[发明专利]一种近红外痕量CH4气体传感器

说明书

技术领域

本发明属于电学技术领域，尤其涉及一种气体传感器。

背景技术

甲烷是化工、煤矿生产中引起瓦斯爆炸最直接的有害气体。甲烷是无色无臭的气体，且不溶于水，化学性质稳定，非常不易检测。甲烷在空气中的爆炸下限为5.3%，上限为15%，快速、准确检测甲烷气体的体积分数，对工矿安全运行，生产生活有着至关重要的作用。此外，我国许多城市使用甲烷作为生活用气。同时甲烷也被认为将成为温室效应的最主要成分，甲烷的吸收截面要比现在的主要温室气体二氧化碳的吸收截面高出大约23倍，大气中的甲烷浓度大约以每年1%～1.2%的速度递增。如何对矿井甲烷进行可靠、高效、实时监测，一直是矿业生产中的焦点问题，是能源、化工行业安全生产的重要保证，是生态环境保护的可靠手段。快速、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测、控制已经成为目前全世界亟待解决的首要问题之一。因此开发一种安全、可靠、灵敏度高的甲烷检测报警系统具有巨大的经济和社会意义。

近年来，人们对甲烷(CH₄)传感器的研究呈逐年增长趋势。为了实现实时监测，通常采用直接光谱吸收法，基于宽带红外光源检测仪的检测下限为几百ppm。但是，传统的直接光谱吸收法易受局部浓度、光强波动和基准误差的影响。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种不易受局部浓度、光强波动和基准误差的影响的一种近红外痕量CH₄气体传感器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括核心控制器、TEC控制电路、DFB激光器、温度信息采集电路、电流信息采集电路，其特征在于TEC控制电路包括、D/A模块、TEC控制芯片，DFB激光器包括热敏电阻器、激光器、TEC；核心控制器的输出端经D/A模块连接TEC控制芯片，TEC控制芯片连接DFB激光器，DFB激光器的TEC丽娜姐电流信号采集放大电路，DFB激光器的热敏电阻器连接温度传感器信号采集电路，温度传感器信号采集电路经CH1口连接核心控制器，电流信号采集放大电路通过CH2口连接核心控制器。

作为一种优选方案，所述的核心控制器为MCULPC2148芯片。

本发明有益效果。

本发明基于TDLAS-WMS技术，利用激射波长在1.60微米附近的DFB激光器，现了一种近红外CH₄气体传感器。公开了一种温度控制器和驱动电源，并集成了便携式锁相放大器来提取二次谐波信号。低体积分数(＜100×10－6)范围的相对误差小于7%，检测下限约为11×10－6，0.1%和20%的气体样品的波动范围分别小于7%和2.5%。可见本发明公开的一种近红外痕量CH₄气体传感器不易受局部浓度、光强波动和基准误差的影响。

附图说明

图1是本发明电路原理框图。

具体实施方式

如图所示，本发明包括核心控制器、TEC控制电路、DFB激光器、温度信息采集电路、电流信息采集电路，其特征在于TEC控制电路包括、D/A模块、TEC控制芯片，DFB激光器包括热敏电阻器、激光器、TEC；核心控制器的输出端经D/A模块连接TEC控制芯片，TEC控制芯片连接DFB激光器，DFB激光器的TEC丽娜姐电流信号采集放大电路，DFB激光器的热敏电阻器连接温度传感器信号采集电路，温度传感器信号采集电路经CH1口连接核心控制器，电流信号采集放大电路通过CH2口连接核心控制器。

作为一种优选方案，所述的核心控制器为MCULPC2148芯片。

本发明利用集成的TDLAS检测仪器，实验测得的二次谐波信号幅度Amp［S2(t)］与气体体积分数C的关系。可以看到，在较低体积分数范围内(0～5%)，Amp［S2(t)］随体积分数呈线性增加。然而，当体积分数大于5%后，二者之间呈非线性关系，这是由于关系式exp［－α(t)CL］≈1－α(t)CL在C较大时不成立所致。为了确定系统的测量精度，实验配备了五种体积分数分别为0.01%，0.1%，1%，20%，40%的气体样品。令气体流经气室，根据仪器测得的二次谐波信号幅度确定其体积分数大小。将测得的体积分数与标准体积分数进行对比并计算出相对误差。图中可见，当体积分数小于0.01%时，误差最大，约为－7%；当体积分数大于1%时，误差范围为－3%～+3%。

由于二次谐波信号中存在噪声与干扰，这将对检测稳定性产生影响。对于配备的体积分数为0.1%和20%的气体样品，分别开展了24h的检测实验，并对每小时的测量结果进行平均，结果所示。可以看到，体积分数为0.1%的样品，测量的体积分数范围为0.0903%～0.1100%，相对误差小于7%；体积分数为20%的样品，测量的体积分数范围为19.7%～20.5%，相对误差小于2.5%。