一种二氧化硫气体传感器及其温湿度修正方法技术

本发明专利技术公开了一种二氧化硫气体传感器及其温湿度修正方法，该二氧化硫气体传感器包括红外光源、光学气室、红外双光路滤光片阵列、红外探测器阵列；光学气室上设有进气口和出气口；红外光源设于光学气室的头端；红外双光路滤光片阵列、红外探测器阵列依次设于光学气室的尾部；红外双光路滤光片阵列包括探测滤光片和参考滤光片；红外探测器包括与探测滤光片、参考滤光片一一对应的二氧化硫气体探测器和参考探测器；二氧化硫气体探测器和参考探测器均采用热电偶阵列，该热电偶阵列采用三个热电偶呈正三角形排列，且在冷端采用冷端补偿器。本发明专利技术能有效消除温漂对探测器本身的影响，提高了探测器的灵敏度，集成化程度高。

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化硫气体传感器及其温湿度修正方法
本专利技术属于红外气体传感器领域，具体涉及一种二氧化硫气体红外传感器及其温湿度修正方法。
技术介绍
如今大气环境检测是世界各地广泛关注的重要课题，SO2作为一种污染性气体，不仅对自然生态系统、建筑物、农作物造成了一定的危害，更危及人体健康，而我国作为SO2气体排放大国，对SO2气体进行实时监测具有重要意义。目前，二氧化硫浓度测量方法主要有电化学法、红外光谱吸收法以及紫外荧光法等。其中红外吸收型SO2传感器因具有测量范围宽、精度高、稳定性好及选择性好等优点得到了广泛应用。但由于室内外环境SO2气体浓度非常小，且气体吸收效率极易受到环境温湿度的影响从而产生较大的传感器测量偏差，因此现阶段SO2气体传感器存在测量精度不高、灵敏度低且无法良好适用于极端天气测量等问题，有鉴于此，有必要对现有的SO2红外气体传感器予以改进以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能够减小环境温湿度影响的气体传感器。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种二氧化硫气体传感器，该二氧化硫气体传感器包括红外光源、光学气室、红外双光路滤光片阵列、红外探测器阵列；所述光学气室上设有进气口和出气口，通过进气口和出气口与待测气体环境相通；所述红外光源设于所述光学气室的头端；所述红外双光路滤光片阵列、红外探测器阵列依次设于所述光学气室的尾部；所述红外光源出射的宽谱红外光依次经光学气室、红外双光路滤光片阵列后，进入红外探测器阵列；所述红外双光路滤光片阵列包括探测滤光片和参考滤光片；所述红外探测器包括与探测滤光片、参考滤光片一一对应的二氧化硫气体探测器和参考探测器；所述二氧化硫气体探测器和参考探测器均采用热电偶阵列，该热电偶阵列采用三个热电偶呈正三角形排列，且在冷端采用冷端补偿器。进一步的，光学气室包括光入射端圆柱体、光出射端圆柱体、以及两者之间的过渡部分；光学气室内腔体在光出射端圆柱体处的半径为光入射端圆柱体处半径的两倍；所述光学气室的光入射端圆柱体、过渡部分、光出射端圆柱体的长度比例为1:1:3。进一步的，光学气室内的腔体总长度L′为其中，r为光入射端圆柱体处的腔体半径，θ为红外光源斜入射时与光学气室中心轴线的夹角，L为所述二氧化硫气体探测器在光学气室采用圆柱体时的最优腔体长度。进一步的，探测滤光片和参考滤光片的中心波长分别为3.98μm和3.95μm。进一步的，二氧化硫气体探测器和参考探测器在对应探测滤光片和参考滤光片的位置处分别设有光强感应窗口，所述热电偶阵列分别设于对应的光强感应窗口内；所述光强感应窗口采用黑体材料。进一步的，光学气室的内侧壁采用绝缘绝热材料，且表面设有镀金反光层。