一种红外CO2气体传感器及其标定系统和温湿度补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种红外CO2气体传感器包括依次连接的硬件电路、红外光源、扁锥型光学气室以及带滤光片的双通道红外探测器。另外，其标定系统包括依次连接的标气瓶、减压阀、恒温箱、导气管、加湿器、湿度传感器以及红外CO2气体传感器；扁锥型光学气室缩小了腔长，使传感器腔体微型化；采用全封闭的温湿度标定系统装置，有效解决了环境中温湿度以及CO2浓度带来的干扰，标定结果更加精确；采用恒温恒湿标定方法解决温湿度误差修正问题，提高了测量精度和稳定性；采用基于遗传算法改进的小波神经网络(GA‑WNN)融合算法对CO2气体传感器进行温湿度误差补偿，提高了测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种红外CO2气体传感器及其标定系统和温湿度补偿方法
本专利技术涉及红外气体传感器领域，特别涉及一种红外CO2气体传感器、基于该传感器的标定系统和利用该系统的温湿度补偿方法。
技术介绍
如今大气环境中CO2气体浓度的逐渐增高，给全球生态环境、气候及人们的生活带来诸多负面影响，因此，实时准确地监测CO2浓度已迫在眉睫。而非分光的红外吸收法具有选择性好、稳定性好、测量范围宽、响应速度快及适于在线检测等优点，逐渐成为在线监测CO2气体浓度的主要方法。但由于室内外CO2气体浓度非常小且波动极微弱，且环境温湿度对其吸收光谱具有一定影响，研究表明：当温度在0～50℃变化时，随着温度的增加，CO2气体对红外光谱吸收能力增强；当湿度增加时，CO2气体对红外光谱吸收能力增强。现阶段红外CO2气体传感器存在测量灵敏度低且无法良好适用于极端天气气候等问题，有鉴于此，有必要对现有的红外气体传感器及其标定系统予以改进以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中红外CO2探测器灵敏度低，准确度不高，无法良好适用于极端天气气候等问题，提出一种红外CO2气体传感器、基于该传感器的标定系统和利用该系统的温湿度补偿方法，标定系统产生的CO2气体恒温恒湿，传感器具有扁锥型的腔体结构，小型化，成本低，并利用一种温湿度修正算法有效地消除了温湿度对浓度探测带来的影响，市场应用价值大。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种红外CO2气体传感器，包括依次连接的红外光源、光学气室、红外探测器、驱动红外光源向光学气室辐射红外光的光源驱动电路、微处理器、信号放大电路、A/D转换电路和通信电路，光源驱动电路在微处理器的控制下驱动红外光源向光学气室辐射红外光，红外光穿过光学气室通过红外探测器射出，红外探测器将光信号转换为电信号并依次经过信号放大电路和A/D转换电路得到探测信号，所述探测信号送至微处理器进行处理并通过通信电路输出。所述光学气室的腔体为扁锥型结构包括扁圆形端和圆形端，该光学气室腔体内侧壁设有镀金反光层，所述扁圆形端设有用于安装红外光源的红外光源安装孔，所述圆形端设有用于安装红外探测器的红外探测器安装孔，所述扁圆形端处设有进气口，所述圆形端处设有出气口，该进气口和出气口位于不同侧。所述红外探测器为带滤光片的双通道红外探测器，该红外探测器设有两路光强感应通道包括探测通道和参考通道，且感应通道的感应窗口处分别安装有不同型号的滤光片，分别为探测滤光片和参考滤光片，且该红外探测器内置有热敏电阻。本专利技术还公开了一种基于红外CO2气体传感器的标定系统，包括依次连接的标气瓶、减压阀、恒温箱、导气管、加湿器、湿度传感器和红外CO2气体传感器，所述导气管、加湿器、湿度传感器和红外CO2气体传感器均置于恒温箱内。