專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖傳感式CH₄氣體測(cè)量?jī)x的制作方法
光纖傳感式Ci^氣體測(cè)量?jī)x
本發(fā)明涉及一種c/^氣體測(cè)量?jī)x，屬電子測(cè)量?jī)x的技術(shù)領(lǐng)域。
與傳統(tǒng)的電子氣敏傳感器測(cè)量相比，紅.外測(cè)量法是幾種快速測(cè)量方法之一， 其原理是利用被測(cè)氣體只吸收特定紅外波長(zhǎng)，不同濃度的l氣體對(duì)應(yīng)不同的吸收
光強(qiáng)，從而得到光強(qiáng)與濃度之間的關(guān)系。目前國(guó)內(nèi)的07/4氣體測(cè)量?jī)x，采用電子
氣敏傳感器，將待測(cè)氣體濃度通過(guò)氣敏傳感器進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)變化為電信號(hào)， 在建立穩(wěn)態(tài)以后將變化的電信號(hào)進(jìn)行處理，但是傳感器容i易中毒，同時(shí)氣敏傳 感器的敏感體電阻隨溫度的變化阻值也發(fā)生變化，容易受外界溫度影響導(dǎo)致誤 報(bào)和漏報(bào)。國(guó)際上，美國(guó)1ST公司生產(chǎn)的IQ-350系列便攜式氣體檢測(cè)儀，可測(cè) 定甲垸、 一氧化碳、二氧化碳、氧氣等多種氣體，其原衝是主要采用氣敏傳感 器進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)變化為電信號(hào)，根據(jù)電信號(hào)強(qiáng)度以此來(lái)測(cè)定氣體濃度。它內(nèi) 置采樣泵可以同時(shí)測(cè)定多種氣體含量，無(wú)須分離氣體。
本發(fā)明的目的是推出一種光纖傳感式C7/,氣體測(cè)量?jī)x，該儀器有信號(hào)處理電 路采用的一般放大電路、光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種光纖傳感式C/^氣體測(cè)量?jī)x，含CPU和連接在其上的外圍電路顯示
模塊、鍵盤(pán)和校正模塊、帶正負(fù)輸入范圍的模數(shù)轉(zhuǎn)換器Ai/D，模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D 的輸出端與CPU的數(shù)據(jù)輸入端連接，在CPU內(nèi)部的ROM中存儲(chǔ)有命令CPU執(zhí) 行的操作程序，所述的操作包括掃描鍵盤(pán)和校正模塊工作、控制LED驅(qū)動(dòng)電 路驅(qū)動(dòng)測(cè)量LED和參考LED交替發(fā)光、接收模數(shù)轉(zhuǎn)換器:A/D輸出端輸出的數(shù) 字量傳感信號(hào)、控制顯示模塊顯示測(cè)量結(jié)果。其特征在于:，它還含LED驅(qū)動(dòng)電
路、測(cè)量)LED、參考LED、雙發(fā)射光纖柬、接收光纖束、光電檢測(cè)管和鎖定放 大電路，測(cè)量LED和參考LED的發(fā)射光的波長(zhǎng)分別是34;10nm和3600nm，組 成雙發(fā)射光纖束和接收光纖束的光纖均為石英多模光纖，雙發(fā)射光纖束的出射 端和接收光纖束的入射端合并成矩形的發(fā)射-接收面，發(fā)射，接收面與雙發(fā)射光纖 束的光軸垂直，雙發(fā)射光纖束的出射端光纖和接收光纖的入射端的光纖以光柵 排列型依次交替分布，雙發(fā)射光纖束的光纖在發(fā)射光入射端處分成兩個(gè)分束， 所述的兩個(gè)分束的兩個(gè)入射面測(cè)量光入射面和參考光入射面分別與各自的光 軸垂直，測(cè)量光入射面和參考光入射面分別以緊貼方式對(duì)準(zhǔn)測(cè)量LED和參考 LED的發(fā)光面。接收光纖束的出射端為接收光出射面，接收光出射面與接收光 纖束的光軸垂直，接收光出射面以緊貼方式對(duì)準(zhǔn)光電檢測(cè)管的感光面，LED驅(qū) 動(dòng)電路分別連接測(cè)量LED和參考LED,光電檢測(cè)管的輸出端接前置放大電路輸 入端，甜置放大電路輸出端與鎖定放大電路的輸入端連接，鎖定放大電路的輸 出端與帶正負(fù)輸入范圍模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的輸入端連接。