进一步的，光学气室的进气口和出气口处分别设有过滤网。本专利技术还提供了上述二氧化硫气体传感器的温湿度修正方法，包括以下步骤：(1)将已标定二氧化硫浓度的空气样品采用所述二氧化硫气体传感器进行浓度检测，得到浓度测量数据，并分别测得此时空气样品的温湿度；(2)将浓度测量数据、温湿度分别作为三个自变量，通过一元线性拟合使得其得出的线性组合与浓度标定数据的相关程度达到最大；(3)对步骤(2)得到的线性组合与浓度标定数据向量结合的交叉矩阵进行特征值计算，得出各子矩阵的成分得分向量；(4)通过数据交叉有效性的检验，整理系数，得到浓度标定数据与浓度测量数据、温湿度的初步模型；(5)利用步骤(4)得到的模型计算二氧化硫气体的浓度数据。进一步的，将步骤(5)得到的浓度数据作为浓度测量数据，重复进行步骤(2)至步骤(5)操作两次，最终得到浓度标定数据与浓度测量数据、温湿度的最佳模型，并根据该模型计算得到真实准确的二氧化硫气体浓度。具体步骤如下：步骤一：设已标定的SO2气体浓度值为V，测量SO2时环境温度为T、环境湿度为ρω、经过传感器测量得出SO2气体浓度值为V′，为了方便起见，我们假定因变量V与自变量T、ρω、V′均为标准化变量。因变量和自变量组的n次标准化观测数矩阵F0和E0分别记为：提取自变量组的第一成分t1，使t1与V的相关性达到最大。步骤二：假设从两组变量分别提出第一对成分为t1和V，t1是自变量集E＝(T,ρω,V′)T的线性组合：t1＝w11T+w12ρω+w13V′。为了满足回归分析的需要，要求：[1]尽可能多地提取所在变量组的变异信息；[2]t1与V的相关程度达到最大。步骤三：由两组变量集的标准化观测矩阵E0和F0，可以计算第一对成分的得分向量，记为和[1]求矩阵最大特征值所对应的特征向量w1，求得成分计算成分得分向量和残差矩阵其中[2]求矩阵最大特征值所对应的特征向量w2，求得成分计算成分得分向量和残差矩阵其中[3]重复此操作，至第r步，求矩阵最大特征值所对应的特征向量wr，求得成分计算成分得分向量步骤四：如果通过了数据交叉有效性的检验，确定抽取的r个成分t1,...,tr可以得到一个满意的预测模型，则求F0在上的普通回归方程为：把即得p个因变量的多维数据回归方程式：yj＝aj1x1+…+ajmxm(j＝1,2,…,m)步骤五：将得出的关系式经过系数的整合，最终得出修正数据V1：V1＝a1T+b1ρω+c1V′+d1将V1看作自变量代替测量数据V′，重复步骤一至步骤四，得出修正数据V2：V2＝a2T+b2ρω+c2V1+d2＝(a2+c2a1)T+(b2+c2b1)ρω+c1c2V′+d2+c2d1将V2看作自变量代替测量数据V′，重复步骤一至步骤四，得出修正数据V3：V3＝a3T+b3ρω+c3V2+d3＝(a3+c3a2+c3c2a1)T+(b3+c3b2+c3c2b1)ρω+c1c2c3V′+d3+c3d2+c3c2d1重复测量三次之后，得出的最终回归式V3即为精确度非常高的浓度结果，将上式温湿度补偿模型应用于SO2红外气体传感器中，环境温湿度的影响将会降到最低，误差η＝(V3-V)/V会非常小。本专利技术相比现有技术具有以下优点：(1)本专利技术采用正三角形排列组成热电偶阵列组成探测器内部温度测量结构，并采用冷端电桥补偿的方法，消除了温漂对探测器本身的影响，提高了探测器的灵敏度，集成化程度高。(2)同时采用改进的偏最小二乘法回归分析建模的方法解决环境温湿度误差修正问题，提高了测量精度和稳定性。(2)本专利技术光学气室采用双圆台形状，扩大了内部容量，缩小了腔长，使得传感器小型化，节约了成本。