本發(fā)明涉及一種紅外氣體檢測(cè)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(jì)，以及能夠屏蔽紅外光源的溫度漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響的紅外氣體傳感器的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

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(zhǎng)的氣體傳感技術(shù)，其原理是利用特定波長(zhǎng)的紅外光經(jīng)過(guò)待測(cè)氣體時(shí)被吸收發(fā)生衰減，根據(jù)衰減前后的光強(qiáng)對(duì)比計(jì)算出氣體的濃度，及比爾-朗伯定律：i＝i0·exp(-μcl)。其中，i為有氣體吸收時(shí)到達(dá)探測(cè)器的紅外光強(qiáng)，i0為沒(méi)有氣體吸收時(shí)的光強(qiáng)，c為腔室內(nèi)氣體濃度，l為腔室長(zhǎng)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(guò)濾紅外光源的紅外光以出射特定波長(zhǎng)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(cè)紅外光強(qiáng)度的紅外探測(cè)器、以及電學(xué)電路等部件。

ndir傳感器中紅外探測(cè)器無(wú)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(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)的，因此，ndir傳感器的探測(cè)輸出信號(hào)很容易受到環(huán)境溫度的影響，即溫漂。針對(duì)該問(wèn)題，目前主要解決方案一是通過(guò)參比通道，將信號(hào)進(jìn)行除法運(yùn)算，降低溫度的影響；二是在紅外探測(cè)器端增加溫度傳感器rt，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)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(qiáng)度都取決于輻射溫度，因此，光源端散熱環(huán)境的變化、輸入功率的波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致光源輸出的紅外光發(fā)生變化，而光源和探 測(cè)器間往往有一定的距離，光源端的溫度變化和探測(cè)器端的溫度變化很難實(shí)現(xiàn)同步，從而造成輸出結(jié)果的零點(diǎn)發(fā)生漂移。一般而言，光源部分的溫漂對(duì)輸出結(jié)果的影響遠(yuǎn)大于探測(cè)器端的溫漂，對(duì)于高分辨率的ndir傳感器，這種現(xiàn)象尤為致命

有鑒于此，有必要對(duì)現(xiàn)有的紅外氣體傳感器及紅外氣體傳感器的測(cè)量方法予以改進(jìn)，以解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明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(cè)信號(hào)零點(diǎn)漂移的問(wèn)題，同時(shí)提供一種能夠屏蔽紅外光源的溫度漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響的紅外氣體傳感器的測(cè)量方法。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明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(duì)地位于所述氣體腔室另一端的探測(cè)端、位于所述光源端的紅外光源、位于所述探測(cè)端的濾光片和紅外探測(cè)器、與所述紅外光源與所述紅外探測(cè)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(cè)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。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，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(bǔ)償電路。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述溫度傳感器為與所述溫度補(bǔ)償電路電性連接的熱敏電阻。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述溫度補(bǔ)償電路包括與所述溫度傳感器連接以實(shí)時(shí)輸出所述溫度傳感器的阻值變化的電阻測(cè)量電路、與所述電阻測(cè)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(yùn)算放大器、與所述運(yùn)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(hào) 處理器，所述信號(hào)處理器的輸出端與所述紅外探測(cè)器電性連接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電阻測(cè)量電路采用分壓電路，用一個(gè)固定偏壓vc和一個(gè)固定電阻rl測(cè)量溫度傳感器rt上的分壓vt，rt＝rl/(1-vc/vt)，所述電阻測(cè)量電路的輸出信號(hào)為電壓信號(hào)vt。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，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。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，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)置于所述基板上或所述溫度傳感器集成于所述紅外光源上。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種紅外氣體傳感器的測(cè)量方法，包括如下步驟：s1：通過(guò)紅外探測(cè)器檢測(cè)并輸出紅外光被待測(cè)氣體吸收前的光強(qiáng)i0、紅外光被待測(cè)氣體吸收后的光強(qiáng)i；s2：通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)所述紅外光源的溫度，并通過(guò)電路系統(tǒng)對(duì)所述紅外探測(cè)器的輸出信號(hào)光強(qiáng)i0、光強(qiáng)i進(jìn)行補(bǔ)償。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述紅外氣體傳感器的電路系統(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(bǔ)償電路；所述溫度傳感器為與所述溫度補(bǔ)償電路電性連接的熱敏電阻；所述溫度補(bǔ)償電路包括與所述溫度傳感器連接以實(shí)時(shí)輸出所述溫度傳感器的阻值變化的電阻測(cè)量電路、與所述電阻測(cè)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(yùn)算放大器、與所述運(yùn)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(hào)處理器，所述信號(hào)處理器的輸出端與所述紅外探測(cè)器電性連接；所述步驟s2具體為：s2.1：設(shè)置電阻測(cè)量電路，實(shí)時(shí)輸出所述溫度傳感器的阻值變化；s2.2：通過(guò)濾波器過(guò)濾所述電阻測(cè)量電路輸出的信號(hào)，降低噪聲；s2.3：將濾波器輸出的降噪后的信號(hào)采用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大；s2.4：將運(yùn)算放大器輸出的放大后的信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換；s2.5：將通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸入信號(hào)處理器中對(duì)紅外探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟s2.5具體為：根據(jù)紅外光源及待測(cè)氣體的具體情況，在所述控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)定紅外光源達(dá)到相應(yīng)測(cè)量條件時(shí)的 溫度區(qū)間，僅當(dāng)紅外光源的溫度達(dá)到設(shè)定的溫度區(qū)間內(nèi)時(shí)，所述紅外氣體傳感器才輸出當(dāng)前測(cè)量的光強(qiáng)i0、光強(qiáng)i；當(dāng)紅外光源的溫度未達(dá)到設(shè)定的溫度區(qū)間內(nèi)，則電路系統(tǒng)根據(jù)紅外光源的實(shí)時(shí)溫度調(diào)節(jié)供電壓，調(diào)整所述紅外光源的溫度到達(dá)設(shè)定的溫度區(qū)間內(nèi)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的紅外氣體傳感器通過(guò)設(shè)置于所述光源端的溫度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)所述紅外光源的溫度漂移，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光源發(fā)光狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決目前ndir傳感器無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控紅外光源溫度漂移導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果零點(diǎn)漂移的缺點(diǎn)，可有效提高ndir傳感器的探測(cè)精度和分辨率，在ndir傳感領(lǐng)域有應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有的ndir傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的紅外氣體傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

