基于机械调制测量气体浓度的方法及装置.pdf

基于机械调制测量气体浓度的方法，利用稳态光源(1)发出的光经以一定频率旋转的带孔斩波片(3)后，形成的载波信号经检测气室(4)后，被气室内特定气体的浓度信号所调制，而后依次经滤光片和光探测器，被转换为调制的电压或电流信号，又经信号放大处理电路(6)后被送往处理控制器(7)，进而计算出被测气体浓度，其特征在于，所述信号放大处理电路(6)内有一个受处理控制器(7)输出调节信号控制的可控增益放大器(63)，其增益利用检测气室(4)里引入的参考气体，在测量之前及长期监测过程中定时设定。采用所述方法的测量装置，具有制造成本低、测量精度长期稳定的优势。

1.  一种基于机械调制测量气体浓度的方法，包括步骤
a.待测气体样本被抽取至检测气室(4)；
b.斩波电动机(2)在微处理器单元(7)的作用下带动斩波片(3)以一定速率旋转，所述斩波片(3)上有至少一个通孔，使从稳态光源(1)发出的光经通孔后，成为光脉冲，用作为载波信号；
c.所述载波信号穿过检测气室(4)，被气室内特定气体的浓度信号所调制；
d.调制后的光信号依次经滤光片(8)和光探测器(5)，被转换为调制电压或电流信号；
e.所述电压或电流信号经信号放大处理电路(6)后被送往微处理器单元(7)；
f.所述微处理器单元(7)根据所述接收到的信号，计算出气室内被测气体的浓度，或推算其它与被测气体相关的参数；
其特征在于，所述信号放大处理电路(6)内有至少一个可控增益放大器(63)，在所述步骤a之前还包括，
对所述可控增益放大器(63)进行增益设定的步骤：
A.参考气体被抽取至检测气室(4)；按上述步骤b到d得到的电压或电流信号，经所述放大处理电路(6)后送往微处理器单元(7)；
B.微处理器单元(7)输出调节信号给所述可控增益放大器(63)，并调整该信号大小，直到使所述信号放大处理电路(6)输出信号的幅度达到设定值；
C.微处理器单元(7)保持所述调节信号的大小，直至下一次的设定过程。

2.  根据权利要求1所述的基于机械调制测量气体浓度的方法，其特征在于：
所述对可控增益放大器(63)增益进行设定的步骤A到C是在测量前进行的，及在长时间监测过程中定期进行的。

3.  根据权利要求1所述的基于机械调制测量气体浓度的方法，其特征在于：
所述检测气室(4)的进气口连通一个电磁三通阀(9)，微处理器单元(7)可以通过三通阀控制电路(12)控制所述三通阀(9)的连通方向，使所述步骤a和A中，检测气室(4)可在连通待测气体和连通参考气体之间切换。

4.  根据权利要求1所述的基于机械调制测量气体浓度的方法，其特征在于，所述信号放大处理电路(6)对信号的处理包括步骤
a.来自光探测器(5)的信号经过以载波为中心频率的带通放大电路(61)，择出有效信号；
b.所述有效信号经过高通滤波器(62)，消除因温度漂移引起的低频信号后送往可控增益放大器(63)。

5.  根据权利要求4所述的基于机械调制测量气体浓度的方法，其特征在于，所述信号放大处理电路(6)对信号的处理还包括步骤
c.可控增益放大器(63)输出的放大信号经过低通滤波器(64)，检波输出一个与气体浓度相应的电平信号；
d.所述电平信号经过A/D变换电路(65)进行模数转换后以数字信号形式输出。

6.  根据权利要求1、2、5所述的基于机械调制测量气体浓度的方法，其特征在于，
对所述可控增益放大器(63)进行增益设定的步骤B中，所述信号放大处理电路(6)输出的作用为幅度判定的信号，是由可控增益放大器(63)的输出另分一路经整流，再送往微处理器单元(7)的又一路信号。

