紅外氣體傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種紅外氣體傳感器，包括氣體腔室、位于所述氣體腔室一端的光源端、與所述光源端相對地位于所述氣體腔室另一端的探測端、位于所述光源端的紅外光源、位于所述探測端的濾光片和紅外探測器、與所述紅外光源與所述紅外探測器均電性連接的電路系統(tǒng)；所述濾光片位于所述紅外光源與所述紅外探測器中間；所述紅外氣體傳感器還包括設(shè)置于所述光源端的溫度傳感器，所述溫度傳感器與所述電路系統(tǒng)電性連接。本實用新型的紅外氣體傳感器通過設(shè)置于所述光源端的溫度傳感器，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地監(jiān)測所述紅外光源的溫度漂移，解決目前NDIR傳感器無法實時監(jiān)控紅外光源溫度漂移導(dǎo)致測量結(jié)果零點漂移的缺點，可有效提高NDIR傳感器的探測精度和分辨率。
【專利說明】
紅外氣體傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種紅外氣體檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種低溫漂非色散紅外氣體傳感器(NDIR)的設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]非色散紅外氣體傳感(NDIR)技術(shù)是一種精度高、穩(wěn)定性好、壽命長的氣體傳感技術(shù)，其原理是利用特定波長的紅外光經(jīng)過待測氣體時被吸收發(fā)生衰減，根據(jù)衰減前后的光強對比計算出氣體的濃度，及比爾-朗伯定律:I = IQ.exp(-yCL)。其中，I為有氣體吸收時到達探測器的紅外光強，1為沒有氣體吸收時的光強，C為腔室內(nèi)氣體濃度，L為腔室長度或紅外光光程，μ為氣體的吸收系數(shù)。因此，NDIR傳感器至少包含用于產(chǎn)生紅外光的紅外光源、過濾紅外光源的紅外光以出射特定波長的紅外光濾光片、紅外光在腔室內(nèi)被氣體吸收的氣體腔室、用于探測紅外光強度的紅外探測器、以及電學(xué)電路等部件。
[0003]NDIR傳感器中紅外探測器無論采用熱敏電阻、熱釋電、還是熱電堆技術(shù)，都是利用將紅外光吸收后轉(zhuǎn)化為熱能改變其阻值實現(xiàn)紅外探測的，因此，NDIR傳感器的探測輸出信號很容易受到環(huán)境溫度的影響，即溫漂。針對該問題，目前主要解決方案一是通過參比通道，將信號進行除法運算，降低溫度的影響；二是在紅外探測器端增加溫度傳感器Rt，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，對輸出信號進行補償。然而，由于紅外光源基本都是利用熱輻射產(chǎn)生的紅外光，其光譜分布、發(fā)光強度都取決于福射溫度，因此，光源端散熱環(huán)境的變化、輸入功率的波動都會導(dǎo)致光源輸出的紅外光發(fā)生變化，而光源和探測器間往往有一定的距離，光源端的溫度變化和探測器端的溫度變化很難實現(xiàn)同步，從而造成輸出結(jié)果的零點發(fā)生漂移。一般而言，光源部分的溫漂對輸出結(jié)果的影響遠(yuǎn)大于探測器端的溫漂，對于高分辨率的NDIR傳感器，這種現(xiàn)象尤為致命
[0004]有鑒于此，有必要對現(xiàn)有的紅外氣體傳感器予以改進，以解決上述問題。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的目的在于提供一種低溫漂非色散紅外氣體傳感器，用于改善現(xiàn)有技術(shù)中NDIR傳感器探測信號零點漂移的問題。
[0006]為實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型提供了一種紅外氣體傳感器，包括氣體腔室、位于所述氣體腔室一端的光源端、與所述光源端相對地位于所述氣體腔室另一端的探測端、位于所述光源端的紅外光源、位于所述探測端的濾光片和紅外探測器、與所述紅外光源與所述紅外探測器均電性連接的電路系統(tǒng);所述濾光片位于所述紅外光源與所述紅外探測器中間；所述紅外氣體傳感器還包括設(shè)置于所述光源端的溫度傳感器，所述溫度傳感器與所述電路系統(tǒng)電性連接。
