CN100592075C

CN100592075C - 气体传感器

Info

Publication number: CN100592075C
Application number: CN200480036879A
Authority: CN
Inventors: 李承焕; 朴正翼; 姜智贤
Original assignee: ELT Inc Korea
Current assignee: ELT Inc Korea
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2024-12-10
Also published as: KR100494103B1; CN1890554A

Abstract

公开了一种独特的NDIR气体传感器模块的光腔和从100ppm到2000ppm的CO₂浓度的测试结果。所提出的传感器模块在500ms的脉冲持续时间时显示出最大峰值电压，然而，在200ms脉冲持续时间时具有最大的相对电压改变以及18000倍的放大增益。从100ppm至2000ppm，传感器模块的电压差值(V)在脉冲持续时间为200ms并且关断时间为3秒时为200mV。

Description

气体传感器

技术领域

本发明涉及一种光学气体传感器并且尤其涉及一种非色散红外气体传感器。

背景技术

传统的光学气体传感器的工作原理如下。

通常的，光强度由于光路径上光线的衍射、反射、折射以及吸收而增强或者减弱。当入射光线通过光路径时，该光路径上的气体吸收光线并且初始的光强度降低。

当气体浓度J为各向同性并且在光路径上均匀分布时，红外线通过光路径L，最终光强度I可以通过Beer-Lambert定律解释，该定律是气体吸收系数k、路径长度L以及初始光强度I_o的函数。

即，I＝I_o·e^-KJL(x)—————公式(1)

Beer-Lambert定律表达为上面的公式(1)。如果初始光强度I_o和待测气体的吸收系数恒定，则最终光强度I表达为光路径上的气体浓度J和路径长度L的函数。

如果在上述公式(1)中没有气体，即如果J＝0，则最终光强度等于初始光强度。

即I＝I_o———————公式(2)

因此，当没有气体和气体浓度为J时光学强度的差值通过公式(3)得

到：

ΔI＝I_o·(1-e^-KJL(x))—————公式(3)

然而，由于传统的红外传感器输出与光强度成正比的电压，根据存在或

者不存在气体时的传感器的输出表达为公式(4)：

ΔV＝α·ΔI＝α·I_o·(1-e^-KJL(x))—————公式(4)

为了得到具有从低浓度到高浓度很宽的测量范围的光学气体传感器，首先，应当提供具有很长的光路径L的光腔(或者气体室)；其次，应当使用最低可检测光强度I_th足够低的红外线传感器；或者第三，具有相对较高并且略低于从红外源发射的初始光强度I_O的饱和光强度I_sat的红外线传感器。

然而，由于商用的红外线检测传感器(例如温差电堆(Thermopile)红外传感器或者无源红外传感器)不足以满足上述所有条件，因此需要提供具有足够长路径的光腔的优选方法。

因此提出了在有限的光腔内延伸光路径的各种方法，其中一者为Jacob Y.Wong发明的名称为“NDIR GAS ANALYSIS USING SPECTRALRATIONING TECHNIQUE”的美国专利No.5,341,214。如图1所示，该发明旨在提供光路径管状结构，该结构引起多次反射，从而平均路径长度大于光波导的物理长度。并且，其试图通过将从光源发射的红外线导向任何方向而增加光路径。然而，红外线气体传感器通常具有有限的接收入射光线的视场。由于视场有限，完全到达红外线传感器进行测量的光线量非常小。因此，光腔效率很低，并且缺乏实用性。

另一种使用White’s Cell原理的方法在名称为“MIRRORARRANGEMENT FOR A BEAM PATH IN A MULTIPLE-REFLECTIONMEASURING CELL.”的美国专利No.5,009,493中公开。如图2所示，多个焦点位于镜面的反射表面上，从而入射光可以通过设置的三个反射镜面而反射预定次数，并且可以延伸光路径的长度以分析光路径上很少量的气体。

然而，由于这种系统使用激光作为光源，因此不适合于测量CO₂等气体。而且，由于反射面之间的长距离，因此很难在较小的气体检测器中使用。

另一种方法为Christopher R.Sweet在名称为“GAS ANALYZER”的美国专利No.5,488,227中提出的，其中通过凸面反射镜和凹面反射镜的组合形成气体传感器。为了确保较长的有效光路径，该方法的特点在于在气体闭室中安装移动的凸面反射镜，如图3所示。根据该方法的气体分析器包括：结构12用于确保气体传感器内的一定空间并且防止内部污染，盖子13，圆筒光学反射镜15，步进电机16用于旋转所述反射镜，红外线传感器24，具有多个过滤器的旋转圆盘21以及旋转所述圆盘的步进电机23。