7.  一种基于机械调制测量气体浓度的装置，包括稳态光源(1)、检测气室(4)及位于二者之间带有贯通孔的斩波片(3)，微处理器单元(7)通过电动机控制电路(11)连接斩波电动机(2)，使之可以带动所述斩波片(3)旋转；所述检测气室(4)后端依次排列有滤光片(8)、光探测器(5)，所述光探测器(5)的输出经信号放大处理电路(6)送往微处理器单元(7)；所述微处理器单元(7)包括分析计算单元，根据接收到的数据计算出结果，并将结果交其处理单元以可读信息形式输出；所述检测气室(4)还有通孔分别连通进气管和出气管，用于测试气体样本的进和出；其特征在于，
所述信号放大处理电路(6)还包括至少一个可控增益放大器(63)，所述可控增益放大器连接来自微处理器单元(7)的调节信号。

8.  根据权利要求7所述的基于机械调制测量气体浓度的装置，其特征在于：
所述装置还包括一个气路系统，所述气路系统包括采样管(15)、限流阀(16)和与之相连的气泵(10)，所述检测气室(4)的进气管与出气管分别通过采样管(15)和限流阀(16)连通该气路系统；所述微处理器单元(7)分别通过流速检测电路(13)和气泵控制电路(14)电连接所述限流阀(16)和气泵(10)，可以使抽取测试气体的速度稳定。

9.  根据权利要求7所述的基于机械调制测量气体浓度的装置，其特征在于：
所述气路系统还包括一个电磁三通阀(9)，位于采样管(15)和检测气室(4)的进气管之间，微处理器单元(7)通过三通阀控制电路(12)电连接所述三通阀(9)，可对其选通方向进行控制。

10.  根据权利要求7所述的基于机械调制测量气体浓度的装置，其特征在于：
所述滤光片(8)嵌于光探测器(5)的感光窗口，与之组成一体化的感光元件。

11.  根据权利要求10所述的基于机械调制测量气体浓度的装置，其特征在于：
所述一体化的感光元件与光源(1)、斩波电动机(2)、斩波片(3)、检测气室(4)组合成一个一体的探头组件，可以实现气体浓度信号到电调制信号的转换。

12.  根据权利要求8所述的基于机械调制测量气体浓度的装置，其特征在于：
所述信号放大处理电路(6)还包括通带中心频率与载波频率一致的带通放大电路(61)，其后连接高通滤波器(62)，用以消除温度漂移引起的低频信号；所述高通滤波器(62)的输出送往可控增益放大器(63)。

13.  根据权利要求12所述的基于机械调制测量气体浓度的装置，其特征在于：
所述信号放大处理电路(6)还包括低通滤波器(64)，将来自可控增益放大器(63)的信号经检波输出与气体浓度相应的电平信号，送往微处理器单元(7)。

14.  根据权利要求7、12、13所述的基于机械调制测量气体浓度的装置，其特征在于：
所述信号放大处理电路(6)还包括一级A/D变换电路(65)，将欲送往微处理器单元(7)的模拟信号先行转换成数字信号。

15.  根据权利要求7、13所述的基于机械调制测量气体浓度的装置，其特征在于：
所述信号放大处理电路(6)还包括输出另一路送往微处理器单元(7)的信号，是由可控增益放大器(63)的输出另分一路经整流送往微处理器单元(7)的。

16.  根据权利要求7所述的基于机械调制测量气体浓度的装置，其特征在于：
所述微处理器单元(7)是用单片机设计的，所述单片机或将A/D变换电路(65)置于片外，或集成于片内。

