一种带恒温控制功能的高灵敏多气体浓度检测系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种带恒温控制功能的高灵敏多气体浓度检测系统及控制方法，属于气体传感器技术领域，该检测系统的气室采用反射式的结构，在气室设计得足够小的基础上，让红外光在腔壁上经过多次反射，继而透射到热释电探测器上，通过分析特定波长下红外光强度的变化来测定不同气体的浓度，最终通过WIFI模块采用无线传输将浓度信息在手机端上进行显示。另外采用带有石墨烯加热片的光学腔壁构成气室，对检测系统的环境温度进行控制，保证气体传感器气室内恒温，从而消除环境温度变化对检测结果的影响。

A High Sensitivity Multi-gas Concentration Detection System and Control Method with Constant Temperature Control Function

【技术实现步骤摘要】
一种带恒温控制功能的高灵敏多气体浓度检测系统及控制方法
本专利技术属于气体传感器
，尤其涉及一种带恒温控制功能的高灵敏多气体浓度检测系统及控制方法。
技术介绍
随着科技水平与社会经济的发展，多气体实时监测与分析在矿井勘探、化工生产、灾害预报、污染控制等各个领域的需求显得日益突出。在众多气体浓度的检测方法中，最常见的检测技术如下：一是电化学法，气体在电极处通过催化剂和高温作用发生氧化还原反应，促使电极之间的电信号发生改变，从而检测出待测气体的浓度，此方法检测精度不高、气体选择性较差，氧化还原反应的同时可能会产生有毒气体造成污染；二是紫外线电离法，水银灯放射出的紫外线照射到光电阴极上，逸出的光电子附着在待测气体分子上，从而产生离子在检测电阻上形成一定的电流，同时可以检测出待测气体的浓度，此方法的检测范围太小，且存在设备无法小型化的缺点；三是超声波法，在不同的气体介质中，超声波的传播速度有所不同，通过检测超声波在不同气体介质中从同一发射端到同一接收端的时间差值，可以检测出不同气体的浓度，此方法检测结果易受温度和湿度的影响，且存在检测范围较小的缺点；四是高压击穿法，根据浓度不同的气体有着不同的绝缘性能这一特性，在高压电极之间通入待测气体，电极之间的电信号会发生改变，从而检测出待测气体的浓度，此方法存在灵敏度较差的缺点，且无法进行长时间的在线检测。非色散红外检测技术基于不同的气体分子存在不同的化学结构，对不同波段的红外光具有吸收作用，这种吸收作用服从朗伯-比尔定律，公式为：I＝I0e-βCL其中，I表示待测气体吸收过后的红外光光强，I0表示红外光源的辐射光强，β表示气体的吸光系数，C表示采样气室内待测气体的浓度，L表示红外光光程。红外光经过不同气体吸收过后分别可以通过相应的滤光片，最终到达热释电探测器的探头，探测元件将捕捉到的红外光信号转换成微弱的电信号，经过滤波放大和A/D转换之后，从而检测出待测气体的浓度。基于红外检测技术的气体传感器，具有相当高的检测精度和检测速度，制造成本相对传统的检测设备较低，不存在二次污染，不会造成检测设备的腐蚀以及人员伤亡，同时，具有良好的检测性和稳定性，能够抵抗各种温度、湿度的干扰，可以进行连续的长时间实时监测，方便后期检测设备维护与保养。常用的非色散红外气体传感器在检测气体浓度的过程中，往往只能对单一气体浓度进行探测，如需进行多气体的检测，则需要在检测过程中切换多个滤波器，导致整个检测系统结构相当复杂。因此，为了优化整个传感器系统的结构，实现设备的小型化、便捷化，需要对现有非色散红外气体传感器的气室进行改进，解决气室中光路光程短的问题，还可测量多种气体，同时要尽量避免红外光在气室内的损耗，最终能够适应各种复杂的检测领域的使用。此外，环境温度对气体传感器测量结果有很大的影响，目前即使通过探测器的参考电路能够部分去除了温度对探测器测量结果的影响，温度也会显著影响气体吸收效率，从而导致气体浓度测量误差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、精度高、性价比高、集成化高、带恒温控制功能的用于多气体检测的非色散红外气体传感器。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，由光学系统和外围电路组成，其中光学系统包括红外光源、聚光片、灯座、曲面反射镜、采样气室、热释电探测器、探测器支架、滤光片、透气膜，外围电路包括交流电源、滤波放大电路、温度检测电路以及由A/D转换器、STM32单片机、TB6612FNG功率放大芯片、带有石墨烯加热片的光学腔壁的智能恒温控制电路；其中，采样气室包括采样气室一和采样气室二，采样气室一由带有石墨烯加热片的光学腔壁构成，红外光源镶嵌在聚光片内，并通过灯座固定到采样气室一的光学腔壁上，曲面反射镜一和曲面反射镜二分别粘贴在采样气室一的光学腔壁上，封装了六个窄带滤光片的探测器通过支架与采样气室一固定到一起，且与红外光源固定在采样气室的同一端，温度传感器封装在采样气室一内，并在采样气室一进气端封装好透气膜，采样气室一整个镶嵌到由塑料构成的采样气室二上；探测器连接到采样气室外的滤波放大电路，放大后的信号经过A/D转换电路模数转换之后送入STM32单片机；STM32单片机连接有电源电路、调制电路、WIFI模块、温度采集电路以及智能温控电路；温度采集电路测量采样气室一内的实时温度传输给STM32单片机，单片机则根据接受到的温度信号利用智能恒温控制电路实现采样气室恒温；STM32单片机还与调制电路相连，用于控制红外光源的频率和强度。