然而，由于很难得到这样的系统并且反射镜的旋转需要步进电机，因此在小型的便携式的、使用简单的气体分析器中不容易使用。

在名称为“GAS SENSOR”的PCT/SE97/01366(WO 98/09152)中Martin提出了又一种方法。为了在具有有限尺寸的光腔中提供相对长的光路径，所述方法如图4所示设置3个凹面镜。换言之，Martin提出的气体传感器包括三个椭圆凹面，并且具有光学气体传感器闭室结构(cell structure)，采用White’sCell概念以将名个凹面的反射光线的焦点设置在相反反射面上或者其附近。

然而，所述具有三个反射面的气体传感器闭室很复杂。并且，由于从位于主镜面(主体的镜面)的表面上的光源发射穿过光腔的入射光在其入射角上可以具有微小变化，因此很难确定光学传感器的适当位置。

现有的NEIR气体传感器系统中应用了四种光腔。

第一，如同在1995年8月22日发布的Jacob Y.Wong的美国专利No.5,444,249中公开的，提供了一种具有一个红外IR源和一个光检测器的方型光腔或者圆柱管型光腔。

第二，在2000年5月30日发布的名称为“An implementation of NDIR typeCO₂ gas sample chamber and measuring hardware for capnograph system inconsideration of time response characteristics”(Journal of Korean Sensor Society，vol.5，no.5，pp.279-285，2001by I.Y.Park，et al.)的文章中公开的MahesanChelvayohan发明的美国专利No.6,067,840中，提出了一种包括一个光检测器和两个用于热老化补偿的IR光源的光腔。

第三，在名称为“CO₂/H₂O Gas Sensor Using Tunable Fabry-Perot Filterwith Wide Wavelength Range”(IEEE International Conference on MEMS，pp.319-322，2003by Makoto Noro，et al.)的文章中公开了一种使用圆柱管光腔并且应用Fabry-Perot过滤器以选择目标气体波长的气室。

第四，在Martins Hans等人1998年3月5日的名称为“Gas Sensor”的PCT/SE97/01366(WO 98/09152)中公开了一种包括三个凹面镜以增加小容量气室内光路径长度的气室。

发明内容

本发明着眼于解决上述问题。本发明的目标是最大化光路径长度并且提供具有很宽测量范围，并且具有很容易设计的光腔(或者气室)结构的光学气体传感器。

并且，本发明提供了一种用于新的光学气体传感器闭室的新的光腔结构，并且基于采用所述光腔的传感器的CO₂浓度测量实验结果提出了一种新的气体传感器。

对于前述目标，根据本发明一个方面的光学气体传感器包括：气室，用于容纳样本气体；气体开口，用于将样本气体注入到所述气室内或者用于从所述气室释放样本气体；光源，用于向所述样本气体投射红外线；以及红外线传感器，用于感测穿过所述样本气体的红外线的强度，其中所述气室的壁包括两个相对的具有不同焦距但是具有公共焦点的凹面镜。

对于前述目标，根据本发明一个方面的光学气体传感器包括：气室，用于容纳样本气体；气体开口，用于将样本气体注入到所述气室内或者用于从所述气室释放样本气体；光源，用于向所述样本气体投射红外线；以及红外线传感器，用于感测穿过所述样本气体的红外线的强度，其中所述气室的壁包括相对的具有不同焦距但是具有公共焦点的第一凹面镜和第二凹面镜，并且所述第一凹面镜和所述第二凹面镜具有如下曲率，即使得平行于所述第一凹面镜光轴的入射光在所述第一凹面镜的表面上反射并且通过所述第一凹面镜的焦点，并且使得通过所述第一凹面镜焦点的入射光在所述第二凹面镜的表面上反射并且平行于所述第二凹面镜的光轴传播。