基于机械调制测量气体浓度的方法及装置
技术领域    本发明涉及气体浓度检测领域，尤其涉及机械调制方式的旁流式气体浓度测量方法及装置。
背景技术    目前气体浓度监测仪，包括使用于医疗设备领域的，测量原理一般都是基于非色散红外光谱分析技术(NDIR，Non-Dispersive Infrared)，利用被测气体对某一波段红外光具有吸收特性，选择该特定波段的红外光，使之通过气体样本，因其光强衰减量与样本中被测气体浓度的关系符合Beer-Lambert定律，从而通过测试光衰减量可以计算得到相应气体的浓度。例如，呼吸末CO₂浓度监测仪就是利用CO₂分子光吸收特性曲线在4.26μm处的显著吸收峰，通过检测该波长范围的红外光通过气室后的衰减量，来计算出其中CO₂气体的浓度。
通常，热释电型红外探测器用于光测量，可以提高抗温漂能力。因其为一种交流或瞬时响应的器件，被测光必须调制成脉冲形式加以探测。目前常用机械方式调制，即，在红外光源和检测气室之间的光路上加一个带孔的以一定速率旋转的斩波片，光经此斩波片后成为光脉冲信号，用作为载波信号，该信号穿过检测气室后被气室内待测气体的浓度信号调制，再经红外探测器转换为被调制的电压或电流信号。在此过程中，为了进一步消除光源发光效率、光路通光率以及温度漂移等因素对测量结果的影响，系统在所述被测信号以外还要引入一路载波参考信号，一般选择不被检测气室内任何气体吸收的某一波段红外光。以CO₂气体浓度检测为例，可在斩波片上嵌入两个不同中心波长的带通滤光片，其中，带通中心波长与CO₂吸收峰4.26μm一致的通道用于引入CO₂浓度测量信号，不一致的另一个通道引入参考信号，并视之为与前一通道的载波信号等同。可参见美国专利US 4,522,204和US 4,998,018。
上述现有技术的主要缺点是，由于引入载波参考通道，一方面测量探头的结构较为复杂，成本也较高；另一方面因为参考通道的滤光片与信号通道的滤光片温漂特性很难保持一致，而且长期使用后两个通道的通光率变化量也不同，造成参考通道信号与被测通道的载波信号的不等同，难以保证测量精度长期稳定。
发明内容    本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而提出一种基于机械调制测量气体浓度的方法及装置，可以在测量探头的设计中不需考虑参考通道的引入问题，从而简化测量探头的结构，降低制造成本，同时，又提高测量精度的长期稳定性。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种基于机械调制测量气体浓度的方法，包括步骤
a.待测气体样本被抽取至检测气室；
b.斩波电动机在微处理器单元的作用下带动斩波片以一定速率旋转，所述斩波片上有至少一个通孔，使从稳态光源发出的光经通孔后，成为光脉冲，用作为载波信号；
c.所述载波信号穿过检测气室，被气室内特定气体的浓度信号所调制；
d.调制后的光信号依次经滤光片和光探测器，被转换为调制的电压或电流信号；
e.所述电压或电流信号经信号放大处理电路后被送往微处理器单元；
f.所述微处理器单元根据所述接收到的信号，计算出气室内被测气体的浓度，或推算其它与被测气体相关的参数；
尤其是，所述信号放大处理电路内有至少一个可控增益放大器，在所述步骤a之前还包括对所述可控增益放大器进行增益设定的步骤
1)参考气体被抽取至检测气室；按上述步骤b到d得到的电压或电流信号，经所述放大处理电路后送往微处理器单元；
2)微处理器单元输出调节信号给所述可控增益放大器，并调整该信号大小，直到使所述信号放大处理电路输出信号的幅度达到设定值；
3)微处理器单元保持所述调节信号的大小，直至下一次的设定过程。
与现有技术相比，本方法通过测量参考气体时对放大电路的增益控制，可以消除因光源发光效率和光路通光效率变化、设备长期工作后传感器响应能力和电子元器件的差异带来的测量信号的误差，还可以消除测量过程中温度漂移对测量结果造成的影响，利于保持测量精度的长期稳定性。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案还包括，设计制造一种基于机械调制测量气体浓度的装置，包括稳态光源、检测气室及位于二者之间带有通孔的斩波片，微处理器单元通过电机控制电路连接斩波电动机，使之可以带动所述斩波片旋转；所述检测气室后端依次排列有滤光片、光探测器，所述光探测器的输出经信号放大处理电路送往微处理器单元；所述微处理器单元包括分析计算单元，根据接收到的数据计算出结果，并将结果交其处理单元以可读信息形式输出；所述检测气室还有通孔分别连通进气管和出气管，用于待测气体样本的进和出；尤其是，还包括
