(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210229949.3 (22)申请日 2022.03.10 (71)申请人 上海交通大 学 地址 200240 上海市闵行区东川路80 0号 (72)发明人 黄梅珍　孙其芳　刘天元　张燕　 王志辉　邱鸿霖　李天林　 (74)专利代理 机构 上海恒慧知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 31317 专利代理师 徐红银　禹雪平 (51)Int.Cl. G01N 21/3504(2014.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种可变光程NDIR宽量程气体检测方法和 系统 (57)摘要 本发明提供一种可变光程NDIR宽量程气体 检测方法和系统， 仅用一个通道， 通过改变光程 进行多次测量获得包含多个影响因素参量的多 组数据， 从而 解析出气体浓度， 得到气体浓度C和 光程差ΔL的关系式， 可 以避免环境温湿度等因 素的干扰。 该检测系统包括： 光源， 用于发射红外 光， 光谱范围包含被测气体的特征吸收波长； 光 源驱动模块， 用于给光源提供稳定的供电电压以 及调制光源； 气室， 为单通道可变光程气室； 探测 器模块， 用于获取待测气体在不同的气体浓度和 光程下的原始电压数据； 数据采集处理模块， 用 于对原始电压进行数据采集并进行数字信号处 理。 本发明测量范围更大、 系统体积更小、 成本更 低、 稳定性更高， 为气体检测提供了更加简单准 确的方法。 权利要求书2页 说明书8页 附图3页 CN 114778475 A 2022.07.22 CN 114778475 A 1.一种可变光 程NDIR宽量 程气体检测方法， 其特 征在于， 包括： 基于朗伯比尔定律， 修正环境参数， 建立传感器输出电压与气体浓度及光程差的函数 关系； 根据所述 函数关系， 建立分析模型， 并确定所述分析模型的常量； 利用所述分析模型对待测气体的浓度进行定量分析。 2.根据权利要求1所述的可变光程NDIR宽量程气体检测方法， 其特征在于， 所述建立传 感器器输出电压与气体浓度及光 程差的函数关系， 包括： 选择光谱范围包含被测气体的特征吸收波长的光源， 在光源照射下， 气体浓度C和光程 差L以及传感器输出电压U之间的关系表达式S1为： 其中， K0为光电转换的系数， 与传感器型号以及后续调理电路的放大倍数有关； ε是被测 气体的摩尔吸收系数； S(L1)为光程长度为L1的损耗函数， S(L2)为光程长度为L2的损耗函 数； f(T， R)为环境参数温度T和湿度R对测量 结果的干扰 函数； L1和L2分别是光程变化前后的 光程长度； U1和U2为光程长度为 L1和L2时探测器的输出电压 。 3.根据权利要求2所述的可变光程NDIR宽量程气体检测方法， 其特征在于， 所述根据所 述函数关系， 建立分析模型， 并确定所述分析模型的常量， 包括： 在不含被测气体的条件下， 测量不同光程下的传感器输出电压， 并采用最小二乘法进 行优化拟合， 从而确定函数S(L)； 建立被测气体在所需测量浓度范围的一系列梯度气体浓度的样本， 测量不同光程下， 不同气体浓度对应的传感器电压， 得到作为建模依据的原 始电压数据； 对所述原始电压 数据进行处理后， 进行多项式优化拟合， 从而确定表 达式S1中的参数K0 和 ε， 从而建立接收传感器输出电压 ‑气体浓度和光程差的三维曲面关系模型， 得到分析模 型。 4.根据权利要求3所述的可变光程NDIR宽量程气体检测方法， 其特征在于， 所述利用所 述分析模型对待测气体的浓度进行定量分析， 包括： 确定合适的光程长度L1和L2； 根据所选取的光 程长度L1和L2， 测量对应光 程下的传感器输出电压； 将光程差ΔL＝L2‑L1和所述传感器输出电压代入已预先通过定标建立的所述分析模 型， 获得待测气体的浓度C 。 5.根据权利要求4所述的可变光程NDIR宽量程气体检测方法， 其特征在于， 所述确定合 适的光程长度L1和L2， 包括： 以光程最小处Lmin能够测量到的最大气体浓度Cmax的一半为浓度阈值Cth， 所述浓度阈值 Cth对应的传感器输出电压为电压阈值Uth， 首先测量被测气体在光程取最小L1＝Lmin时的传 感器响应U1， 若测量结果小于电压阈值Uth， 则预判断其浓度范围为偏大， 反 之偏小； 根据预判断结果， 若浓度范围偏大， L2选取大于L1小于光程中位数值， 反之选取大于光 程中位数值， 其中光 程中位数值 为(Lmax‑Lmin)/2。 6.一种可变光程NDIR宽量程气体检测系统， 用于实现权利要求1 ‑5任一项所述的方法，权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114778475 A 2其特征在于， 包括： 光源， 用于发射红外光， 所述红外光的光谱范围包 含被测气体的特 征吸收波长； 光源驱动模块， 用于给光源提供 稳定的供电 电压以及调制光源； 气室， 所述气室为单通道可变光 程气室； 探测器模块， 用于获取待测气体在不同的气体浓度和光 程下的原 始电压数据； 数据采集处 理模块， 用于对所述原 始电压进行 数据采集并进行 数字信号处 理。 7.根据权利要求6所述的可变光程NDIR宽量程气体检测系统， 其特征在于， 所述光源为 带有抛物反射 面的宽带光源。 8.根据权利要求6所述的可变光程NDIR宽量程气体检测系统， 其特征在于， 所述气室为 直射型气室， 所述气室呈空心圆柱形， 所述气室的内径被构造为能够放置轴向对准的光源 和探测器， 所述气室在空心圆柱的主体部分开设有通气槽 。 9.根据权利要求8所述的可变光程NDIR宽量程气体检测系统， 其特征在于， 所述气室的 表面开设有多个与外界连通的限位 孔， 相邻两个所述限位 孔之间的间隔距离相同。 10.根据权利要求6所述的可变光程NDIR宽量程气体检测系统， 其特征在于， 所述探测 器为热释电探测器、 热电堆探测器和光电二极管中的任一种， 所述探测器的前方设有滤光 片， 所述滤光片的光谱特性与待测气体的红外吸 收峰波段匹配。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114778475 A 3