[0007]作為本實用新型的進一步改進，所述電路系統(tǒng)包括控制器、與所述控制器電性連接以給所述紅外光源供電的供電電路、與所述控制器電性連接的溫度補償電路。
[0008]作為本實用新型的進一步改進，所述溫度傳感器為與所述溫度補償電路電性連接的熱敏電阻。
[0009]作為本實用新型的進一步改進，所述溫度補償電路包括與所述溫度傳感器連接以實時輸出所述溫度傳感器的阻值變化的電阻測量電路、與所述電阻測量電路的輸出端連接的濾波器、與所述濾波器輸出端連接的運算放大器、與所述運算放大器輸出端連接的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器、與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端連接的信號處理器，所述信號處理器的輸出端與所述紅外探測器電性連接。
[0010]作為本實用新型的進一步改進，所述電阻測量電路采用分壓電路，用一個固定偏壓V。和一個固定電阻Rl測量溫度傳感器Rt上的分壓Vt，Rt=Rl/(1-Vc/Vt)，所述電阻測量電路的輸出信號為電壓信號Vt。
[0011]作為本實用新型的進一步改進，所述紅外氣體傳感器還包括用以封裝所述紅外光源的封裝殼、固定安裝所述紅外光源的基板。
[0012]作為本實用新型的進一步改進，所述溫度傳感器設(shè)置于所述封裝殼內(nèi)或所述溫度傳感器設(shè)置于所述基板上。
[0013]作為本實用新型的進一步改進，所述紅外光源具有與電路系統(tǒng)連接的兩個第一引腳，所述溫度傳感器具有與電路系統(tǒng)連接的兩個第二引腳，所述基板設(shè)有將兩個所述第一引腳分別連接至所述電路系統(tǒng)的兩個第一引線、將兩個所述第二引腳分別連接至所述電路系統(tǒng)的兩個第二引線。
[0014]作為本實用新型的進一步改進，所述紅外光源選自白熾燈、鹵素?zé)?、鎳鉻合金絲、碳硅棒、MEMS紅外光源中的一種。
[0015]作為本實用新型的進一步改進，所述紅外氣體傳感器具有測量通道和參比通道。
[0016]本實用新型的有益效果是:本實用新型的紅外氣體傳感器通過設(shè)置于所述光源端的溫度傳感器，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地監(jiān)測所述紅外光源的溫度漂移，實現(xiàn)對紅外光源發(fā)光狀態(tài)的實時監(jiān)控，解決目前NDIR傳感器無法實時監(jiān)控紅外光源溫度漂移導(dǎo)致測量結(jié)果零點漂移的缺點，可有效提高NDIR傳感器的探測精度和分辨率，在NDIR傳感領(lǐng)域有應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0017]圖1是現(xiàn)有的NDIR傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本實用新型的紅外氣體傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是圖2所示的紅外氣體傳感器的光源端的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4是圖3所示的光源端的光源溫度反饋結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細(xì)描述。
[0022]請參閱圖2?圖4所示，為本實用新型較佳實施例的紅外氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2的結(jié)構(gòu)標(biāo)號請參閱圖1所示。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本實用新型的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本實用新型中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0023]請參閱圖2所示，所述紅外氣體傳感器包括紅外光在腔室內(nèi)被氣體吸收的氣體腔室2、位于所述氣體腔室2—端的光源端1、與所述光源端I相對地位于所述氣體腔室2另一端的探測端3、位于所述光源端I用以產(chǎn)生紅外光的紅外光源8、設(shè)置于所述光源端I的溫度傳感器10、位于所述探測端3過濾紅外光源8以出射特定波長的紅外光的濾光片6和7、位于所述探測端3用以探測紅外光強度的紅外探測器4和5以及電路系統(tǒng)15;所述紅外光源8、所述溫度傳感器10、所述紅外探測器4和5均與所述電路系統(tǒng)15電性連接。
