一种微型红外光声CO2传感器及检测方法技术

本发明专利技术属于环境气体检测领域，具体提供一种微型红外光声CO2传感器及检测方法，用以解决传统传感器测试结果误差大、体积大等缺陷。本发明专利技术采用光声效应的原理，提出创新的非谐振型的光声腔，红外光在腔室内多次反射增强CO2气体分子对入射光的吸收，从而激发出更强的热声波；并且匹配红外辐射光源与光源调制频率，实现CO2气体浓度的测量。相对于传统的传感器，本发明专利技术传感器尺寸得到大大缩小，工作在较低的调制频率(20Hz

【技术实现步骤摘要】
一种微型红外光声CO2传感器及检测方法


[0001]本专利技术属于环境气体检测领域，涉及基于光声效应的CO2传感器。具体提供一种微型红外光声CO2传感器及检测方法。

技术介绍

[0002]CO2作为空气的重要成分之一，其浓度过高时会使人疲惫、引发呼吸困难的健康问题，严重的甚至危及生命；同时，CO2是大气当中的一类重要的温室气体，近年来全球变暖、气候变化以及频发的极端天气都与之密切相关；因此，一款能够在日常生活中使用的CO2传感器，对于改善人类空气质量和改善呼吸健康等方面有重要价值。
[0003]现有的气体传感器，较为成熟的有电化学气体传感器和红外气体传感器；其中，电化学气体传感器的缺点有两点：第一、电化学气体传感器寿命有限、通常在使用一年后就会发生严重的漂移、第二、电化学传感器工作过程发生的氧化还原的过程会消耗掉待测气体；而红外气体传感器多为NDIR型红外气体传感器。物质对特定波长的光的吸收关系服从比尔—朗伯吸收定律，红外光穿过吸收室，吸收室内的样本气体的各个组分会吸收特定波长的红外线，经过吸收室的红外线照射到热电堆上，与未经吸收的红外光产生的信号进行比对，即可获得目标气体的浓度。NDIR气体传感器存在的缺点主要是结构比较复杂，而且其在信号响应时需要检测红外光在吸收式的衰减，而气体中的少量灰尘或者其他物质会使得光发生散射降低出射光的强度，使得测试结果出现误差；同时，在对室内空间进行CO2检测时，人体对于CO2的浓度又极为敏感，在1500
‑
2000ppm浓度时、即会出现疲惫等症状，对该低浓度的CO2进行准确测试，传统的NDIR传感器往往需要需要十几厘米长度的吸收室，但碍于新风设备空间不足等因素，传统的NDIR传感器的体积受到严格的限制。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对NDIR型红外气体传感器测试结果误差大、体积大等缺陷，提供一种微型红外光声CO2传感器及检测方法；本专利技术采用光声效应的原理，提出一种创新的非谐振式的光声CO2传感器，大大的缩小气体传感器的尺寸；同时，相对于现有技术，本专利技术具有灵敏度高、响应快、寿命长、检测范围宽等优点。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种微型红外光声CO2传感器，包括：控制模块、光源模块、非谐振式光声腔、以及声波检测模块；其特征在于，所述控制模块包括：信号发生器与处理器模块，所述非谐振式光声腔包括：光声腔腔体2、盖合于光声腔腔体顶端的顶盖1及盖合于光声腔腔体底端的底座3，所述光源模块包括：红外光源4与滤光片5，所述声波检测模块包括：麦克风6与锁相放大器，所述MEMS辐射红外光源设置于顶盖的下方、滤光片设置于MEMS辐射红外光源下方，所述麦克风设置于底座的上方；
[0007]所述光声腔腔体顶端的中心位置开设进光口2
‑
1、底端的中心位置开设声波检测通道2
‑
2、侧壁开设正对的进气孔2
‑
3与出气孔2
‑
4，所述进光口正对MEMS辐射红外光源与滤
光片，所述声波检测通道正对麦克风；并且，构成光声腔腔体的外壳顶端开设有用以容纳MEMS辐射红外光源与滤光片凹槽、底端开设有用以容纳麦克风的凹槽。
[0008]进一步的，所述光声腔腔体呈圆柱形，其进光口的直径与红外光源的直径相同。
[0009]进一步的，所述红外光源采用MEMS辐射红外光源，所述红外光源发出的红外光经过滤光片后得到波长在4300nm处的中红外光。
[0010]进一步的，所述微型红外光声CO2传感器的工作过程为：待测气体通过进气孔通入光声腔腔体，由处理器模块控制信号发生器产生低频调制信号对红外光源进行调制，红外光源发出红外光经过滤波片后进入光声腔腔体，光声腔腔体产生光声信号，由麦克风检测并转换成电信号，电信号经锁相放大器放大后输出至处理器模块，由处理器模块进行数据处理得到待测气体浓度。
