CN101504365B - 一种红外气体传感器及红外气体探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于探测技术领域，提供了一种红外气体传感器及红外气体探测装置，红外气体传感器包括外壳，外壳的内部还设置有传感器外壳，传感器外壳腔体内部设置有上盖体和下盖体，上盖体底部设有凹槽，凹槽的侧壁包括至少第一斜面和第二斜面，下盖体顶部设置有可与凹槽上第一斜面和第二斜面对应的第一开孔和第二开孔，第一开孔和第二开孔里分别设置有红外光源和红外探测器。在本发明中，红外光源发射的红外光进行多次反射后才被红外探测器吸收，该红外气体传感器增长了红外光的光路长度，使得待测气体对红外光的吸收比较充分，提高了红外气体传感器的探测信噪比和测量精确度。

Description

一种红外气体传感器及红外气体探测装置

技术领域

本发明属于探测技术领域，尤其涉及一种红外气体传感器及红外气体探测装置。

背景技术

利用红外线检测气体浓度的技术由来已久，其基本原理是光源发射红外光，当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光进行吸收，通过光学探测器检测被吸收后的红外光的强度，而被吸收的红外光的强度与气体浓度符合朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律，通过计算可以得出被测气体浓度。

现有的红外气体传感器采用红外光源和光学探测器相对位置为直线式的气室结构，在传感器的体积受到限制的情况下，红外光的光路长度受到限制，待测气体对红外光的吸收不够充分，导致红外气体传感器的探测信噪比低和测量精确度不高。

还有的红外气体传感器采用气室结构由顶平面、底平面以及弧形侧壁围成，红外光源和光学探测器需要分别放置在两个椭圆侧壁的焦点上，这种红外气体传感器的红外光的光路长度也比较有限，待测气体对红外光的吸收不够充分，导致红外气体传感器的探测信噪比低和测量精确度不高。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种红外气体传感器，旨在解决现有的红外气体传感器存在探测信噪比低和测量精确度不高的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种红外气体传感器，包括外壳，所述外壳顶部开设有第一通气口，该第一通气口处设置有粉末冶金片，所述外壳的内部还设置有传感器外壳，所述传感器外壳顶部亦设有一与所述第一通气口相对应的第二通气口，所述传感器外壳腔体内部设置有上盖体和下盖体，其中所述上盖体底部设有凹槽，所述凹槽的侧壁包括至少第一斜面和第二斜面，所述凹槽底部设有可与所述第二通气口相对应的通气孔，所述下盖体顶部设置有可与凹槽上第一斜面和第二斜面对应的第一开孔和第二开孔，与所述上盖体凹槽形成一腔体，所述第一开孔里设置有红外光源，所述第二开孔里设置有红外探测器，所述红外光源发射的红外光经所述第一斜面和第二斜面反射后才被所述红外探测器吸收，所述红外光源和红外探测器分别与电路板连接。

本发明实施例的另一目的在于提供包括上述红外气体传感器的红外气体探测装置。

在本发明实施例中，红外光源发射的红外光进行多次反射后才被红外探测器吸收，该红外气体传感器增长了红外光的光路长度，使得待测气体对红外光的吸收比较充分，提高了红外气体传感器的探测信噪比和测量精确度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的红外气体传感器的结构图；

图2是本发明实施例提供的红外气体传感器的红外光源控制电路的电路结构图；

图3是本发明实施例提供的红外气体传感器的对数放大电路的电路结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的红外气体传感器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

红外气体传感器包括外壳101，外壳101顶部开设有第一通气口，该第一通气口处设置有粉末冶金片102，外壳101的内部还设置有传感器外壳103，传感器外壳103顶部亦设有一与第一通气口相对应的第二通气口，传感器外壳103腔体内部设置有上盖体104和下盖体105，其中上盖体104底部设有凹槽106，凹槽106的侧壁包括至少第一斜面1061和第二斜面1062，凹槽106由开口往其底面1063宽度递减，其横截面呈梯形，凹槽106的第一斜面1061和第二斜面1062分别与底面1063的角度范围为125°-145°，作为本发明一实施例，凹槽106的第一斜面1061和第二斜面1062分别与底面1063的角度为135°，凹槽106的横截面呈等腰梯形，凹槽106的底部1063设有可与第二通气口相对应的通气孔107，下盖体105顶部设置有可与凹槽106上第一斜面1061和第二斜面1062对应的第一开孔108和第二开孔112，与上盖体104的凹槽106形成一腔体，作为本发明一实施例，腔体的内壁镀有对红外光反射率高的亮金，反射率达到95％以上，并起到防腐蚀的作用，第一开孔108和第二开孔112里分别设置有红外光源109和红外探测器110，红外光源109和红外探测器110与电路板111连接。

红外光源109发出的红外光经过第一开孔108的凹面反射聚光射到第一斜面1061上，再经过第一斜面1061反射到第二斜面1062上，第二斜面1062再将光线反射到第二开孔112里，被红外探测器110吸收，多次反射的结果增长了红外光的光路长度，使得待测气体对红外光的吸收比较充分，提高了红外气体传感器的探测信噪比和测量精确度。

红外探测器110的接收端设置有能滤出可被待测气体吸收的红外光的第一滤光片和能滤出不可被待测气体吸收的红外光的第二滤光片，不可被待测气体吸收的红外光作为参考，和可被待测气体吸收的红外光一起用于计算待测气体的浓度，红外探测器110的输出端包括待测气体信号输出端和参考信号输出端。