與背景技術(shù)相比，本發(fā)明的C/^氣體測(cè)量?jī)x具有以下優(yōu)點(diǎn) (l)用光纖傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子氣敏傳感器
傳統(tǒng)電子氣敏傳感器容易中毒，同時(shí)氣敏傳感器的敏感體電阻艇激度的變化阻值也發(fā)生 變化，容易受外界溫度影響導(dǎo)致誤報(bào)和漏報(bào)。本發(fā)明的C/^氣體測(cè)暈儀采用發(fā)射光纖束和接
收光纖束作為發(fā)射-接收光路即測(cè)量傳感光路，同時(shí)輔以雙波長(zhǎng)檢測(cè)h體濃度，消除其他氣體 成分對(duì)吸收波長(zhǎng)強(qiáng)度的影響，大大提高了儀器的靈敏度和可靠性。 (2)增強(qiáng)電路的抗干擾能力 由于LED發(fā)光功率比較小，被測(cè)信號(hào)在通過(guò)光纖以后是一個(gè)被噪聲淹沒(méi)的 微弱電信號(hào)，用常規(guī)的方法很難將其有效的放大，因此采用鎖定放大的原理來(lái) 對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后，進(jìn)行交流放大，并直流解調(diào)，利用這樣的原理能改善信 噪比，同時(shí)獲得很高的增益和靈敏度，大幅度的提高了測(cè)暈精度。
由LED驅(qū)動(dòng)電路(1 )、測(cè)量LED (2)、參考LED (3〗和會(huì)聚透鏡(4、 5) 組成的LED驅(qū)動(dòng)整體電路，由測(cè)量光纖束(111)、參考光纖束(113)和接收光 纖束(112)組成的光纖束傳感器(11)，由第一光電檢測(cè)管(6)、第二光電檢 測(cè)管(13)、第一前置放大電路(12)、第二前置放大電路(14)以及鎖定放大 電路(15)組成的傳感器信號(hào)接收電路，由CPU (17)、帶正負(fù)輸入范圍A/D轉(zhuǎn)
換器(16)、顯示模塊(18)、鍵盤(pán)(19)和^，o加(20)緣成的微機(jī)控制部分，
由進(jìn)氣口 (7)、出氣口 (9)、玻璃窗(10)和氣室(8)組成的樣品箱，共計(jì)五 大塊部分組成本發(fā)明儀器。
實(shí)施如下
(1) LED驅(qū)動(dòng)整體電路
LED馬區(qū)動(dòng)整體電g各具體由芯、片Ul (NE555)、 U2(74LSJ74)、 U3(MAX4624)， 測(cè)量LED (2) Dl、參考LED (3) D2，電阻Rl、 R2、 R3、 R4、 R5，電容Cl、 C2，會(huì)聚透鏡(4、 5)和三極管Tl組成。其連接如圖4辨示，Ul (NE555 )的 1腳接地，2腳與6腳連接，3腳與U2 (74LS74)的3腳維接，4腳接VCC， 5 腳接電容C2的一端，C2的另一端接地，6腳接Cl和Rl的公共端，Cl的另一 端接地，Rl的另一端與7腳和R2的公共端連接，R2的另一端接VCC， 8腳接 VCC。 U2 (74LS74)的2腳與6腳相連，3腳與Ul (NE555)的3腳相連，5 腳接U9 (CD4069)的1腳和R3的一端，R3的另一端接'T1 (9014)的基極。 Tl的發(fā)射極接地，集電極與測(cè)量LED (2) Dl和參考LED (3) D2的負(fù)極相連。 測(cè)量LED (2) Dl的正極接R4的一端，R4的另一端接U3 (MAX4624)的4腳， 測(cè)量LED (2)的發(fā)射面正對(duì)會(huì)聚透鏡(4)，參考LED (3) D2的正極接R5的 --端，R5的另一端接U3 (MAX4624)的6腳，參考LED (3)的發(fā)射面正對(duì)會(huì) 聚透鏡(5)， U3的1腳和Jl (CPU的Pl.l引腳)相連，2腳接VCC, 3腳接地， 5腳和2腳相連。