所述信号放大处理电路还包括至少一个可控增益放大器，所述可控增益放大器连接来自微处理器单元的调节信号。此外，所述进气管可以连通电磁三通阀，所述电磁三通阀在微处理器单元通过三通阀控制电路的作用下，可以使检测气室分别连通参考气体或待测气体。
利用本发明装置，可使传感器探头结构设计简单，对探测器的要求也大大降低，并可有效消除测试过程中光组件性能退化带来的影响，从而节约设备成本的同时提高设备的性能。
附图说明    图1是本发明气体浓度测量装置的原理框图
            图2是图1中信号放大处理电路6的逻辑构成框图
            图3是所述信号放大处理电路的具体电路图
            图4是浓度测量装置控制器的具体电路图
其中标号：1——稳态光源，2——斩波电动机，3——斩波片，4——检测气室，5——光探测器，6——信号放大处理电路，7——微处理器单元，8——滤光片，9——三通阀，10——气泵，11——电动机控制电路，12——三通阀控制电路，13——流速检测电路，14——气泵控制电路，15——采样管，16——限流阀；
61——带通放大电路，62——高通滤波器，63——可控增益放大电路，64——低通滤波器，65——A/D变换电路。
具体实施方式    下面，结合附图所示之最佳实施例进一步详述本发明。
如图1所示，本发明气体浓度测量装置，包括稳态光源1、检测气室4及位于二者之间并带有通孔的斩波片3，所述斩波片3同轴连结斩波电动机2，微处理器单元7通过电机控制单元11电连接所述斩波电动机2，使之带动所述斩波片3以一定速率旋转，从而光源1发出的光，经过斩波片3后变成与其旋转速率相应的一定频率的光脉冲载波信号；所述检测气室4后端依次设置有滤光片8、光探测器5，所述光探测器5的输出经信号放大处理电路6送往微处理器单元7，所述微处理器单元7包括分析计算单元，根据接收到地电压或电流信号，计算出气室内被测气体的浓度，或推算其它与被测气体相关的参数；所述检测气室4还有通孔连通进气管和出气管，用于被测试气体样本的进和出。
图1中，气路系统包括采样管15和与之相连的三通阀9、限流阀16和与之相连的气泵10，所述进气管与出气管分别通过三通阀9和限流阀16连通该气路系统，采样气体经采样管15、三通阀9被连续抽取到检测气室4中，然后经限流阀16、气泵10的排气口被排放出去。所述三通阀9可以采用电磁控制方式，通过三通阀控制电路12电连接微处理器单元7，即可由微处理器单元7对其选通方向进行控制，使检测气室4或者连通参考气体，或者连通待测气体。在采用人工方式机械控制检测气室4的进气源时，所述三通阀9可以被省掉，但不利于测试仪的自动化设计。所述限流阀16和气泵10分别通过流速检测电路13和气泵控制电路14电连接微处理器单元7；在抽取气体样本时，微处理器单元7通过流速检测电路13检测实时的抽气速率，并通过气泵控制电路14控制气泵10的抽气速度，达到稳定抽样的目的。
通过斩波片3输出的光脉冲载波信号经过检测气室4，由于部分光能量被气室中某种对应气体吸收，使通过的光能量随该气体的浓度变化而变化，从而产生被所述气体的浓度参数调制的光信号，它进一步经带通滤光片8后被光探测器5转换成相应的电调制信号。所述滤光片8还可以是嵌于光探测器5的感光窗口，与之组成一体化的感光元件；所述感光元件还可以与所述光源1、斩波电动机2、斩波片3、检测气室4组合成一个探头组件，一体实现气体浓度信号到电调制信号的转换。该组件还可以如图包括信号放大处理电路6，以对微弱的模拟信号进行放大、解调，甚至进行模数转换后送往微处理器单元7。