作为本专利技术一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的进一步优选方案，所述聚光片为高透光率亚克力LED透镜，用于将LED红外光源发出的发散式的红外光汇聚成任意需要的角度，所述灯座用于将整个光源固定到采样气室内。作为本专利技术一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的进一步优选方案，所述采样气室一为圆筒型复合结构，由带有石墨烯加热片的光学腔壁构成，铝合金光学内壁镀有一层铜膜，且镶嵌有两个曲面反射镜，红外光在气室中反射两次后最终透射到热释电探测器上，所述曲面反射镜为SiO2，用于对红外光具有良好的反射性，且反射过程中不会对红外光的能量产生削弱作用。作为本专利技术一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的进一步优选方案，所述采样气室二为长方体结构，采用塑料材质制成，可与采样气一组合成整体气室，其右侧设计有入气口和出气口，用于标定和检测过程中进行气体交换。作为本专利技术一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的进一步优选方案，所述热释电探测器为六通道形式，且封装了六个滤光片，分别通过红外光以及被五个待测气体吸收过的红外光，且整个探测器通过支架固定在采样气室内；所述滤光片选用中心波长分别为3.95μm、4.66μm、4.26μm、3.3μm、7.30μm、1.57μm的窄带滤光片。作为本专利技术一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的进一步优选方案，所述过滤网为mv-2fg-01防水透气膜，其孔径小于水珠10000倍，使水分无法通过，微孔通道在膜内结成网状立体结构，均匀密集的微孔分布，使灰尘遇到阻隔，达到有效的防尘效果；所述滤波放大电路为仪表放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。作为本专利技术一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的进一步优选方案，所述温度检测电路采用Pt100铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而变化，用于实时监测采样气室内部的环境气温；所述A/D转换器采用AD7195；所述STM32单片机的芯片型号为STM32F407；所述智能温控电路采用以TB6612FNG芯片为核心的反馈电路。一种基于带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统的控制方法，具体包含如下步骤；步骤1，选取PID算法对采样气室内的温度进行智能控制，采用以TB6612FNG功率放大芯片为核心的反馈电路；步骤2，设定温度控制的目标值，其中目标值为50℃，单片机输出占空比可变的PWM信号给TB6612FNG功率放大芯片，功率放大后驱动石墨烯加热片加热；步骤3，带有石墨烯加热片的光学腔壁对采样气室内部进行加温，温度传感器采集当前采样气室内的温度值；步骤4，将当前温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，其特征在于：由光学系统和外围电路组成，其中光学系统包括红外光源、聚光片、灯座、曲面反射镜、采样气室、热释电探测器、探测器支架、滤光片、透气膜，外围电路包括交流电源、滤波放大电路、温度检测电路以及由A/D转换器、STM32单片机、TB6612FNG功率放大芯片、带有石墨烯加热片的光学腔壁的智能恒温控制电路；其中，采样气室包括采样气室一和采样气室二，采样气室一由带有石墨烯加热片的光学腔壁构成，红外光源镶嵌在聚光片内，并通过灯座固定到采样气室一的光学腔壁上，曲面反射镜一和曲面反射镜二分别粘贴在采样气室一的光学腔壁上，封装了六个窄带滤光片的探测器通过支架与采样气室一固定到一起，且与红外光源固定在采样气室的同一端，温度传感器封装在采样气室一内，并在采样气室一进气端封装好透气膜，采样气室一整个镶嵌到由塑料构成的采样气室二上；探测器连接到采样气室外的滤波放大电路，放大后的信号经过A/D转换电路模数转换之后送入STM32单片机；STM32单片机连接有电源电路、调制电路、WIFI模块、温度采集电路以及智能温控电路；温度采集电路测量采样气室一内的实时温度传输给STM32单片机，单片机则根据接受到的温度信号利用智能恒温控制电路实现采样气室恒温；STM32单片机还与调制电路相连，用于控制红外光源的频率和强度。...

