CN102495003B - 小型长光程红外气体传感器模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型长光程红外气体传感器模块，主要包括红外光源(2)、热电堆探测器(6)、光学腔体/气室、红外光源电源引线连接板(1)、探测器信号引线连接板(8)、主电路板(7)。所述光学腔体为多次反射结构，包括腔体上盖(3)和腔体下盖(5)两部分；主电路板(7)通过连接板(1)将电源接入红外光源(2)，通过连接板(8)接收热电堆探测器(6)的检测信号，完成红外光源调制、模拟信号滤波放大、等周期采样、数据处理和输出。红外光源(2)发出的红外光经抛物面准直后经多次柱面及1次斜面汇聚反射后到达红外探测器(6)表面，在小面积内完成多次反射达到了长光程，进而实现了高分辨率红外气体传感器的小型化。

Description

小型长光程红外气体传感器模块

技术领域

本发明涉及一种小型长光程红外气体传感器模块，用于气体检测、监控的红外气体传感器。

背景技术

目前现有红外气体传感器的光学腔体多采用直筒光路和简单折叠光路，为达到较长的光程，其光学腔体一般都比较大，致使长光程、高灵敏度的红外气体传感器体积较大，不利于随身携带，实现高性能红外气体传感器的便携化，无法满足某些场合检测便携化的要求。

为此人们一直致力于小体积长光程、灵敏度高、便携式红外气体传感器的研究。

在小面积长光程设计方面，美国专利US 7609375公布了一种气体传感器腔体，其红外光源发出的光在腔体内表面经多次折叠反射到达探测器表面从而在小体积上实现了长光程。CN 101634627A公布了一种微型防爆非色散红外气体传感器，其底面红外光源发出的光经顶部2次弧面反射后到达探测器表面以增加光程。CN 101004380A公布了一种折叠式光路结构的红外气体传感器，其红外光源发出的光经第1椭球面汇聚反射后传播经2次平面镜反射后通过第2椭球面反射汇聚后到达探测器表面以增加光程。在这些设计中红外光源发出的光分散性较大，不利于小体积上长光程的实现。

发明内容

针对上述传感器存在的不足，本发明的目的在于提供一种小型长光程红外气体传感器模块，亦即提供一种具有多次汇聚反射结构的光学腔体/气室的红外气体传感器模块，抛物柱面实现了红外光源发出的红外光的汇聚和反射，结合多次柱面汇聚反射一方面有效地实现了小体积长光程，另外一方面有效提高了发射光的利用率，有利于高分辨率、便携式红外气体传感器的实现。

本发明所提供的一种小型长光程红外气体传感器模块，主要包括红外光源2、热电堆探测器6、光学腔体/气室、红外光源电源引线连接板1、探测器信号引线连接板8、主电路板7。所述光学腔体/气室包括腔体上盖3和腔体下盖5两部分，透气孔17设置在腔体上盖主光学通道外，表面贴有防水透气膜9，腔体下盖侧壁右上端开设备用透气孔20。

本发明所述多次反射光学腔体/气室包括腔体上盖3、腔体下盖5两部分，腔体上盖左端设置左台阶孔13用于安装红外光源2，腔体上盖左侧面和底面左半部分构成的半抛物柱面12用于红外光源发出红外光的准直反射，左台阶孔13的右侧设置挡板21用于防止红外光源发出的散射光直接照射到热电堆探测器6的表面，腔体上盖顶端设置m(m≥1)个反射前柱面，光学腔体上盖底端设置m-1(m＞1)个反射后左和后右柱面，腔体上盖底面右半部分设置斜面16用于将红外光反射到热电堆探测器表面。

腔体上盖底平面主光学通道外设置台阶式通气孔17，实现气室内外气体交换，同时减少不必要的光损耗。

防水透气膜9贴在台阶式通气孔17表面，用于防止水汽的干扰。

腔体上盖侧面设有备用透气孔20，结合堵头4方便实现扩散式和泵吸式气体交换的转换。

红外光源2发出的光经半抛物柱面12汇聚准直后在腔体内经腔体上盖顶端柱面和腔体上盖底端柱面n(n≥2)次反射后经上盖底面斜面16汇聚反射到达热电堆红外探测器6表面，热电堆探测器6将光信号转化为电信号，通过第二连接板8将检测信号送入主电路板7，主电路板7将信号滤波放大、采集、处理后送到显示端显示输出。第二连接板为热电堆探测器信号引线连接板，第一连接板为红外光源与电源引线间的连接板。