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。

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(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

請(qǐng)參閱圖2～圖4所示，為本發(fā)明較佳實(shí)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(hào)請(qǐng)參閱圖1所示。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)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。

請(qǐng)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2一端的光源端1、與所述光源端1相對(duì)地 位于所述氣體腔室2另一端的探測(cè)端3、位于所述光源端1用以產(chǎn)生紅外光的紅外光源8、設(shè)置于所述光源端1的溫度傳感器10、位于所述探測(cè)端3過(guò)濾紅外光源8以出射特定波長(zhǎng)的紅外光的濾光片6和7、位于所述探測(cè)端3用以探測(cè)紅外光強(qiáng)度的紅外探測(cè)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(cè)器4和5均與所述電路系統(tǒng)15電性連接。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，上述“所述光源端1和所述探測(cè)端3相對(duì)地位于所述氣體腔室2的兩端”并非特指所述光源端1和所述探測(cè)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1和所述探測(cè)端3分別位于紅外光入射光程的兩端。

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(gè)第一引腳。

進(jìn)一步地，請(qǐng)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(gè)所述第一引腳分別連接至所述電路系統(tǒng)15的兩個(gè)第一引線(xiàn)；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(guò)第一引線(xiàn)連接在電路系統(tǒng)15上。

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(lái)源于輸入功率波動(dòng)和外部散熱環(huán)境變化。其中，輸入功率波動(dòng)因素常常在ndir傳感器中通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；外部散熱環(huán)境變化主要來(lái)自于ndir傳感器中與紅外光源8相連的機(jī)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(guò)在所述光源端1設(shè)置溫度傳感器10，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)所述紅外光源8的溫度漂移，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光源8發(fā)光狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決目前ndir傳感器無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控紅外光源8溫度漂移導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果零點(diǎn)漂移的缺點(diǎn)，可有效提高ndir傳感器的探測(cè)精度和分辨率，在ndir傳感領(lǐng)域有應(yīng)用前景。

本實(shí)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(cè)所述紅外光源8 的溫度；因?yàn)樗鰷囟葌鞲衅?0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(cè)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(shí)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(shí)，溫度傳感器10與所述紅外光源8建立相應(yīng)的熱平衡時(shí)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。

所述溫度傳感器10具有與電路系統(tǒng)15連接的兩個(gè)第二引腳；所述基板9設(shè)有將兩個(gè)所述第二引腳分別連接至所述電路系統(tǒng)15的兩個(gè)第二引線(xiàn)；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(guò)第二引線(xiàn)連接在電路系統(tǒng)15上。

所述氣體腔室2具有供待測(cè)氣體流通的進(jìn)氣口和出氣口。所述光源端1位于設(shè)有所述進(jìn)氣口的一端，所述探測(cè)端3位于設(shè)有所述出氣口的一端；且所述進(jìn)氣口和所述出氣口位于所述光源端1和所述探測(cè)端3中間。

所述濾光片6和7位于所述紅外光源8與所述紅外探測(cè)器4和5中間；所述紅外光源8發(fā)出的紅外光經(jīng)過(guò)氣體腔室2被待測(cè)氣體吸收，再經(jīng)過(guò)濾光片6和7后到達(dá)紅外探測(cè)器4和5，通過(guò)對(duì)比紅外光被待測(cè)氣體吸收前后的光強(qiáng)計(jì)算出待測(cè)氣體濃度。

