一种光干涉气体浓度传感器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光干涉气体浓度传感器系统，包括参考气室、采样气室、第一光源、第二光源、平面镜、第一折光棱镜、第二折光棱镜。参考气室和采样气室各有一个矩形气室和一个梯形气室。第一光源或者第二光源分时发光，分别经过矩形气室和梯形气室进行全量程高精度测量，光源发出的光线经聚光镜会聚后以45°角入射到背面镀有全反射膜的平面镜，平面镜将光线分成平行的两束光，两束光穿过采样气室和参考气室，然后分别经折光棱镜反射后同时穿过矩形参考气室，最后光线穿过补偿棱镜后到达平面镜重新汇合成一束光，在光电探测元件处产生干涉条纹。根据光电探测元件的光强，测得待测气体浓度。

Optical interference gas concentration sensor system

The invention discloses a light interference gas concentration sensor system, which comprises a reference air chamber, a sampling air chamber, a first light source, a second light source, a plane mirror, a first refracting prism and a second refracting prism. A reference gas chamber and a sampling gas chamber each have a rectangular gas chamber and a trapezoidal gas chamber. The first light source or second source light, respectively through a rectangular chamber and a trapezoidal chamber full range high precision measurement, the light emitted from the light from the condenser converged at 45 degrees angle incident to the back plane mirror coated with total reflection film, mirror light into two beams of parallel light beams passing through. The sampling chamber and the reference gas chamber, and then through the reflection and refraction prism through the rectangular reference gas chamber, the last light through the prism after the arrival of the plane mirror compensation re merged into a beam of light interference fringes in photoelectric detecting element. According to the light intensity of the photoelectric detecting element, the concentration of the gas to be measured is measured.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种精密检测
，尤其涉及光干涉气体浓度传感器系统，其能够通过巧妙的设计两个不同的光路，使得同一光源发出的光线通过不同形状的气室，由于气室中气体浓度的不同产生光程差以及相移，两路光线发生干涉现象。并且干涉条纹的移动量与通过气室中气体浓度有确定的关系，最终达到精确检测采样气室中气体浓度的目的。
技术介绍
目前，各种检测手段不断发展，各个检测领域所能达到的检测精度不断提高，但是对于气体浓度的检测，虽然在某一量程范围内的精度也在逐步提高，但是一直未能有一种全量程高精度的气体浓度传感器。气体浓度传感器也被称为气体敏感元件，是进行气体检测的核心部件，是探测存在于环境中气体及其浓度的一种器件或装置。对气体浓度的检测方法，主要有催化反应型、热导型、气敏半导体型、红外型以及光干涉型。催化反应型气体浓度传感器主要是利用可燃气体在传感器中的载体催化元件表面发生氧化反应，产生热量引起元件电阻值的改变，据此来检验不同浓度的气体。此种检测方式只能针对可燃气体，使得可燃气体在反应室中进行无烟燃烧进行检测，适用于浓度低的情况，且探测元件寿命短，温度漂移大，适用范围有限。