CN101825566A - 高分辨率红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高分辨率红外气体传感器，它包括外壳、冶金粉末网、外壳盖、输出管脚、红外气体探测器和红外光源，在外壳内部依次设置有光学腔体、信号控制与采集电路板和主电路板，光学腔体内设置有光学通道，光学腔体上设置有通气孔，红外气体探测器的探测端设置在光学通道内的一端，红外光源的发光端设置在光学通道内的另一端；红外气体探测器和红外光源的管脚分别连接信号控制与采集电路，信号控制与采集电路连接主控电路，输出管脚一端连接主控电路；光学通道呈阿基米德螺旋形，光学通道内壁镀金。该传感器在有限的空间内，采用阿基米德螺旋形的光学通道，使光程得以大幅度提高，进而提高了传感器的测试灵敏度和精度。

Description

高分辨率红外气体传感器

技术领域

本发明涉及一种红外气体传感器，具体地说，涉及一种高分辨率红外气体传感器。

背景技术

现有的红外气体传感器因受自身体积的限制，其光学通道的光程很短，致使传感器的测试灵敏度较低，只能进行定性的气体浓度测量，很难进行高灵敏度和高精度的气体测试；现有的红外气体传感器只是对红外吸收原理的一种简单应用，具有部分红外原理特征，还缺少一些较为完备的功能，例如抗水气干扰、温度补偿、空气校准、数字输出等功能，还无法适应恶劣环境，无法满足高精度、高要求的应用领域。

为此，人们一直在寻求一种适于实用的技术解决方案。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种体积小巧、性价比高、功能完善、使用方便、高灵敏度、高精度的高分辨率红外气体传感器。

本发明所采用的技术方案如下：一种高分辨率红外气体传感器，包括防爆外壳、设置于防爆外壳一开口端的防爆冶金粉末网、设置于防爆外壳另一开口端的防爆外壳盖、设置在防爆外壳盖上的输出管脚、红外气体探测器和红外光源，其中，在防爆外壳内部依次设置有光学腔体、信号控制与采集电路板和主电路板，所述光学腔体内设置有光学通道，所述光学腔体靠近所述防爆冶金粉末网方向的腔壁上设置有通气孔，所述光学腔体的腔壁上设置有红外气体探测器安装孔和红外光源安装孔，所述红外气体探测器和所述红外光源分别安装在所述红外气体探测器安装孔和所述红外光源安装孔内，所述红外气体探测器的探测端设置在所述光学通道内的一端，所述红外光源的发光端设置在所述光学通道内的另一端；在所述防爆外壳盖与所述主电路板之间浇注有环氧树脂，在所述信号控制与采集电路板与所述主电路板之间浇注有环氧树脂；所述信号控制与采集电路板上设置有信号控制与采集电路，所述主电路板上设置有电源电路和主控电路；所述电源电路分别连接所述信号控制与采集电路和所述主控电路，所述信号控制与采集电路连接所述主控电路，所述红外气体探测器和所述红外光源的管脚分别连接所述信号控制与采集电路，所述输出管脚一端连接所述主控电路；所述光学通道呈螺旋形。

基于上述，所述光学通道呈阿基米德螺旋形，所述光学通道内壁镀金。

基于上述，所述光学腔体包括安装在一起的铜质光学腔体上盖和铜质光学腔体下盖；所述红外气体探测器安装孔和所述红外光源安装孔分别设置在所述光学腔体上盖上，所述通气孔设置在所述光学腔体下盖上。

基于上述，在所述光学腔体与所述防爆冶金粉末网之间设置有防水透气膜。

基于上述，所述主控电路包括有MCU电路和连接MCU电路的加热控制电路，所述加热控制电路的控制输出端连接加热电阻一端，所述加热电阻另一端接地。

基于上述，所述信号控制与采集电路包括有可调稳压电源电路、场效应管、两路高性能运算放大器电路和温度传感器，其中，所述可调稳压电源电路的电压输出端连接所述红外光源以提供电源，所述场效应管连接在所述红外光源以控制红外光源开关；所述MCU电路连接所述场效应管以发送控制方波；所述红外气体探测器的输出端分别连接两路高性能运算放大器电路的输入端，两路所述高性能运算放大器电路的输出端连接所述MCU电路，所述温度传感器的输出端连接所述MCU电路。

