[发明专利]红外气体传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种长程复合光路非色散红外气体传感系统(NDIR)的设计，属于红外气体检测领域。

背景技术

非色散红外气体传感(NDIR)技术是一种精度高、稳定性好、寿命长的气体传感技术，其原理是利用特定波长的红外光经过待测气体时被吸收发生衰减，根据衰减前后的光强对比计算出气体的浓度，及比尔-朗伯定律：I＝I₀·exp(-μCL)。其中，I为有气体吸收时到达探测器的红外光强，I₀为没有气体吸收时的光强，C为腔室内气体浓度，L为腔室长度或红外光光程，μ为气体的吸收系数。

传统的NDIR系统采用单光路结构，即红外光经光路到达信号探测器和参考探测器所经过的光程相同(即L相同)，信号探测器前装备透射波长为待测气体吸收波长的滤光镜，而参考探测器前装备透射波长为非待测气体吸收波长的滤光镜。例如，对于CO2气体的NDIR模块，信号探测器常采用中心透射波长为4.26微米的滤光镜，而参考探测器采用中心透射波长为3.91微米的滤光镜。这样，由于4.26微米波长的红外光经过腔室中的CO2气体后被吸收而发生衰减，而3.91微米波长的红外光则对CO2浓度不敏感，对两路信号测量结果做除法后得到其中，u_r为腔室中气体对3.91微米红外光的吸收系数，c_r为腔室中吸收波长为3.91微米的气体浓度，这两项的乘积可忽略不计，因此待测气体(CO₂)的浓度可简化为，其中，I_r为参考探测器测量的光强，一般为固定值，I_s为信号探测器测量的光强，一般用电流或电压信号来表征，u_s为待测气体的吸收系数，通常为常数。事实上，由于外界环境变化，主要是温度波动导致光源辐射温度发生变化，对I_r和I_s间的影响为非线性的，从而导致传感器零点漂移，测量精度下降，稳定性变差等。

目前有研究解决外部环境变化导致的信号漂移一种可行方法是采用长度不同的直管双光路，信号探测器和参考探测器前的滤光镜的透射波长均为待测气体吸收波长，这样待测气体的浓度为采用该结构时，当外界环境发生变化，环境因素对于I_r和I_s的影响为线性的，因此可以通过除法实现过滤掉这些影响因素，提高传感器的性能。然而，实际情况是这种直管双光路由于光路一长一短，会造成两个探测器模组温度无法保持一致，当光源端的温度发生变化时，热量传递到长光路末端的探测器模组和到短光路末端的探测器模组所需要的时间不一致，并且热损耗差异也较大，从而导致产生非线性温漂，使这种结构失去了作用。

另一方面，当NDIR气体传感器测量CH4等吸收系数较小的气体，并且分辨率需要达到50PPM以下时，结构上需要较长的吸收光程L，一般的做法是采用是光源和探测模块位于直气管室的同一端，而在直管气室的另一端放置反射镜，使光程增大到原来的两倍左右，但这种结构光源发热导致探测器测量结果产生严重的温漂，而且由于信号光路和参考光路具有相同的光程，无法采用上述双光路技术降低环境影响因素。

有鉴于此，有必要提供一种改进的红外气体传感系统以解决上述问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种长程复合光路的非色散红外气体传感系统(NDIR)的设计，形成光程足够长但不相等的两个光路，并且两个探测器模组具有相同结构和规格，使得外界环境对探测器的影响呈线性关系，两个探测器模组间进行了热学优化从而保持温度一致。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种红外气体传感系统，包括红外光源；

基座，所述基座具有设于内部的折形通道、设置在所述折形通道内的反射镜、以及与所述折形通道相连通的进气口和出气口，所述折形通道具有相邻所述红外光源设置的第一端口、沿所述折形通道延伸方向远离所述第一端口的第二端口，以及位于所述第一端口和第二端口之间的若干通道转角，所述反射镜包括设置在其中一个通道转角的半透半反射镜，以及设置在其余通道转角的全反射镜；

探测模块，所述探测模块包括导热底板、设置在所述导热底板同侧且规格相同的两个探测器模组，所述半透半反射镜和第二端口设置在所述基座的同侧，两个所述探测器模组分别对应设置在所述半透半反射镜和第二端口的外侧。