(2) 光纖束傳感器(11)
光纖束傳感器(11)是由雙發(fā)射光纖束(uo)和接[BC光纖柬(U2)組成 的，其中雙發(fā)射光纖束(110)中的測(cè)量光纖束(111)用來(lái)傳輸灘量LKD (I)
發(fā)射的光信號(hào)，參考光纖束(113)用來(lái)傳輸參考LED (3D發(fā)射的光信號(hào)，接 收光纖束(112)用來(lái)接收從氣室(8)中反射回來(lái)的光信號(hào)。
(3) 傳感器信號(hào)接收電路
傳感器信號(hào)接收電路具體由第一光電檢測(cè)管(6) D3，第二光電檢測(cè)管(13) D4， UO( AD8627)、 U4( AD8627)、 U50( AD797)、 U51 ( AD7J97)、 U52( AD797)、 U53 (AD797)、 U6 (MAX4624)、 U7 (OP07)、 U8 (CD鄉(xiāng)6)、 U9 (C簡(jiǎn)69)， 電阻R0、 R6、 R7、 R8、 R9、 RIO、 Rll、 R12、 R13、 R14、 R15、 R16、 R17、 R18、 R19，電容C3、 C4、 C5、 C6、 C7、 C8、 C9、 C10和Cll組成第 一前置放 大電路(12)、第二前置放大電路(14)以及鎖定放大電路'(15)電路，其連接 如圖4所示。U9 (CD4069)的1腳接U8 (CD4066)的l5腳，2腳接U8的6 腳。第一光電檢測(cè)管(6) D3的陽(yáng)極接地，陰極接U4 (AD8627)的2腳和R6 的一端。U4的3腳接地，6腳接R6的另一端、接R7的一端和U0 (AD8627) 的6腳，7腳接U6 (MAX4624)的4腳。第二光電檢測(cè)管(13 ) D4的陽(yáng)極接地， 陰極接U0 (AD8627)的2腳和R0的一端。U0的3腳接地，6腳接R0的另一 端和R7的一端，7腳接U6 (MAX4624)的6腳。U6的1腳和J2 (CPU的P1.2 引腳)相連，2腳接VCC， 3腳接地，5腳和2腳相連。R卞的另一端接C3、 C4 和R8的公共端，R8另外一端接地，C3的另一端接U50 的2腳和R9
的一個(gè)公共端，C4和R9的另一個(gè)公共端和U50的6腳相連，U50的3腳接地， 6腳接R10的--端。R10的另一端接C5、 C6和Rll的公辨端，Rll的另外一端 接地，C5的另一端接U51 (AD797)的2腳與JU2的一個(gè)公共端，C6和R12 的另一個(gè)公共端和U51的6腳相連，U50的3腳接地，6!腳接C7的一端。C7 的另一端接R13的一端，R13的另一端接U52 (AD797)的2腳與R14的一端， R14的另一端和U52的6腳相連，U52的3腳接地，6腳接C8的一端和U8 (CD4066)的8腳，C8的另一端接R15的一端，R15的另一端接U53 (AD797) 的2腳與C9和R16的一個(gè)公共端，C9和R16的另一個(gè)公共端和U53的6腳相 連，U53的3腳接地，6腳接U8 (CD4066)的10腳，U8的9腳和11腳相連接 R17的一端，R17的另一端接C10、 R18和R19的公共端，U7 (OP07)的2腳 接Cll和R19的一個(gè)公共端，C10的另一.端和U7的3腳接地，6腳接Cll和 R18的另一個(gè)公共端，6腳的輸出接A/D (16)的輸入端。，
(4) 微機(jī)控制部分