基于上述，所述光学腔体上盖上设置有加热电阻安装槽，所述加热电阻设置在所述加热电阻安装槽内。

基于上述，所述电源电路是电压可调节稳压电源电路；所述电源电路的电压输出端连接所述MCU电路的ADC参考电压输入脚。

基于上述，所述主控电路还包括有连接MCU电路的数模转换电路，所述MCU电路还包括有MCU外部晶振电路和MCU编程接口。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体说，该传感器能在直径为28.5mm、高度为24mm的微小空间内，利用呈阿基米德螺旋形的光学通道实现红外气体探测的功能；在有限的空间内，采用阿基米德螺旋形的光学通道，可使光程得以大幅度提高，进而可提高传感器的测试灵敏度和精度；

该红外传感器采用的防爆外壳、防爆冶金粉末网和防爆外壳盖构成了一个防爆性能良好的防爆体，且在所述防爆外壳盖与所述电路板之间浇注有环氧树脂，更进一步的增强了传感器的密封性能和防爆性能；

该传感器在狭小的空间内增加了智能加热功能，保证气体不在传感器内凝结，达到了抗湿气的目的，具有不受水气影响的能力；

该传感器具有为红外光源独立供电的电路，使电源电压的波动对红外光强的影响降低到最小，利于提高传感器精度；

该传感器根据传感器的特性进行了电路改进，提高了电路的精度和稳定性，进而利于提高传感器的精度和灵敏度；

该传感器的输出方式同时兼顾数字接口和模拟接口，具有使用方便、兼容性好的优点，适合更多的用户；

该传感器具有结构简单、设计科学、性能稳定、精度高、寿命长、易于制造、使用方便、应用范围广的优点，其具有数字输出和温度补偿功能，能在-20℃～60℃范围内正常工作，且抗湿气干扰能力强，适应潮湿的工作环境。

附图说明

图1是本发明的剖视结构示意图；

图2是本发明的拆分结构示意图；

图3是所述光学腔体上盖的外侧面结构示意图；

图4是所述光学腔体上盖的内侧面结构示意图；

图5是所述光学腔体下盖的内侧面结构示意图；

图6是本发明所述主控电路和电源电路的电路原理示意图；

图7是本发明所述信号控制与采集电路的电路原理示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种高分辨率红外气体传感器，包括防爆外壳2、设置于防爆外壳2一开口端的防爆冶金粉末网1、设置于防爆外壳2另一开口端的防爆外壳盖9、设置在防爆外壳盖9上的输出管脚10、红外气体探测器5和红外光源6；

其中，在防爆外壳2内部依次设置有光学腔体、信号控制与采集电路板7和主电路板8，所述光学腔体内设置有光学通道13，所述光学腔体靠近所述防爆冶金粉末网1方向的腔壁上设置有通气孔17，所述光学腔体的腔壁上设置有红外气体探测器安装孔15和红外光源安装孔16，所述红外气体探测器5和所述红外光源6分别安装在所述红外气体探测器安装孔15和所述红外光源安装孔16内，所述红外气体探测器5的探测端设置在所述光学通道13内的一端，所述红外光源6的发光端设置在所述光学通道13内的另一端；

基于密封和防爆考虑，在防爆外壳盖9与主电路板8之间浇注有环氧树脂，在信号控制与采集电路板7与主电路板8之间浇注有环氧树脂；

所述信号控制与采集电路板7上设置有信号控制与采集电路，所述主电路板8上设置有电源电路和主控电路；

所述电源电路的电压输出端分别连接所述信号控制与采集电路和所述主控电路以便于为有源器件提供稳压电源，所述信号控制与采集电路连接所述主控电路，所述红外气体探测器5和所述红外光源6的管脚分别连接所述信号控制与采集电路，所述输出管脚10一端连接主控电路；

所述光学通道13呈阿基米德螺旋形，即所述光学通道13呈阿基米德螺旋线状，利用阿基米德螺线原理大幅度增长了光程，大大提高了测试灵敏度；所述光学通道13内壁镀金。

如图3、图4和图5所示，基于上述，为了安装与生产制造方便，所述光学腔体包括密封安装在一起的铜质光学腔体上盖4和铜质光学腔体下盖3；在铜质光学腔体上盖4和铜质光学腔体下盖3上设置有螺丝孔22，通过螺丝12将铜质光学腔体上盖4和铜质光学腔体下盖3紧固在一起；

