CN101592603A - 低能耗红外瓦斯传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿井安全的防爆气体探测设备范围的一种低能耗红外瓦斯传感器。红外瓦斯传感器主要由吸收腔、光源和红外探测器组成，由大小两个球面反射镜组成吸收腔，将大球面反射镜固定在小球面反射镜上方的支架上，光源放置在两个球面反射镜之间的小球面反射镜的凹面中心，小球面反射镜、光源和探测器固定在支座上，将上述各部件组成传感器模块。本发明使光源与探测器在光路折叠后符合成像关系，成像在探测器上的光是弥散像，使探测器上的光分布均匀，此举提高了光信号的信噪比。光能充分利用，有效的降低光源能耗，使传感器的功耗小于90mw。

Description

低能耗红外瓦斯传感器

技术领域

本发明属于矿井安全的防爆气体探测设备范围，特别涉及一种低能耗红外瓦斯传感器，具体说该传感器的整个传感头功耗小于90mw。

背景技术

利用待测气体对红外光谱的吸收特性，来检测目标气体浓度的技术近年来有很大的发展。红外气体检测技术通常应用在需要实时、高精度监控目标气体浓度的场合。如上述煤矿井下各点瓦斯浓度的监测，石化行业的炼油厂，输油管道的监控，天然气生产与输送管道等需要监控泄漏的场合。但随着技术的发展，成本的降低以及人们对日常生活环境质量要求的提高，会逐渐进入家庭监测房间有害气体的存在及其浓度，还有交通工具上空气环境质量的监测等。

当前中国国内的煤矿采用的绝大多数的探头是催化燃烧式的。其缺点是因中毒现象造成误报或是失效，其可靠性差，标定时间周期短，标定成本高，工作中需在有氧环境下工作，不能检测100％LEL(最低爆炸极限)浓度。

世界先进国家多采用红外检测类的报警器，但所采用的某些技术对中国的国情不适合，有的产品体积大，如general monitor′s的报警器，有些产品光能利用率不高，响应时间偏长等如City的CH₄红外传感器。这些产品中几乎无一例外的是高成本，导致报警器价格昂贵，难以普及。

红外气体传感器至少包括一个红外辐射源、一个采样吸收气室和一个探测器。通过探测器的带通滤光片选择两个不同波长的光可以构成差分探测，目标气体对一个波长的光吸收较大，光信号随目标气体浓度增加而减小，目标气体对另一个波长的光基本没吸收，可用作监视红外光强度变化的参考信号。对于这类气体传感器，其关键是提高灵敏度，提高探测精确度，从而具有探测更低浓度的能力。同时对传感器的便携化，微功耗，微体积及低成本也提出更高的要求。

对于提高检测灵敏度，可以增加光源与探测器间的物理距离，也就是增加有效吸收光程，可以提高气室的采样精度提高灵敏度。但增加物理空间尺寸会带来体积增大、需要的光能量加大的弊端。其次是利用多个探测器提高灵敏度，例如，US，7,132,657 B2，通过多个探测器累加信号提高灵敏度，但各探测器的差异会对灵敏度的提高有影响，最主要的关键是增加了成本与体积。第三是利用反射使光在吸收室内多次通过气体，增加有效光学吸收长度。例如，在US，6,469,303 B1中，将吸收气室设计成非聚焦系统，利用光学积分球概念，使吸收腔内光密度趋于一致，光强均匀，信号稳定性好，不受光路偏移的影响，温度工作范围宽，生产工艺简单。但其缺点为光能利用率低，光信号中信噪比低。或设计成聚焦类光学吸收腔，通常以光源为物通过光学系统成像于接收器上，但此类吸收腔有效光程不易做长，由于选择了成像，一是光学调整复杂，二是对光路偏移影响较大，随工作环境的变化，其稳定性有所牺牲，但光能利用率很高。

本发明兼顾上述两类吸收腔的优点，选用两片球面镜，采用特殊的光路设计，使光源与接收器在光路折叠后符合成像关系，此举提高了光信号的信噪比。光能利用率也有提高，成像在接收器上的光是弥散像，使接收器上的光分布均匀，减小了光路偏移对系统稳定性的影响。对光路调整与生产工艺没有特殊要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的吸收腔探测灵敏度和光能利用率低的不足而提供一种低能耗红外瓦斯传感器，所述红外瓦斯传感器主要由吸收腔、光源和红外探测器组成，其特征在于，所述吸收腔由大小两个球面反射镜组成，将大球面反射镜固定在小球面反射镜上方的支架上，光源放置在两个球面反射镜之间的小球面反射镜的凹面中心，此时光源下半部发出的光束出射到小球面反射镜的凹反射面，该反射面将光束反射到大球面反射镜的凹反射面，大球面反射镜将光束会聚反射进入探测器，光源上半部发出的光束出射到大球面反射镜的凹反射面，大球面反射镜将光束会聚反射进入探测器，这些经过一次或两次反射的光束经大球面反射镜的凹反射面反射进入红外探测器；使光源与探测器在光路上在光路上经一次或两次反射后符合成像关系，探测器放置在与光源共轭的位置上，使成像在探测器上的光束分布均匀，从而使整个光源有用孔径角大于180度，充分利用光的能量。

