專利名稱：一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊。
背景技術(shù)：
隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)于自己的生存環(huán)境越來越關(guān)注，尤其是最近幾年國(guó)家對(duì)環(huán)保越來越重視，在環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境治理方面的投入也在逐年加大。在未來幾十年內(nèi)，環(huán)保將是一個(gè)非常熱門的行業(yè)。與人們生活息息相關(guān)的兩個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)因素是水質(zhì)監(jiān)測(cè)和氣體監(jiān)測(cè)。參見圖1，目前常用的氣體檢測(cè)模塊包括紅外氣體檢測(cè)模塊等，傳統(tǒng)的紅外氣體檢測(cè)模塊的氣室有兩個(gè)，一個(gè)是測(cè)量室1，一個(gè)是參比室2。兩室通過切光板3以一定周期同時(shí)或交替開閉光路。在測(cè)量室I中導(dǎo)入被測(cè)氣體后，具有被測(cè)氣體特有波長(zhǎng)的光被吸收，從而使透過測(cè)量室I這一光路而進(jìn)入紅外線接收氣室4的光通量減少。氣體濃度越高，進(jìn)入到紅外線接收氣室4的光通量就越少；而透過參比室2的光通量是一定的，進(jìn)入到紅外線接收氣室4的光通量也一定。因此，被測(cè)氣體濃度越高，透過測(cè)量室I和參比室2的光通量差值就越大。這個(gè)光通量差值是以一定周期振動(dòng)的振幅投射到紅外線接收氣室的。紅外線接收氣室4用幾微米厚的金屬薄膜分隔為兩半部，室內(nèi)封有濃度較大的被測(cè)組分氣體，在吸收波長(zhǎng)范圍內(nèi)能將射入的紅外線全部吸收，從而使脈動(dòng)的光通量變?yōu)闇囟鹊闹芷谧兓?，再可根?jù)氣態(tài)方程使溫度的變化轉(zhuǎn)換為壓力的變化，然后用電容式傳感器來檢測(cè)，經(jīng)過放大處理后指示出被測(cè)氣體濃度。這種紅外氣體檢測(cè)模塊的缺點(diǎn)在于，因?yàn)椴捎昧穗p氣室和機(jī)械切光結(jié)構(gòu)，體積大，成本高；切光部件需要采用電動(dòng)機(jī)，供電電壓復(fù)雜、能耗高；由于采用機(jī)械切光部件，無法達(dá)到較高的精度和穩(wěn)定性；而采用濾波氣室，導(dǎo)致氣體測(cè)量選擇性較差；有機(jī)械結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了防腐防爆性能差。
發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有紅外氣體檢測(cè)模塊體積大、成本高、精度不足、防腐防爆性能差等技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種高精度、高靈敏性、可防腐防爆的高精度紅外氣體檢測(cè)模塊。為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是，一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，包括中空的氣室、光源模塊、探測(cè)模塊和控制模塊，所述的光源模塊與探測(cè)模塊分別安裝于氣室的兩端內(nèi)側(cè)壁上，所述的光源模塊和探測(cè)模塊分別與控制模塊通信連接。所述的一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，所述的控制模塊包括前置放大電路、濾波電路、鎖相放大電路、ADC采樣電路和單片機(jī)，所述的前置放大電路、濾波電路、鎖相放大電路、ADC采樣電路依次串聯(lián)后連接單片機(jī)，前置放大電路的輸入端連接至探測(cè)模塊的輸出端，單片機(jī)還分別連接至光源模塊和鎖相放大電路。所述的一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，所述的控制模塊還包括RS485通信接口，所述的RS485通信接口通信連接至單片機(jī)。