所述红外气体探测器安装孔15和所述红外光源安装孔16分别设置在所述光学腔体上盖4上，所述通气孔17设置在所述光学腔体下盖3上；

安装在一起的所述光学腔体上盖4和所述光学腔体下盖3采用阿基米德螺线原理构成所述铜质镀金螺旋形光学通道。

基于上述，如图1和图2所示，在光学腔体与防爆冶金粉末网1之间设置有防水透气膜11，具体说，防水透气膜11设置于防爆冶金粉末网1的内侧。

基于上述，如图6所示，所述主控电路包括有MCU电路，分别连接MCU电路的数模转换电路和加热控制电路；

所述MCU电路包括有MCU、电阻R6、电容C9、MCU外部晶振电路和MCU编程接口，MCU采用dsPIC30F3013；

所述MCU外部晶振电路包括晶振Y1、电容C7和电容C8，在微小的空间内使用外部晶振，利于提高传感器精度；

所述MCU编程接口J3连接上拉电阻R7，实现了直接PCB在线编程；

所述数模转换电路包括数模转换芯片U2、电容C3、电容C10和电阻R1，所述数模转换芯片U2采用MCP4822芯片；所述数模转换电路用于将MCU输出的数字信号转换成模拟信号并提供给输出管脚，使得本传感器同时兼顾模拟接口和数字接口；

如图7所示，所述加热控制电路的控制输出端连接加热电阻R12一端，所述加热电阻R12另一端接地；所述加热控制电路包括电源芯片U1和电容C1，电源芯片U1采用R1170电源芯片；所述电源芯片U1用于给所述加热电阻R12独立供电；所述MCU输出高低电平信号控制所述电源芯片U1的工作与停止，从而达到控制加热的目的；

基于上述，如图1和图3所示，所述光学腔体上盖4上设置有加热电阻安装槽24，所述加热电阻14设置在所述加热电阻安装槽24内；当光学腔体内的温度小于40度时就启动加热，保证气体不在光学腔体内凝结，达到了抗湿气的目的，使本传感器具有抗湿气干扰的功能。

基于上述，如图6所示，所述电源电路是电压可调节稳压电源电路，采用此电路可将有源芯片供电的电压降至到2.7V；

所述电源电路包括电源稳压芯片U3、电容C2、电容C4、电容C5和电容C6、电阻R2、电阻R3、电阻R4、零欧电阻R5；所述电源稳压芯片U3采用MIC5205BM5可调电源稳压芯片；输入电压经所述电源稳压芯片U3处理后输出稳定电压，以提供给信号控制与采集电路和主控电路使用；

所述电源电路的电压输出端连接所述MCU电路的ADC参考电压输入脚，即ADC参考电压输入脚直接连接到电源稳压芯片U3的2.7V输出端。

基于上述，如图7所示，所述信号控制与采集电路包括有可调稳压电源电路、场效应管Q1、两路高性能运算放大器电路(U2A，U2B)、基准电压芯片U5、温度传感器U9、电容C20、电容C21、电容C14、电容C22、电容C13、电容C16、电容C17和电容C19、电阻R16、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R6、电阻R19、电阻R21、三端滤波器N1和N2；场效应管采用NDS331N场效应管；温度传感器U9采用TC1047A温度芯片；基准电压芯片U5采用ZXRE125电源基准芯片；两路高性能运算放大器电路(U2A，U2B)采用AD8629集成运放；

其中，所述可调稳压电源电路的电压输出端连接所述红外光源以提供电源；为了提高红外光源的光强，电源芯片U7把电压稳至在红外光源的最佳电压值4.6V；由于红外光源的独立供电，使电源电压的纹波对红外光强的影响降低到最小，利于提高精度。

所述可调稳压电源电路包括电源稳压芯片U7、电容C11、电容C12、电容C23和电容C24、电阻R9、电阻R10，电源稳压芯片U7采用MIC5205BM5可调电源稳压芯片；

所述场效应管Q1连接所述红外光源U8以控制红外光源开关，所述MCU连接所述场效应管Q1，所述场效应管Q1根据所述MCU产生的一定频率和占空比的方波控制所述红外光源开关；

所述红外气体探测器的输出端分别连接两路高性能运算放大器电路的输入端，两路所述高性能运算放大器电路的输出端连接所述MCU电路，其中，芯片U6为红外气体探测器，它输出的两路微弱电信号经过放大后接到MCU；U2A和U2B为高性能运算放大器，电阻R8、电阻R20、电阻R17、电阻R18为放大电路的增益电阻；所述红外气体探测器根据所述红外光源产生的光波采集光学通道内被测气体的浓度模拟信息，所述浓度模拟信息经两路高性能运算放大器电路放大后输出给所述MCU；