热导型气体浓度传感器是通过利用被检测气体与空气的热导率差异，得到与被测气体浓度相关的电信号，据此就可以确定气体浓度。此种方式测量的信号非常微弱，且受加工精度的影响非常大。气敏半导体型气体浓度传感器是利用某些金属氧化物在特定温度下，吸附不同气体后电阻率将发生大幅度变化这一原理制成的。气敏半导体元件具有灵敏度高、能耗少、寿命长等优点。但是此种传感器选择性差，受水蒸气的影响严重，并且线性测量的范围窄，测量可燃气体浓度的精度差。红外型气体浓度传感器是利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，吸收强度与气体浓度相关的事实来检测气体浓度。该种传感器对使用环境要求较高，价格昂贵。光干涉式气体浓度传感器的检测原理是应用光的干涉现象来测量气体的浓度。在现有光干涉式气体浓度监测技术与方法中，光路中的气室设计均采用长方体形式，气室由轴向中心凹槽分隔成两个腔体，构成参考气室与采样气室，两腔体平行且长度相同。测量不同浓度范围的气体时需要分别制造不同长度的气室，并且该种长方体气室只适用于低浓度气体的测量，对于高浓度的气体测量，所需的气室长度太短，不能再增加合适尺寸的气体插入口；前后两块高透光的平面透镜几乎贴在一起，生产加工难度大。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在克服上述现有气体浓度检测技术与方法的缺陷，提供一种新光干涉气体浓度测量光路的设计形式，不但可以测量气体高浓度范围，还可以测量气体低浓度范围，且精度高，使得光干涉式气体传感器的制造更加简便、成本更低。为此，本专利技术提出了一种光干涉气体浓度传感器系统，其特征在于，包括第一矩形参考气室、第二梯形参考气室、第一矩形采样气室、第二梯形采样气室、第一光源、第二光源、聚光镜、背面镀有全反射膜的平面镜、第一折光棱镜、第二折光棱镜，其中，第一梯形参考气室和第二矩形参考气室中充有参考气体，而第一梯形采样气室和第二矩形采样气室中充有待测气体；所述第一梯形参考气室和第二矩形参考气室互通，所述第一梯形参考气室和第二矩形参考气室互通；第一参考气室和第一采样气室水平并排排列，且梯形斜边重合；第二矩形参考气室位于第一参考气室和第一采样气室下方，第二矩形采样气室位于第二参考气室下方，第二矩形参考气室和第二矩形采样气室竖直并排排列；所述第一光源发出的光经过背面镀有全反射膜的平面镜反射后，分成平行的两束光，并分别水平入射至第一梯形参考气室和第一梯形采样气室；经过第一梯形参考气室和第一梯形采样气室的两束光经过第一折光棱镜反射后，再经过第二折光棱镜后水平入射至第二矩形参考气室；经过第二矩形参考气室的两束光水平入射至所述背面镀有全反射膜的平面镜反射后，两束光合并成一束光后，在光电探测元件处产生第一干涉条纹；所述第二光源发出的光经过背面镀有全反射膜的平面镜反射后，分成平行的两束光，并分别水平入射至第一矩形参考气室和第一矩形采样气室；经过第一矩形参考气室和第一矩形采样气室的两束光经过第二折光棱镜反射后，水平入射至第二矩形参考气室；经过第二矩形参考气室的两束光水平入射至所述背面镀有全反射膜的平面镜反射后，两束光合并成一束光后，在光电探测元件处产生第二干涉条纹；所述光电探测元件分别探测第一干涉条纹和第二干涉条纹，以根据第一干涉条纹和第二干涉条纹获得待测气体的浓度。本专利技术提出的光干涉式气体浓度传感器系统与现有技术相比具有如下优点：(1)可测量高低不同范围的气体浓度；(2)测量不同范围气体浓度时，待测气体进入梯形采样气室和矩形采样气室，通过两次不同的光路，分别确定出待测气体的基本浓度范围和在某一浓度范围内的精确浓度，结合两次测量结果即可得到待测气体的精确浓度；(3)在实际应用中，可以根据作业性能的好坏选择适于加工的全反射膜平面镜，简化了产品生产制作过程，降低了生产成本，提高了产品性能。附图说明图1是本专利技术中光干涉气体浓度传感器系统的结构示意图；图2是本专利技术中气室的立体结构图；图3是本专利技术检测气体浓度的流程图；图4(a)-(b)是利用本专利技术在第一阶段测量产生的干涉条纹示意图；图5(a)-(b)是利用本专利技术在第二阶段微小浓度变化前后测量产生的干涉条纹示意图；图6(a)-(b)是利用本专利技术在第二阶段大浓度变化前后测量产生的干涉条纹示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作详细说明。