所述气体开口包括在所述气室的某个壁上设置的气体出口和设置在所述气室的下部或者上部支撑板上的多个气体扩散通道。

所述多个气体扩散通道由气体过滤器掩盖。

所述多个气体扩散通道优选地设置在红外线传感器的入射光线的光轴上。

所述气体开口优选的向下弯曲或者可以配备可拆卸的盖子。

所述第一凹面镜和所述第二凹面镜的表面通过镀金或者金沉积而形成。

所述气室包括与所述支撑板上形成的红外线光源邻近的与所述气室的支撑板整体形成的抛物线反射镜。

所述气室具有光出口用于将至少一部分来自所述红外线光源的红外线投射到所述支撑板上。

所述红外线光源可以设置在所述抛物线反射镜的焦点上。

所述气室的支撑板可以包括高度补偿结构，用于补偿由于所述红外线光源的高度造成的所述支撑板的倾斜。

附图说明

图1-图4为现有技术中的光学气体传感器；

图5显示了抛物线状反射镜的光学特性；

图6显示了包括具有公共焦点的两个抛物线反射镜的光腔系统的光学特性；

图7显示了根据具有公共焦点的两个抛物线反射镜的焦距差的光路径；

图8为根据本发明一个实施例的光学气体传感器的顶平面图；

图9为图8所示的光学气体传感器的A-A’截面图；

图10为图8所示的光学气体传感器的B-B’截面图；

图11为图8所示的光学气体传感器的C-C’截面图；

图12为根据本发明一个实施例的光学气体传感器的透视图；

图13为根据本发明另一个实施例的光学气体传感器的顶平面图；

图14为图13所示的光学气体传感器的A-A’截面图；

图15a显示了根据本发明一个实施例的光腔的左半部；

图15b显示了根据本发明一个实施例的光腔的右半部；

图15c显示了根据上述实施例的组装在一起的光腔；

图16为根据上述实施例的通过光腔结构产生的光路径；

图17显示了通过根据上述实施例的光腔结构产生的光线的聚焦效果；

图18显示了根据本发明上述实施例在光腔结构中的光检测器上的接收功率；

图19a显示了根据本发明另一个实施例的光腔的左半部；

图19b显示了根据本发明另一个实施例的光腔的右半部；

图19c显示了根据上述实施例的组装在一起的光腔；

图20为根据上述实施例的通过光腔结构产生的光路径；

图21显示了通过根据上述实施例的光腔结构产生的光线的聚焦效果；

图22显示了根据本发明上述实施例在光腔结构中的光检测器上的接收功率；

图23显示了根据本发明一个实施例的NDIR气体传感器模块；

图24显示了根据本发明上述实施例的NDIR气体模块的根据室温下CO₂气体浓度的输出电压特性；

图25显示了根据本发明上述实施例的NDIR气体传感器模块的脉冲调制时间的输出电压改变；以及

图26显示了根据本发明上述实施例的NDIR气体传感器模块的CO₂气体浓度的输出电压改变。

附图主要部件名称

10、15：气室下部支撑板

20：第一反射镜

25：第一抛物线反射镜

30：第二反射镜

35：第二抛物线反射镜

40、45：气体出口

50、55：抛物线反射镜

60、65：红外线传感器

70、75：气室上部板

80、85：光出口

90、95：红外线灯

100：盖子

110、115：高度补偿结构

120、125气体扩散孔

130、135气体过滤器

具体实施方式

下面参考附图详细描述本发明的实施例。

图5显示了抛物线反射镜的光学特性。

如图5所示，对于抛物线反射镜，平行于光轴进入的入射光线的反射光线始终穿过反射镜的焦点，通过反射镜焦点的入射光的反射光始终平行于光轴传播。

本发明使用抛物线反射镜的这些光学特性。

图6显示了包括具有公共焦点的两个抛物线反射镜的光腔系统的光学特性。

图6所示的光腔系统设置为使得两个抛物线反射镜互相相对以具有公共焦点，并且两个抛物线反射镜的两个焦距(O_A-F，O_B-F)不相等。

根据光源位置，所述光腔系统被划分为入射光在光腔中发散的发散系统(divergence system)(图6a)和入射光在光腔中聚合的聚合系统(convergencesystem)(图6b)。

如图6b所示，其中满足条件O_A-F＜O_B-F，如果光线从凹面B向光轴上的焦点F发射，则光线通过所述焦点并且从凹面A反射以平行于光轴。反射光重复从凹面B再次反射的过程直到其聚合到光轴并且最终到达凹面A或者B。并且，聚合到光轴的光线被反射并且回到其进入的方向。

发散系统同样经历与上述的聚合系统相同的过程，然后从光轴发散的发射光线位于凹面A或者B。

图7显示了根据具有公共焦点的两个抛物线反射镜的不同焦距的光路径。

如图7b所示，满足O_AF-O_BF＞O_A’F-O_B’F的光腔系统具有如下特征，即光腔C’的光路径比光腔C的光路径更长，因为光腔C’中的光学反射次数多于在图7a中所示的光腔C中的反射次数。

