CN102128804B - 一种侧壁进/出气的红外气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种侧壁进/出气的红外气体传感器，依次包括敏感头、信号采集模块、信号处理模块、信号显示模块。其特征在于所述的敏感头具有侧壁进/出气，包括防尘罩1、具有侧壁进/出气兼具光学通道和气室功能的腔体2、反光镜3、反光镜4、热电堆探测器5、红外光源6、聚光镜7、加热电阻8、信号放大电路9，其中光路为第一通孔10、第二通孔11、第三通孔12、反光镜3和反光镜4组成的“∏”形折叠光路。由于采用侧壁进/出气的方式，气室内气体和外界环境之间可以直接形成良好的对流，内外气体交换所需时间缩短，响应时间减小；光在传播的过程中经过侧壁的多次反射，增加了光程，提高了分辨率。可望广泛应用于在多种场合下的气体实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外气体传感器，具体为一种侧壁进/出气的红外气体传感器。属于红外气体传感器领域。
背景技术
近些年来，随着易燃、易爆气体泄漏、爆炸事故的频频发生，人们对气体传感器的需求越来越大。其中常规的气体传感器按工作原理一般可分为：半导体式气体传感器、电化学式气体传感器、催化燃烧式气体传感器、光学类气体传感器等。
半导体式气体传感器长期稳定性较差，受环境影响较大，对气体选择性不高。
电化学式气体传感器测量时受环境影响较大、校正周期短、稳定性差、容易中毒。
催化燃烧式气体传感器选择性差，容易中毒，暗火工作有引燃爆炸的危险。
基于以上情况，出现了红外气体传感器为代表的光学类气体传感器，红外气体传感器具有精度高、选择性好、寿命长、不中毒、不依赖于氧气、受环境干扰小等优点。
当气体分子吸收了特定波长的红外辐射，并由其产生振动或转动运动从而引起偶极矩的净变化，产生气体分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这个波长吸收区域的透射光强度减弱。红外气体传感器便是基于气体对特定波长的红外光存在吸收，吸收满足Lmabert-Beer定律，即
I＝I0exp(-μCL) (1)
式中I0：入射光强度，I：透射光强度；μ：吸收系数；L：光路长度；C：被测气体浓度
由(1)式可推出，ΔC＝-ΔI/(I0μL) (2)
热电堆探测器输出的电压与照射到其上的光强成正比，有V＝GI，I为光强，G为比例系数，若探测器电压分辨率为ΔV，则有ΔV＝GΔI，得出
ΔV/V0＝ΔI/I0 (3)
把(3)式代入(2)式得到
ΔCmin＝-ΔV/(V0μL) (4)
由上式看出可通过增加光路长度L即增长光程的方法来增加气体的吸收，提高传感器的分辨率。
美国专利US 7488942B2公布了一种顶部进气气体传感器，其光源和探测器放在两个椭圆的焦点上，通过多次反射增加光程。美国专利US 7609375B2公布了一种气体传感器用光学腔体，其光源放在椭圆的焦点上，利用多次放射增加光程，提高传感器精度；同时在腔体上下表面分别设置通气孔，提高传感器响应时间。CN 101592599A中采用准光学谐振腔设计了一种由上凹球面反射镜和下凸球面反射镜组成的吸收腔，其光源和探测器装在互为共轭位置，通过多次反射来增加光程。CN 201373848Y公布了一种通过多斜面反射实现光路增长的顶部进气扩散式的红外气体传感器。以上专利设计精巧，但工程化实现不易。同时目前已经商用化的扩散式红外气体传感器采用顶部进气，其响应时间相对较长，英国City公司的4R系列的CO2和CH4红外气体传感器响应时间(T90)小于35秒，英国Dynament公司红外传感器响应时间(T90)小于30s，国内河南汉威生产的红外气体传感器响应时间(T90)小于30s。腔体加工工程化不易，响应时间略长，直接影响了红外气体传感器的普及应用。
发明内容
针对上述传感器存在的不足，本发明的目的是提供一种侧壁进/出气的红外气体传感器，侧壁进/出气的气体交换方式有利于提高气室内外气体的交换速度，缩短传感器的响应时间。
本发明是一种侧壁进/出气的红外气体传感器，主要包括具有侧壁进/出气的敏感头、信号采集模块、信号处理模块、信号显示模块。所述具有侧壁进/出气的敏感头包括防尘罩1、具有侧壁进/出气兼具光学通道和气室功能的腔体2、右第一反光镜3、左第二反光镜4、热电堆探测器5、红外光源6、聚光镜7、加热电阻8、信号放大电路9。
本发明所述防尘罩1为不锈钢粉末与不锈钢外壳配合烧结而成。
本发明所述腔体2为黄铜圆柱加工而成。
本发明所述光学通道/气室功能的腔体2包括右端第一通孔10、前端第二通孔11、左端第三通孔12、右第一反光镜3和左第二反光镜4组成。