所述加湿器从上至下依次包括水槽、用于加热所述水槽中的水以产生水蒸气的加热片、单片机控制电路、用于给加湿器供电的供电电池、蓄水池和用于隔离供电电池和蓄水池的隔离板，该蓄水池通过水泵和水管为水槽供水，所述单片机控制电路与加热片、水泵、湿度传感器连接，还包括用于设置不同湿度的旋转按钮，该旋转按钮与单片机控制电路相连。利用上述标定系统的温湿度补偿方法，包括以下步骤：步骤1：打开红外CO2气体传感器，检测其是否稳定工作；步骤2：将标定系统的标气瓶CO2标准浓度值浓度CK设为C1，打开阀门，检测是否漏气；步骤3：设定加湿器湿度H为H1，30％≤H1≤90％；步骤4：打开恒温箱，调节恒温箱温度T为T1；步骤5：等待直至导气管内和红外CO2气体传感器内部恒温恒湿；步骤6：打开减压阀，CO2气体通过导气管进入红外CO2气体传感器，直至CO2气体充满红外CO2气体传感器，记录红外探测器参考通道电压信号Vr，探测通道电压信号Vm，关闭减压阀；步骤7：依次调节恒温箱温度T为T2、T3、T4、T5，重复步骤4至步骤6，实验结束关闭恒温箱和加湿器；步骤8：设定加湿器湿度H分别为H2、H3、H4、H5，30％≤Hi≤90％，i＝2，3,4,5，重复步骤4至7，实验结束关闭标气瓶阀门；步骤9：更换不同浓度标气瓶，CO2浓度分别为C2、C3、C4、C5，重复步骤2至步骤8；步骤10：实验结束关闭红外CO2气体传感器，将湿度H1温度T1下所测数据根据朗伯比尔定律进行公式反演，得到浓度表达式：Cr＝f(Vr,Vm)(1)将其余温湿度下所测电压信号带入公式，得到计算浓度值Cr，将计算得到的浓度值Cr、湿度值H以及温度值T作为拟合函数Ck(T,H,Cr)的输入变量，利用基于遗传算法改进的小波神经网络融合算法进行曲面拟合，获得拟合函数：Ck(T,H,Cr)＝f(T,H,Vr,Vm)(2)利用该CO2气体浓度修正函数进行实时补偿修正。有益效果：本专利技术与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)采用全封闭的标定系统，有效解决了环境中温湿度以及CO2浓度带来的干扰，标定结果更加精确。(2)采用恒温恒湿标定方法解决温湿度误差修正问题，提高了测量精度和稳定性。(3)采用扁锥型的光学气室，扩大了内部容量，缩小了腔长，符合传感器小型化发展趋势。(4)采用基于遗传算法改进的小波神经网络(GA-WNN)融合算法对CO2气体传感器进行温湿度误差补偿，提高了测量精度。附图说明图1是本专利技术红外CO2气体传感器结构示意图图2是本专利技术光学气室腔体结构示意图。图3是本专利技术标定系统示意图。图4是本专利技术加湿器内部结构示意图。图5是本专利技术解决温湿度影响的标定方法流程图。图6是本专利技术CO2浓度温湿度误差补偿曲面示意图。具体实施方式下面结合附图进一步阐述本专利技术。如图1和图2所示，红外CO2气体传感器包括依次连接的硬件电路、红外光源、扁锥型光学气室以及带滤光片的双通道红外探测器。硬件电路包括光源驱动电路、信号放大电路、A/D转换电路、STM32微处理器以及通信电路。所述光源驱动电路在STM32微处理器控制下驱动红外光源向光学气室辐射宽谱红外光，光学气室腔体结构为扁锥型，其腔体锥角为5°，扁圆形端设有红外光源安装孔1，其用于安装红外光源，其圆形端设有探测器安装孔4，用于安装探测器，腔体内侧壁5设有镀金反光层，使得待测气体在气室中进行多次反射，充分吸收其红外吸收峰波段的红外光，且两侧分别设有进气口2和出气口3，外侧设有用于固定的螺丝孔6。