[0024]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，上述“所述光源端I和所述探測端3相對地位于所述氣體腔室2的兩端”并非特指所述光源端I和所述探測端3分別位于所述氣體腔室2的空間位置的兩端，而是所述光源端I和所述探測端3分別位于紅外光入射光程的兩端。
[0025]具體地，所述紅外光源8可以是白熾燈、鹵素?zé)?、鎳鉻合金絲、碳硅棒、MEMS紅外光源等光源中的一種;所述紅外光源8具有與電路系統(tǒng)15連接的兩個第一引腳。
[0026]進一步地，請參閱圖3、圖4所示，所述紅外氣體傳感器還包括用以封裝所述紅外光源8的封裝殼(未圖示)、固定安裝所述紅外光源8的基板9。所述基板9設(shè)有將兩個所述第一引腳分別連接至所述電路系統(tǒng)15的兩個第一引線;所述紅外光源8安裝于所述基板9上后，所述第一引腳通過第一引線連接在電路系統(tǒng)15上。
[0027]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，所述紅外光源8的溫度變化主要來源于輸入功率波動和外部散熱環(huán)境變化。其中，輸入功率波動因素常常在NDIR傳感器中通過電路實現(xiàn)實時監(jiān)測；外部散熱環(huán)境變化主要來自于NDIR傳感器中與紅外光源8相連的機械結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)、環(huán)境溫度變化、空氣流速變化等。通過在所述光源端I設(shè)置溫度傳感器10，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地監(jiān)測所述紅外光源8的溫度漂移，實現(xiàn)對紅外光源8發(fā)光狀態(tài)的實時監(jiān)控，解決目前NDIR傳感器無法實時監(jiān)控紅外光源8溫度漂移導(dǎo)致測量結(jié)果零點漂移的缺點，可有效提高NDIR傳感器的探測精度和分辨率，在NDIR傳感領(lǐng)域有應(yīng)用前景。
[0028]本實施例中，所述溫度傳感器10為熱敏電阻RT，設(shè)置于所述封裝殼內(nèi)或所述溫度傳感器10設(shè)置于所述基板9上，可以近距離檢測所述紅外光源8的溫度；因為所述溫度傳感器10與所述紅外光源8的距離較近，且輸入功率可以控制，故所述溫度傳感器10所檢測到的溫度與所述紅外光源8本身的溫度基本一致，可以當(dāng)做所述紅外光源8的溫度。當(dāng)然于其他實例中，所述溫度傳感器10也可以集成在所述紅外光源8內(nèi)，當(dāng)紅外光源8溫度發(fā)生變化時，溫度傳感器10與所述紅外光源8建立相應(yīng)的熱平衡時間較短，可有效避免溫度傳感器10的滯后效應(yīng)，從而提高所述紅外氣體傳感器的穩(wěn)定性和精度。
[0029]所述溫度傳感器10具有與電路系統(tǒng)15連接的兩個第二引腳;所述基板9設(shè)有將兩個所述第二引腳分別連接至所述電路系統(tǒng)15的兩個第二引線;所述溫度傳感器10安裝于所述基板9上后，所述第二引腳通過第二引線連接在電路系統(tǒng)15上。
[0030]所述氣體腔室2具有供待測氣體流通的進氣口和出氣口。所述光源端I位于設(shè)有所述進氣口的一端，所述探測端3位于設(shè)有所述出氣口的一端;且所述進氣口和所述出氣口位于所述光源端I和所述探測端3中間。
[0031]所述濾光片6和7位于所述紅外光源8與所述紅外探測器4和5中間；所述紅外光源8發(fā)出的紅外光經(jīng)過氣體腔室2被待測氣體吸收，再經(jīng)過濾光片6和7后到達紅外探測器4和5，通過對比紅外光被待測氣體吸收前后的光強計算出待測氣體濃度。
[0032]請參閱圖2所示，本實施例中，所述紅外氣體傳感器具有測量通道和參比通道，所述濾光片6和7包括分別與測量通道、參比通道連通的測量濾光片6、參比濾光片7;所述紅外探測器4和5包括分別與測量通道、參比通道連通的測量紅外探測器4、參比紅外探測器5。通過雙光通道設(shè)置，屏蔽了環(huán)境因素等對測量結(jié)果的影響，提高了測量的準(zhǔn)確性。