微機(jī)控制部分是由CPU (17)、帶正負(fù)輸入范圍A/D禱換器(16)、顯示模
塊(18)、鍵盤(pán)(19)和e》ra附(20)組成。CPU ( 17)的存儲(chǔ)器中已固化有執(zhí)行
以下操作的程序定標(biāo)、測(cè)量、顯示和校正程序。 工作原理
CZ/4氣體在3.392 II m處存在著較強(qiáng)的吸收帶。因此當(dāng)棘長(zhǎng)3.392 y m的近紅
外光纖照射到C仏氣體上，大部分光將被樣品吸收，少部分i則被其漫射掉。所以
只要測(cè)出測(cè)量和參考各自的入射光、反射光的強(qiáng)度，就能獲扭C/^氣體濃度含量。
對(duì)于光強(qiáng)為/。，波長(zhǎng)為義的光束入射到樣品箱的氣室(&)中，樣品在義處具 有吸收帶由Beer-Lambert理論，氣室(8)出射光的強(qiáng)度為,
/ = /0 * 10, = /0 exp(- CZ) ( 1)
式中C為樣品的濃度；Z為氣室(8)'長(zhǎng)度；f為摩爾捎光系數(shù)；而" 為吸
收系數(shù)。從場(chǎng)的角度看，在氣室(8)長(zhǎng)度Z方向傳輸?shù)墓鉂獾碾妶?chǎng)可以表示為
￡ = ￡0*exp(fl^->^) (2)
其中W是角頻率，々是傳播常數(shù)。 如果用復(fù)折射率來(lái)描述樣品的吸收，貝"
V"o("廣州 。)
式中^-2;r/;i， 和k分別為復(fù)折射率的實(shí)部和虛部。因此(2)式可以寫(xiě)
為
五=￡。 exp(—A。fe>expL/.(firf — &o",z)] ( 4)
因?yàn)楣鈴?qiáng)與場(chǎng)強(qiáng)幅度的平方成正比，則有
/ = /0 exp(—2A0A;Z) ( 5 )
比較式(1)和式(5),復(fù)折射率的虛部與摩爾消光系錄或者吸收系數(shù)有關(guān)。
A: = 0.183sC;i = amCA /(4;r) ( 6)
k的值可以從吸收測(cè)量的數(shù)據(jù)中獲得。(://4在3J92"m的吸收系數(shù)
fl ,=8.3a,-'Cb -',k=2.24*10-4"廠1。當(dāng)" 。《1時(shí)，由(1)式爭(zhēng)
/,.=(/_/。)//。-2 Cz (7)因此只要測(cè)得反射光強(qiáng)^和Z的值，就可計(jì)算出氣體的濃度含量。
在雙發(fā)射光纖束(110)中引出部分光纖，將引出的光信號(hào)送到第二光電檢 測(cè)管D4(13)上以監(jiān)視光功率飄移的情況，同時(shí)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送到后 端CPU ( l7)采用比值的方式消除發(fā)射光功率飄移對(duì)測(cè)量的影響。
由于所選波長(zhǎng)不是石英光纖的弱衰減區(qū)，光強(qiáng)在透過(guò)光纖后的損耗比較大， 由實(shí)際測(cè)量的光纖絲衰減參數(shù)有，
300*丄^ 《600*丄 (dB) 式中"為衰減因子,單位是dB， L為光纖長(zhǎng)度，單位是)on。實(shí)際使用的光纖 長(zhǎng)度為10cm，也就是10—4km，那么有
0.030.06 纟dB)
計(jì)算最差情況有-
a = 0.06 (dB)
又由光透過(guò)率有，
* 100% 2 50%
假設(shè)發(fā)光功率為Pi，直接耦合的效率為.Cn并采用最I(lǐng)差光透過(guò)率(T-50M) 和衰減因子("=()力6)，那么可以由下式得出得到出纖功率
101g[V(TPi C,Xh-0.06 戶0=0.4931 Pi d (8)
