红外气体传感器浓度信号处理方法 技术领域 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。
背景技术
现有红外气体传感器主要以数据查表法来确定所检测目标气体的气体浓度 C， 其理论如下 ： 红外气体传感器的输出信号分为参照通道的输出信号 URef. 与检测通道 有如下关系 ：的输出信号 UAct.， 两输出信号 URef.、 UAct. 与目标气体对红外光的吸收率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 ( 又称被测气体 ) 吸收后 的红外光强度 ；
局限于单色光的郎伯 - 比尔定律 ： I ＝ IO exp(-εlCn) (b)
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 ；
定义为目标气体对红外气体传感器红外光的相对吸收率， 用符号 Fa 表示(Fractional absorbance)， 即 由上述三式可以得出表明红外气体传感器相对吸收率 Fa 与目标气体浓度 C 对应 关系的关系函数 ： Fa ＝ 1-exp(-εlCn) (d)
其中， 参数 Fa 可直接通过式 (c) 求得 ； 通过试验获得相对吸收率 Fa 与目标气体浓 度 C 的对应关系 ： 通过试验获得相对吸收率 Fa 与目标气体浓度 C 的一组相关数据， 依据相 关数据组用描点法来确定相对吸收率 Fa 与目标气体浓度 C 之间的关系曲线 ( 如图 1 所示， 其中， 目标气体为甲烷气体 )， 依据相对吸收率 Fa 即可查获对应的目标气体浓度 C 值。 从图 1 中可以直观地看出， 目标气体浓度 C 处在低浓度时， 相对吸收率 Fa 上升比较陡峭， 随着目 标气体浓度 C 的增大， 相对吸收率 Fa 趋向于平坦化， 达到饱和状态。表明 ： 对于红外气体传 感器来说， 应用数据查表法确定目标气体浓度， 在目标气体低浓度情况下， 红外气体传感器 的测试精度要高， 测试结果会更接近于真实值， 而对于目标气体高浓度的情况， 则反之。
此外， 数据查表法对目标气体浓度的确定精度取决于由描点法所得关系曲线的逼 真程度， 要提高红外气体传感器的检测精度， 就需要增加采样点的数量， 采样点越多， 通过
描点法获得的关系曲线就越接近实际关系曲线， 通过数据查表法确定的目标气体浓度越接 近真实值 ； 增加采样点必然增加实际工作的任务量， 可用性一般 ； 但是在采样点数量有限 的情况下， 应用数据查表法的红外气体传感器对于精度要求不高的场合完全可以满足实际 使用需要。
另外， 在工作长时间情况下， 红外气体传感器会因外界原因 ( 例如 ： 外界温度、 湿 度、 压力等 )， 各采样点对应的相对吸收率 Fa 值发生飘移， 通常的做法 ： 对红外气体传感器 进行定期校准， 重新输入各采样点对应的相对吸收率 Fa 值， 但会使工作变的比较麻烦 ； 或 采用校准方法， 通过数据关系进行校准， 需要额外设计校准算法。 发明内容 本发明为了解决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， 提供了一种红外气体传感器浓度信号处理方法。
本发明是采用如下技术方案实现的 ： 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 URef. 与检测通道的输出信号 UAct.， 两输
出信号 URef.、 UAct. 与目标气体对红外光的吸收率
有如下关系 ：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 ( 又称被测气体 ) 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 ＝ IO exp(-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 ；
考虑到， 红外光源经窄带光学滤波片滤光后入射到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 ：
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 UAct. 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 ；
式 (3) 是对郎伯 - 比尔定律的变形， 能满足边界条件 ： l ＝ 0 时， I ＝ IO ； l ＝∞时， I ＝ SIO。
式 (4) 是参数转换后的另一种描述形式。
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 UAct. 与参照通道 输出信号 URef. 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 UAct. 的 峰 - 峰值 ；
U′ Ref. ： 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 URef. 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
则式 (5) 可转换为 ：
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 ( 即量程 )， 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(-αXβ)) (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 ：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 UAct. 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 URef. 的 峰 - 峰值 ；
将相关数据 ： 参数 α、 β、 S、 Z 代入式 (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 URef. 与检测通 道的输出信号 UAct.， 得红外气体传感器所检测目标气体的气体浓度 C。
另外， 基于外界温度的变化会影响红外气体传感器内目标气体对红外光的吸收率
， 外界温度是影响红外气体传感器检测精度的一个主要因素， 因此， 本发明所述红外气体 传感器浓度信号处理方法还包括实时测量温度补偿方法 ： 引入温度补偿参数 λ， 结合温度 关系补偿红外气体传感器内目标气体对红外光的吸收率 器内目标气体对红外光的吸收率
