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专利作业实例

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说明书

一种不分光红外法（NDIR）CO2气体传感器

技术领域

本发明涉及一种红外光学气体传感器，具体涉及一种基于不分光红外法（NDIR）CO2气体传感器。

背景技术

CO2气体传感器主要应用于燃气站，燃气泵房（站），车间，农业大棚，塑料温室，宾馆，酒店，化工厂，冶金等气体使用或贮存的场所等领域。

对于该气体浓度监测，目前国内外最常用的检测方法主要有：

红外线气体传感器、半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器等。

根据不同的原理，就相应有不同结构的检测器（通常称仪器的传感器），分别适合测试不同类别的气体成分。

与其它方法相比，利用非分光红外法（NDIR）原理的红外式气体传感器具有很多优点，精度和灵敏度高，选择性、稳定性和可靠性好，反应速度快，不容易中毒，寿命长，量程宽，抗干扰能力强等等。

非分光红外法（NDIR）原理是基于不同化合物在光谱作用下由于振动和旋转变化而表现了不同的吸收峰值。

气体的吸收光谱会随物质的不同而存在差异，不同气体分子的化学结构不同，就导致了对不同波长的红外辐射的吸收程度不同，即：

不同的物体对应不同的吸收光谱，而每种气体在其光谱中，对特定波长的光有较强的吸收。

当不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。

同一种物质不同浓度时，在同一吸收峰位置会有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系，通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的浓度。

关于红外气体传感器技术的研究，国外发达国家起步比较早，红外气体传感器技术已经比较成熟，生产出的产品也是稳定性好，精度高，几乎占据了国内红外CO2气体传感器的整个市场，而且价格昂贵。

我国非分光红外（NDIR）气体传感器技术尚不成熟，尽管国内也有研究，但是理论基础不深入也够系统，而且自动化水平不高，导致产品可靠性差，与国外先进水平存在着巨大差距，所以关键元件依旧是从国外进口。

目前国内生产的传感器主要是电化学气体传感器，存在很多不足之处：

误差比较大、数据不稳定，使用寿命短等缺点。

发明内容

本发明针对现有气体传感器存在的缺点，研制一种非分光红外（NDIR）CO2气体传感器，具有成本低、稳定性好、精度高、可靠性高、寿命长等优点。

一种基于不分光红外法（NDIR）CO2气体传感器，系统的主要由电路板和气室结构组成，其中电路板包括光源驱动电路板、探测器电路板以及主控板，气室结构部分包括进气室、镀膜气室和出气室，其特征在于：

所述光源驱动电路板、探测器电路板以及主控板通过螺钉与气室分别于左端、右端以及底部固定连接；所述光源和红外探测器分别固定在光源驱动电路板和探测器电路板，并且放置在进气室与出气室；所述的进气室和出气室内部各有两个凹槽和一个窗口片，密封圈被卡在凹槽内；镀膜气室通过镀膜气室凹槽与密封圈进行配合并于进气室和出气室固定连接；所述光源发出的光束通过聚光杯平行射出，通过窗口片，射向红外探测器上，探测器与探测板电路相连接。

所述光源、红外探测器、镀膜气室三者的中心须在同一条直线上。

所述镀膜气室采用黄铜镀金。

所述镀膜气室取10~20mm之间。

所述红外探测器具有两个通道，一个为参考通道，另一个为探测通道。

所述窗口片一侧靠在进气室，另一侧由卡在进气室左端凹槽的密封圈来固定。

所述镀膜气室凹槽同时与进气室右凹槽和出气室左凹槽通过弹性的密封圈来卡紧固定。

所述进气室的左端内径与聚光杯直径相同，且聚光杯一端靠着密封圈，一端靠着光源驱动电路板。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过研究设计合理的气室，不仅使光强发射均匀，而且消除可能对系统产生误差的干扰因素；气室结构简单、紧凑，不需要太复杂的气室结构，更易于拆卸、清洗；通过微弱信号检测技术以及误差理论分析与数据处理，并且解决了温度、大气压强等环境因素对浓度测量的影响的补偿问题，提高系统测量精度、灵敏性和稳定性。

说明附图

图1为CO2气体传感器结构爆炸图。

图2为CO2气体传感器出气室侧视图。

图3为CO2气体传感器出气室剖视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对发明作进一步详细描述。

如图1至3所示，系统的主要由电路板和气室结构组成。

电路板分为光源驱动电路板9、探测器电路板10以及主控板12，通过螺钉11与气室分别于左端、右端以及底部固定连接。

气室结构包含一个圆筒状的镀膜气室6以及两端进气室5和出气室7，气室两端分别安装了红外光源1和红外探测器8，它们前面都有一个窗口片4，既是滤波元件又是密封元件。

进气室内装有聚光杯2，一端靠着密封圈3，一端靠着电路板，且外经与进气室左端内径相同，以至于不会在进气室内振动。

进气室左凹槽52与出气室右凹槽72内分别装入密封圈3来固定窗口片4，镀膜气室6凹槽同时与进气室右凹槽51和出气室左凹槽71与通过密封圈3配合来是三者中心线在同一直线上。

8红外探测器前安装有窄带滤光片，只允许特定波长的红外光通过。

由MCU产生一定频率的脉冲信号来控制红外光源1。

红外光源1发出的具有连续光谱的平行红外光，首先经过红外窗口片4进行滤波，滤除一部分并不需要波段的红外光，平行照射到充满气室的待测气体，红外光能量会被待测气体吸收，同样再经过一个窗口片4进行滤波，再经过安装在探测器前面的滤光片的选择性透过，照射到红外探测器8上。

