采样气室、基于QPSO算法的红外气体传感器及气压补偿方法技术

本发明专利技术提供一种采样气室、基于QPSO算法的红外气体传感器及气压补偿方法，采样气室通过通过引入的三块凹面镜，能够有效增加红外光反射的次数，延长红外光穿过待测气体介质的距离，在保证光程的情况下，有效缩小了气室体积，保证了传感器的小型化；另外，采用量子粒子群算法对红外气体传感器输出的电压值进行气压补偿计算，以获取经气压补偿后的气体浓度值，计算精确度高。

Sampling chamber, infrared gas sensor based on QPSO algorithm and gas pressure compensation method

The invention provides a sampling chamber, an infrared gas sensor based on QPSO algorithm and a gas pressure compensation method. By introducing three concave mirrors, the sampling chamber can effectively increase the times of infrared light reflection, extend the distance of infrared light passing through the gas medium to be measured, effectively reduce the volume of the chamber and ensure the miniaturization of the sensor under the condition of guaranteeing the optical path. Quantum particle swarm optimization (QPSO) algorithm is used to calculate the pressure compensation of the output voltage of infrared gas sensor, in order to obtain the gas concentration value compensated by the pressure, and the calculation accuracy is high.

【技术实现步骤摘要】
采样气室、基于QPSO算法的红外气体传感器及气压补偿方法
本专利技术涉及红外气体传感器
，具体而言涉及一种采样气室、基于QPSO算法的红外气体传感器及气压补偿方法。
技术介绍
红外气体传感器以其测量范围宽、灵敏度高、响应速度快、选择性好、可以连续分析和自动控制等诸多优点，在化工、电力、环境气体监测及煤炭开采等众多领域得到广泛的应用。常见的光学气体检测技术有光干涉技术、光声光谱技术、光离子化技术和非色散红外检测技术，其中，基于特征光谱吸收理论的非色散红外气体传感器结构最为简单、调校周期长、性能稳定、不易中毒、性噪比高且易于集成，具有巨大的市场前景和商业价值。其基本原理是由于不同的气体分子具有不同的特征吸收谱线，气体分子结构的不同致使分子间的能级也不相同，因此在不同频率处对红外辐射的吸收能力也不相同，且气体对红外辐射的吸收关系服从朗伯-比尔定律(Lambert-Beerlaw)。韩国的YounghwanPark等人设计了一种优化了光路和光强的非色散二氧化碳气体传感器，其精度已大大超出工业检测标准。淮南师范学院研制了基于非色散红外吸收原理的井下多组分气体检测仪，通过转动滤光轮，实现了三种气体的浓度的同时检测。然而，在利用非色散红外气体传感器对气体浓度进行检测时，其精度受到环境气压因素的影响。在大气气压变化范围较大的特殊场所，单位体积内的气体被压缩，导致气体的分子间距发生改变，从而使红外辐射被吸收的能量增多，但气体检测的浓度并未发生改变，因此，测出的浓度值和真值相比，有较大的偏差。此外，在实验中气体温度变化非常小，其对气压的影响可以忽略。由标准气体状态方程PV＝nRT可知，当气体体积V一定时，在温度T不变的情况下，随着压强P的升高，气体分子摩尔数将增加，从而导致传感器测量值的增加。目前，消除检测环境气压变化引起的误差的方法主要有两种。一是经验公式法，即采用最小二乘法对同一浓度气体在不同气压下引起的误差进行直线拟合，通过迭代法确定经验公式的相关系数，建立数学模型来进行压强补偿，但此种方法计算量较大，在压强变化较大的场合效果不佳，且经验公式的使用场合有局限性；二是气压控制法，即采用硬件电路模块使检测环境气压保持动态平衡，从而避免因气压改变引起的测量误差，但硬件电路模块的加入增加了功耗、提升了制造成本且不利于设备小型化。另外，现有的红外气体传感器的采样气室一般采用直射式气室结构，这种结构的气室结构简单，缺点在于光程短。所以为了获得高性能的红外气体传感器，需要通过增加气室长度来延长光程，便会导致整个系统体积增大，不利于传感器小型化。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种采样气室、基于QPSO算法的红外气体传感器及气压补偿方法，采用量子粒子群算法对红外气体传感器输出的电压值进行气压补偿计算，以获取经气压补偿后的气体浓度值，计算精确度高；另外，采用多次反射式采样气室，能够有效增加气室内红外光对反射次数，延长红外光穿过待测气体介质的距离，在保证光程的情况下，有效缩小了气室体积，保证了传感器的小型化。