CN102564957A - 一种便携式低成本红外气体传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式低成本红外气体传感装置，包括外部壳体以及设置在外部壳体内部左侧的红外光源，外部壳体内部还设置有待测腔和参考腔，待测腔与参考腔之间设置有宽带光学窗口，参考腔的外壁上螺旋缠绕有曲线形壳体，曲线形壳体内侧相对的两个面上分别设置有多个变形齿一和多个变形齿二，变形齿一与变形齿二之间呈交错对应布设，变形齿一与变形齿二之间夹持有信号光纤，信号光纤连接测试单元，述测试单元还连接处理单元，处理单元还连接显示单元，处理单元还与红外光源接。本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高，同时具有一定的抗电磁干扰能力，以及较好的应用前景。

Description

一种便携式低成本红外气体传感装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种光声光谱气体传感装置，尤其是涉及一种用于气态物质浓度传感检测的便携式低成本红外气体传感装置。

背景技术

气体的探测，尤其是可燃、易爆、有毒有害气体的探测，对工农业生产、人民生活、科学研究和国家安全至关重要。

在气体传感器中，利用光声光谱特性检测气态分析物浓度的检测方法已经为公众所周知，如美国专利No.4740086描述了在光激发气态分析物时用光声气体传感器把调幅光源的光能转换成声能的情况。当入射到气室的光能被待测气体吸收后，就生成强度对应于气室内待测气体浓度的声压力波，该声压力波被电容微音器检测。光声气体传感技术具有灵敏度高、气室所需体积小等一系列优点，得到了广泛研究和应用。

中国专利CN101303298A公开了一种气体传感装置，其采用了样品检测室和参考气体室隔离的方式进行气体检测，从而省掉了高精度光学滤波片的使用，降低了该装置的成本，但其仍采用的麦克风来采集声波信号，虽说具有成本低的优点，但其灵敏度、抗电磁干扰性能、以及由于水分子存在造成的误差补偿等方面仍不能满足一些高端的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种便携式低成本红外气体传感装置，其结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高，同时具有一定的抗电磁干扰能力，以及较好的应用前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：包括外部壳体以及设置在外部壳体内部左侧的红外光源，所述外部壳体内部还设置有用于包含待测气体的待测腔和用于包含参考气体的参考腔，所述参考气体中至少有一种气体与待测气体在红外光源所发出的红外波段的光信号上具有相同的吸收波长，所述待测腔与参考腔之间设置有宽带光学窗口，所述参考腔外部套设有补偿腔，所述参考腔的外壁上螺旋缠绕有曲线形壳体，所述曲线形壳体内侧相对的两个面上分别设置有多个变形齿一和多个变形齿二，所述变形齿一与变形齿二之间呈交错对应布设，所述变形齿一与变形齿二之间夹持有信号光纤，所述信号光纤通过延长光纤连接测试单元，所述测试单元还连接处理单元，所述处理单元还连接显示单元，所述处理单元还通过传输线与红外光源接。

上述的一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：所述红外光源与宽带光学窗口之间设置有前置光学窗口，所述前置光学窗口安装在待测腔左侧，所述前置光学窗口与红外光源之间设置有透镜组。

上述的一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：所述宽带光学窗口和前置光学窗口的表面上均镀覆有光学滤波涂层。

上述的一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：所述待测腔上设置有用于接收待测气体的入口和用于排出待测气体的出口，所述入口和出口均与外部壳体的外部相通。

上述的一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：所述信号光纤两端中至少有一端设置有光反射镜。

上述的一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：所述信号光纤有一段为具有聚酰亚胺涂层的信号光纤，且该段信号光纤暴露于待测气体中。

上述的一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：所述夹持有信号光纤的变形齿一和变形齿二均为聚酰亚胺变形齿或表面上镀覆聚酰亚胺层的变形齿，且该段变形齿暴露于待测气体中。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的气体传感装置，具有结构简单、设计合理、操作方便且使用方式灵活、灵敏度高等特点。

2、本发明的气体传感装置，因使用光纤型声波采集装置替代了传统的微音器，使得本装置具有抗电磁干扰性能、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀等诸多优点。

3、本发明的气体传感装置，由于可以采用光源-光功率法测试，从而可以大幅度降低测试单元的成本，从而使本装置的整体成本大幅度降低。

4、本发明的气体传感装置，通过选取合适长度的夹持于变形齿间的具有聚酰亚胺涂层的信号光纤，或是夹持有一段信号光纤的由聚酰亚胺材料构成的变形齿、或夹持有一段信号光纤的变形齿的表面镀覆有聚酰亚胺材料层。在暴露于待测气体中时，由于聚酰亚胺材料具有吸收空气中水份而膨胀的性能，而待测腔中的待测气体中含有水份在许多情况下会吸收部分红外光波信号，造成参考腔的声波压力信号的降低，对测试结果造成误差，通过具有聚酰亚胺涂层的信号光纤或具有聚酰亚胺材料的变形齿暴露于待测气体中吸收其水份出现膨胀而造成信号光纤的一定弯曲以补偿参考腔的声波压力信号的降低，从而对测试结果进行了修正。

