CN102495018A - 温补一体红外吸收式气体传感器及检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温补一体红外吸收式气体传感器及检测装置属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料的设备，特别是利用红外光测试气体成分的的测试设备。该温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：包括自上而下相互连接在一起的光杯、光筒及底座，光杯与光筒螺纹连接，安装在底座的固定通孔内的螺栓将底座固定在光筒底部，光杯上部装有带有外部接口的信号处理电路板，信号处理电路板下方并列安装着装有红外光源的聚光杯和装有红外接收器的集光杯，光杯底部凹槽里装有光气隔离镜片，光筒靠近光杯一端筒壁上开有气体交换孔，光筒下部设置气体导入挡条，底座中心凹槽内装有反射镜片，周边设有气体交换底孔。
Description
技术领域
本发明属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料的设备，特别是利用红外光测试气体成分的的测试设备。
背景技术
现有的红外气体检测技术一般都是采用红外光源和红外接收器集成在同一电路板的同一平面上，红外光源是通过镜面反射原理返回到接收端的，光路通道大多采用管式螺旋形或管式45度反射型，光路通道被环封在一个狭小的管状腔体内，光路通道光程短，且经过多次反射，红外光源功率损失较大，使得该类传感技术对气体的检测灵敏度和稳定性不高。
中国专利CN 101825566A和CN 102128804A公开的采用阿基米德螺旋形光路红外气体传感器和∏形折叠光路红外气体传感器均采用在铜基体上切割光路槽并进行金质镀膜工艺，气体通道采用冶金粉末网罩作为防护装置。以上专利设计精巧，体积小，但加工难度和装配误差都较大，且一体化的设计气体过滤网罩不可置换，清洁难度大。
发明内容
为了克服现有的红外气体传感器采用螺旋型或∏型反射结构整个光通道都是封闭一个小的腔体内，其光气通道的开放度不够，红外光源自身的集热会造出光腔与外界温差，就会产生光通道内壁结露或雾化的不足，本发明提供一种温补一体红外吸收式气体传感器及检测装置，该温补一体红外吸收式气体传感器及检测装置是一种温补一体、光气隔离、单光束双波长、参检同室的红外吸收式气体传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：包括自上而下相互连接在一起的光杯、光筒及底座，光杯与光筒螺纹连接，安装在底座的固定通孔内的螺栓将底座固定在光筒底部，光杯上部装有带有外部接口的信号处理电路板，信号处理电路板下方并列安装着装有红外光源的聚光杯和装有红外接收器的集光杯，光杯底部凹槽里装有光气隔离镜片，光筒靠近光杯一端筒壁上开有气体交换孔，底座中心凹槽内装有反射镜片，周边设有气体交换底孔。
所述的红外接收器为自身带温度传感的参比检测和气体检测一体式的热电堆红外探测器；或不带温度传感但必须是参比检测和气体检测一体的红外探测器，并须将外置温度传感器紧贴在红外探测器的外壳上固定。
所述的传感器外设有金属材料防护罩，防护罩顶帽与防护罩体螺纹连接，安装在底部螺孔内的螺栓将防护罩底座固定在防护罩体底部，防护罩体周边设有气体交换长孔，其内壁上附有空气过滤面料层，防护罩底座设有空气过滤棉层。
所述的集光杯和聚光杯表面镀有金属反光膜。所述的光筒内表面镀有金属反光膜。
所述的反射镜片为表面经高光洁抛光的整体金属钼板。
所述的光杯上部信号处理电路板分为模拟放大板和带微处理器控制板，放大板和控制板之间、电路板和光杯之间以及至外部接口的空间内使用环氧树脂浇封。
所述的空气过滤面料层为具有憎水憎油性能的透气性高的空气过滤面料。
所述的光筒为两端带进排气孔的镀膜密封腔室，其外部装有定量气体采集泵。
所述的光气隔离镜片为蓝宝石玻璃镜片或氟化钙镜片。