[0009]所述的一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，還包括溫濕度傳感器，所述的溫濕度傳感器安裝于氣室的內(nèi)側(cè)壁上并通信連接至單片機(jī)。所述的一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，所述的探測(cè)模塊包括干涉濾波鏡和探測(cè)器，所述的干涉濾波鏡安裝于探測(cè)器上以過濾非特定波長(zhǎng)的光線，所述的探測(cè)器通信連接至控制|吳塊。所述的一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，所述的干涉濾波鏡包括測(cè)量濾波鏡和參考濾波鏡，所述的探測(cè)器包括測(cè)量探測(cè)器和參考探測(cè)器，所述的測(cè)量濾波鏡安裝于測(cè)量探測(cè)器上，所述的參考濾波鏡安裝于參考探測(cè)器上，所述的測(cè)量探測(cè)器和參考探測(cè)器并列平行固定，測(cè)量探測(cè)器和參考探測(cè)器分別通信連接控制模塊。所述的一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，所述的光源模塊為紅外光源模塊，所述的探測(cè)器為熱釋電探測(cè)器。本實(shí)用新型的技術(shù)效果 在于，采用了 NDIR的測(cè)量方式，并配合高靈敏性的傳感器、運(yùn)放和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)了氣體測(cè)量的高精度、高靈敏性；檢測(cè)精度可以達(dá)到彡±0.1%FS，靈敏度彡±0.1%FS ;本專利設(shè)計(jì)的測(cè)量方式，傳感器不直接與被測(cè)氣體接觸，減小了傳感器被腐蝕的可能性。由于采用全封閉測(cè)量結(jié)構(gòu)，并采用防腐鍍金處理工藝，大大增強(qiáng)了檢測(cè)模塊的抗腐蝕能力。由于采用獨(dú)特的全封閉式測(cè)量結(jié)構(gòu)，被測(cè)氣體不與外界氣體接觸，防爆性能好，防爆等級(jí)到達(dá)Exd IIC T6 ;本專利模塊結(jié)構(gòu)尺寸為112mmX60mmX40mm,使氣體檢測(cè)模塊達(dá)到小型化要求；由于采用高效合理的電源管理方案，使用單一電源5-12VDC供電即可以保證本模塊正常，而且功耗非常小，平均工作電流僅為70毫安，待機(jī)工作電流低于10毫安。由于采用紅外測(cè)量方式，并配合高速的微處理器，使單次測(cè)量時(shí)間僅為5s，優(yōu)于其它氣體檢測(cè)模塊。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。

圖1為現(xiàn)有紅外氣體檢測(cè)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型氣室結(jié)構(gòu)示意圖；其中I為測(cè)量室、2為參比室、3為切光板、4為紅外線接收氣室、5為氣室、6為光源模塊、7為測(cè)量濾波鏡、8為參考濾波鏡、9為測(cè)量探測(cè)器、10為參考探測(cè)器、11為溫濕度傳感器。
具體實(shí)施方式
參見圖2、圖3，本實(shí)用新型包括中空的氣室、光源模塊、探測(cè)模塊和控制模塊，光源模塊與探測(cè)模塊分別安裝于氣室的兩端內(nèi)側(cè)壁上，光源模塊和探測(cè)模塊分別與控制模塊通信連接?？刂颇K包括前置放大電路、濾波電路、鎖相放大電路、ADC采樣電路和單片機(jī)，前置放大電路、濾波電路、鎖相放大電路、ADC采樣電路依次串聯(lián)后連接單片機(jī)，前置放大電路的輸入端連接至探測(cè)模塊的輸出端，單片機(jī)還分別連接至光源模塊和鎖相放大電路?？刂颇K還包括RS485通信接口，RS485通信接口通信連接至單片機(jī)。同時(shí)還包括溫濕度傳感器，溫濕度傳感器安裝于氣室的內(nèi)側(cè)壁上并通信連接至單片機(jī)。探測(cè)模塊包括干涉濾波鏡和探測(cè)器，干涉濾波鏡安裝于探測(cè)器上以過濾非特定波長(zhǎng)的光線，探測(cè)器通信連接至控制模塊。干涉濾波鏡包括測(cè)量濾波鏡和參考濾波鏡，探測(cè)器包括測(cè)量探測(cè)器和參考探測(cè)器，測(cè)量濾波鏡安裝于測(cè)量探測(cè)器上，參考濾波鏡安裝于參考探測(cè)器上，測(cè)量探測(cè)器和參考探測(cè)器并列平行固定，測(cè)量探測(cè)器和參考探測(cè)器分別通信連接控制模塊。