這単需要注明的是，由于采用兩種波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量，因此;其在光纖中的傳輸損 耗并不一致，這種差異必需考慮，而這樣的差異從統(tǒng)計(jì)學(xué)i角度來(lái)考慮應(yīng)該是一 個(gè)比例常數(shù)，設(shè)為c2，因此我們得到了兩個(gè)波長(zhǎng)的出纖功率，假設(shè)參考光出纖 功率是p。，那么測(cè)量光出纖功率為c2p。。
假設(shè)從發(fā)射光纖傳導(dǎo)的光在空氣中沒(méi)有損耗，即照射到樣品上的功率為出
纖功率p。(參考光)，被c7/4吸收后產(chǎn)生的損耗比例因子為cm，漫反射損耗的比 例因子為C4，那么進(jìn)入接收光纖的光功率P！為
S=CMC4P0
將p『0.4931C,p,帶入上式并整理得到，
P產(chǎn)0.4931C!Pj C4CM
又由于光通過(guò)接收光纖的過(guò)程和光通過(guò)發(fā)射光纖的過(guò)程一致，所以式(8)仍 然適用，那么到達(dá)檢測(cè)管的光功率^為
尸,0.4931C《(0.4931C')2Pi C4CM
上式僅考慮到發(fā)射光線為參考光的情況，測(cè)量光的出纖功率C2P。 那么檢測(cè)管接收到的測(cè)量光信號(hào)g為-
尸2 = (0.4931C,C2)2 Pi C4CM
定義參考光不被c/^吸收，其強(qiáng)度調(diào)制損耗因子e^ =1;。那么反射率R(測(cè)量 光功率/參考光功率)為
1丄(0週<^: 4(^二化
戶2 (0.4931C,)2P, C42 m 分析上式我們可以看出，比率R包涵兩項(xiàng)，其中一項(xiàng)P2和光纖對(duì)波長(zhǎng)的固 有損耗有關(guān)，是一個(gè)常數(shù)，剩下的一項(xiàng)Cm就是(7)式中的/,，因此只要分別
測(cè)得測(cè)量光功率和參考光功率就能得到與<://4相關(guān)的比值，從而測(cè)得c/^含量。 測(cè)定樣品氣體所含的(^/4含量時(shí)，將本(://4測(cè)量?jī)x的發(fā)射-接收面靠近玻璃窗
(10)表面，距離表面5mm左右。該儀器采用雙波長(zhǎng)反射式紅外檢測(cè)法測(cè)定被 測(cè)樣品所含的C/^含量。CPU (17)控制LED驅(qū)動(dòng)電路(1)工作，分別驅(qū)動(dòng)測(cè)
量LED (2)輸出端和參考LED (3)交替發(fā)射紅外光。溯量LED (2)和參考 LED (3)發(fā)射的紅外光的波長(zhǎng)分別是3410nm和3600nm。測(cè)量LED(2)和參 考LED (3)發(fā)射的紅外光分別通過(guò)雙發(fā)射光纖束(110)的入射端處的兩個(gè)入 射面，傳導(dǎo)至矩形的發(fā)射-接收面，照射到被測(cè)樣品氣體上。被測(cè)樣品氣體的反 射光通過(guò)光柵形的接收光入射面和接收光纖束(112)，傳導(dǎo)至接收光出射面， 照射到光電檢測(cè)管的感光面。光電檢測(cè)管的感光面將接收到的反射光信號(hào)轉(zhuǎn)換 成電信號(hào)，從其輸出端輸出到對(duì)應(yīng)的前置放大電路輸入端，前置放大電路輸出 端將信號(hào)送到鎖定放大電路(15)的輸入端。光電檢測(cè)管以及對(duì)應(yīng)的前置放大 電路通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將接收到的微弱的調(diào)制光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的調(diào)制電信號(hào)，作 為鎖定放大電路(15)的輸入信號(hào)。該輸入信號(hào)屬于模糊信號(hào)。鎖定放大電路 (15)對(duì)該輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、解調(diào)。然后鎖定輛大電路(15)把放大 的輸出信號(hào)傳送至A/D轉(zhuǎn)換器(16)的輸入端。A/D轉(zhuǎn)換器(16)將其輸入端 的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從其輸出端輸出至CPU ( 17)!的數(shù)據(jù)輸入端。CPU (17)利用輸入的數(shù)字信號(hào)，計(jì)算出被測(cè)C/^氣體含量。同時(shí)CPU ( 17)控制顯