电路板111包括与红外光源109连接的红外光源控制电路、与红外探测器110连接的对数放大电路，以及分别与红外光源控制电路和对数放大电路连接的控制器。

图2示出了本发明实施例提供的红外气体传感器的红外光源控制电路的电路结构。

红外光源控制电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和开关管Q1，第一电阻R1的第一端接控制器的脉冲信号输出端，第一电阻R1的第二端接开关管Q1的栅极，开关管Q1的源极接地，开关管Q1的漏极通过红外光源109接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端接电源。

图3示出了本发明实施例提供的红外气体传感器的对数放大电路的电路结构。

对数放大电路由对数放大芯片U1构成，对数放大芯片U1的第一输入端IN1接红外探测器110的参考信号输出端REF，对数放大芯片U1的第二输入端IN2接红外探测器110的待测气体信号输出端ACT，对数放大芯片U1的输出端OUT通过第三电阻R3接控制器的模数转换输入端。

红外探测器110通过采集红外光源109的红外光波，输出待测气体信号和参考信号，通过对数放大芯片U1，将信号做对数差运算，并输出到接控制器的模数转换输入端。对数放大芯片U1将探测器输出的待测气体信号和参考信号转换为对数，并做差分运算，根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律：

$c=K\·(\ln \frac{I_{\mathrm{gas}}}{I_{\mathrm{ref}}}-\ln \frac{I_{\mathrm{gas}0}}{I_{\mathrm{ref}0}})=K\·(V_c-V_0)$

$V_0=\ln I_{\mathrm{gas}0}-\ln I_{\mathrm{ref}0}=\ln \frac{I_{\mathrm{gas}0}}{I_{\mathrm{ref}0}}$

$V_c={\ln I}_{\mathrm{gas}}-\ln I_{\mathrm{ref}}=\ln \frac{I_{\mathrm{gas}}}{I_{\mathrm{ref}}}$

其中，c为待测气体浓度，I_gas0和I_ref0为在浓度为0时，输入对数放大芯片U1的待测气体信号电流和参考信号电流，I_gas和I_ref为在浓度c时，输入对数放大芯片U1的待测气体信号电流和参考信号电流，V₀和V_c分别为待测气体浓度为0和c时对数运放输出电压，K为比例因数。该电路以硬件实现对数运算，具有实现简单，同时能够简化控制器的大量运算过程。

红外气体探测装置包括上述红外气体传感器，红外气体传感器将生成的待测气体浓度信号发送给红外气体探测装置显示。

在本发明实施例中，红外光源发射的红外光进行多次反射后才被红外探测器吸收，该红外气体传感器增长了红外光的光路长度，使得待测气体对红外光的吸收比较充分，提高了红外气体传感器的探测信噪比和测量精确度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种红外气体传感器，包括外壳，所述外壳顶部开设有第一通气口，该第一通气口处设置有粉末冶金片，所述外壳的内部还设置有传感器外壳，所述传感器外壳顶部亦设有一与所述第一通气口相对应的第二通气口，其特征在于，所述传感器外壳腔体内部设置有上盖体和下盖体，其中所述上盖体底部设有凹槽，所述凹槽的侧壁包括至少第一斜面和第二斜面，所述凹槽底部设有可与所述第二通气口相对应的通气孔，所述下盖体顶部设置有可与凹槽上第一斜面和第二斜面对应的第一开孔和第二开孔，与所述上盖体凹槽形成一腔体，所述第一开孔里设置有红外光源，所述第二开孔里设置有红外探测器，所述红外光源发射的红外光经所述第一斜面和第二斜面反射后才被所述红外探测器吸收，所述红外光源和红外探测器分别与电路板连接。

2.如权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述凹槽由开口往其底面宽度递减，其横截面呈梯形，所述凹槽的第一斜面和第二斜面分别与底面的角度范围为125°-145°。

3.如权利要求2所述的红外气体传感器，其特征在于，所述凹槽的第一斜面和第二斜面分别与底面的角度为135°。

4.如权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述腔体的内壁镀有亮金。

5.如权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述红外探测器的接收端设置有能滤出可被待测气体吸收的红外光的第一滤光片和能滤出不可被待测气体吸收的红外光的第二滤光片，所述红外探测器的输出端包括待测气体信号输出端和参考信号输出端。

6.如权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述电路板包括与所述红外光源连接的红外光源控制电路、与所述红外探测器连接的对数放大电路，以及分别与所述红外光源控制电路和对数放大电路连接的控制器。

7.如权利要求6所述的红外气体传感器，其特征在于，所述红外光源控制电路包括第一电阻、第二电阻和开关管，所述第一电阻的第一端接所述控制器的脉冲信号输出端，所述第一电阻的第二端接所述开关管的栅极，所述开关管的源极接地，所述开关管的漏极通过所述红外光源接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端接电源。

8.如权利要求7所述的红外气体传感器，其特征在于，所述对数放大电路由对数放大芯片构成，所述对数放大芯片的第一输入端接所述红外探测器的参考信号输出端，所述对数放大芯片的第二输入端接所述红外探测器的待测气体信号输出端，所述对数放大芯片的输出端通过第三电阻接所述控制器的模数转换输入端。

9.一种包括权利要求1至8任一权利要求所述的红外气体传感器的红外气体探测装置。

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