本专利技术提出的传感器系统用于全量程范围内的气体浓度的测量，且测量精度高，由第一光源或者第二光源发出的一束光经过平面镜反射和折射后分成两束光，并分别通过充有空气的参考气室和充有待测气体的采样气室后，经过平面镜反射和折射后再相遇时两束光会产生干涉条纹，随待测气体的浓度不同，干涉条纹的位置会随之发生移动；在所述光路设计中的第一光源和第二光源分别放置在光电探测元件两侧，第一光源和第二光源分时发光，逐步对待测气体进行检测；所述参考气室和采样气室在所述光路设计中各有一个矩形气室和一个梯形气室，同一类型的矩形气室和梯形气室相互连通，参考气室和采样气室的梯形气室位于气室的上半部分，两梯形气室水平并排排列，左侧为梯形采样气室，右侧为梯形参考气室，两梯形气室斜边重合，用高透光平面透镜密封隔离，梯形采样气室的左侧和梯形参考气室的右侧分别用高透光平面透镜与外界进行密封隔离，其他方向用金属与外界密封隔离；参考气室和采样气室的矩形气室位于气室的下半部分，两矩形气室竖直并排排列，上侧为矩形参考气室，下侧为矩形采样气室，两矩形气室之间用金属密封隔离，左侧和右侧分别用高透光平面透镜与外界进行密封隔离，矩形参考气室和梯形参考气室之间有一连通区域，保证两参考气室中气体完全一致，两采样气室通过毛细管相互连通，保证两采样气室中气体完全一致；梯形气室用于确定待测气体浓度的基本数值范围，矩形气室用于精确测量待测气体浓度，采样气室经过滤室连接到进气口，参考气室用毛细管连接到标准气囊；所述的第一折光棱镜位于气室的右侧偏上部分，两反射面的背面均镀有全反射膜，用于反射由第一光源发出的光线，所述的第二折光棱镜位于气室的右侧偏下部分，下侧反射面背面镀有全反射膜，用来反射由第二光源发出的光线，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光干涉气体浓度传感器系统，其特征在于，包括第一矩形参考气室、第二梯形参考气室、第一矩形采样气室、第二梯形采样气室、第一光源、第二光源、聚光镜、背面镀有全反射膜的平面镜、第一折光棱镜、第二折光棱镜，其中，第一梯形参考气室和第二矩形参考气室中充有参考气体，而第一梯形采样气室和第二矩形采样气室中充有待测气体；所述第一梯形参考气室和第二矩形参考气室互通，所述第一梯形参考气室和第二矩形参考气室互通；第一参考气室和第一采样气室水平并排排列，且梯形斜边重合；第二矩形参考气室位于第一参考气室和第一采样气室下方，第二矩形采样气室位于第二参考气室下方，第二矩形参考气室和第二矩形采样气室竖直并排排列；所述第一光源发出的光经过背面镀有全反射膜的平面镜反射后，分成平行的两束光，并分别水平入射至第一梯形参考气室和第一梯形采样气室；经过第一梯形参考气室和第一梯形采样气室的两束光经过第一折光棱镜反射后，再经过第二折光棱镜后水平入射至第二矩形参考气室；经过第二矩形参考气室的两束光水平入射至所述背面镀有全反射膜的平面镜反射后，两束光合并成一束光后，在光电探测元件处产生第一干涉条纹；所述第二光源发出的光经过背面镀有全反射膜的平面镜反射后，分成平行的两束光，并分别水平入射至第一矩形参考气室和第一矩形采样气室；经过第一矩形参考气室和第一矩形采样气室的两束光经过第二折光棱镜反射后，水平入射至第二矩形参考气室；经过第二矩形参考气室的两束光水平入射至所述背面镀有全反射膜的平面镜反射后，两束光合并成一束光后，在光电探测元件处产生第二干涉条纹；所述光电探测元件分别探测第一干涉条纹和第二干涉条纹，以根据第一干涉条纹和第二干涉条纹获得待测气体的浓度。...

【技术特征摘要】
1.一种光干涉气体浓度传感器系统，其特征在于，包括第一矩形参考气室、第二梯形参考气室、第一矩形采样气室、第二梯形采样气室、第一光源、第二光源、聚光镜、背面镀有全反射膜的平面镜、第一折光棱镜、第二折光棱镜，其中，第一梯形参考气室和第二矩形参考气室中充有参考气体，而第一梯形采样气室和第二矩形采样气室中充有待测气体；所述第一梯形参考气室和第二矩形参考气室互通，所述第一梯形参考气室和第二矩形参考气室互通；第一参考气室和第一采样气室水平并排排列，且梯形斜边重合；第二矩形参考气室位于第一参考气室和第一采样气室下方，第二矩形采样气室位于第二参考气室下方，第二矩形参考气室和第二矩形采样气室竖直并排排列；所述第一光源发出的光经过背面镀有全反射膜的平面镜反射后，分成平行的两束光，并分别水平入射至第一梯形参考气室和第一梯形采样气室；经过第一梯形参考气室和第一梯形采样气室的两束光经过第一折光棱镜反射后，再经过第二折光棱镜后水平入射至第二矩形参考气室；经过第二矩形参考气室的两束光水平入射至所述背面镀有全反射膜的平面镜反射后，两束光合并成一束光后，在光电探测元件处产生第一干涉条纹；所述第二光源发出的光经过背面镀有全反射膜的平面镜反射后，分成平行的两束光，并分别水平入射至第一矩形参考气室和第一矩形采样气室；经过第一矩形参考气室和第一矩形采样气室的两束光经过第二折光棱镜反射后，水平入射至第二矩形参考气室；经过第二矩形参考气室的两束光水平入射至所述背面镀有全反射膜的平面镜反射后，两束光合并成一束光后，在光电探测元件处产生第二干涉条纹；所述光电探测元件分别探测第一干涉条纹和第二干涉条纹，以根据第一干涉条纹和第二干涉条纹获得待测气体的浓度。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述背面镀有全反射膜的平面镜与第一光源和第二光源发出的光呈45...

【专利技术属性】
技术研发人员：李恩，梁自泽，龙腾，谭民，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11