本发明所述右端第一通孔10内壁进行抛光、镀金处理；侧壁设置若干个通气孔与外界空气进行气体交换；后端设置聚光镜7，其内安装红外光源6。
本发明所述前端第二通孔11内壁进行抛光、镀金处理；侧壁设置若干个通气孔与外界空气进行气体交换；左、右两端分别贴有右第一反光镜3和左第二反光镜4。
本发明所述左端第三通孔12内壁进行抛光、镀金处理；侧壁设置若干个通气孔与外界空气进行气体交换；后端安装热电堆红外探测器5。
本发明所述热电堆探测器5、红外光源6直接与信号放大电路9相连。
本发明所述气室内外气体交换方式为侧壁进/出气方式，气室内气体和外界空气可以直接形成良好的对流，内外气体交换所需时间明显减少，传感器响应时间明显缩短。
本发明所述光路为‘∏’形折叠光路，红外光源6发出的光通过右端第一通孔10经右第一反光镜3反射后进入前端第二通孔11，沿前端第二通孔11经到达左第二反射镜4，经反射后进入左端第三通孔12，最后到达热电堆探测器5接收表面。红外光在传播过程中经过多次反射，增加了光程，使得待测气体对红外光的吸收比较充分，提高了传感器的分辨率。
本发明所述热电堆探测器5设置两片窄带滤光片，其中一片不包含待测气体特征吸收峰，另一片为包含待测气体特征吸收峰的滤光片。根据Lmabert-Beer定律，当气体分子吸收了特定波长的红外辐射，并由其产生振动或转动运动从而引起偶极矩的净变化，产生气体分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这个波长吸收区域的透射光强度减弱，特定的分子对红外光有选择性吸收，因此，通过采用包含不同特征吸收峰波长的窄带滤光片就可以实现不同气体的检测。
本发明的有益效果是通过气室侧壁设置若干个通气孔，采用侧壁进/出气的气体交换方式，提高了气室内外气体交换的速度，减小了传感器响应时间；另外采用长光程、易工程化的‘∏’形折叠光路，有利于传感器分辨率的提高，有助于红外气体传感器的普及。
附图说明
图1为本发明提供侧壁进/出气的红外气体传感器敏感头内部结构示意图；
图2为本发明所述侧壁进/出气的红外气体传感器工作原理示意图。
具体实施方式
图1示出了本发明实施例提供的侧壁进/出气的红外气体传感器敏感头内部的结构。防尘罩1为60-80目不锈钢粉末与不锈钢外壳配合烧结制成的外径为40mm，内径为34.5mm，高为18mm圆筒；防尘罩1内嵌直径为34mm，高为16mm的圆柱形黄铜腔体2；腔体2右端开设有直径为5mm的右端第一通孔10，右端第一通孔10的后端设置聚光镜7，聚光镜7内安装红外光源6，右端第一通孔10侧壁开有至少2个直径为1-3mm的通气孔14；腔体2前端开设有直径为5mm的前端第二通孔11，前端第二通孔11与右端第一通孔10成90度夹角，在其相交面上第一切凹槽17中放置右第一反光镜3，切凹槽17的底面分别与右端第一通孔10和前端第二通孔11成45度夹角，在前端第二通孔11的侧壁开有至少2个直径为1-3mm的通气孔15；腔体2左端开有直径为6mm的左端第三通孔12，第三通孔12与第一通孔10平行，与第二通孔11成90度夹角，在其相交面上切凹槽18放置左第二反光镜4，切凹槽18的底面分别与前端第二通孔11和左端第三通孔12成45度夹角，左端第三通孔12的后端安装热电堆探测器5，在第三通孔12侧壁开有至少2个直径为1-3mm的通气孔16；腔体2的底部开有凹槽19，放置加热电阻8。作为本发明的实施例第一通孔10、第二通孔11、第三通孔12、聚光镜7内壁进行抛光处理，光洁度达到0.1，且对其内壁进行镀金处理，提高对红外光的反射率，并起到防治铜被氧化、腐蚀的作用。
本发明所用的热电堆探测器为中国科学院上海微系统与信息技术研究所研制的双通道热电堆红外探测器或德国PerkinElmer公司生产的TPS2534系列双通道热电堆探测器5，设置有X.Xμm和Y.Yμm两片滤光片，其中与X.Xμm波长对应的热电堆输出信号为测量信号，与Y.Yμm波长对应的热电堆输出信号为参考信号；探测器内部设有热敏电阻，提供传感器温度补偿所需的温度信号。热电堆探测器的输出包括测量信号、参考信号和温度信号。
图2示出了本发明侧壁进/出气的红外气体传感器工作原理示意图，携带有易燃、易爆等待测气体的空气通过传感器侧壁上的通气孔14、15、16扩散进入并充满气室，红外光源6发出的调制红外光通过右端第一通孔10经右第一反光镜3反射后进入前端第二通孔11，并沿前端第二通孔11到达左第二反射镜4，经反射后再进入左端第三通孔12，红外光经多次反射，待测气体吸收，滤光片选择性吸收后，最后到达双通道热电堆探测器5的核心元件热电堆芯片的表面，被热电堆感知吸收并转化为电信号。热电堆探测器输出的两路信号经放大电路9放大后，得到稳定信号，然后被A/D信号采集模块采集后送入信号处理模块，信号处理模块借助单片机利用相应程序对两路信号进行分析处理，得到空气中待测气体的浓度，经信号显示模块直观的显示出来。
