红外气体传感器浓度信号处理方法

摘要

本发明涉及红外气体传感器，具体是一种用以高精度确定目标气体浓度的红外气体传感器浓度信号处理方法。解决了目前红外气体传感器所用气体浓度确定方法检测精度不高的问题，红外气体传感器浓度信号处理方法就如下因素进行修正：1、在目标气体不存在的情况下红外气体传感器零位输出比对检测结果的影响；2、入射检测通道的红外光波长范围内非吸收波段对检测结果的影响；并实施两次温度补偿：1、引入温度补偿参数，实现实时温度补偿；2、对理想气体定律中温度的影响实现二次补偿；最终获得高检测精度的目标气体浓度。方法合理、有效，能很大程度地提高红外气体传感器的检测精度，满足对于检测精度要求高的场合的实际使用需要。

主权项

1.一种红外气体传感器浓度信号处理方法，所述红外气体传感器的输出信号分为参照通道的输出信号U_Re f.与检测通道的输出信号U_Act.，两输出信号U_Re f.、U_Act.与目标气体对红外光的吸收率有如下关系：$\frac{U_{\mathrm{Act}.}}{U_{\mathrm{Ref}.}}=\frac{I}{I_O}---\left(1\right)$I₀：入射光强，即红外光源经窄带光学滤波片滤光后入射参照通道与检测通道的红外光强度，一般在氮气条件下测得；I：透射光强，即红外气体传感器检测通道内由目标气体吸收后的红外光强度；基于只局限于单色光的郎伯-比尔定律：I＝I_Oexp(-εlCⁿ)(2)C：目标气体浓度；ε：目标气体对红外光的吸收系数；l：目标气体入射光程；n：修正常数，依赖于光程与目标气体成分；其特征在于：考虑到，红外光源经窄带光学滤波片滤光后入射检测通道的红外光在其波长范围内必然存在一些波长范围内的光不会被目标气体吸收，即存在非吸收波段，因此，将式(2)转换为：$I=I_O\times ((1-S)\times e^{(-\mathrm{\Sigma ϵ}{\mathrm{lC}}^n)}+S)---\left(3\right)$$\Rightarrow I=I_O\times ((1-S)\times e^{-\alpha C^{\beta }}+S)---\left(4\right)$$\Rightarrow (\frac{I}{I_0}-S)/(1-S)=\exp (-\alpha C^{\beta })---\left(5\right)$S：非吸收波段占检测通道入射红外光波长范围的比例系数，表征了非吸收波段对红外气体传感器检测通道输出信号U_Act.的贡献；α：指数常数，与郎伯-比尔定律中εl的平均值相关；β：幂常数，取决于目标气体的光谱特性；在目标气体不存在的情况下，红外气体传感器检测通道输出信号U′_Act.与参照通道输出信号U′_Ref.的比值定义为红外气体传感器的零位输出比，用符号Z表示，即Z＝U′_Act./U′_Ref.                     (6)U′_Act.：在目标气体不存在的情况下，红外气体传感器检测通道输出信号U_Act.的峰-峰值；U′_Re f.：在目标气体不存在的情况下，红外气体传感器参照通道输出信号U_Re f.的峰-峰值；在目标气体存在的情况下，红外气体传感器透射光强I与入射光强I₀的比值与红外气体传感器的零位输出比Z相关，即$\frac{I}{I_O}=\frac{U_{\mathrm{Act}.}}{U_{\mathrm{Ref}.}\times Z}---\left(7\right)$则式(5)可转换为：$(\frac{U_{\mathrm{Act}.}}{U_{\mathrm{Ref}.}\times Z}-S)/(1-S)=\exp (-\alpha C^{\beta })---\left(8\right)$$\Rightarrow C={(-\frac{\ln (\frac{U_{\mathrm{Act}.}}{U_{\mathrm{Ref}.}\times Z}-S)\times \frac{1}{1-S}}{\alpha })}^{\frac{1}{\beta }}---\left(9\right)$式(9)中参数α、β按如下方法确定：首先，确定目标气体对红外气体传感器红外光的相对吸收率Fa，即$\mathrm{Fa}=\frac{I_0-I}{I_0}=1-\frac{I}{I_0}=1-\frac{U_{\mathrm{Act}.}}{U_{\mathrm{Ref}.}\times Z}=(1-S)\times (1-\exp (-\alpha C^{\beta }))---\left(10\right)$然后，基于在相同浓度目标气体的测试状况下，同一确定类型红外气体传感器红外光相对吸收率Fa的一致性，选取若干个红外气体传感器，要求为同一确定类型，并确定目标气体的浓度测试范围，在目标气体的浓度测试范围内等间隔设定测试点；应用各红外气体传感器按照测试点进行逐一测试，记录每一红外气体传感器与测试浓度值对应的红外光相对吸收率Fa，求取平均值，并按照测试点气体浓度值与相对吸收率Fa平均值的对应关系，绘制测试结果分析表；最后，依据式(10)选取函数关系式：Y＝W×(1-exp(-αX^β))(11)X：自变量-目标气体浓度C；Y：因变量-红外气体传感器红外光相对吸收率Fa的平均值；W：1-S，计算时因W值从理论上分析，其影响非常小，被忽略不记；按照测试结果分析表记录的测试结果，对式(11)进行曲线拟合，求取参数α和β的具体值；通过式(8)可以得出式(9)中参数S：$S=1-\frac{1-U_{\mathrm{Act}.}^{\prime \prime }/(U_{\mathrm{Ref}.}^{\prime \prime }\times Z)}{1-e^{-\alpha {\left(C^{\prime \prime }\right)}^{\beta }}}---\left(12\right)$C″：红外气体传感器测试的满量程目标气体浓度；U″_Act.：在目标气体浓度满量程时，红外气体传感器检测通道输出信号U_Act.的峰-峰值；U″_Ref.：在目标气体浓度满量程时，红外气体传感器参照通道输出信号U_Ref.的峰-峰值；将相关数据：参数α、β、S、Z带入式(9)中，即可得到红外气体传感器计算气体浓度的目标函数，根据目标函数、以及红外气体传感器参照通道的输出信号U_Ref.与检测通道的输出信号U_Act.，得红外气体传感器所检测目标气体的气体浓度C。