所述的信号处理电路板的电路结构为：微处理器通过调制电路与红外光源相连接，红外接收器连接参比放大电路和检测放大电路，参比放大与检测放大电路合成后产生气体检测信号经高速A/D传到微处理器，参比放大生成的镜片污染信号经高速A/D传到微处理器，红外接收器内嵌的温度传感经电路处理产生一个温度检测信号同样经高速A/D传到微处理器，微处理器将A/D转换后的各信号数据处理后转化为与气体浓度成线性比例的D/A可识别的对应数据，再由D/A输出一个与气体浓度成线性比例的模拟量信号值经传感器外部接口传出，外部接口同时为微处理器提供电源和调零、校正等控制信号。
本发明的聚光罩和集光罩中心线根据设计光程长度按一定倾角延伸后交汇于红外接收器和红外光源的中心点对称轴线的一点上，其光程长度为该点到光源中心点直线长度与该点到接收器中心点的直线长度之和。这样，通过设计不同的倾角改变光程长度，可以设计出不同量程跨度的红外检测器，大大提高了产品系列化的进度。
装配在光杯上的隔离镜片用于隔离红外探测器与光气通道，保持红外探测器集光罩内的空气稳定性，使得本技术设备可用于室外环境下，不受高速气流和高潮湿度的影响，确保设备了的检测稳定性。隔离镜片应采用能够至少透过3um～6um的宽频红外光谱频段，优先选用蓝宝石玻璃镜片或氟化钙镜片。
在本技术中采用的反射镜片为整体钼金属材料，表面进行高光洁度抛光处理，对红外光谱具有良好的反射效率。由于钼自身具有良好的导热性能和稳定的抗氧化状态，能在最短的时间里和环境温度相平衡，因此即使红外光源照射在镜片上也不会产生集热温差而造成雾化现象，有效的解决了红外气体传感器因光通道雾化而产生的误报等问题。反射镜片的反射面中心通过支架或光筒平行的固定在聚光罩和集光罩中心线延长线交点位置，用以确保光路的反射效应。
焊接有红外光源和红外接收器的电路板固定在光杯的上部并用环氧树脂灌封，确保电路板的安全性。
本发明是温补一体、光气隔离、单光束双波长、参检同室的红外吸收式气体传感检测技术。该技术结构简化，易于产业化成果转化，克服了现有红外气体检测技术中存在的响应时间长、光通道易雾化、误报、零漂等问题，大大提高了红外气体传感技术的检测灵敏度、稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明传感器的结构剖视示意图，
图2为图1中传感器底座的示意图，
图3为本发明外层防护罩示意图，
图4为本发明电路原理方框图。
图中，1.红外接收器，2.光杯，3.光气隔离镜片，4.光筒，5.螺栓，6.底座，7.反射镜片，8.气体交换底孔，9.红外光线，10.气体交换孔，11.红外光源，12.信号处理电路板，13.外部接口，14.集光杯，15.聚光杯，16固定通孔，17.空气过滤棉层，18.底部螺孔，19.空气过滤面料层，20.内部空腔，21.防护罩顶帽，22.防护罩体，23.防护罩底座，24.气体交换长孔。
具体实施方式
本发明的具体实施方式是，如图所示：
实施例1，一种温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：包括自上而下相互连接在一起的光杯2、光筒4及底座6，光杯与光筒螺纹连接，安装在底座的固定通孔16内的螺栓5将底座固定在光筒底部，光杯上部装有带有外部接口13的信号处理电路板12，信号处理电路板下方并列安装着装有红外光源11的聚光杯15和装有红外接收器1的集光杯14，光杯底部凹槽里装有光气隔离镜片3，光筒靠近光杯一端筒壁上开有气体交换孔10，底座中心凹槽内装有反射镜片7，周边设有气体交换底孔8。所述的红外接收器为自身带温度传感的参比检测和气体检测一体式的热电堆红外探测器。红外光源应选用温升速度快的小型盘管式红外灯泡，其时间常数τ优于300ms。光杯用于固定和装配红外光源、红外探测器及电路板，光杯内配置红外光源聚光罩和红外接收器集光罩，并将隔离镜片紧贴光杯内两个光罩平面上固定。
所述的传感器外设有金属材料防护罩，防护罩顶帽21与防护罩体22螺纹连接，安装在底部螺孔内的螺栓将防护罩底座23固定在防护罩体底部，防护罩体周边设有气体交换长孔24，其内壁上附有空气过滤面料层19，防护罩底座设有空气过滤棉层17。
所述的光杯上部信号处理电路板分为模拟放大板和带微处理器控制板，放大板和控制板之间、电路板和光杯之间以及至外部接口的空间内使用环氧树脂浇封。