[0011]基于上述微型红外光声CO2传感器的检测方法，包括以下步骤：
[0012]步骤1.传感器校准：向光声腔腔体通入N2，记录所得光声信号、作为零误差基准信号；
[0013]步骤2.向光声腔腔体通入待测气体记录所得光声信号，将此光声信号与零误差基准信号相减得到校准后光声信号，依照校准后光声信号强度和气体浓度的映射关系得到待测气体浓度。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0015]本专利技术提供一种微型红外光声CO2传感器及检测方法；本专利技术采用光声效应的原理，提出创新的非谐振型的光声腔，采用铝制金属外壳，使得红外光在腔室内得以多次反射以增强CO2气体分子对入射光的吸收，从而激发出更强的热声波；非谐振光声系统采用大功率MEMS红外辐射光源和外较低的光源调制频率，使得在一个周期内，腔室内的气压可以上升到很高的水平，从而实现CO2气体浓度的测量。相对于传统的传感器，本专利技术传感器尺寸得到大大缩小，工作在在较低的调制频率(20Hz
‑
40Hz)下，并配合大功率MEMS红外光源获得了更大调制深度和信号强度，获得了更低的探测下限；综上，本专利技术具有尺寸更小、成本更低，且灵敏度高、响应快、寿命长、检测范围宽等优点，适合大批量生产。
附图说明
[0016]图1为本专利技术微型红外光声CO2传感器的结构示意图；其中，1为顶盖，2为MEMS辐射红外光源，3为滤光片，4为腔体，5麦克风，6底座，7为进出气孔。
[0017]图2为图1所示微型红外光声CO2传感器中光声腔腔体的结构示意图，其中，2
‑
1处为进光口，2
‑
2处为声波检测通道，2
‑
3、2
‑
4处为进出气孔，2
‑
5处为抛光内壁，2
‑
6处为麦克风安装位置。
[0018]图3为本专利技术本专利技术微型红外光声CO2传感器的信号产生及检测原理示意图。
具体实施方式
[0019]下面结合附图和实施例，对本专利技术的技术方案作进一步详细说明。
[0020]本实施例提供一种微型红外光声CO2传感器，其结构如图1所示，具体包括：控制模块、光源模块、非谐振式光声腔、以及声波检测模块；更为具体的讲：所述控制模块包括信号发生器与处理器模块：所述非谐振式光声腔包括：光声腔腔体2、盖合于光声腔腔体顶端的
顶盖1及盖合于光声腔腔体底端的底座3，所述光源模块包括：MEMS辐射红外光源4与滤光片5，所述声波检测模块包括：麦克风6与锁相放大器，所述MEMS辐射红外光源设置于顶盖的下方、滤光片设置于MEMS辐射红外光源下方，所述麦克风设置于底座的上方；
[0021]所述光声腔腔体呈圆柱形、如图2所示，光声腔腔体顶端的中心位置开设进光口2
‑
1、底端的中心位置开设声波检测通道2
‑
2、侧壁开设正对的进气孔2
‑
3与出气孔2
‑
4，所述进光口正对MEMS辐射红外光源本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微型红外光声CO2传感器，包括：控制模块、光源模块、非谐振式光声腔、以及声波检测模块；其特征在于，所述控制模块包括：信号发生器与处理器模块，所述非谐振式光声腔包括：光声腔腔体(2)、盖合于光声腔腔体顶端的顶盖(1)及盖合于光声腔腔体底端的底座(3)，所述光源模块包括：红外光源(4)与滤光片(5)，所述声波检测模块包括：麦克风(6)与锁相放大器，所述MEMS辐射红外光源设置于顶盖的下方、滤光片设置于MEMS辐射红外光源下方，所述麦克风设置于底座的上方；所述光声腔腔体顶端的中心位置开设进光口(2
‑
1)、底端的中心位置开设声波检测通道(2
‑
2)、侧壁开设正对的进气孔(2
‑
3)与出气孔(2
‑
4)，所述进光口正对MEMS辐射红外光源与滤光片，所述声波检测通道正对麦克风；并且，构成光声腔腔体的外壳顶端开设有用以容纳MEMS辐射红外光源与滤光片凹槽、底端开设有用以容纳麦克风的凹槽。2.按权利要求所述微型红外光声CO2传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，王韬，喻宏远，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：