請(qǐng)參閱圖2所示，本實(shí)施例中，所述紅外氣體傳感器具有測(cè)量通道和參比通道，所述濾光片6和7包括分別與測(cè)量通道、參比通道連通的測(cè)量濾光片6、參比濾光片7；所述紅外探測(cè)器4和5包括分別與測(cè)量通道、參比通道連通的測(cè)量紅外探測(cè)器4、參比紅外探測(cè)器5。通過(guò)雙光通道設(shè)置，屏蔽了環(huán)境因素等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

請(qǐng)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(bǔ)償電路。所述溫度補(bǔ)償電路能夠根據(jù)所述紅外光源8的溫度變化對(duì)所述紅外探測(cè)器4和5的輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，從而大大降低因紅外光源8溫漂帶來(lái)的輸出信號(hào)零點(diǎn)漂移，提高ndir傳感器的檢測(cè)分辨率，在ndir氣體檢測(cè)領(lǐng)域 中具有應(yīng)用前景。

具體地，所述溫度傳感器10為與所述溫度補(bǔ)償電路電性連接的熱敏電阻rt；所述溫度補(bǔ)償電路包括與所述溫度傳感器10連接以實(shí)時(shí)輸出所述溫度傳感器10的阻值變化的電阻測(cè)量電路、與所述電阻測(cè)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(yùn)算放大器12、與所述運(yùn)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(hào)處理器14，所述信號(hào)處理器14的輸出端與所述紅外探測(cè)器4和5電性連接以控制所述紅外探測(cè)器4和5輸出信號(hào)。

所述電阻測(cè)量電路采用分壓電路，用一個(gè)固定偏壓vc和一個(gè)固定電阻rl測(cè)量溫度傳感器10上的分壓vt，rt＝rl/(1-vc/vt)，所述電阻測(cè)量電路的輸出信號(hào)為電壓信號(hào)vt。

為實(shí)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(cè)量方法，包括如下步驟：

s1：通過(guò)紅外探測(cè)器4和5檢測(cè)并輸出紅外光被待測(cè)氣體吸收前的光強(qiáng)i0、紅外光被待測(cè)氣體吸收后的光強(qiáng)i；用于計(jì)算待測(cè)氣體的濃度。

s2：通過(guò)溫度傳感器10檢測(cè)所述紅外光源8的溫度，并通過(guò)電路系統(tǒng)15對(duì)所述紅外探測(cè)器4和5的輸出信號(hào)光強(qiáng)i0、光強(qiáng)i進(jìn)行補(bǔ)償，以屏蔽紅外光源8的溫度漂移對(duì)測(cè)量精度的影響。

進(jìn)一步地，所述步驟s2具體為：

s2.1：設(shè)置所述電阻測(cè)量電路，實(shí)時(shí)輸出所述溫度傳感器10的阻值變化；

s2.2：通過(guò)濾波器11過(guò)濾所述電阻測(cè)量電路輸出的信號(hào)，降低噪聲；

s2.3：將濾波器11輸出的降噪后的信號(hào)采用運(yùn)算放大器12進(jìn)行放大；

s2.4：將運(yùn)算放大器12輸出的放大后的信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器13進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換；

s2.5：將通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸入信號(hào)處理器14中對(duì)紅外探測(cè)器4和5的輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。

進(jìn)一步地，所述s2.5步驟具體為：根據(jù)紅外光源8及待測(cè)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(dá)到相應(yīng)測(cè)量條件時(shí)的溫度區(qū)間，僅當(dāng)紅外光源8的溫度達(dá)到設(shè)定的溫度區(qū)間內(nèi)時(shí)，所述紅外氣體傳感器才輸出當(dāng)前的測(cè)量值；如果紅外光源8的溫度未達(dá)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(shí)時(shí)溫度調(diào)節(jié)供電壓，調(diào)整所述紅外光源8的溫度到達(dá)設(shè)定的溫度區(qū)間內(nèi)。

綜上所述，所述紅外氣體傳感器通過(guò)設(shè)置用于檢測(cè)所述紅外光源8溫度的溫度傳感器10，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)所述紅外光源8的溫度漂移，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光源8發(fā)光狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決目前ndir傳感器無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控紅外光源8溫度漂移導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果零點(diǎn)漂移的缺點(diǎn)，可有效提高ndir傳感器的探測(cè)精度和分辨率，在ndir傳感領(lǐng)域有應(yīng)用前景。

以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。

本說(shuō)明書(shū)中任何相關(guān)的“本實(shí)施例”，意味著與實(shí)施例有關(guān)的一個(gè)特定的功能、結(jié)構(gòu)、或特性描述包含本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例。這些出現(xiàn)在說(shuō)明書(shū)各個(gè)地方的短語(yǔ)不一定指相同的實(shí)施例。進(jìn)一步地，與任一實(shí)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(shí)施例相關(guān)的功能、結(jié)構(gòu)或特性。