实施例2，一种温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：包括自上而下相互连接在一起的光杯2、光筒4及底座6，光杯与光筒螺纹连接，安装在底座的固定通孔16内的螺栓5将底座固定在光筒底部，光杯上部装有带有外部接口13的信号处理电路板12，信号处理电路板下方并列安装着装有红外光源11的聚光杯15和装有红外接收器1的集光杯14，光杯底部凹槽里装有光气隔离镜片3，光筒靠近光杯一端筒壁上开有气体交换孔10，底座中心凹槽内装有反射镜片7，周边设有气体交换底孔8。所述的光筒内表面镀有金属反光膜。所述的集光杯和聚光杯表面镀有金属反光膜。所述的光筒下部设置气体导入挡条。
所述的传感器外设有金属材料防护罩，防护罩顶帽21与防护罩体22螺纹连接，安装在底部螺孔内的螺栓将防护罩底座23固定在防护罩体底部，防护罩体周边设有气体交换长孔24，其内壁上附有空气过滤面料层19，防护罩底座设有空气过滤棉层17。所述的空气过滤面料层为具有憎水憎油性能的透气性高的空气过滤面料。
所述的光杯上部信号处理电路板分为模拟放大板和带微处理器控制板，放大板和控制板之间、电路板和光杯之间以及至外部接口的空间内使用环氧树脂浇封。
所述的红外接收器为不带温度传感但必须是参比检测和气体检测一体的红外探测器，并须将外置温度传感器紧贴在红外探测器的金属外壳上固定。
实施例3，一种温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：包括自上而下相互连接在一起的光杯2、光筒4及底座6，光杯与光筒螺纹连接，安装在底座的固定通孔16内的螺栓5将底座固定在光筒底部，光杯上部装有带有外部接口13的信号处理电路板12，信号处理电路板下方并列安装着装有红外光源11的聚光杯15和装有红外接收器1的集光杯14，光杯底部凹槽里装有光气隔离镜片3，光筒靠近光杯一端筒壁上仅开一个气体交换孔10作为排气孔，底座中心凹槽内装有反射镜片7，底部仅设一个气体交换底孔8作为进气孔。所述的光筒内表面镀有金属反光膜。所述的集光杯和聚光杯表面镀有金属反光膜。所述的光筒为两端带进排气孔的镀膜密封腔室，其外部装有定量气体采集泵作为独立传感器使用。
所述的红外接收器为自身带温度传感的参比检测和气体检测一体式的热电堆红外探测器。
所述的传感器外设有气体采集泵，气体采集泵进口和出口处设有空气过滤棉层17。所述的空气过滤面料层为具有憎水憎油性能的透气性高的空气过滤面料。
所述的光杯上部信号处理电路板分为模拟放大板和带微处理器控制板，放大板和控制板之间、电路板和光杯之间以及至外部接口的空间内使用环氧树脂浇封。
实施例4，一种温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：包括自上而下相互连接在一起的光杯2、光筒4及底座6，光杯与光筒螺纹连接，安装在底座的固定通孔16内的螺栓5将底座固定在光筒底部，光杯上部装有带有外部接口13的信号处理电路板12，信号处理电路板下方并列安装着装有红外光源11的聚光杯15和装有红外接收器1的集光杯14，光杯底部凹槽里装有光气隔离镜片3，光筒靠近光杯一端筒壁上开有气体交换孔10，底座中心凹槽内装有反射镜片7，周边设有气体交换底孔8。所述的光筒内表面镀有金属反光膜。所述的集光杯和聚光杯表面镀有金属反光膜。所述的光筒为两端带进排气孔的镀膜密封腔室，其外部装有定量气体采集泵。
所述的红外接收器为自身带温度传感的参比检测和气体检测一体式的热电堆红外探测器。
所述的传感器外设有金属材料防护罩，防护罩顶帽21与防护罩体22螺纹连接，安装在底部螺孔内的螺栓将防护罩底座23固定在防护罩体底部，防护罩体周边设有气体交换长孔24，其内壁上附有空气过滤面料层19，防护罩底座设有空气过滤棉层17。所述的空气过滤面料层为具有憎水憎油性能的透气性高的空气过滤面料。
所述的光杯上部信号处理电路板分为模拟放大板和带微处理器控制板，放大板和控制板之间、电路板和光杯之间以及至外部接口的空间内使用环氧树脂浇封。