光源模塊為紅外光源模塊，探測(cè)器為熱釋電探測(cè)器。本實(shí)用新型的檢測(cè)原理是，非對(duì)稱雙原子和多原子分子氣體(如ch4、co、so2、no和CO2等)在紅外波段均有特征吸收峰，所以具有紅外活性的分子可以通過其吸收譜來辨別。在2 14.5um的紅外吸收光譜范圍內(nèi)，混合物的成分可以很容易區(qū)分，正是在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，物質(zhì)對(duì)紅外輻射的吸收是有選擇性的。當(dāng)紅外輻射通過被測(cè)氣體時(shí)，其分子吸收光能量，吸收關(guān)系遵循朗伯-比爾(Lamber-Beer)定律，如果氣體吸收譜線在入射光譜范圍內(nèi)，那么光通過氣體以后，在相應(yīng)的譜線處就會(huì)發(fā)生光強(qiáng)的衰減，氣體對(duì)紅外輻射的吸收遵循朗伯-比爾吸收定律I=10e_KCL式中:I—被介質(zhì)吸收的輻射強(qiáng)度；10-紅外線通過介質(zhì)前的輻射強(qiáng)度；K-待分析組分對(duì)輻射波段的吸收系數(shù)；C—待分析組分的氣體濃度；L-氣室長(zhǎng)度；氣室示意圖中，氣室左邊是紅外光源，采用ICX進(jìn)口光源，該光源具有發(fā)光穩(wěn)定、功耗低、自身發(fā)熱小等特點(diǎn)，能為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)提供高效穩(wěn)定的2-20um的紅外光。光源調(diào)制器為紅外光源提供10Hz、5V的脈沖電壓。氣室的右邊是光強(qiáng)探測(cè)器部分。探測(cè)器為集成的雙路的熱釋電探測(cè)器，每路探測(cè)器上都有一個(gè)干涉濾波鏡。干涉濾波鏡是一種窄帶濾光片，通帶很窄，只能讓特定波長(zhǎng)的光通過濾波鏡到達(dá)探測(cè)器。根據(jù)濾波鏡材料和制作工藝的不同，干涉濾波鏡可以制成不同波長(zhǎng)的濾光片。根據(jù)測(cè)量的需要，雙路熱釋電探測(cè)器上的干涉濾波鏡是不同的，一路用于測(cè)量，一路用于參考，以防止由于探測(cè)器老化或者溫濕度變化所產(chǎn)生的測(cè)量值飄移。氣室中充滿被測(cè)氣體(比如說CO2氣體)，從紅外光源發(fā)出的紅外光照射到被測(cè)氣體上，波長(zhǎng)為4.26um的紅外光被CO2氣體吸收，通過干涉濾波鏡后，熱釋電傳感器I接收的
4.26um波長(zhǎng)的紅外光光強(qiáng)的變化,吸收后的光強(qiáng)值為I,熱釋電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，給檢測(cè)電路做進(jìn)一步處理。探測(cè)器由光強(qiáng)變化產(chǎn)生的電信號(hào)非常的微弱，一般在UV級(jí)別，與檢測(cè)的氣體和濃度有關(guān)，不容易被AD采樣，所以必須經(jīng)過前置放大。本專利使用進(jìn)口高精度、高增益、低噪聲的運(yùn)放作為前置放大器。經(jīng)過前置放大器后，信號(hào)由uV級(jí)別放大到幾十mV水平。接下來經(jīng)過帶通濾波器，濾去信號(hào)中大部分噪聲信號(hào)。通過移相、鎖相處理、可編程增益放大器處理后，變成可以由ADC米樣的信號(hào)。本專利使用進(jìn)口高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。這是一款24位的ADC，分辨率可以達(dá)到lOppb，噪聲低至200nVRMS，專門用于高精度氣體分析的ADC芯片。24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的使用在硬件上保證本專利高精度的測(cè)量。單片機(jī)系統(tǒng)采用最新的ARM微處理器，該微處理器采用CortexM3內(nèi)核，32位寬，其主頻能夠達(dá)到72MHz，最新的精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，帶硬件乘法器，運(yùn)算速度1.25DMIPS/MHZ，而且?guī)в胸S富的外設(shè)資源，為本專利的快速測(cè)量提高硬件保障。該微處理器還帶有多種低功耗模式，在待機(jī)狀態(tài)只需要幾個(gè)mA電流。本專利配有溫濕度補(bǔ)償系統(tǒng)，采用高精度溫濕度傳感器，將溫濕度信號(hào)采集的信號(hào)直接傳給單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，提高了氣體檢測(cè)的準(zhǔn)確性。本專利采用高效、低功耗、低噪聲的電源方案。電源噪聲水平低于10mVp-p，待機(jī)狀態(tài)功耗僅為0.15W。