综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，成本低等优点，使得发明具有良好的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为实施例1中曲线形壳体的横截面结构示意图。

图3为实施例2的结构示意图。

图4为图3中A处的局部剖视图。

图5为实施例3的结构示意图。

图6为图5的A-A剖视图。

附图标记说明：

1-延伸光纤；        3-传输线；            4-曲线型壳体；

4-1-变形齿一；      4-2-变形齿二；        5-测试单元；

6-信号光纤；        7-处理单元；          8-显示单元；

10-外部壳体；       11-透镜组；           12-红外光源；

13-前置光学窗口；   14-待测气体；         15-出口；

16-入口；           17-待测腔；           18-宽带光学窗口；

19-补偿腔；         20-参考腔；           21-内柱形腔体；

22-外柱形腔体；     23-参考气体；         30-螺丝；

32-夹具；           40-波纹管型参考腔；   42-管壁。

具体实施方式

实施例1

如图1和2所示的一种便携式低成本红外气体传感装置，包括外部壳体10以及设置在外部壳体10内部左侧的红外光源12，所述外部壳体10内部还设置有用于包含待测气体14的待测腔17和用于包含参考气体23的参考腔20，所述参考气体23中至少有一种气体与待测气体14在红外光源12所发出的红外波段的光信号上具有相同的吸收波长，所述待测腔17与参考腔20之间设置有宽带光学窗口18，所述参考腔20外部套设有补偿腔19，所述参考腔20的外壁上螺旋缠绕有曲线形壳体4，所述曲线形壳体4内侧相对的两个面上分别设置有多个变形齿一4-1和多个变形齿二4-2，所述变形齿一4-1与变形齿二4-2之间呈交错对应布设，所述变形齿一4-1与变形齿二4-2之间夹持有信号光纤6，所述信号光纤6通过延长光纤1连接测试单元5，所述测试单元5还连接处理单元7，所述处理单元7还连接显示单元8，所述处理单元7还通过传输线3与红外光源12相接。

本实施例中，所述待测腔17上设置有用于接收待测气体14的入口16和用于排出待测气体14的出口15，所述入口16和出口15均与外部壳体10的外部相通。

优选的，所述红外光源12与宽带光学窗口18之间设置有前置光学窗口13，所述前置光学窗口13安装在待测腔17左侧，所述前置光学窗口13与红外光源12之间设置有透镜组11。

其检测过程是：红外光源12以脉冲形式发射的红外波长信号穿过前置光学窗口13进入待测腔17，在待测腔17中，待测气体14对红外波长信号的部分能量进行了吸收，然后红外波长信号继续穿过宽带光学窗口18进入参考腔20，参考腔20中的参考气体23又吸收了部分红外波长信号并出现膨胀，由于红外波长信号是脉冲信号，所以参考气体23出现了波动，并引起参考腔20的振动。其中，参考气体23吸收了部分红外波长信号的能量后温度升高使参考腔20内部的压力增大，使得参考腔20的径向圆周周长增加，导致缠绕在参考腔20上的曲线型壳体4内部的相对两侧的变形齿一4-1与变形齿二4-2之间的距离改变，这样改变了夹持在相对两侧变形齿一4-1与变形齿二4-2之间的信号光纤6的弯曲曲率变化，测试单元5通过检测信号光纤6内部传输光信号功率的变化并获取所述参考腔20内部压力的变化，由处理单元7计算得到参考腔20准确的声压力波值，由于待测气体14在待测腔17中对红外波长信号的能量有一定的吸收，并且吸收的能量大小与待测气体14的浓度有关，所以处理单元7计算得到声压力波值相对于初始状态待测腔17中无待测气体14时的声压力波值会有减少，处理单元7根据该声压力波值会减少的量计算出待测气体的浓度。此处是用曲线型壳体4以及信号光纤6为主构成的声波检测元件代替了公众熟知的微音器元件，然后通过公众所熟知的其余检测流程获取待测气体的浓度。

优选的，所述宽带光学窗口18和前置光学窗口13的表面上均镀覆有光学滤波涂层，以降宽带光学窗口18和前置光学窗口13透过的红外波长信号的波长宽度，提高测试的准确性。