示模塊(18)顯示出被測(cè)C/^氣體含量。
儀器在使用前首先要進(jìn)行定標(biāo)。采用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)法制i備一定濃度的C仏氣
體樣品，然后把這些標(biāo)準(zhǔn)樣品送入儀器的樣品箱的氣室(8;)中測(cè)量，測(cè)量的過(guò) 程是如圖4所示在接通電源后，Ul ( 555時(shí)基電路)產(chǎn)生一個(gè)36kHz的電脈 沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)后端連接的2分頻D觸發(fā)器U2產(chǎn)生一個(gè)頻率為18KHz、占 空比為1: 1的方波信號(hào)，此方波信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)經(jīng)一個(gè)電阻接在三極管Tl (9014)的基極，而三極管的發(fā)射極接地，集電極接測(cè)量LED (2)和參考LED ■ (3) (Dl與D2)的負(fù)極，5V的電壓經(jīng)2選1開(kāi)關(guān)U3 (MAX4624)連接到測(cè) 量LED (2)或者參考LED (3)的正極，這樣無(wú)論哪個(gè)LE!D工作，它發(fā)出的都 是一個(gè)10KHz的調(diào)制光信號(hào)，而通過(guò)CPU ( 17)控制U3 (MAX4624)就可以 具體選擇測(cè)量LED (2)或者參考LED (3)工作。
此外5V的電壓經(jīng)2選1開(kāi)關(guān)U6 (MAX4624)連接到彭0與U4的7腳，通 過(guò)CPU ( 17)控制U6 (MAX4624)的1腳就可以選擇哪個(gè)光電檢測(cè)管工作了 。 在按下測(cè)量鍵后，CPU ( 17)通過(guò)U3的1腳(IN)控制測(cè)量LED (2)和參考 LED (3) (Dl和D2)輪流工作，經(jīng)雙發(fā)射光纖束(110)對(duì)樣品進(jìn)行分別照射， 再通過(guò)U6的1腳(IN)控制第一光電檢測(cè)管(6) D3和第二光電檢測(cè)管(13) D4輪流工作。先使測(cè)量LED (2) Dl和第一光電檢測(cè)管(6) D3工作，圖4中 第一光電檢測(cè)管(6) D3接收到測(cè)量波長(zhǎng)的光后轉(zhuǎn)化為微弱的電流信號(hào)，光電 流經(jīng)過(guò)跨導(dǎo)放大器U4后其輸出是一個(gè)電壓信號(hào)，由于該電:壓信號(hào)是被噪聲淹沒(méi) 的微弱電壓信號(hào)，因此為了得到所需要的18KHz左右的電:信號(hào)，我們?cè)诳鐚?dǎo)放 大器后連接了 2級(jí)帶通濾波器(由U50和U51組成)，其目i的就是對(duì)有用信號(hào)進(jìn) 行選頻放大，在第2級(jí)帶通濾波器的輸出端接一個(gè)高通濾波器(U52),其輸出 與U53的輸出分別連接U8 (CD4066)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)的一端i，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)的另一 端相連并連接 -個(gè)低通濾波器U7，其控制選通信號(hào)是由調(diào)制方波信號(hào)和其反相 信號(hào)給出的(反相信號(hào)由圖4中的數(shù)字反相器U9—CD406j9給出的)，電子開(kāi)關(guān) 作乘法器使用，使濾波后的有用信號(hào)和電參考信號(hào)相乘，得到有用信號(hào)的各次 諧波分量之和，這些諧波分量之和進(jìn)入低通濾波器U7后，高頻分量被濾除，只