權(quán)利要求1.一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，其特征在于，包括中空的氣室、光源模塊、探測(cè)模塊和控制模塊，所述的光源模塊與探測(cè)模塊分別安裝于氣室的兩端內(nèi)側(cè)壁上，所述的光源模塊和探測(cè)模塊分別與控制模塊通信連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，其特征在于，所述的控制模塊包括前置放大電路、濾波電路、鎖相放大電路、ADC采樣電路和單片機(jī)，所述的前置放大電路、濾波電路、鎖相放大電路、ADC采樣電路依次串聯(lián)后連接單片機(jī)，前置放大電路的輸入端連接至探測(cè)模塊的輸出端，單片機(jī)還分別連接至光源模塊和鎖相放大電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，其特征在于，所述的控制模塊還包括RS485通信接口，所述的RS485通信接口通信連接至單片機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，其特征在于，還包括溫濕度傳感器，所述的溫濕度傳感器安裝于氣室的內(nèi)側(cè)壁上并通信連接至單片機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，其特征在于，所述的探測(cè)模塊包括干涉濾波鏡和探測(cè)器，所述的干涉濾波鏡安裝于探測(cè)器上以過濾非特定波長(zhǎng)的光線，所述的探測(cè)器通信連接至控制模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，其特征在于，所述的干涉濾波鏡包括測(cè)量濾波鏡和參考濾波鏡，所述的探測(cè)器包括測(cè)量探測(cè)器和參考探測(cè)器，所述的測(cè)量濾波鏡安裝于測(cè)量探測(cè)器上，所述的參考濾波鏡安裝于參考探測(cè)器上，所述的測(cè)量探測(cè)器和參考探測(cè)器并列平行固定，測(cè)量探測(cè)器和參考探測(cè)器分別通信連接控制模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，其特征在于，所述的光源模塊為紅外光源模塊，所述的探測(cè)器為熱釋電探測(cè)器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高精度紅外氣體檢測(cè)模塊，包括中空的氣室、光源模塊、探測(cè)模塊和控制模塊，所述的光源模塊與探測(cè)模塊分別安裝于氣室的兩端內(nèi)側(cè)壁上，所述的光源模塊和探測(cè)模塊分別與控制模塊通信連接。本實(shí)用新型的技術(shù)效果在于，采用了NDIR的測(cè)量方式，并配合高靈敏性的傳感器、運(yùn)放和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)了氣體測(cè)量的高精度、高靈敏性；檢測(cè)精度可以達(dá)到≤±0.1%FS，靈敏度≤±0.1%FS；本專利設(shè)計(jì)的測(cè)量方式，傳感器不直接與被測(cè)氣體接觸，減小了傳感器被腐蝕的可能性。由于采用紅外測(cè)量方式，并配合高速的微處理器，使單次測(cè)量時(shí)間僅為5s，優(yōu)于其它氣體檢測(cè)模塊。
文檔編號(hào)G01N21/35GK202974860SQ20122073368
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者江資昉 申請(qǐng)人:湖南省國(guó)瑞儀器有限公司