[發明專利]采樣氣室、基于QPSO算法的紅外氣體傳感器及氣壓補償方法

在審

• 申請號: 201811562034.4
• 申請日: 2018-12-20
• 公開（公告）號: CN109696413A
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 常建華;趙勇毅;沈婉;趙正杰
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

本發明提供一種采樣氣室、基于QPSO算法的紅外氣體傳感器及氣壓補償方法，采樣氣室通過通過引入的三塊凹面鏡，能夠有效增加紅外光反射的次數，延長紅外光穿過待測氣體介質的距離，在保證光程的情況下，有效縮小了氣室體積，保證了傳感器的小型化；另外，采用量子粒子群算法對紅外氣體傳感器輸出的電壓值進行氣壓補償計算，以獲取經氣壓補償后的氣體濃度值，計算精確度高。

技術領域

本發明涉及紅外氣體傳感器技術領域，具體而言涉及一種采樣氣室、基于QPSO算法的紅外氣體傳感器及氣壓補償方法。

背景技術

紅外氣體傳感器以其測量范圍寬、靈敏度高、響應速度快、選擇性好、可以連續分析和自動控制等諸多優點，在化工、電力、環境氣體監測及煤炭開采等眾多領域得到廣泛的應用。

常見的光學氣體檢測技術有光干涉技術、光聲光譜技術、光離子化技術和非色散紅外檢測技術，其中，基于特征光譜吸收理論的非色散紅外氣體傳感器結構最為簡單、調校周期長、性能穩定、不易中毒、性噪比高且易于集成，具有巨大的市場前景和商業價值。其基本原理是由于不同的氣體分子具有不同的特征吸收譜線，氣體分子結構的不同致使分子間的能級也不相同，因此在不同頻率處對紅外輻射的吸收能力也不相同，且氣體對紅外輻射的吸收關系服從朗伯-比爾定律(Lambert-Beerlaw)。韓國的Younghwan Park等人設計了一種優化了光路和光強的非色散二氧化碳氣體傳感器，其精度已大大超出工業檢測標準。淮南師范學院研制了基于非色散紅外吸收原理的井下多組分氣體檢測儀，通過轉動濾光輪，實現了三種氣體的濃度的同時檢測。

然而，在利用非色散紅外氣體傳感器對氣體濃度進行檢測時，其精度受到環境氣壓因素的影響。在大氣氣壓變化范圍較大的特殊場所，單位體積內的氣體被壓縮，導致氣體的分子間距發生改變，從而使紅外輻射被吸收的能量增多，但氣體檢測的濃度并未發生改變，因此，測出的濃度值和真值相比，有較大的偏差。此外，在實驗中氣體溫度變化非常小，其對氣壓的影響可以忽略。由標準氣體狀態方程PV＝nRT可知，當氣體體積V一定時，在溫度T不變的情況下，隨著壓強P的升高，氣體分子摩爾數將增加，從而導致傳感器測量值的增加。

目前，消除檢測環境氣壓變化引起的誤差的方法主要有兩種。一是經驗公式法，即采用最小二乘法對同一濃度氣體在不同氣壓下引起的誤差進行直線擬合，通過迭代法確定經驗公式的相關系數，建立數學模型來進行壓強補償，但此種方法計算量較大，在壓強變化較大的場合效果不佳，且經驗公式的使用場合有局限性；二是氣壓控制法，即采用硬件電路模塊使檢測環境氣壓保持動態平衡，從而避免因氣壓改變引起的測量誤差，但硬件電路模塊的加入增加了功耗、提升了制造成本且不利于設備小型化。

另外，現有的紅外氣體傳感器的采樣氣室一般采用直射式氣室結構，這種結構的氣室結構簡單，缺點在于光程短。所以為了獲得高性能的紅外氣體傳感器，需要通過增加氣室長度來延長光程，便會導致整個系統體積增大，不利于傳感器小型化。

發明內容

本發明目的在于提供一種采樣氣室、基于QPSO算法的紅外氣體傳感器及氣壓補償方法，采用量子粒子群算法對紅外氣體傳感器輸出的電壓值進行氣壓補償計算，以獲取經氣壓補償后的氣體濃度值，計算精確度高；另外，采用多次反射式采樣氣室，能夠有效增加氣室內紅外光對反射次數，延長紅外光穿過待測氣體介質的距離，在保證光程的情況下，有效縮小了氣室體積，保證了傳感器的小型化。

為達成上述目的，結合圖1，本發明提出一種采樣氣室，所述采樣氣室沿縱長方向設置有第一端部和第二端部，其中，第一端部上設置有一進氣口，第二端部上設置有一出氣口；

所述采樣氣室包括電調制紅外光源、反光鏡、熱釋電探測器、反光杯、第一凹面鏡、兩個第二凹面鏡；

所述電調制紅外光源固定安裝在采樣氣室臨近第一端部的頂部，所述反光鏡固定在電調制紅外光源的下方，反光鏡的反射面朝向電調制紅外光源、并且與采樣氣室的軸中心線呈45度角；