附图说明

图1、本发明提供的传感器的分解结构示意图。

图2、本发明提供的传感器的腔体上盖结构示意图。

图3、本发明提供的传感器的腔体下盖结构示意图。

图4、本发明提供的传感器的剖面结构示意图。

图中，1.第一连接板；2.红外光源；3.光学气室上盖；4.堵头；5.光学气室下盖；6.热电堆探测器；7.主电路板；8.第二连接板；9.防水透气膜；10.第一电路板安装槽；11.第二电路板安装槽；12.半抛光面柱面；13.左台阶孔；14.前柱面；15.右台阶孔；16.上盖底面/斜面；17.台阶式通气孔；18.后左柱面；19.后右柱面；20.备用通气孔；21.挡板；22.4个圆柱；23.环形槽；24.光学腔体下盖3个装配孔；25.腔体上盖的3个凸台。

具体实施方式

现结合附图以光学腔体/气室内部经3次柱面汇聚反射形成“M”形腔体小型长光程红外气体传感器模块为例。

图1给出了本发明的分解结构示意图，其中多次反射M形光学腔体/气室包括腔体上盖3和腔体下盖5两部分，腔体上下盖扣合后组成红外气体传感器模块的光学腔体/气室。光学腔体上盖3和光学腔体下盖5内表面光洁度要求不低于0.08，外表面不低于6.4；光学腔体上盖3和光学腔体下盖5镀金层厚度应满足内表面红外反射率不低于95％要求。

图2给出了传感器的光学腔体上盖结构示意图，其中腔体上盖底端主要包括左台阶孔13、挡板21、前柱面14、右台阶孔15；光学腔体上盖顶端主要包括后左柱面18和后右柱面19；左侧为抛物柱面；右侧平面设置备用透气孔20。

左台阶孔13用于安装红外光源2。

挡板21用于防止红外光源2发出的散射光直接照射到热电堆探测器6的表面。

前柱面14用于红外光的第二次汇聚反射。

左台阶孔15用于安装热电堆红外探测器。

后左柱面18用于红外光的第一次汇聚反射。

后右柱面19用于红外光的第三次汇聚反射。

腔体上盖内的前柱面14、后左柱面18和后右柱面19均为抛物柱面。

腔体上盖左侧面和底面左半部分构成的半抛物柱面12用于红外光源2发出红外光的汇聚反射。

台阶式通气孔17设置在腔体上盖底平面主光学通道外，实现气室内外气体交换同时不会对光的传输产生不利的影响。

防水透气膜9贴在透气孔17台阶孔表面，用于透气并防止外界水气进入气室。

光学腔体上盖右侧面为平面，设置备用透气孔20。

堵头4安装于备用透气孔20处，拆掉堵头4可以方便地安装气泵实现气体交换方式从扩散式到泵吸式的转换，加快气体交换的速度，提高模块响应时间。

腔体上盖底面右侧设置斜面16将红外光反射到热电堆探测器表面。

左台阶孔13后端设置第一电路板安装槽10，右台阶孔15后端设置第二电路板安装槽11。

在腔体上盖的左侧面、右侧面和前侧面底端各设置1个凸台25用于腔体上下盖咬合后的锁紧。

图3给出了传感器的光学腔体下盖5的结构示意图，其中腔体下盖的上表面设置环形23槽用于腔体上盖的嵌入；光学腔体下盖左侧面、右侧面、底端设置装配孔24，与光学腔体上盖的3个凸台位置。相对应用于腔体上下盖的装配；光学腔体下盖底面设置4个圆柱22用于腔体的支撑。

红外光源2装配在左台阶孔13中，同时将红外光源2引脚插入第一连接板1中，利用胶黏剂将连接板1安装固定于第一电路板固定槽10中。

热电堆探测器6安装左右台阶孔15中，同时将热电堆探测器引脚插入第二连接板8，利用胶黏剂将连接板8安装固定于第三电路板固定槽11中。

光学腔体/气室的四个支撑柱插入主电路板7的4个定位孔中，将第一连接板1同主电路板7焊接在一起，实现红外光源2和主电路板7的电气连接；将第二连接板8同主电路板7焊接在一起，实现热电堆探测器6和主电路板7的电气连接。