所述探测器的位置设置在光路上的离焦位置，使光源像的明暗分布不至影响光束在红外探测器上的均匀性。

所述上下两个球面反射镜凹面相对，并选择为高反射率的反射镜。

本发明的有意效果是为解决吸收腔内光能利用率低而设计了一种新的独特的吸收腔，使光源与探测器在光路上经一次或两次反射后符合成像关系，成像在探测器上的光是弥散像，使探测器上的光分布均匀，此举提高了光信号的信噪比。光能充分利用，有效的降低光源能耗，在能耗降低后对探测器输出的信号基本没有影响；减小了光路偏移对系统稳定性的影响。对光路调整与生产工艺没有特殊要求。

附图说明

图1为传感器结构示意图。

图2为传感头外壳示意图。

图3为吸收腔光路原理图。

具体实施方式

本发明提供一种低能耗红外瓦斯传感器。下面结合附图对本发明予以说明。图1、图2所示的传感器结构示意图中，所述红外瓦斯传感器主要由吸收腔、光源和红外探测器组成，由大小两个球面反射镜组成吸收腔10，将大球面反射镜4固定在小球面反射镜2上方的支架7上，光源1放置在两个球面反射镜之间的小球面反射镜2的凹面中心，上下两个球面反射镜凹面相对，小球面反射镜2、光源1和探测器3同固定在支座8上，调节光源1相对于小球面反射镜2凹面的安装位置，或大球面反射镜4背面支座8上设置的调整螺钉6，调节大球面反射镜4的角度，使小球面反射镜2凹面反射的光束再通过大球面反射镜4反射在探测器3的表面，使光源1与探测器3在光路上经一次或两次反射后符合成像关系，。上述探测器3放置在与光源1共轭的位置上，为使光源像的明暗分布不至影响光束在红外探测器3上的均匀性，或将红外探测器3的位置设置在光路上的离焦位置。成像在探测器3上的光是弥散像，使探测器3上的光分布均匀，此举提高了光信号的信噪比。支架7的底端与支座8固定，将上述各部件组成传感器模块，壳体5套在内支架7上并固定。壳体5中部吸收气室的周围排列有气孔9，使吸收腔内外的气体能实时交换。大球面反射镜4反射光源1上半部分能量，小球面反射镜2反射光源1下半部分能量，所述大小两个球面反射镜凹面的弦长，以弦长端面反射的光束在光路上经一次或两次反射后符合成像关系而能进入红外探测器来决定。使整个光源有用孔径角大于180度，充分利用光源发出的能量(如图3所示)使传感器的功耗小于90mw。

所述红外传感器的结构还可以采用单光源，双探测器结构、采用双光源，双探测器结构或双光源、单探测器结构。在一个探测器的前面放置一个目标气体对应波长的带通滤波片，在另一个探测器的前面放置一个对应参考波长的带通滤波片。所述红外气体传感器带通滤波片可以放在探测器的前面，也可以放在光源的前面。

Claims (6)

1.一种低能耗红外瓦斯传感器，其特征在于，所述红外瓦斯传感器主要由吸收腔、光源和红外探测器组成，由大小两个球面反射镜组成吸收腔，将大球面反射镜固定在小球面反射镜上方的支架上，光源放置在两个球面反射镜之间的小球面反射镜的凹面中心，此时光源下半部发出的光束出射到小球面反射镜的凹反射面，该反射面将光束反射到大球面反射镜的凹反射面，大球面反射镜将光束会聚反射进入探测器，光源上半部发出的光束出射到大球面反射镜的凹反射面，大球面反射镜将光束会聚反射进入探测器，使光源与探测器在光路上经一次或两次反射后符合成像关系，使成像在探测器上的光束分布均匀，整个光源有用孔径角大于180度，充分利用光的能量。

2.根据权利要求1所述低能耗红外瓦斯传感器，其特征在于，所述探测器放置在与光源共轭的位置上。

3.根据权利要求1所述低能耗红外瓦斯传感器，其特征在于，所述将红外探测器的位置设置在光路上的离焦位置，使光源像的明暗分布不至影响光束在红外探测器上的均匀性。

4.根据权利要求1所述低能耗红外瓦斯传感器，其特征在于，所述上下两个球面反射镜凹面相对，并选择为高反射率的反射镜。

5.根据权利要求1所述低能耗红外瓦斯传感器，其特征在于，所述红外瓦斯传感器采用单光源，双探测器结构，在一个探测器的前面放置一个目标气体对应波长的带通滤波片，在另一个探测器的前面放置一个对应参考波长的带通滤波片。

6.根据权利要求1所述高灵敏度快速响应红外瓦斯传感器，其特征在于，所述红外瓦斯传感器采用双光源，双探测器结构，或单探测器结构，带通滤波片可以放在探测器的前面，也可以放在光源的前面。

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