如上所述，在光腔系统中，其中两个抛物线反射镜相对设置以具有公共焦点并且两个抛物线反射镜的两个焦距(O_A-F，O_B-F)不相等，通过改变焦距而控制光路径的长度，并且还可以通过改变光轴的角度和入射角而控制光路径。

并且，由于两个抛物线反射镜具有公共焦点和不同的焦距，并且入射光聚合到光轴，因此很容易对红外线传感器确立位置。

根据本发明的光学气体传感器通过使用光腔系统的前述光学特性而使得在光源和红外线传感器之间的光路径上产生尽可能多次的光反射，从而增长了给定尺寸的光腔的光路径长度。下面描述根据本发明的光学气体传感器的实施例。

图8为根据本发明一个实施例的光学气体传感器的顶平面图。

根据本发明一个实施例的光学气体传感器包括气室、气体出口40、抛物线反射镜50、红外线传感器60、光出口80、红外线灯90、高度补偿结构110、气体扩散孔120以及气体过滤器130，其中所述气室包括气室下部支撑板10、第一反射镜20、第二反射镜30以及气室上部板70。

如图8中的光学气体传感器的顶平面图所示，所述光学气体传感器包括封闭光腔的气室，其包括下部支撑板10、气室上部板70和气室壁。

所述气室壁包括第一反射镜20和第二反射镜30，其中所述第一反射镜20和第二反射镜30具有公共焦点F₁，并且它们配置为具有不同曲率半径的局部圆弧。

使用两个圆弧状的反射镜的原因在于在圆弧的情况下，其焦点位于直径的1/2点处，作用与抛物线相似。如果光线平行于光轴发射，则确定反射光的路径在焦点处或者焦点附近。因此，圆弧状反射镜的一定部分显示了与抛物线反射镜非常相似或者相同的光学特性。

在第一反射镜20中形成用于发射从红外线灯(未显示)发出的红外线的开口，并且在气室下部支撑板10上形成抛物线反射镜50。抛物线反射镜50确保来自红外线灯的光线的直线发射。

并且，在气室下部支撑板10上形成仅发射部分从红外线灯发出的红外线的光出口80。

用于检测从红外线灯发出的光线的红外线传感器60设置在第二反射镜30上。用于注入参考气体以识别光学气体传感器的光学特性并且进行初始校正的气体出口40设置在第一反射镜20和第二反射镜30相交的位置。

如图8中的具有前述结构的光学气体传感器的光路径所示，通过抛物线反射镜50引入的平行于光轴的红外线光向第二反射镜0传播。接着，被第二反射镜30反射的红外线光穿过第一反射镜20和第二反射镜30的公共焦点F₁或者公共焦点F₁的附近并且被第一反射镜0反射。最终，聚合的红外线光到达设置在第二反射镜0上的红外线传感器60

同时，为了最小化光线从气室壁反射时的损失和漫反射，气室可以由金属制成。在此情况下，可以通过对金属内侧表面进行抛光等产生镜面而减少漫反射。

在生产由非金属材料制成的气室的情况下，可以通过在室壁上覆盖具有高反射率的材料层例如金、镍、银和铜或者金/铬的双重层而最小化光线损失。

下面的表1显示了根据光波长的各种金属的反射率。金和银在800nm或者更大的波长下具有至少98％的反射率，铝和铜在1μm或者更大的波长下具有至少大约94％的反射率。然而，通常的，银、铝和铜等在常温下如果湿度很高会自然氧化并且改变颜色。因此，为了防止老化并且确保长时间可靠的反射表面，优选的以金加工所述气室表面。

表1 根据波长的各种材料的反射率

因此，为了对红外线进行有效反射，优选的，第一反射镜20和第二反射镜30的反射表面覆盖或者沉积金或者金/铬。

图9为图8所示的光学气体传感器的A-A’截面图。如图9所示，在气室下部支撑板10上形成用于将从红外线灯90发出的红外线光引入光腔的光出口80，并且用于确保从红外线灯发出的入射光的直线性的抛物线反射镜50形成为连接到第一反射镜20和气室下部支撑板10。

红外线灯90设置在气室下部支撑板10的下部，并且设置在抛物线反射镜50的焦点上。

图10为图8所示的光学气体传感器的B-B’截面图。如图10所示，其中显示了连接到气体出口40以防止气室被灰尘污染的盖子100。盖子100可以与气体出口40分离。

在气室下部支撑板10上形成用于快速释放气体的多个扩散孔120。气体扩散孔120被气体过滤器130覆盖以选择性仅渗透气体并且避免灰尘和水汽的扩散。同时，在气室下部支撑板10的下方形成用于补偿由于红外线灯90造成的高度差的高度补偿结构110。