剩下和第一光電檢測(cè)管(6) d3輸出電流信號(hào)成比例的直稱(chēng)屯壓分量，而第一 光電檢測(cè)管(6) d3電流信號(hào)的強(qiáng)弱是與Ci^氣體含量成正比的，因此該直流分
量與cw,氣體含量成正比，該信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換就能在cpu (17)中得到與測(cè)量
光信號(hào)相應(yīng)的電壓數(shù)字量。然后儀器自動(dòng)關(guān)閉第一光電檢測(cè)管(6) d3并打開(kāi) 第二光電檢測(cè)管(13) d4，按照上面的過(guò)程測(cè)量出測(cè)量發(fā)射光功率對(duì)應(yīng)的電壓 值，前面獲得的和c7/,有關(guān)的電壓值與此電壓值相比產(chǎn)生的此值，消除光功率飄
移帶來(lái)的影響。然后使參考LED (3) D2工作，同樣地也能得到參考LED (3)
發(fā)射的光信號(hào)對(duì)應(yīng)的比值。讓這兩個(gè)比值再相比(測(cè)量比參考)就能得到一個(gè) 新比值。由于在定標(biāo)階段被測(cè)量C/^氣體含量已知，因此該斬比值就對(duì)應(yīng)了已知
的0/4氣體濃度。通過(guò)對(duì)不同<://4氣體含量的測(cè)量就能一條^//4氣體含量和比值 的關(guān)系曲線，對(duì)曲線進(jìn)行曲線擬合可得到該曲線的函數(shù)表速式，并固化在cpu
(17)的存儲(chǔ)器中。 ， 用戶使用時(shí)，把需測(cè)量C仏氣體通過(guò)進(jìn)氣口 (7)送入樣i品箱的氣室(8)中，
啟動(dòng)電源并按下測(cè)量鍵后，在cpu(17)中稍候就能獲得一'個(gè)與該測(cè)量a^氣體 相對(duì)應(yīng)的比值，把該比值代入己建立的函數(shù)關(guān)系式中，便得到其濃度值，然后
把測(cè)得的濃度值在顯示模塊(18)上顯示出來(lái)， 一次C/^氣體濃度測(cè)量就完成了。
每過(guò)一段時(shí)間要對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，就是用不同標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體通過(guò)儀器檢測(cè)，把儀器顯示 出來(lái)的各個(gè)值與對(duì)應(yīng)的氣體實(shí)際值的差值作為一個(gè)修正因子，通過(guò)镩盤(pán)(19)將數(shù)據(jù)輸入到
CPU (17)中并由eVrow2404 (20)存儲(chǔ)起來(lái)，以保證儀器可以長(zhǎng)期正常工作。
權(quán)利要求
1、一種光纖傳感式CH4氣體測(cè)量?jī)x，其特征在于包含測(cè)量LED(2)、參考LED(3)、由測(cè)量光纖束(111)和參考光纖束(113)組成的雙發(fā)射光纖束(110)、接收光纖束(112)、第一光電檢測(cè)管(6)、第二光電檢測(cè)管(13)、氣室(8)；測(cè)量光路中的測(cè)量光纖束(111)輸入端和測(cè)量LED(2)相連并耦合測(cè)量LED(2)發(fā)射出來(lái)的光，測(cè)量光纖束(111)輸出端被一分為二，一部分光纖被連接到雙發(fā)射光纖束(110)的出射端，另外一部分被連接到