附图说明图1为本专利技术二氧化硫气体传感器的结构示意图；图2为图1中红外探测器阵列的结构示意图；图3为图2中热电偶阵列的测温电路图；图4为本专利技术温湿度修正方法的流程图。图中，1-红外光源，2-红外光源安装孔，3-光学气室，4-红外双光路滤光片阵列，5-红外探测器阵列，6-光强感应窗口，7-热电偶阵列，8-气室气体进口，9-气室气体出口。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细说明。如图1与图2所示，传感器结构包括依次连接的红外光源1、光学气室3、红外双光路滤光片阵列4、红外探测器阵列5。光学气室3采用双圆台结构，包括光入射端圆柱体、光出射端圆柱体、以及两者之间的过渡部分。光入射端圆柱体头端设有红外光源安装孔2，红外光源1安装于红外光源安装孔2内，在光源驱动电路驱动下，向外辐射宽谱红外光，并以与光学气室3中轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化硫气体传感器，其特征在于：所述二氧化硫气体传感器包括红外光源、光学气室、红外双光路滤光片阵列、红外探测器阵列；所述光学气室上设有进气口和出气口，通过进气口和出气口与待测气体环境相通；所述红外光源设于所述光学气室的头端；所述红外双光路滤光片阵列、红外探测器阵列依次设于所述光学气室的尾部；所述红外光源出射的宽谱红外光依次经光学气室、红外双光路滤光片阵列后，进入红外探测器阵列；所述红外双光路滤光片阵列包括探测滤光片和参考滤光片；所述红外探测器包括与探测滤光片、参考滤光片一一对应的二氧化硫气体探测器和参考探测器；所述二氧化硫气体探测器和参考探测器均采用热电偶阵列，该热电偶阵列采用三个热电偶呈正三角形排列，且在冷端采用冷端补偿器。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化硫气体传感器，其特征在于：所述二氧化硫气体传感器包括红外光源、光学气室、红外双光路滤光片阵列、红外探测器阵列；所述光学气室上设有进气口和出气口，通过进气口和出气口与待测气体环境相通；所述红外光源设于所述光学气室的头端；所述红外双光路滤光片阵列、红外探测器阵列依次设于所述光学气室的尾部；所述红外光源出射的宽谱红外光依次经光学气室、红外双光路滤光片阵列后，进入红外探测器阵列；所述红外双光路滤光片阵列包括探测滤光片和参考滤光片；所述红外探测器包括与探测滤光片、参考滤光片一一对应的二氧化硫气体探测器和参考探测器；所述二氧化硫气体探测器和参考探测器均采用热电偶阵列，该热电偶阵列采用三个热电偶呈正三角形排列，且在冷端采用冷端补偿器。2.根据权利要求1所述的二氧化硫气体传感器，其特征在于：所述光学气室包括光入射端圆柱体、光出射端圆柱体、以及两者之间的过渡部分；光学气室内腔体在光出射端圆柱体处的半径为光入射端圆柱体处半径的两倍；所述光学气室的光入射端圆柱体、过渡部分、光出射端圆柱体的长度比例为1:1:3。3.根据权利要求2所述的二氧化硫气体传感器，其特征在于：所述光学气室内的腔体总长度为；其中，r为光入射端圆柱体处的腔体半径，θ为红外光源斜入射时与光学气室中心轴线的夹角，L为所述二氧化硫气体探测器在光学气室采用圆柱体时的最优腔体长度。4.根据权利要求1至3任一所述的二氧化硫气体传感器，其特征在于：所述探测滤光片和参考滤光片的中心波长分别为3.98μm和3.9...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾芳，何鹏翔，黄亚磊，陈帅东，王丽阳，夏伟祥，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32