， 定义温度补偿后红外气体传感T： 测试时外界环境的实时温度 ；
T0 ： 测试用于确定红外气体传感器零位输出比 Z 的红外气体传感器输出信号 U′ Act.、 U′ Ref. 时的外界环境温度 ；
λ： 温度补偿参数 ；
其中， 温度补偿参数 λ 按如下方法确定 ： 应用红外气体传感器在确定的目标气 体浓度下进行测试， 同时改变外界环境的温度， 并对外界环境温度设定一定数量的采样点，
记录与外界环境温度采样点对应的红外气体传感器内目标气体对红外光的吸收率 ； 按照， 即值与外界温度的对应关系进行曲线拟合， 求取温度补偿参数 λ 的具体值 ；
将式 (13) 代入式 (9) 中， 即可得到红外气体传感器经温度补偿后计算气体浓度的 目标函数 ：
8基于理想气体浓度定律， 对已经温度补偿后的目标函数 C 补偿进行二次温度补偿， 获得红外气体传感器计算气体浓度的最终目标函数 ：101949833 A CN 101949836说明书5/8 页其中， 温度 T、 T0 采用标准温度， 单位为 K ；
根据最终目标函数、 以及红外气体传感器参照通道的输出信号 URef. 与检测通道的 输出信号 UAct.， 得红外气体传感器所检测目标气体的气体浓度 C。
与现有技术相比， 本发明从对目标气体进行红外检测的原理着手， 进行理论分析， 充分考虑影响红外气体传感器检测精度的多方面因素， 并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 Z 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 ； 有效地提高了红外气体传感器检测结果 的精度。此外， 本方法针对外界温度对红外气体传感器检测结果的影响， 实施两次温度补 偿， 用以修正红外气体传感器的检测结果， 1、 引入温度补偿参数 λ， 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 ； 使得红外气体传感器能在不同温度条件下使 用， 克服了因地区与天气条件的改变对红外气体传感器使用性的影响。
本发明方法合理、 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。
附图说明
图 1 为相对吸收率 Fa 与甲烷气体浓度 C 之间的关系曲线。具体实施方式
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 URef. 与检测通道的输出信号 UAct.， 两输出信号 URef.、 UAct. 与目标气体对红外光 的吸收率
有如下关系 ：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 ( 又称被测气体 ) 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 ＝ IO exp(-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 ；
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 ：
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 UAct. 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 UAct. 与参照通道 输出信号 URef. 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 UAct. 的 峰 - 峰值 ；
U′ Ref. ： 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 URef. 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
则式 (5) 可转换为 ：
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 ( 即量程 )， 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(-αXβ)) (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： 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 ：
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 UAct. 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 URef. 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 URef. 与检测通 道的输出信号 UAct.， 得红外气体传感器所检测目标气体的气体浓度 C。
另外， 基于外界温度的变化会影响红外气体传感器内目标气体对红外光的吸收率
， 外界温度是影响红外气体传感器检测精度的一个主要因素， 因此， 本发明所述红外气体 传感器浓度信号处理方法还包括实时测量温度补偿方法 ： 引入温度补偿参数 λ， 结合温度 关系补偿红外气体传感器内目标气体对红外光的吸收率 器内目标气体对红外光的吸收率
， 定义温度补偿后红外气体传感T： 测试时外界环境的实时温度 ；
T0 ： 测试用于确定红外气体传感器零位输出比 Z 的红外气体传感器输出信号 U′ Act.、 U′ Ref. 时的外界环境温度 ；
λ： 温度补偿参数 ；
其中， 温度补偿参数 λ 按如下方法确定 ： 应用红外气体传感器在确定的目标气 体浓度下进行测试， 同时改变外界环境的温度， 并对外界环境温度设定一定数量的采样点，
记录与外界环境温度采样点对应的红外气体传感器内目标气体对红外光的吸收率 ； 按照， 即值与外界温度的对应关系进行曲线拟合， 求取温度补偿参数 λ 的具体值 ；
将式 (13) 带入式 (9) 中， 即可得到红外气体传感器经温度补偿后计算气体浓度的 目标函数 ：
基于理想气体浓度定律， 对已经温度补偿后的目标函数 C 补偿进行二次温度补偿， 获得红外气体传感器计算气体浓度的最终目标函数 ：其中， 温度 T、 T0 采用标准温度， 单位为 K ；
根据最终目标函数、 以及红外气体传感器参照通道的输出信号 URef. 与检测通道的 输出信号 UAct.， 得红外气体传感器所检测目标气体的气体浓度 C。