[0033]請參閱圖4所示，所述電路系統(tǒng)15包括控制器、與所述控制器電性連接以給所述紅外光源8供電的供電電路、與所述控制器電性連接的溫度補償電路。所述溫度補償電路能夠根據(jù)所述紅外光源8的溫度變化對所述紅外探測器4和5的輸出信號進行補償，從而大大降低因紅外光源8溫漂帶來的輸出信號零點漂移，提高NDIR傳感器的檢測分辨率，在NDIR氣體檢測領(lǐng)域中具有應(yīng)用前景。
[0034]具體地，所述溫度傳感器10為與所述溫度補償電路電性連接的熱敏電阻Rt;所述溫度補償電路包括與所述溫度傳感器10連接以實時輸出所述溫度傳感器10的阻值變化的電阻測量電路、與所述電阻測量電路的輸出端連接的濾波器11、與所述濾波器11輸出端連接的運算放大器12、與所述運算放大器12輸出端連接的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器13、與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器13輸出端連接的信號處理器14，所述信號處理器14的輸出端與所述紅外探測器4和5電性連接以控制所述紅外探測器4和5輸出信號。
[0035]所述電阻測量電路采用分壓電路，用一個固定偏壓Vc和一個固定電阻Rl測量溫度傳感器⑴上的分壓^^辦二見八丨-^^/^^夂所述電阻測量電路的輸出信號為電壓信號乂!.。
[0036]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種用于上述紅外氣體傳感器的測量方法，包括如下步驟:
[0037]S1:通過紅外探測器4和5檢測并輸出紅外光被待測氣體吸收前的光強1、紅外光被待測氣體吸收后的光強I;用于計算待測氣體的濃度。
[0038]S2:通過溫度傳感器10檢測所述紅外光源8的溫度，并通過電路系統(tǒng)15對所述紅外探測器4和5的輸出信號光強1、光強I進行補償，以屏蔽紅外光源8的溫度漂移對測量精度的影響。
[0039]進一步地，所述步驟S2具體為:
[0040]S2.1:設(shè)置所述電阻測量電路，實時輸出所述溫度傳感器10的阻值變化；
[0041]S2.2:通過濾波器11過濾所述電阻測量電路輸出的信號，降低噪聲；
[0042]S2.3:將濾波器11輸出的降噪后的信號采用運算放大器12進行放大；
[0043]S2.4:將運算放大器12輸出的放大后的信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器13進行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換；
[0044]S2.5:將通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸入信號處理器14中對紅外探測器4和5的輸出信號進行補償。
[0045]進一步地，所述S2.5步驟具體為:根據(jù)紅外光源8及待測氣體的具體情況，在所述控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)定紅外光源8達到相應(yīng)測量條件時的溫度區(qū)間，僅當(dāng)紅外光源8的溫度達到設(shè)定的溫度區(qū)間內(nèi)時，所述紅外氣體傳感器才輸出當(dāng)前的測量值;如果紅外光源8的溫度未達到設(shè)定的溫度區(qū)間內(nèi)，則電路系統(tǒng)15根據(jù)紅外光源8的實時溫度調(diào)節(jié)供電壓，調(diào)整所述紅外光源8的溫度到達設(shè)定的溫度區(qū)間內(nèi)。
[0046]綜上所述，所述紅外氣體傳感器通過設(shè)置用于檢測所述紅外光源8溫度的溫度傳感器10，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地監(jiān)測所述紅外光源8的溫度漂移，實現(xiàn)對紅外光源8發(fā)光狀態(tài)的實時監(jiān)控，解決目前NDIR傳感器無法實時監(jiān)控紅外光源8溫度漂移導(dǎo)致測量結(jié)果零點漂移的缺點，可有效提高NDIR傳感器的探測精度和分辨率，在NDIR傳感領(lǐng)域有應(yīng)用前景。
[0047]以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術(shù)方案的精神和范圍。