图11为图8所示的光学气体传感器的C-C’截面图。如图11所示，可以理解的是在气室下部支撑板10上形成的多个扩散孔120优选的形成在与红外线传感器60相同的光轴上。

图12为根据本发明一个实施例的光学气体传感器的透视图。

图13为根据本发明另一个实施例的光学气体传感器的顶平面图。图14为图13所示的光学气体传感器的A-A’截面图。

图13所示的光学气体传感器的结构与上述图8-图12中的光学气体传感器几乎相同，除了其中形成气室壁的两个反射镜配置为抛物线而不是圆弧。

换言之，图13所示的光学气体传感器的气室壁使用两个具有相同焦点但是不同焦距的相对的抛物线反射镜。并且，气体出口45在重力方向上弯曲以防止气室的内部污染。

如图13和图14中的光学气体传感器的工作原理所示，从红外线灯95发出的红外线光通过光出口85和抛物线反射镜55，并且进入气室。

入射光射传向第一抛物线反射镜25和第二抛物线反射镜35的公共焦点，被第一抛物线反射镜25和第二抛物线反射镜35反射并且聚合。在红外线传感器65处测量光强度。

本发明的又一个目标是设计非发散的红外线气体传感器的光腔，包括两个互相相对设置的凹面镜，其截面为圆弧，其中心点位于相同光轴上，并且除了用于设置光源的入口和设置光检测器和气体入口/出口的出口之外为光学封闭的。

并且，本发明的目标可以通过一种非发散红外线气体传感器而实现，包括：光源，用于发射红外线；光线检测器，用于最终检测来自所述光源的光线；光腔，通过两个相对的凹面镜形成，所述凹面镜的截面为圆弧、中心点位于相同光轴二，并且所述光腔除了用于设置光源的入口和设置光检测器和气体入口/出口的出口之外为光学封闭的；光学调制部件，具有200-600ms的脉冲调制时间和2、2.5、3秒的关断时间，用于控制从光源发出的光线；以及放大部件，用于放大来自光线检测器的电信号。

下面参考显示本发明另一实施例的附图来进一步描述本发明的又一个方面。

基本的，本发明的光腔通过圆弧制成。两个圆弧的中心点在相同轴上。

并且，本发明的实施例将各个圆弧的中心点设计为与从一个圆弧到另一个圆弧的直线的中点相同(两个圆弧的两个中心在相同直线上)。其原因是使得在一定条件下发射的光线能够通过相同直线上的某一点(如果圆弧特征与抛物线相同，圆弧设计为通过相同焦点)。加上这一条件的原因是，例如，为了确保圆弧具有抛物线特性，从而平行于光轴入射反射镜的光线聚合到焦点。换言之，如果本发明设计为上述结构，则平行于光轴发射的光线在各个反射镜上反射，朝向相反的表面并且在某一点上聚焦。如同在下面的实验结果中所示，这是因为平行光在光路径上聚焦的特性。

同时，本发明的上述实施例设计为两个圆弧具有不同半径，具有更长半径的圆弧的中心点位于具有更短半径的圆弧之外，并且具有更短半径的圆弧的中心点位于具有更长半径的圆弧的内侧。在此情况下，通过实验确定从光源到光线检测器的光路径进行适当次数的循环。

在上述条件全部满足的情况下，为了得到实现光线聚合效果的光腔设计和有效增加光路径的光腔设计，如下进行光学模拟。

在模拟中，设置具有4.2μm波长和0.66瓦输入功率(稳定工作状态下的功耗)的红外线光源。并且，光腔内侧覆盖金Au以模拟具有大约97％反射率的镜面。这是因为具有一定厚度的金薄膜在红外线范围内具有至少97％的反射率，特别是在1μm或者更大的波长下。并且，垂直进入入口孔的入射光是平行光线。同时，光线检测器的形状、有效区域的尺寸和配置等等设置为与商用的红外线传感器相同。并且，使用Lambda研究公司的TracePro

程序作为模拟的分析工具。

在第一次模拟中，应用如图15a、15b和15c所示的光学结构。图15c中的光腔为图15a的左半部和图15b的右半部的结合。这是降低初始测试的制造成本并且促进反射镜的金薄膜的沉积的设计示例。这种结合仅是一个示例，因此具有不同组合的其他光腔也是可能的。换言之，可以通过塑模制造整体光腔，并且在表面上沉积金或者覆盖金。