优选的，所述信号光纤6两端中至少有一端设置有光反射镜。

优选的，所述信号光纤6有一段为具有聚酰亚胺涂层的信号光纤，且该段信号光纤暴露于待测气体14中，或者是：所述的夹持有一段信号光纤6的变形齿是由聚酰亚胺材料构成，该段变形齿暴露于待测气体14中；或所述夹持有信号光纤6的变形齿一4-1和变形齿二4-2均为聚酰亚胺变形齿或表面上镀覆聚酰亚胺层的变形齿，且该段变形齿暴露于待测气体14中。由于水分子对红外波长信号有一定的吸收，假如待测气体14中包含有水分子，则会对测试结果造成误差，并且随着水分子的增多，待测气体14的湿度也越来越高，对测试结果的影响也会比较严重，通过选取合适长度的夹持于变形齿间的具有聚酰亚胺涂层的信号光纤6，或是夹持有一段信号光纤6的由聚酰亚胺材料构成的变形齿、或夹持有一段信号光纤6的变形齿的表面镀覆有聚酰亚胺材料层，在暴露于待测气体14中时，由于聚酰亚胺材料具有吸收空气中水份而膨胀的性能，而待测腔17中的待测气体14中含有水份在许多情况下会吸收部分红外光波信号，造成参考腔20的声波压力信号的降低，对测试结果造成误差，通过具有聚酰亚胺涂层的信号光纤6或具有聚酰亚胺材料的变形齿暴露于待测气体14中吸收其水份出现膨胀而造成信号光纤6的一定弯曲以补偿参考腔20的声波压力信号的降低，从而对测试结果进行了修正。优选的是在曲线形壳体4上设置有透气孔，方便待测气体14的扩散和具有聚酰亚胺材料的部分接触。

实施例2

如图3和4所示，本实施例与实施例1不同的是：所述的参考腔20以及缠绕在参考腔外壁表面的曲线形壳体4是由一波纹管型参考腔40替代，在波纹管型参考腔40的管壁42的下凹处的相对两个面上分别布设有变形齿一4-1和变形齿二4-2，变形齿一4-1和变形齿二4-2相互交错对应，变形齿一4-1和变形齿二4-2对应布设在信号光纤6的两侧，信号光纤6通过延长光纤1接测试单元5。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例3

如图5和6所示，本实施例与实施例1不同的是：所述的参考腔20是由一内柱形腔体21和外柱形腔体22构成，在内柱形腔体21的外表面上沿纵向分布有多个沟槽，在内柱形腔体21外表面上横向缠绕有信号光纤6，信号光纤6夹持在内柱形腔体21外表面上沟槽的沟垄与外柱形腔体22内表面上的沟垄之间，信号光纤6通过延伸光纤1接测试单元5。

优选的，所述的内柱形腔体21外表面上横向上分布有螺丝30，螺丝30位置处设置有夹具32，信号光纤6缠绕在螺丝30的齿谷中。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：包括外部壳体(10)以及设置在外部壳体(10)内部左侧的红外光源(12)，所述外部壳体(10)内部还设置有用于包含待测气体(14)的待测腔(17)和用于包含参考气体(23)的参考腔(20)，所述参考气体(23)中至少有一种气体与待测气体(14)在红外光源(12)所发出的红外波段的光信号上具有相同的吸收波长，所述待测腔(17)与参考腔(20)之间设置有宽带光学窗口(18)，所述参考腔(20)外部套设有补偿腔(19)，所述参考腔(20)的外壁上螺旋缠绕有曲线形壳体(4)，所述曲线形壳体(4)内侧相对的两个面上分别设置有多个变形齿一(4-1)和多个变形齿二(4-2)，所述变形齿一(4-1)与变形齿二(4-2)之间呈交错对应布设，所述变形齿一(4-1)与变形齿二(4-2)之间夹持有信号光纤(6)，所述信号光纤(6)通过延长光纤(1)连接测试单元(5)，所述测试单元(5)还连接处理单元(7)，所述处理单元(7)还连接显示单元(8)，所述处理单元(7)还通过传输线(3)与红外光源(12)相接。

2.按照权利要求1所述的一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：所述红外光源(12)与宽带光学窗口(18)之间设置有前置光学窗口(13)，所述前置光学窗口(13)安装在待测腔(17)左侧，所述前置光学窗口(13)与红外光源(12)之间设置有透镜组(11)。

3.按照权利要求2所述的一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：所述宽带光学窗口(18)和前置光学窗口(13)的表面上均镀覆有光学滤波涂层。

4.按照权利要求1所述的一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：所述待测腔(17)上设置有用于接收待测气体(14)的入口(16)和用于排出待测气体(14)的出口(15)，所述入口(16)和出口(15)均与外部壳体(10)的外部相通。

5.按照权利要求1所述的一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：所述信号光纤(6)两端中至少有一端设置有光反射镜。

6.按照权利要求1所述的一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：所述信号光纤(6)有一段为具有聚酰亚胺涂层的信号光纤，且该段信号光纤暴露于待测气体(14)中。

7.按照权利要求1所述的一种便携式低成本红外气体传感装置，其特征在于：所述夹持有信号光纤(6)的变形齿一(4-1)和变形齿二(4-2)均为聚酰亚胺变形齿或表面上镀覆聚酰亚胺层的变形齿，且该段变形齿暴露于待测气体(14)中。

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