当三通阀9使检测气室4选择连通参考气体时，进入检测气室4的气体为对载波光信号无吸收作用的参考气体，光探测器5输出的是载波信号；反之，检测气室4的进气口选择连通待测气体时，光探测器5输出的是被某特定气体的浓度参数调制的载波信号。这两种信号，前者用于装置的系统调校，后者是装置检测或监测气体浓度的分析信号。
为达到本发明效果，使两种信号能采用同一个通道处理，所述信号放大处理电路6采用如图2所示的结构，包括至少一个可控增益放大器63，该可控增益放大器63还连接来自微处理器单元的调节信号；还包括通带中心频率与载波频率一致的带通放大电路61，其后连接高通滤波器62，用以消除温度漂移引起的低频信号；所述高通滤波器62的输出经可控增益放大器63，再送往低通滤波器64，检波输出一个与气体浓度相应的电平信号，再进入A/D变换电路65。所述可控增益放大器63的输出也可以直接经A/D变换电路65送往微处理器单元7，由微处理器单元7通过软件的方法实现检波的功能，检出与气体浓度相应的信号。所述A/D变换电路65也可以不是信号放大处理电路6的一部分，而是被集成于微处理器单元7内的一个功能块，则所述低通滤波器64输出信号直接送往微处理器单元7。
根据信号放大处理的不同需要，所述可控增益放大器63和低通滤波器64之间还可以引入一级及以上的固定增益放大器，同时为了减少电路参数漂移带来的不利影响，还可以将可控增益放大器63的输出另引一路送往微处理器单元7，当系统引入参考通道信号时，其作用为调整放大器63增益所依据的参考信号。
微处理器单元7是本发明测量装置的控制核心，包括输出控制信号的控制信号发生器、信号输入输出端口，根据接收到的数据计算结果的分析计算单元，使结果以可读信息形式输出的处理单元，及存储系统软件的程序存储器，暂存数据的数据存储器。所述微处理器单元7可以是用通用单片机，如MCS51系列的，实现测量装置工作状态的监测和控制、数据采集和处理、气体浓度及其它参数计算的基本系统功能外，还可以扩展与上位机通讯，将监测分析的结果送屏幕显示，或送打印设备打印等；也可以输出报警信号，使监测到一定信号条件时，系统产生声或光信号。
不同的气体有不同的光吸收特性，改变光源波长和采用相应的感光元件，选择合适的参考气源，就可利用所述装置的方法在不同领域测试气体浓度。以医疗上的呼吸末CO₂浓度监测为例，监测对象为病人呼吸气体中的CO₂浓度，利用CO₂对4.26μm波长红外光的吸收特性，使稳态光源1发出4.26μm波长红外光。测量时一般取大气(视C_O2浓度为零)为参考气体，则可采用本发明的测量方法，包括步骤
a.待测气体样本，即病人呼吸气体，在微处理器单元7的控制下被气泵10抽取至检测气室4；
b.斩波电动机2在微处理器单元7的控制下带动斩波片3以一定速率旋转，所述斩波片3上有至少一个通孔，使从稳态光源1发出的光经通孔后，成为光脉冲，用作为载波信号；
c.所述载波信号穿过检测气室4，被气室内特定气体的浓度信号所调制；
d.调制后的光信号依次经过滤光片8和光探测器5，被转换为调制的电压或电流信号；
e.所述电压或电流信号经信号放大处理电路6后被送往微处理器单元7；
f.所述微处理器单元7根据所述接收到的信号，计算出气室内CO₂气体的浓度，或推算其它与相关的参数，如呼吸率；
其中，所述信号放大处理电路6内可控增益放大器63的增益设定按以下步骤进行：
1)参考气体，即大气，在微处理器单元7的作用下被气泵10抽取至检测气室4；按上述步骤b到d而得到初始光强的电压或电流信号，经所述信号放大处理电路6后送往微处理器单元7；
2)微处理器单元7输出调节信号给所述可控增益放大器63，并调整该信号大小，直到使所述信号放大处理电路6输出的参考信号幅度达到设定值；
3)微处理器单元7保持所述调节信号的大小，直至下一次的设定过程。在浓度监测仪进行测量工作之前，微处理器单元7先按上述步骤1)至3)设定可控增益放大器63的增益，以消除因放大电路、光路通光效率和光源发光效率的差异带来的差异；而后按上述步骤a至f测试呼吸气体。在长时间测量过程中，为了消除放大电路温度漂移对测量结果的影响，所述微处理器单元7将定时按上述步骤1)至3)调整可控增益放大器63的增益，以使输出信号保持测量精度的长期稳定性。其中，上述步骤1)和2)中所述信号放大处理电路6的输出可以是同一路信号的输出，即由低通滤波器64输出，再由微处理器单元7进行不同的处理；也可以是分开输出的两路信号，步骤2)中的所述参考信号是，可控增益放大器63的输出另分一路经整流送往微处理器单元7的。