在第一次模拟中，光腔设计为使得可以检查光路径并且实现光线聚焦效果以增加光线检测器检测到的光线量，同时保持光腔的尺寸很小。换言之，如公式(8)所示，为了测量很微量的气体，首先，应当增加光腔内的光路径的长度，其次，应当使用具有很小的最低可检测光强度I_th的红外线传感器，或者第三，可以使用具有相对较高但略低于从红外源发出的初始光强度I_O的饱和光强度I_sat的红外线传感器。除了这些方法，还有一种通过聚焦光线以增加到达红外线传感器的光强度的方法。下面参考附图描述本发明。

图16为通过图15c所示的光腔结构产生的光路径。

图16显示了入射光的光路径，提供了能够计算光腔中的光路径长度的有用信息。

图17显示了通过如图15c所示的光腔结构产生的光线的聚焦效果。

图17显示了从光源发射的平行光线聚焦到某点的特点。换言之，如果光线从预定位置的光源平行于穿过圆弧中心点的光轴发出，并且反射两次，则其在位于与光源相对的反射镜上的红外线传感器附近聚焦，从而增加红外线传感器的输出电压。

图18显示了在图15c所示的光腔结构中的光检测器上的接收功率。

在图18中，将光线接收点的位置和各个位置处的接收功率彩色标记。

第二次模拟设计为增加光路径，这是检测微量气体所必需的。应用图19a、19b和19c所示的光腔结构。图19c中的光腔结合了图19a的左半部和图19b的右半部。这种结合仅是一个示例，因此具有不同组合的其他光腔也是可能的。整体类型的光腔也是可能的。

在第二次模拟中，使用满足本发明的光腔条件的圆弧形形成光腔，同时应用如下结构，即如果平行光从两个圆弧的中心点附近发射(或者发射到中心点)，则两个圆弧导致反射光到达两个圆弧的中心轴附近的某点。然而，当反射次数增加时，因为在实际实施例中光线强度会降低，模拟和实施例之间的光线接收强度可能会有很大差异。因此，在模拟意义上，为了防止光线接收强度降低，在光线到达红外线传感器之前反射次数限制于5次。并且，在上述结构中，为了使得光线到达圆弧中心附近，在相同圆弧上设置光发射器(或者红外线光源)和光接收器(红外线传感器)。然而，本发明并不限于上述特征。

图20为通过图19c所示的光腔结构产生的光路径。

图20显示了从光发射器发射的光线特别是从发射器中心发射的光线到达光接收器即红外线传感器的中心。

图21显示了通过图19c所示的光腔结构产生的光线的聚焦效果。

图21显示了具有大于光源的光发射部件的尺寸(例如半径2mm)的光束到达光接收器。具有这种配置的光腔结构在应用到多气体传感器(例如5mm的传感器半径)时是很有用的，这种多气体传感器是具有比光源更大的半径的光接收器。

图22显示了图19c所示的光腔结构中的光检测器上的接收功率。

图22显示了单位时间内到达红外线传感器的光接收部件(圆形结构)的能量大约为每小时0.523瓦。将其与5次反射后没有损失时到达红外线传感器的理想能量0.567瓦每小时相比可知少了大约0.044瓦。其原因是因为从光发射器发射的部分光线发散并且到达红外线传感器的光接收部件之外的区域。

当使用TracePro

检查上述模拟中的光路径、光线的聚焦效果和各个光腔的接收功率时，可以得到下面的结果。

从光发射器的中心轴发射的光路径可以在整个光路径长度上确认。根据本发明的光腔可以实现比现有技术更长的光路径，并且另外还可以获得光线的聚焦效果。并且，如果光源(输出电压：0.66瓦)在稳定状态下工作，可以确定由于反射镜的反射减小的光强度到达光检测器。尽管光检测器上的接收功率略微小于理论计算值，考虑到并不是所有光线聚集到光检测器，它仅被认为是近似结果。

根据上述模拟结果，特别是第一次模拟的光腔，可以获得下面的实施例。

本发明的实施例采用两个公知组件，即红外线光源和光检测器。对于红外线光源，例如可以使用具有抛物线反射器用于聚焦平行光线并且发射1-5μm红外线的Gilway专用灯的红外线光源。并且，可以采用GEThermometrics Technologies的ZTP-315GS热耦合红外线检测器，其应用于汽车的传统加热、通风和空调HVAC应用，但是由于本研究的气体传感目标，因此使用长波长带通滤波器替代具有4.26μm中心波长和20nm FWHM(半最大值的全宽度)的CO₂滤波器。