为达成上述目的，结合图1，本专利技术提出一种采样气室，所述采样气室沿纵长方向设置有第一端部和第二端部，其中，第一端部上设置有一进气口，第二端部上设置有一出气口；所述采样气室包括电调制红外光源、反光镜、热释电探测器、反光杯、第一凹面镜、两个第二凹面镜；所述电调制红外光源固定安装在采样气室临近第一端部的顶部，所述反光镜固定在电调制红外光源的下方，反光镜的反射面朝向电调制红外光源、并且与采样气室的轴中心线呈45度角；所述热释电探测器固定安装在采样气室临近第一端部的底部，其探测面朝向电调制红外光源，所述反光杯固定在其上方，反光杯的反射面朝向热释电探测器；所述第一凹面镜设置在第一端部的中心位置，第一凹面镜的曲率半径为R1；所述两个第二凹面镜拼接后设置在第二端部的中心位置，两者的拼接线与采样气室的轴中心线重叠，第二凹面镜的曲率半径为R2；所述R1>R2。进一步的实施例中，所述采样气室的进气口内侧设置有防水透气膜。进一步的实施例中，所述采样气室的内壁采用黄铜镀金层。本专利技术还提及一种基于QPSO算法的红外气体传感器，所述红外气体传感器包括红外传感器、气压传感器和微处理系统，其中，红外传感器采用前述具有多次反射特性的采样气室；所述红外传感器、气压传感器分别与微处理系统电连接；所述红外传感器采用具有单光源双光路特性的电调制红外光源，两条光束在采样气室内经多次反射后被热释电探测器接收，两条光束所经路径分别被定义成测量通道和参比通道；所述热释电探测器响应于接收到电调制红外光源发出的两条光束，将之分别转换成一测量电压U0和一参比电压U1发送至微处理系统；所述气压传感器设置在采样气室底部，被设置成实时探测采样气室内气压值，并将探测的气压值转换成一气压电压U2发送至微处理系统；所述微处理系统内设置有一气压补偿模块，气压补偿模块内配置有一量子粒子群算法模型；所述微处理系统接收热释电探测器发送的测量电压U0和参比电压U1、以及气压传感器发送的气压电压U2，归一化处理后，发送至气压补偿模块进行气压补偿计算，以获取经气压补偿后的气体浓度。进一步的实施例中，所述红外气体传感器还具有一显示单元；所述显示单元与微处理系统电连接，用以显示经气压补偿后的气体浓度。图2为本专利技术提出的基于QPSO算法的红外气体传感器的工作流程示意图。实际上，前述基于QPSO算法的红外气体传感器中的红外传感器也可以采用其他结构的采样气室，只需要采用的采样气室具有用以输出测量电压U0和参比电压U1的测量通道和参比通道(即采用双光路特性的红外光源)、以及测量采样气室内气压的装置(例如气压传感器等)即可。但是，在不增加传感器体积的前提下，一方面，由于多次反射导致光程延长，较之不具有多次反射特性的采样气室的红外传感器，本专利技术提及的红外传感器能够使初始得到的未经气压补偿的气体浓度值的探测数值更加精确，另一方面，采用QPSO算法对红外传感器探测的电压值做气压补偿计算。这两个方面的改进使得本专利技术提出的红外传感器能够获得远比现有同体积红外传感器更加精确的性能。结合图3，本专利技术还提及一种基于QPSO算法的红外气体传感器气压补偿方法，所述气压补偿方法包括：S1：创建量子粒子群算法模型；S2：接收热释电探测器发送的测量电压U0和参比电压U1、以及气压传感器发送的气压电压U2，进行归一化处理；S3：将归一化处理后的数据发送至已创建的量子粒子群算法模型的输入层，量子粒子群算法模型对其进行气压补偿计算后，由量子粒子群算法模型的输出层输出计算结果，将输出的计算结果作为经气压补偿后的气体浓度。结合图4，进一步的实施例中，步骤S1中，创建量子粒子群算法模型的方法包括以下步骤：S11：将红外气体传感器的热释电探测器检测通道输出电压U0、参比通道的输出电压U1以及气压传感器的输出电压U2发送到微处理系统，对电压数据进行归一化处理，将归一化后的处理数据作为量子粒子群算法的输入样本；S12：随机初始化粒子群中各粒子的位置；S13：计算粒子群中所有粒子个体最好位置的平均；S14：计算每个粒子的当前适应度值，并与该粒子历史最好适应度值进行比较，值小的作为该粒子最好适应度值；S15：比较粒子群中每个粒子的最优适应度值，最小值作为当本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采样气室，其特征在于，所述采样气室沿纵长方向设置有第一端部和第二端部，其中，第一端部上设置有一进气口，第二端部上设置有一出气口；所述采样气室包括电调制红外光源、反光镜、热释电探测器、反光杯、第一凹面镜、两个第二凹面镜；所述电调制红外光源固定安装在采样气室临近第一端部的顶部，所述反光镜固定在电调制红外光源的下方，反光镜的反射面朝向电调制红外光源、并且与采样气室的轴中心线呈45度角；所述热释电探测器固定安装在采样气室临近第一端部的底部，其探测面朝向电调制红外光源，所述反光杯固定在其上方，反光杯的反射面朝向热释电探测器；所述第一凹面镜设置在第一端部的中心位置，第一凹面镜的曲率半径为R1；所述两个第二凹面镜拼接后设置在第二端部的中心位置，两者的拼接线与采样气室的轴中心线重叠，第二凹面镜的曲率半径为R2；所述R1>R2。

