)；
J為被測二氧化碳?xì)怏w的濃度；
L為氣室的長度；所述氣室的長度是指氣室內(nèi)紅外光垂直穿過氣室的有效距離。
10、根據(jù)權(quán)利要求7所述的分析方法，其特征在于，步驟b中所述吸收因子為
參比因子為
其中a＝-Kgas·L，
11、根據(jù)權(quán)利要求7所述的分析方法，其特征在于，步驟b中，所述確定二氧化碳?xì)怏w的濃度值的過程為對二氧化碳?xì)怏w濃度測量模型經(jīng)過標(biāo)定方法及最小二乘法處理后得到二氧化碳?xì)怏w濃度測量公式J＝-2.84x1.29，其中
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二氧化碳?xì)怏w分析儀及分析方法，該分析儀的光學(xué)探頭采用了由單光源、單氣室和雙探測器組成的空間雙光路結(jié)構(gòu)。首先測定該光學(xué)探頭中光源關(guān)閉時(shí)主探測器及參考探測器兩端的電壓值，然后測定光源開啟時(shí)從光源發(fā)出的紅外光穿過氣室后的主探測器及參考探測器的兩端電壓值，并進(jìn)行消除誤差處理后，以朗伯·比耳定律為理論基礎(chǔ)，結(jié)合空間雙光路光學(xué)結(jié)構(gòu)工作機(jī)理建立了分析儀的測量模型，并對測量模型進(jìn)行了標(biāo)定，從而分析儀可直接由測量值計(jì)算并輸出待測二氧化碳的氣體濃度。本發(fā)明二氧化碳?xì)怏w分析儀，具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高及測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G06F19/00GK101363796SQ20081008187
公開日2009年2月11日 申請日期2008年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月29日
發(fā)明者張廣軍, 李亞萍, 李慶波 申請人:北京航空航天大學(xué)