图23显示了根据本发明上述实施例的NDIR气体传感器模块，包括三个主要部件。第一部件为红外线调制部件，其中脉冲持续时间为200-600ms，并且关断时间从2秒改变为3秒，具有0.5秒的间隔。第二部件为本发明提出的新的光腔结构。第三部件为放大电路。在该实施例中，使用了具有参考电压驱动器LM385的二次放大电路。

图24显示了根据本发明上述实施例的NDIR气体模块及参考发送器在室温下输出电压相对于CO₂气体浓度。如图24所示，新的传感器模块的最大输出电压在100ppm的CO₂气体浓度下大约为4.75V。随着CO₂气体浓度在100-2000ppm之间增加，传感器模块的最大峰值电压减小到4.45V。在上述的100-2000ppm之间的CO₂气体浓度变化下最大峰值电压差值为300mV。

图25显示了在本发明上述实施例中当CO₂气体浓度恒定时根据脉冲调制时间的输出电压差值。输出电压差值表示在光源开启状态下的输出电压和光源关断状态下的输出电压之间的差值。随着脉冲调制时间增加，输出电压差值也增加。然而，如果脉冲调制时间超过500ms，则输出电压差值开始饱和。因此，输出电压也变得没有什么差异。并且，由于吸收的红外线强度很大，吸收的热量没有完全进行释放，并且光源的寿命缩短。

图26显示了在本发明上述实施例中根据CO₂气体浓度改变的输出电压改变。其中显示了当CO₂气体浓度在100-2000ppm之间增加时NDIR传感器模块的归一化的输出信号。所述归一化输出信号在红外线脉冲调制时间为200ms时显示出最大改变。随着调制时间在300-500ms之间增加，所述标准输出信号大幅度减小。

同时，在500ms的脉冲持续时间时显示出最大的电压差值，但同时参考电压略微增加。输出电压的改变在200ms的脉冲持续时间时变得最大，并且显示出18000倍的放大增益。此时，红外线光源的关断时间为3秒。

尽管参考NDIR气体传感器和光腔的特定实施例描述了本发明，但是这些描述仅是本发明应用的示例并且不应认为限制本发明的范围。在此公开的模拟和实施例的各种改动和结合均在所附权利要求书定义的本发明的范围内。

例如，为了获得本发明的平行光，可以采用在光腔中制造抛物线类型反射镜的其他方法以制造有成本效益的光腔而不使用Gilway专用灯的产品。

工业适用性

如上所述，根据本发明的光学气体传感器，从红外线光源投射的光路径的长度大幅度增加，并且可以测量低浓度到高浓度的气体。并且还可以测量各种气体。

而且，使用了两个凹面反射镜作为气室壁，从而实现了简化设计和制造气体传感器并且降低制造成本的效果。

本发明通过改进传统的NDIR气体传感器的光腔设计而提出了一种新的气体传感器结构。本发明的光腔结构非常简单，由两个凹面反射镜组成，并且光束聚焦到光检测器上。

根据本发明，可以获得具有延长的光路径和光线聚焦特征的NDIR气体传感器的新的光腔结构。通过使用所述新的光腔结构，可以获得空气质量测量系统、汽车的HVAC系统等等的新的传感器模块。

Claims

1.一种光学气体传感器，包括：气室，用于容纳样本气体；气体开口，用于将样本气体注入到所述气室内或者用于从所述气室释放样本气体；光源，用于向所述样本气体投射红外线；以及红外线传感器，用于感测穿过所述样本气体的红外线的强度，其特征在于：

所述气室的壁包括相对的具有不同焦距但是具有公共焦点的第一凹面镜和第二凹面镜，并且所述第一凹面镜和所述第二凹面镜具有如下曲率，即使得平行于所述第一凹面镜的光轴的入射光在所述第一凹面镜的表面上反射并且通过所述第一凹面镜的焦点，并且使得通过所述第一凹面镜的焦点的入射光在所述第二凹面镜的表面上反射并且平行于所述第二凹面镜的光轴传播。