图4给出了本发明模块气室剖面构示意图，红外光源2发出的光经半抛物面12汇聚后照射到后左柱面18上，经后左柱面18反射后到达前柱面14，再经前柱面14反射后到达后右柱面19，再经后左柱面19反射及上盖底面汇聚后到达红外探测器6表面，同时热电堆敏感元件表面以外的红外光经上盖的斜面16汇聚反射到热电堆探测器6表面，经热电堆探测器6转化为电信号，通过连接板8将信号送入主电路板7，主电路板7完成信号放大、采集、处理和输出。

本发明所述光学腔体可以采用但不仅限于黄铜材料表面镀金。

本发明所述红外光源2可以采用但不仅限于PerkinElmer公司的IRL715。

本发明所述热电堆探测器6可以为但不仅限于PerkinElmer公司TPS2534系列热电堆探测器。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明技术方案而不是对其限制，虽然实施例对本发明进行了详细的说明，但是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，其方案更改或替换等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中。

Claims (8)

1.一种小型长光程红外气体传感器模块，其特征在于包括红外光源(2)、热电堆探测器(6)、光学腔体、红外光源电源引线第一连接板(1)、探测器信号引线第二连接板(8)、主电路板(7)，所述的光学腔体包括光学腔体上盖(3)和光学腔体下盖(5)两部分，光学腔体上盖前侧面左端设置左台阶孔(13)用于安装红外光源(2)，光学腔体上盖前侧面右端设置右台阶孔(15)；光学腔体上盖左侧面和底面左半部分构成的半抛物面(12)用于红外光源发出红外光的准直反射，左台阶孔(13)的右侧设置挡板(21)用于防止红外光源发出的散射光直接照射到热电堆探测器(6)的表面，光学腔体上盖前侧面设置前柱面(14)，光学腔体上盖后侧面设置后左柱面(18)和后右柱面(19)，后左柱面(18)用于红外光的第一次汇聚反射，前柱面(14)用于红外光的第二次汇聚反射，后右柱面(19)用于红外光的第三次汇聚反射，前柱面、后左柱面和后右柱面均为抛物柱面；光学腔体上盖底面右半部分设置斜面(16)用于将红外光反射到热电堆探测器表面；左台阶孔(13)前端设置第一连接板安装槽(10)，右台阶孔(15)前端设置第二连接板安装槽(11)；主电路板(7)通过第一连接板(1)将电源和调制信号接入红外光源(2)；热电堆探测器(6)通过第二连接板(8)将检测信号送入主电路板(7)，主电路板(7)实现检测信号滤波放大、等周期采样、处理和输出；红外光源(2)发出的红外光经半抛物面准直后经3次柱面汇聚反射及1次斜面汇聚反射后到达热电堆探测器(6)表面。

2.按权利要求1所述的模块，其特征在于红外光源(2)发出的光经半抛物面(12)汇聚后照射到后左柱面(18)上，经后左柱面(18)反射后到达前柱面(14)，再经前柱面(14)反射后到达后右柱面(19)，经后右柱面(19)反射及光学腔体上盖底面汇聚后到达热电堆探测器(6)表面，在光学腔体内部经3次柱面汇聚反射形成“M”型主光学通道。

3.按权利要求2所述的模块，其特征在于所述的光学腔体上盖底面主光学通道外设置台阶式通气孔(17)，通气孔(17)表面贴有防水透气膜(9)。

4.按权利要求1所述的模块，其特征在于所述的光学腔体上盖右侧面为平面，设置备用透气孔(20)。

5.按权利要求4所述的模块，其特征在于备用透气孔(20)，结合堵头(4)实现扩散式或泵吸式气体交换的转换。

6.按权利要求1所述的模块，其特征在于在光学腔体上盖的左侧面、右侧面和前侧面设置凸台(25)用于光学腔体上下盖咬合后的锁紧；光学腔体下盖的上表面设置环形(23)槽用于光学腔体上盖的嵌入，光学腔体下盖左侧面、右侧面、下侧面设置装配孔(24)。

7.按权利要求1或6所述的模块，其特征在于光学腔体下盖底面设置4个圆柱(22)用于光学腔体的支撑。

8.按权利要求1所述的模块，其特征在于：

①所述的光学腔体采用黄铜材料表面镀金；

②所述的红外光源(2)采用PerkinElmer公司的IRL715；

③所述的热电堆探测器(6)为PerkinElmer公司TPS2534系列热电堆探测器。

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