红外探测器8将被气体吸收后的光能量转换为电信号。

由于信号十分微弱，且易受外界干扰，经过高精密的两级放大滤波电路放大后，得到调理后稳定的电压信号。

该电压信号被模数转换电路后，采样数据被送到MCU进行处理，MCU控制电路将采样到的数据进行分析并通过串口发送到上位机。

所述光源驱动电路板9、探测器电路板10、主控板12分别于左端、右端和底部通过螺钉11和气室连接固定。

所述光源1、红外探测器8、镀膜气室6三者的中心须在同一条直线上，这样可以保证光源能以尽可能多的平行光被红外探测8器接受，减少因光束反射而衰减带来的影响。

所述光源1和红外探测器8分别安装固定在光源驱动电路板9及探测器电路板10上。

所述进气室5的左端内径与聚光杯2直径相同，且聚光杯2一端靠着密封圈，一端靠着电路板，以至于不会在进气室5内振动。

所述红外探测8器有两个通道，一个为参考端，一个为探测端，并自带窄带滤光片。

所述镀膜气室6要求内壁光洁，不易吸附气体，通常采用黄铜镀金。

所述镀膜气室6内径取10~20mm之间为宜。

所述镀膜气室6长度会影响到测量精度和测量范围，一般取80~120mm为宜。

所述窗口片4一侧紧靠着进气室5，另一侧由卡在进气室左凹槽52的密封圈来固定，起到了同时滤光和密封的作用。

所述镀膜气室6两端的镀膜气室凹槽61同时与进气室右凹槽51和出气室左凹槽71通过弹性的密封圈3来卡紧固定。

所述密封圈3内径小于窗口片4外经，外径大于窗口片4外径。

所述进气室5以及出气室7选取为黑色pom材料，避免有其他光束透入造成影响。

所述窗口片为氟化钙晶体窗口片4，在~9um内具有比较平坦的透光特性。

所述密封圈3为具有弹性的橡胶材料。

权利要求书

1、一种基于不分光红外法（NDIR）CO2气体传感器，系统的主要由电路板和气室结构组成，其中电路板包括光源驱动电路板（9）、探测器电路板（10）以及主控板（12），气室结构部分包括进气室（5）、镀膜气室（6）和出气室（7），其特征在于：

所述光源驱动电路板（9）、探测器电路板（10）以及主控板（12）通过螺钉（11）与气室分别于左端、右端以及底部固定连接；所述光源

（1）和红外探测器（8）分别固定在光源驱动电路板（9）和探测器电路板（10），并且放置在进气室（5）与出气室（7）；所述的进气室（5）和出气室（7）内部各有两个凹槽和一个窗口片（4），密封圈被卡在凹槽内；镀膜气室（6）通过镀膜气室凹槽（61）与密封圈（3）进行配合并于进气室（5）和出气室（7）固定连接；所述光源发出的光束通过聚光杯

（2）平行射出，通过窗口片（4），射向红外探测器上，探测器与探测板电路相连接。

2、根据权利要求1所述的CO2气体传感器，其特征在于：

所述光源

（1）、红外探测器（8）、镀膜气室（6）三者的中心须在同一条直线上。

3、根据权利要求1所述的CO2气体传感器，其特征在于：

所述镀膜气室（6）采用黄铜镀金。

4、根据权利要求1所述的CO2气体传感器，其特征在于：

所述镀膜气室（6）取10~20mm之间。

5、根据权利要求1所述的CO2气体传感器，其特征在于：

所述红外探测器（8）具有两个通道，一个为参考通道，另一个为探测通道。

6、根据权利要求1所述的CO2气体传感器，其特征在于：

所述窗口片（4）一侧靠在进气室

（1），另一侧由卡在进气室左端凹槽（52）的密封圈（3）来固定。

7、根据权利要求1所述的CO2气体传感器，其特征在于：

所述镀膜气室凹槽（61）同时与进气室右凹槽（51）和出气室左凹槽（71）通过弹性的密封圈（3）来卡紧固定。

8、根据权利要求1所述的CO2气体传感器，其特征在于：

所述进气室（5）的左端内径与聚光杯

（2）直径相同，且聚光杯

（2）一端靠着密封圈（3），一端靠着光源驱动电路板（9）。

说明书摘要

本发明公开了一种基于不分光红外法（NDIR）CO2气体传感器，主要包括电路板和气室结构。

其中电路部分包括光源驱动电路、探测器电路以及主控板电路，用来为光源提供稳定恒压、对微弱信号的放大滤波采样处理和实现其他一些辅助。

气室结构部分由进气室、镀膜气室和出气室组成，进气室装有聚光杯，使得光源能够以平行光束射出，通过窗口片，减少光源发射出的不需要波段的光以及外界红外光线进入探测器所带来的影响，同时也起到密封作用。

进气室和出气室的凹槽中分别放有4个密封圈，密封圈在保证室内气体与外界隔绝的同时，不仅使滤光片分别固定在进气室和出气室内，也使得镀膜气室与进出气室连接固定，实现三者中心轴线保持一致。

出气室内放置红外探测器，分为两个端口，一个为参考端，另一个为探测端。

本发明结构简单紧凑，并且易于拆卸清洗，尽可能减少了环境干扰，提高了光能利用率，保证了传感器的检测稳定性和检测精度。

图1

图2图3

1、光源2、反光杯3、密封圈4、窗口片5、进气室51、进气室右凹槽52、进气室左凹槽6、镀膜气室61、镀膜气室凹槽7、出气室71、出气室左凹槽72、进气室右凹槽8、探测器9、光源驱动电路板10、探测器电路板11、螺钉12、主控板