2.根据权和要求1所述的光学气体传感器，其中所述气体开口包括在所述气室的某个壁上设置的气体出口和设置在所述气室的下部或者上部支撑板上的多个气体扩散通道。

3.根据权利要求1或2所述的光学气体传感器，其中所述多个气体扩散通道由气体过滤器掩盖。

4.根据权利要求3所述的光学气体传感器，其中所述多个气体扩散通道设置在所述红外线传感器的入射光线的光轴上。

5.根据权利要求2所述的光学气体传感器，其中所述气体开口优选的向下弯曲或者配备可拆卸的盖子。

6.根据权利要求1所述的光学气体传感器，其中所述第一凹面镜和所述第二凹面镜的表面被镀金或者沉积金。

7.根据权利要求2所述的光学气体传感器，其中所述气室包括与所述支撑板上形成的红外线光源邻近的与所述气室的支撑板整体形成的抛物线反射镜。

8.根据权利要求7所述的光学气体传感器，其中在所述气室的支撑板上形成光出口以投射至少一部分来自所述红外线光源的红外线。

9.根据权利要求7或8所述的光学气体传感器，其中所述红外线光源设置在所述抛物线反射镜的焦点上。

10.根据权利要求2所述的光学气体传感器，其中所述气室的支撑板包括高度补偿结构，用于补偿由于所述红外线光源的高度造成的所述支撑板的倾斜。

11.一种光学气体传感器，包括：气室，用于容纳样本气体；气体开口，用于将样本气体注入到所述气室内或者用于从所述气室释放样本气体；光源，用于向所述样本气体投射红外线；以及光传感器，用于感测穿过所述样本气体的红外线的强度，其特征在于：

所述气室的壁包括两个相对的具有不同焦距但是具有公共焦点的凹面镜；每个凹面镜的形状为抛物线的一部分或圆弧的一部分。

12.根据权利要求11所述的光学气体传感器，其中所述气体开口包括在所述气室的某个壁上设置的气体出口和设置在所述气室的下部或者上部支撑板上的多个气体扩散通道。

13.根据权利要求11或12所述的光学气体传感器，其中所述多个气体扩散通道由气体过滤器掩盖。

14.根据权利要求11所述的光学气体传感器，其中所述凹面镜的表面被镀金或者沉积金。

15.根据权利要求12所述的光学气体传感器，其中所述气室包括抛物线反射镜，从而所述抛物线反射镜使得来自所述红外线光源的入射光平行于所述气室的水平支撑板传播。

16.一种非发散的红外线传感器的光腔，其特征在于：

所述光腔由两个相对的凹面镜形成，所述凹面镜的截面为圆弧，这两个圆弧具有互不相同的半径，并且这两个圆弧的中心点在相同轴上，并且除了用于光源、光检测器、气体出口和气体扩散孔之外，所述光腔为光学封闭的。

17.根据权利要求16所述的光腔，其中所述各个圆弧的中心点与从一个圆弧到另一个圆弧的直线的中点重合。

18.根据权利要求16或17所述的光腔，其中所述具有更长半径的圆弧的中心点位于所述具有更短半径的圆弧之外，并且所述具有更短半径的圆弧的中心点位于所述具有更长半径的圆弧的内侧。

19.根据权利要求18所述的光腔，其中所述光源和光检测器位于不同圆弧上，并且来自所述光源的入射光平行于所述两个圆弧的中心点所在的轴发射，在所述各个圆弧上反射一次并且被所述光检测器检测。

20.根据权利要求19所述的光腔，其中所述从光源发射的平行光在所述光检测器所在的圆弧上聚焦。

21.根据权利要求17所述的光腔，其中所述光源和光检测器位于相同圆弧上，并且来自所述光源的入射光在所述各个圆弧上反射奇数次并且被所述光检测器检测。

22.根据权利要求21所述的光腔，其中所述来自光源的入射光发射到所述光腔的中心或者其附近，在多次反射中重复聚合和发散并且到达光检测器，并且其中到达所述光检测器所在的圆弧的光束的截面面积大于从所述光源发射的光束的截面面积。

23.一种非发散的红外线传感器的光腔，包括：

光源，用于发射红外线；

光检测器，用于最终检测来自所述光源的红外线；

光腔，通过两个相对的凹面镜形成，其中所述凹面镜的截面为圆弧，这两个圆弧具有互不相同的半径，并且这两个圆弧的中心点在相同轴上，并且除了用于光源、光检测器、气体出口和气体扩散孔之外，所述光腔为光学封闭的；

光调制装置，用于控制从所述光源发射的红外线，其中所述光调制设备具有200-600ms的脉冲调制时间和2秒、2.5秒以及3秒的关断时间；以及

放大装置，用于放大来自所述光检测器的电信号。

24.根据权利要求23所述的光腔，其中所述光调制装置设置所述光源为200ms的脉冲调制时间和3秒的关断时间。