所述基准电压芯片U5为高性能运算放大器电路提供基准电压；

所述温度传感器U9的输出端连接所述MCU电路，所述温度传感器U9将采集的红外气体探测器温度模拟信息输出给所述MCU。

所述浓度模拟信息和温度模拟信息经所述MCU的内设程序进行一系列运算处理后输出被测气体数字智能采集信息，所述智能采集信息连接所述输出管脚。

该传感器具有温度补偿功能，所述MCU通过内设控制程序，使本传感器在不同温度下能得出不同结果，保证了在不同温度下测试结果均具有高准确性，可适应超高温或超低温条件下正常运行；

该传感器采用变温技术，得到不同温度下的零点，在任何条件下，都可以用空气进行校准；

该传感器采用全新的整体模块化设计，在需要开发新气体种类的时候，只需要更换探测器，大大减少开发周期，真正实现智能化。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种高分辨率红外气体传感器，包括防爆外壳、设置于防爆外壳一开口端的防爆冶金粉末网、设置于防爆外壳另一开口端的防爆外壳盖、设置在防爆外壳盖上的输出管脚、红外气体探测器和红外光源，其中，在防爆外壳内部依次设置有光学腔体、信号控制与采集电路板和主电路板，所述光学腔体内设置有光学通道，所述光学腔体靠近所述防爆冶金粉末网方向的腔壁上设置有通气孔，所述光学腔体的腔壁上设置有红外气体探测器安装孔和红外光源安装孔，所述红外气体探测器和所述红外光源分别安装在所述红外气体探测器安装孔和所述红外光源安装孔内，所述红外气体探测器的探测端设置在所述光学通道内的一端，所述红外光源的发光端设置在所述光学通道内的另一端；在所述防爆外壳盖与所述主电路板之间浇注有环氧树脂，在所述信号控制与采集电路板与所述主电路板之间浇注有环氧树脂；所述信号控制与采集电路板上设置有信号控制与采集电路，所述主电路板上设置有电源电路和主控电路；所述电源电路分别连接所述信号控制与采集电路和所述主控电路，所述信号控制与采集电路连接所述主控电路，所述红外气体探测器和所述红外光源的管脚分别连接所述信号控制与采集电路，所述输出管脚一端连接所述主控电路；其特征在于：所述光学通道呈螺旋形。

2.根据权利要求1所述的高分辨率红外气体传感器，其特征在于：所述光学通道呈阿基米德螺旋形，所述光学通道内壁镀金。

3.根据权利要求1或2所述的高分辨率红外气体传感器，其特征在于：所述光学腔体包括安装在一起的铜质光学腔体上盖和铜质光学腔体下盖；所述红外气体探测器安装孔和所述红外光源安装孔分别设置在所述光学腔体上盖上，所述通气孔设置在所述光学腔体下盖上。

4.根据权利要求1或2所述的高分辨率红外气体传感器，其特征在于：在所述光学腔体与所述防爆冶金粉末网之间设置有防水透气膜。

5.根据权利要求3所述的高分辨率红外气体传感器，其特征在于：所述主控电路包括有MCU电路和连接MCU电路的加热控制电路，所述加热控制电路的控制输出端连接加热电阻一端，所述加热电阻另一端接地。

6.根据权利要求5所述的高分辨率红外气体传感器，其特征在于：所述信号控制与采集电路包括有可调稳压电源电路、场效应管、两路高性能运算放大器电路和温度传感器，其中，所述可调稳压电源电路的电压输出端连接所述红外光源以提供电源，所述场效应管连接在所述红外光源以控制红外光源开关；所述MCU电路连接所述场效应管以发送控制方波；所述红外气体探测器的输出端分别连接两路高性能运算放大器电路的输入端，两路所述高性能运算放大器电路的输出端连接所述MCU电路，所述温度传感器的输出端连接所述MCU电路。

7.根据权利要求5所述的高分辨率红外气体传感器，其特征在于：所述光学腔体上盖上设置有加热电阻安装槽，所述加热电阻设置在所述加热电阻安装槽内。

8.根据权利要求5或6所述的高分辨率红外气体传感器，其特征在于：所述电源电路是电压可调节稳压电源电路。

9.根据权利要求8所述的高分辨率红外气体传感器，其特征在于：所述电源电路的电压输出端连接所述MCU电路的ADC参考电压输入脚。

10.根据权利要求5或6或7或9所述的高分辨率红外气体传感器，其特征在于：所述主控电路还包括有连接MCU电路的数模转换电路，所述MCU电路还包括有MCU外部晶振电路和MCU编程接口。

Images