【技术特征摘要】
1.一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，其特征在于：由光学系统和外围电路组成，其中光学系统包括红外光源、聚光片、灯座、曲面反射镜、采样气室、热释电探测器、探测器支架、滤光片、透气膜，外围电路包括交流电源、滤波放大电路、温度检测电路以及由A/D转换器、STM32单片机、TB6612FNG功率放大芯片、带有石墨烯加热片的光学腔壁的智能恒温控制电路；其中，采样气室包括采样气室一和采样气室二，采样气室一由带有石墨烯加热片的光学腔壁构成，红外光源镶嵌在聚光片内，并通过灯座固定到采样气室一的光学腔壁上，曲面反射镜一和曲面反射镜二分别粘贴在采样气室一的光学腔壁上，封装了六个窄带滤光片的探测器通过支架与采样气室一固定到一起，且与红外光源固定在采样气室的同一端，温度传感器封装在采样气室一内，并在采样气室一进气端封装好透气膜，采样气室一整个镶嵌到由塑料构成的采样气室二上；探测器连接到采样气室外的滤波放大电路，放大后的信号经过A/D转换电路模数转换之后送入STM32单片机；STM32单片机连接有电源电路、调制电路、WIFI模块、温度采集电路以及智能温控电路；温度采集电路测量采样气室一内的实时温度传输给STM32单片机，单片机则根据接受到的温度信号利用智能恒温控制电路实现采样气室恒温；STM32单片机还与调制电路相连，用于控制红外光源的频率和强度。2.根据权利要求1所述的一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，其特征在于：所述聚光片为高透光率亚克力LED透镜，用于将LED红外光源发出的发散式的红外光汇聚成任意需要的角度，所述灯座用于将整个光源固定到采样气室内。3.根据权利要求1所述的一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，其特征在于：所述采样气室一为圆筒型复合结构，由带有石墨烯加热片的光学腔壁构成，铝合金光学内壁镀有一层铜膜，且镶嵌有两个曲面反射镜，红外光在气室中反射两次后最终透射到热释电探测器上，所述曲面反射镜为SiO2，用于对红外光具有良好的反射性，且反射过程中不会对红外光的能量产生削弱作用。4.根据权利要求1所述的一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，其特征在于：所述采样气室二为长方体结构，采用塑料材质制成，可与采样气一组合成整体气室，其右侧设计有入气口和出气口，用于标定和检测过程中进行气体交换。5.根据权利要求1所述的一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统其中，其特征在于：所述热释电探测器为六通道形式，且封装了六个滤光片，分别通过红外光以及被五个待测气体吸收过的红外光，且整个探测器通过支架固定在采样气室内；所述滤光片选用中心波长分别为3.95μm、4.66μm、4.26μm、3.3μm、7.30μm、1.57μm的窄带滤光片。6.根据权利要求1所述的一种带恒温控制功能的高灵敏多气体检测系统，其特征在于：所述过滤网为mv-2fg-01防水透气膜，其孔径小于水珠10000倍，使水分无法通过，微孔通道在膜内结成网状立体结构，均匀密集的微孔分布，使灰尘遇到阻隔，达到有效的防尘效果；所述滤波放大电路为仪表放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CM...

【专利技术属性】
技术研发人员：张加宏，裴昱，顾芳，李敏，孟辉，
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