[0048]本說明書中任何相關(guān)的“本實施例”，意味著與實施例有關(guān)的一個特定的功能、結(jié)構(gòu)、或特性描述包含本實用新型的至少一個實施例。這些出現(xiàn)在說明書各個地方的短語不一定指相同的實施例。進一步地，與任一實施例相關(guān)的特定的功能、結(jié)構(gòu)、或細(xì)節(jié)描述，則認(rèn)為是在本技術(shù)領(lǐng)域范圍內(nèi)與其他實施例相關(guān)的功能、結(jié)構(gòu)或特性。
【主權(quán)項】
1.一種紅外氣體傳感器，包括氣體腔室、位于所述氣體腔室一端的光源端、與所述光源端相對地位于所述氣體腔室另一端的探測端、位于所述光源端的紅外光源、位于所述探測端的濾光片和紅外探測器、與所述紅外光源與所述紅外探測器均電性連接的電路系統(tǒng)；所述濾光片位于所述紅外光源與所述紅外探測器中間；其特征在于:所述紅外氣體傳感器還包括設(shè)置于所述光源端的溫度傳感器，所述溫度傳感器與所述電路系統(tǒng)電性連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外氣體傳感器，其特征在于:所述電路系統(tǒng)包括控制器、與所述控制器電性連接以給所述紅外光源供電的供電電路、與所述控制器電性連接的溫度補償電路。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外氣體傳感器，其特征在于:所述溫度傳感器為與所述溫度補償電路電性連接的熱敏電阻。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紅外氣體傳感器，其特征在于:所述溫度補償電路包括與所述溫度傳感器連接以實時輸出所述溫度傳感器的阻值變化的電阻測量電路、與所述電阻測量電路的輸出端連接的濾波器、與所述濾波器輸出端連接的運算放大器、與所述運算放大器輸出端連接的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器、與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端連接的信號處理器，所述信號處理器的輸出端與所述紅外探測器電性連接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的紅外氣體傳感器，其特征在于:所述電阻測量電路采用分壓電路，用一個固定偏壓V。和一個固定電阻Rl測量溫度傳感器Rt上的分壓Vt，Rt = Rl/(1-Vc/Vt)，所述電阻測量電路的輸出信號為電壓信號Vt。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外氣體傳感器，其特征在于:所述紅外氣體傳感器還包括用以封裝所述紅外光源的封裝殼、固定安裝所述紅外光源的基板。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的紅外氣體傳感器，其特征在于:所述溫度傳感器設(shè)置于所述封裝殼內(nèi)或所述溫度傳感器設(shè)置于所述基板上。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紅外氣體傳感器，其特征在于:所述紅外光源具有與電路系統(tǒng)連接的兩個第一引腳，所述溫度傳感器具有與電路系統(tǒng)連接的兩個第二引腳，所述基板設(shè)有將兩個所述第一引腳分別連接至所述電路系統(tǒng)的兩個第一引線、將兩個所述第二引腳分別連接至所述電路系統(tǒng)的兩個第二引線。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外氣體傳感器，其特征在于:所述紅外光源選自白熾燈、鹵素?zé)?、鎳鉻合金絲、碳硅棒、MEMS紅外光源中的一種。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外氣體傳感器，其特征在于:所述紅外氣體傳感器具有測量通道和參比通道。
【文檔編號】G01N21/3504GK205426782SQ201620198397
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】郭安波, 俞驍
【申請人】蘇州諾聯(lián)芯電子科技有限公司