红外光穿过光学气室，通过滤光片的双通道红外探测器出射，红外探测器将出射的光信号转换为电信号，经过信号放大电路和A/D转换电路，再将探测信号传送STM32进行处理，最后通过通信电路输出数据。红外光源为IRL-715，其辐射波长从可见光到5μm，包含了CO2气体特征吸收峰，且输出稳定，在5V电压下工作时，寿命高达40000h，符合要求，安装于红外光源安装孔内，在光源驱动电路驱动下，向外辐射宽谱红外光。带滤光片的双通道红外探测器TPD2T0625，安装于探测器安装孔内，该探测器灵敏度高，设有两路光强感应出窗口，且安装有不同型号的滤光片，分别为探测滤光片和参考滤光片，其中心波长分别为二氧化碳气体的红外吸收峰4.26μm以及远离二氧化碳气体吸收峰的3.95μm。内置一个热敏电阻，由于温度是影响CO2浓度测量的一个重要影响因素，因此可以用它来测量探测器的内部温度来提供参考。如图3与图4所示，标定系统包括依次连接的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种红外CO2气体传感器，其特征在于：包括依次连接的红外光源、光学气室、红外探测器、驱动红外光源向光学气室辐射红外光的光源驱动电路、微处理器、信号放大电路、A/D转换电路和通信电路，光源驱动电路在微处理器的控制下驱动红外光源向光学气室辐射红外光，红外光穿过光学气室通过红外探测器射出，红外探测器将光信号转换为电信号并依次经过信号放大电路和A/D转换电路得到探测信号，所述探测信号送至微处理器进行处理并通过通信电路输出。

【技术特征摘要】
1.一种红外CO2气体传感器，其特征在于：包括依次连接的红外光源、光学气室、红外探测器、驱动红外光源向光学气室辐射红外光的光源驱动电路、微处理器、信号放大电路、A/D转换电路和通信电路，光源驱动电路在微处理器的控制下驱动红外光源向光学气室辐射红外光，红外光穿过光学气室通过红外探测器射出，红外探测器将光信号转换为电信号并依次经过信号放大电路和A/D转换电路得到探测信号，所述探测信号送至微处理器进行处理并通过通信电路输出。2.根据权利要求1所述的一种红外CO2气体传感器，其特征在于：所述光学气室的腔体为扁锥型结构包括扁圆形端和圆形端，该光学气室腔体内侧壁设有镀金反光层，所述扁圆形端设有用于安装红外光源的红外光源安装孔，所述圆形端设有用于安装红外探测器的红外探测器安装孔，所述扁圆形端处设有进气口，所述圆形端处设有出气口，该进气口和出气口位于不同侧。3.根据权利要求1所述的一种红外CO2气体传感器，其特征在于：所述红外探测器为带滤光片的双通道红外探测器，该红外探测器设有两路光强感应通道包括探测通道和参考通道，且感应通道的感应窗口处分别安装有不同型号的滤光片，分别为探测滤光片和参考滤光片，且该红外探测器内置有热敏电阻。4.基于根据权利要求1-3任意一项所述的一种红外CO2气体传感器的标定系统，其特征在于：包括依次连接的标气瓶、减压阀、恒温箱、导气管、加湿器、湿度传感器和红外CO2气体传感器，所述导气管、加湿器、湿度传感器和红外CO2气体传感器均置于恒温箱内。5.根据权利要求4所述的基于红外CO2气体传感器的标定系统，其特征在于：所述加湿器从上至下依次包括水槽、用于加热所述水槽中的水以产生水蒸气的加热片、单片机控制电路、用于给加湿器供电的供电电池、蓄水池和用于隔离供电电池和蓄水池的...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾芳，黄亚磊，孙亚飞，张加宏，
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