所述的信号处理电路板的电路结构为：微处理器通过调制电路与红外光源相连接，红外接收器连接参比放大电路和检测放大电路，参比放大与检测放大电路合成后产生气体检测信号经高速A/D传到微处理器，参比放大生成的镜片污染信号经高速A/D传到微处理器，红外接收器内嵌的温度传感经电路处理产生一个温度检测信号同样经高速A/D传到微处理器，微处理器将A/D转换后的各信号数据处理后转化为与气体浓度成线性比例的D/A可识别的对应数据，再由D/A输出一个与气体浓度成线性比例的模拟量信号值经传感器外部接口传出，外部接口同时为微处理器提供电源和调零、校正等控制信号。
Claims (10)
1.一种温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：包括自上而下相互连接在一起的光杯、光筒及底座，光杯与光筒螺纹连接，安装在底座的固定通孔内的螺栓将底座固定在光筒底部，光杯上部装有带有外部接口的信号处理电路板，信号处理电路板下方并列安装着装有红外光源的聚光杯和装有红外接收器的集光杯，光杯底部凹槽里装有光气隔离镜片，光筒靠近光杯一端筒壁上开有气体交换孔，底座中心凹槽内装有反射镜片，周边设有气体交换底孔。
2.根据权利要求1所述的温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：所述的传感器外设有金属材料防护罩，防护罩顶帽与防护罩体螺纹连接，安装在底部螺孔内的螺栓将防护罩底座固定在防护罩体底部，防护罩体周边设有气体交换长孔，其内壁上附有空气过滤面料层，防护罩底座设有空气过滤面层。
3.根据权利要求1所述的温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：所述的集光杯和聚光杯表面镀有金属反光膜。所述的光筒内表面镀有金属反光膜。
4.根据权利要求1所述的温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：所述的红外接收器为自身带温度传感的参比检测和气体检测一体式的热电堆红外探测器；或不带温度传感但必须是参比检测和气体检测一体的红外探测器，并须将外置温度传感器紧贴在红外探测器的外壳上固定。
5.根据权利要求1所述的温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：所述的反射镜片为表面经高光洁抛光的整体金属钼板，光气隔离镜片为蓝宝石玻璃镜片或氟化钙镜片。
6.根据权利要求1所述的温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：所述的光杯上部信号处理电路板分为模拟放大板和带微处理器控制板，放大板和控制板之间、电路板和光杯之间以及至外部接口的空间内使用环氧树脂浇封。
7.根据权利要求2所述的温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：所述的空气过滤面料层为具有憎水憎油性能的透气性高的空气过滤面料。
8.根据权利要求1所述的温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：所述的光筒为两端带进排气孔的镀膜密封腔室，其外部装有定量气体采集泵。
9.根据权利要求1所述的温补一体红外吸收式气体传感器，其特征是：所述的信号处理电路板的电路结构为：微处理器通过调制电路与红外光源相连接，红外接收器连接参比放大电路和检测放大电路，参比放大与检测放大电路合成后产生气体检测信号经高速A/D传到微处理器，参比放大生成的镜片污染信号经高速A/D传到微处理器，红外接收器内嵌的温度传感经电路处理产生一个温度检测信号同样经高速A/D传到微处理器，微处理器将A/D转换后的各信号数据处理后转化为与气体浓度成线性比例的D/A可识别的对应数据，再由D/A输出一个与气体浓度成线性比例的模拟量信号值经传感器外部接口传出，外部接口同时为微处理器提供电源和调零、校正等控制信号。
10.一种温补一体红外吸收式气体监测装置，其特征是：使用权利要求1-9所述的温补一体红外吸收式气体传感器的气体监测装置。
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