本发明所述侧壁进/出气的红外气体传感器所用红外光源6可以采用但不仅限于PerkinElmer公司的IRL715。
本发明所述侧壁进/出气的红外气体传感器所用右第一反光镜3和左第二反光镜4为硅片上溅射但不仅限于溅射200纳米的金，右第一反光镜3和左第二反光镜4尺寸分别与第一切凹槽17、第二切凹槽18的底面的尺寸相同。
本发明所述侧壁进/出气的红外气体传感器通过更换封装有不同特征吸收波长滤光片的热电堆探测器可以实现不同气体的监测。其中作为参考滤光片的中心波长可以选择但不仅限于3.9μm、4.0μm等；常见气体的特征吸收峰见但不仅限于下表：
最后应当强调说明的是：以上实施例仅用于说明本发明技术方案而不是对其限制，尽管实施例对本发明进行了详细的说明，所述领域的技术人员仍可对本发明的技术方案进行更改或部分替换，其方案更改或替换不脱离本发明技术方案精神的均应包括在本发明申请保护的范围内。
Claims (9)
1.一种侧壁进/出气的红外气体传感器，依次包括敏感头、信号采集模块、信号处理模块、信号显示模块，其特征在于所述的敏感头具有侧壁进/出气结构，所述敏感头包括防尘罩(1)、具有侧壁进/出气兼具光学通道和气室功能的腔体(2)、右第一反光镜(3)、左第二反光镜(4)、热电堆探测器(5)、红外光源(6)、聚光镜(7)、加热电阻(8)、信号放大电路(9)；
①所述腔体内设置由右端第一通孔(10)、前端第二通孔(11)、左端第三通孔(12)、右第一反光镜(3)和左第二反光镜(4)组成的‘∏’形折叠光路；
②右端第一通孔(10)、前端第二通孔(11)和左端第三通孔(12)的侧壁设置若干个通气孔与外界进行气体交换；
③右端第一通孔(10)后端设置聚光镜(7)，在聚光镜(7)内安装红外光源(6)；前端第二通孔(11)两端分别安装右第一反光镜(3)和左第二反光镜(4)；左端第三通孔(12)后端安装热电堆探测器(5)；所述腔体底部开凹槽(19)，其内安装加热电阻(8)；
④热电堆探测器、红外光源直接与信号放大电路相连。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的右端第一通孔(10)与前端第二通孔(11)成90度；前端第二通孔(11)与左端第三通孔(12)成90度；所述第一通孔和所述第三通孔相互平行。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的右端第一通孔(10)和前端第二通孔(11)相交面设置右切凹槽(17)，右切凹槽(17)底面与右端第一通孔(10)和前端第二通孔(11)均成45度角，在右切凹槽(17)底面安装右第一反光镜(3)。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于前端第二通孔(11)和左端第三通孔(12)相交面设置左切凹槽(18)，左切凹槽(18)底面与前端第二通孔(11)和左端第三通孔(12)均成45度角，在左切凹槽(18)底面安装左第二反光镜(4)。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：
①所述的防尘罩(1)为不锈钢粉末与不锈钢外壳配合烧结而成；
②所述的第一通孔、第二通孔和第三通孔的侧壁上各开有至少2个直径为1-3mm的通气孔；
③所述的热电堆探测器为双通道热电堆探测器。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器，其特征在于所述的第一通孔、第二通孔、第三通孔以及聚光镜内壁进行抛光处理，光洁度达0.1且对内壁进行镀金处理。
7.根据权利要求3或4所述的传感器，其特征在于：
①所述的右第一反光镜或左第二反光镜为硅片上溅射200纳米的金；且所述右第一反光镜和左第二反光镜的尺寸分别与所述右切凹槽和左切凹槽的底面尺寸相同；
②所述的红外光源为PerkinElmer公司的IRL715。
8.根据权利要求1所述的传感器应用，其特征在于通过更换封装有不同特征吸收波长滤光片的热电堆探测器(5)可实现不同气体的检测。
9.按权利要求8所述的应用，其特征在于滤光片的中心波长选用3.9μm，或4.0μm，可对CO2、CO、CH4、NO、N2O、H2O、O3或SO2检测。
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