本技術(shù)涉及物理測(cè)試，特別涉及一種基于紅外氣體傳感器的氣體濃度測(cè)試裝置。

背景技術(shù)：

1、天然氣作為生活能源之一，其安全性與生命、財(cái)產(chǎn)息息相關(guān)，天然氣泄漏可能會(huì)造成危害環(huán)境、傷害人身財(cái)產(chǎn)安全的嚴(yán)重后果。現(xiàn)有家用天然氣檢測(cè)裝置主要采用催化燃燒型產(chǎn)品，雖然價(jià)格低廉，但存在穩(wěn)定性差、校正周期短、容易中毒、必須在有氧環(huán)境下工作、使用壽命短等問(wèn)題。因此需要一種可靠性高、靈敏度高且低成本的氣體傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一種可靠性高、靈敏度高且低成本的氣體傳感器，提供一種基于紅外氣體傳感器的氣體濃度測(cè)試裝置。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了以下技術(shù)方案：

3、基于紅外氣體傳感器的氣體濃度測(cè)試裝置，包括：紅外探測(cè)氣室、mcu控制單元；所述紅外探測(cè)氣室包括發(fā)送端、氣室、接收端，氣室內(nèi)存在待測(cè)氣體時(shí)，發(fā)送端的輸入端與mcu控制單元的輸出端連接，接收端包括參考通道、測(cè)量通道，參考通道與mcu控制單元的輸入端連接，參考通道向mcu控制單元發(fā)送參考電壓，測(cè)量通道與mcu控制單元的輸入端連接，測(cè)量通道向mcu控制單元發(fā)送測(cè)量電壓。

4、在上述方案中，mcu控制單元向發(fā)送端發(fā)送高電平，使發(fā)送端發(fā)射紅外光，氣室內(nèi)的氣體吸收紅外光后，參考通道向mcu控制單元發(fā)送參考電壓，參考電壓不受氣室內(nèi)氣體的影響；測(cè)量通道向mcu控制單元發(fā)送測(cè)量電壓，測(cè)量電壓受氣室內(nèi)氣體的影響；mcu控制單元根據(jù)參考電壓、測(cè)量電壓的比值計(jì)算出紅外探測(cè)氣室的出射光強(qiáng)度，再根據(jù)朗伯比爾定律計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度。

5、更進(jìn)一步地，還包括運(yùn)放外圍電路；所述運(yùn)放外圍電路的輸入端分別與參考通道的輸出端、測(cè)量通道的輸出端連接，運(yùn)放外圍電路的輸出端與mcu控制單元的輸入端連接。

6、在上述方案中，運(yùn)放外圍電路用于對(duì)參考通道輸出的參考電壓、測(cè)量通道輸出的測(cè)量電壓進(jìn)行放大。

7、更進(jìn)一步地，還包括參考電路，所述參考電路與運(yùn)放外圍電路的輸入端連接，用于向運(yùn)放外圍電路提供參考電壓。

8、在上述方案中，所述運(yùn)放外圍電路包括第一運(yùn)算放大器u1、第二運(yùn)算放大器u2，所述參考電路包括第三運(yùn)算放大器u3；所述第三運(yùn)算放大器u3輸出如3.3v的參考電壓，第三運(yùn)算放大器u3的輸出端分別與第一運(yùn)算放大器u1的反向輸入端、第二運(yùn)算放大器u2的反向輸入端連接，第一運(yùn)算放大器u1的正向輸入端與參考通道連接，第二運(yùn)算放大器u2的正向輸入端與測(cè)量通道連接，u1、u2經(jīng)差分運(yùn)算后，分別向mcu控制單元輸出參考電壓v_act、測(cè)量電壓v_ref；mcu控制單元計(jì)算紅外探測(cè)氣室的出射光強(qiáng)度i＝v_act/v_ref，進(jìn)而根據(jù)朗伯比爾定律計(jì)算出氣室內(nèi)待測(cè)氣體的濃度。

9、更進(jìn)一步地，還包括測(cè)溫外圍電路，所述測(cè)溫外圍電路包括連接于參考電路和mcu控制單元的adc3口之間的線路，以及連接于紅外探測(cè)氣室的接收端和mcu控制單元的adc0口之間的線路。

10、在上述方案中，所述mcu控制單元根據(jù)adc0口的電壓和adc3口的電壓，計(jì)算出紅外探測(cè)氣室的環(huán)境溫度：

11、t＝α×(v_adc0-v_adc3)

12、其中，t為紅外探測(cè)氣室的環(huán)境溫度；在同環(huán)境下，v_adc0為mcu控制單元的adc0口所接收到的電壓值；v_adc3為mcu控制單元的adc3口所接收到的電壓值；α為已知的固定系數(shù)。

13、更進(jìn)一步地，所述mcu控制單元還用于在測(cè)試待測(cè)氣體之前，根據(jù)傳感器分別放入空氣、與待測(cè)氣體同類型的氣體中獲得的出射光強(qiáng)度，對(duì)傳感器進(jìn)行校零校準(zhǔn)，得到校零校準(zhǔn)后的入射光強(qiáng)度、吸收系數(shù)、光程長(zhǎng)度、空氣中的環(huán)境溫度。