第一光電檢測(cè)管(6)上，將測(cè)量LED(2)發(fā)射的光信號(hào)送到第一光電檢測(cè)管(6)感光面上；參考光路中的參考光纖束(113)輸入端和參考LED(3)相連并耦合參考LED(3)發(fā)射出來(lái)的光，參考光纖束(113)輸出端也被一分為二，一部分光纖被連接到雙發(fā)射光纖束(110)的出射端，另外一部分被連接到第一光電檢測(cè)管(6)上，將參考LED(3)發(fā)射的光信號(hào)送到第一光電檢測(cè)管(6)感光面上；接收光路中的接收光纖束(112)輸入端和雙發(fā)射光纖束(110)的出射端相連，接收氣室(8)中被樣品氣體部分吸收后反射的測(cè)量LED(2)光信號(hào)以及參考LED(3)的光信號(hào)，接收光纖束(112)輸出端被連接到第二光電檢測(cè)管(13)上，將接收到的反射光信號(hào)送到第二光電檢測(cè)管(13)感光面上；雙發(fā)射光纖束(110)的出射端和接收光纖束(112)的入射端合并成矩形的發(fā)射-接收端面，發(fā)射-接收面與雙發(fā)射光纖束(110)的光軸垂直，雙發(fā)射光纖束(110)的出射端光纖和接收光纖束(112)的入射端的光纖以光柵排列型依次交替分布。
2、 如權(quán)利1要求所述的光纖傳感式Ci^氣體測(cè)量?jī)x，其禱征在于測(cè)量LED(2)和測(cè)量光纖束輸入端之間設(shè)置有會(huì)聚透鏡(4),參考LED (3)和參考光纖束輸 入端之間設(shè)置有會(huì)聚透鏡(5)。 .
3、 如權(quán)利1要求所述的光纖傳感式C/^氣體測(cè)量?jī)x，其,征在于雙發(fā)射光纖束(110)使用雙波長(zhǎng)檢測(cè)C/^氣體濃度，消除其他氣體成分對(duì)特征吸收波長(zhǎng)的影響。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用雙波長(zhǎng)光纖傳感器測(cè)量CH₄氣體的儀器。兩紅外光交替通過(guò)光柵排列式光纖傳感器發(fā)射到被測(cè)CH₄氣體上，光被氣體部分吸收后反射回光纖傳感器，由接受光纖送至前置放大器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，由鎖定放大電路處理后送到A/D轉(zhuǎn)換器。信號(hào)處理系統(tǒng)將A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)交數(shù)據(jù)處理單元并劃分為測(cè)量信號(hào)、測(cè)量光強(qiáng)度信號(hào)、參考信號(hào)和參考光強(qiáng)度信號(hào)。最后按照相應(yīng)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到CH₄濃度。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)CH₄氣體檢測(cè)時(shí)電子氣敏傳感器容易中毒，且氣敏傳感器的敏感體電阻隨外界溫度變化而變化導(dǎo)致誤報(bào)和漏報(bào)，采用光柵排列式發(fā)射-接受光纖束避免直接接觸氣體，同時(shí)輔以雙波長(zhǎng)比值法消除了其他氣體成分對(duì)吸收波長(zhǎng)的影響以及背景光的影響，提高了儀器的靈敏度和可靠性。
文檔編號(hào)G01N21/17GK101178351SQ20061011804
公開(kāi)日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2006年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月8日
發(fā)明者知 湯, 王慧慧, 王瑞娣 申請(qǐng)人:湯 知;王慧慧;王瑞娣