【技术特征摘要】
1.一种采样气室，其特征在于，所述采样气室沿纵长方向设置有第一端部和第二端部，其中，第一端部上设置有一进气口，第二端部上设置有一出气口；所述采样气室包括电调制红外光源、反光镜、热释电探测器、反光杯、第一凹面镜、两个第二凹面镜；所述电调制红外光源固定安装在采样气室临近第一端部的顶部，所述反光镜固定在电调制红外光源的下方，反光镜的反射面朝向电调制红外光源、并且与采样气室的轴中心线呈45度角；所述热释电探测器固定安装在采样气室临近第一端部的底部，其探测面朝向电调制红外光源，所述反光杯固定在其上方，反光杯的反射面朝向热释电探测器；所述第一凹面镜设置在第一端部的中心位置，第一凹面镜的曲率半径为R1；所述两个第二凹面镜拼接后设置在第二端部的中心位置，两者的拼接线与采样气室的轴中心线重叠，第二凹面镜的曲率半径为R2；所述R1>R2。2.根据权利要求1所述的采样气室，其特征在于，所述采样气室的进气口内侧设置有防水透气膜。3.根据权利要求1所述的采样气室，其特征在于，所述采样气室的内壁采用黄铜镀金层。4.一种基于QPSO算法的红外气体传感器，其特征在于，所述红外气体传感器包括红外传感器、气压传感器和微处理系统，其中，红外传感器采用权利要求1-3任意一项中所述的采样气室；所述红外传感器、气压传感器分别与微处理系统电连接；所述红外传感器采用具有单光源双光路特性的电调制红外光源，两条光束在采样气室内经多次反射后被热释电探测器接收，两条光束所经路径分别被定义成测量通道和参比通道；所述热释电探测器响应于接收到电调制红外光源发出的两条光束，将之分别转换成一测量电压U0和一参比电压U1发送至微处理系统；所述气压传感器设置在采样气室底部，被设置成实时探测采样气室内气压值，并将探测的气压值转换成一气压电压U2发送至微处理系统；所述微处理系统内设置有一气压补偿模块，气压补偿模块内配置有一量子粒子群算法模型；所述微处理系统接收热释电探测器发送的测量电压U0和参比电...

【专利技术属性】
技术研发人员：常建华，赵勇毅，沈婉，赵正杰，
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