本发明CO₂浓度监测仪，其信号放大处理电路6采用如图3所示的具体电路图。其中带通放大电路61包括放大器集成电路U8A和无源器件C27、R39、C29、R40、R38、C28。高通滤波器62包括C32。可控增益放大电路63包括以放大器集成电路U8B为核心的第一级放大器，包括数字电位器U13和R41、R44、R45，微处理器单元7的部分P2口输出连接所述数字电位器U13的数字端接口，可直接对数字电位器U13的阻值进行设定，从而通过调整该阻值来改变该级放大器的增益；本级放大器输出的信号分两路，一路送往以放大器集成电路U10B、U11A为核心的第二级固定增益放大电路，D3、D4、D7、D8的作用使该级放大器仅输出零电平以上的信号，另一路送往以放大器集成电路U9A为核心的整流电路，产生参考信号C送往微处理器单元7。在低通滤波器64中，所述第二级放大电路输出的信号经R54、C44低通滤波滤除载波，再经U10A检波输出一个测试信号A送往微处理器单元7。在引入参考通道的信号时，微处理器单元7调整数字电位器U13的阻值，使接收到的C信号输入电平达到预设的判断值，同时记录A信号的电平作为校准基础；然后保持U13阻值，使可控增益放大电路63的增益不变，引入测试信号，根据A电平的变化，来判定测试气体的浓度变化。在如图4所示的浓度测量装置控制器具体电路图中，单片机U2构成微处理器单元7的控制核心，包括了系统软件、数据分析计算单元、控制信号产生等单元。在U2的外围，U1作A/D变换用，所述电平信号A，C，来自流速检测电路13的Dpress信号，来自三通阀控制电路12的Mvalve状态信号，及来自气泵控制电路14的MPump状态信号均被转换成数字信号送往U2；同时U2根据系统计算判定输出送往三通阀控制电路12的Valve控制信号和送往气泵控制电路14的PWM控制信号。
本发明实施例所用的主要元器件清单如下：
序号      元件符号          型号或参数         厂商资料
1         U1                MAX158             Maxim
2         U2                AT89C51            Atmel
3         U5                NPC-1210           Novasensor
4         U6                TDA5145            PHILIPS
5         U8～U11           LT1013D            TI
6         U13               MAX5402            Maxim
7         Q1                VN0605             SILICONIX
8            Q3          2N4403           MOTOROLA
9            Y1          11.0592M
10           D3          1N4148
11           C7          2.2μF
12           C28         1000pF
13           C32         0.47μF
14           E1          10μF25V
15           R1          10KΩ
16           R2          100KΩ
17           R39         12.1KΩ
所有图3、图4的电子线路及上述元器件清单，只是本装置的一个实施例，并不局限其具体电路形式。在实际使用中，现有技术均有采用其它形式的电子线路作同等替换。因其属本领域技术人员公知，在此不加详述。
上述方法和装置，经过医疗临床验证，有很好的测量精度和测量稳定性。