14、在上述方案中，在測(cè)試待測(cè)氣體(如甲烷)之前，對(duì)傳感器進(jìn)行校零校準(zhǔn)：

15、先將傳感器放入空氣(0％vol甲烷)中，根據(jù)朗伯比爾定律有：

16、

17、再將傳感器放入甲烷(5％vol甲烷)中，根據(jù)朗伯比爾定律有：

18、

19、其中，ilow為空氣環(huán)境中的出射光強(qiáng)度，ical為甲烷環(huán)境中的出射光強(qiáng)度；i0為入射光強(qiáng)度，在空氣環(huán)境和甲烷環(huán)境時(shí)都相等；xlow為空氣環(huán)境中甲烷的濃度，xcal為甲烷環(huán)境中甲烷的濃度。ilow等于空氣環(huán)境時(shí)測(cè)量電壓v_act與參考電壓v_ref的比值，ical等于甲烷環(huán)境時(shí)測(cè)量電壓v_act與參考電壓v_ref的比值。由于ilow、ical可由測(cè)量得知，xlow、xcal也已知，因此聯(lián)立式(1)、式(2)，可計(jì)算得出i0和kl的值(k、l以乘積表示)，由此得出的i0和kl就是校零校準(zhǔn)操作后的值，相比于不經(jīng)過(guò)上述校零校準(zhǔn)操作最終得到的待測(cè)氣體濃度值更加準(zhǔn)確。在正式測(cè)試待測(cè)氣體時(shí)，則將校零校準(zhǔn)后的i0和kl帶回朗伯比爾定律，再對(duì)待測(cè)氣體的濃度進(jìn)行計(jì)算。

20、更進(jìn)一步地，所述mcu控制單元在測(cè)試待測(cè)氣體之前，在對(duì)傳感器校零校準(zhǔn)時(shí)，獲取傳感器放入空氣中的環(huán)境溫度。

21、在上述方案中，在校零校準(zhǔn)時(shí)，進(jìn)一步的獲得溫度tlow：

22、tlow＝α×(v_adc0-v_adc3)(3)

23、其中，tlow為空氣環(huán)境時(shí)的環(huán)境溫度；在同環(huán)境下，v_adc0為mcu控制單元的adc0口所接收到的電壓值；v_adc3為mcu控制單元的adc3口所接收到的電壓值，且v_adc3不受任何環(huán)境影響；α為已知的固定系數(shù)。在正式測(cè)試氣體時(shí)，則將校零校準(zhǔn)時(shí)獲取的環(huán)境溫度加入朗伯比爾定律，再對(duì)待測(cè)氣體的濃度進(jìn)行計(jì)算。

24、更進(jìn)一步地，還包括紅外燈驅(qū)動(dòng)單元，mcu控制單元通過(guò)紅外燈驅(qū)動(dòng)單元向紅外探測(cè)氣室的發(fā)送端發(fā)送高電平。

25、在上述方案中，由于mcu控制單元輸出的電流比較微小，因此通過(guò)紅外燈驅(qū)動(dòng)單元給紅外燈提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果：

27、(1)本實(shí)用新型紅外探測(cè)氣室以待測(cè)氣體吸收特定波長(zhǎng)的紅外光作為檢測(cè)原理，且紅外光為非分光型紅外光，結(jié)構(gòu)、光源驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，由于光源不分光，出射光功率大，因此后端處理電路簡(jiǎn)單。

28、(2)本實(shí)用新型的紅外探測(cè)氣室為雙通道，分別為參考通道、測(cè)量通道，參考通道不受氣室內(nèi)氣體影響，向mcu控制單元輸出固定的參考電壓；測(cè)量通道向mcu控制單元輸出的測(cè)量電壓隨氣室內(nèi)待測(cè)氣體的濃度變化而變化，mcu控制單元將測(cè)量電壓和參考電壓的比值作為紅外探測(cè)氣室的出射光強(qiáng)度，進(jìn)而計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度，而不是傳統(tǒng)方式簡(jiǎn)單的根據(jù)紅外探測(cè)氣室輸出的電壓直接計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度，本方案相比于傳統(tǒng)的方式在計(jì)算待測(cè)氣體濃度時(shí)考慮到整體電路的基礎(chǔ)電壓，測(cè)量結(jié)果更加可靠。

29、(3)本實(shí)用新型在測(cè)試一種待測(cè)氣體之前，基于朗伯比爾定律，將傳感器分別放入空氣和與待測(cè)氣體同類型且已知濃度的氣體中，對(duì)傳感器進(jìn)行校零校準(zhǔn)，得到校零校準(zhǔn)后的入射光強(qiáng)度i0，以及吸收系數(shù)k和光程長(zhǎng)度l的乘積，將校零校準(zhǔn)后的i0、kl帶回朗伯比爾定律，如此計(jì)算出來(lái)的待測(cè)氣體濃度值更加準(zhǔn)確。

30、(4)本實(shí)用新型在測(cè)試一種待測(cè)氣體之前，在對(duì)傳感器進(jìn)行校零校準(zhǔn)時(shí)，同時(shí)獲取傳感器放入空氣中時(shí)的紅外探測(cè)氣室的環(huán)境溫度，在正式測(cè)試待測(cè)氣體時(shí)，也獲取紅外探測(cè)氣室的環(huán)境溫度，使用環(huán)境溫度對(duì)待測(cè)氣體濃度值進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而彌補(bǔ)溫度變化對(duì)傳感器測(cè)量造成的誤差。