CN102778441A - 具有弯管光腔气室的高精度红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

具有弯管气室的高精度红外气体传感器，涉及电子元器件技术领域。本发明包括光腔气室、光源、光源端封闭装置、探测器、探测器端封闭装置，所述光腔气室[6]为弯管气室。本发明增加了有效吸收光程长度，进而提高了测量精度，使热释电探测器接收到的红外光线分布均匀，可以进一步提高NDIR气体传感器的测量精确度。

Description

具有弯管光腔气室的高精度红外气体传感器

技术领域

本发明涉及电子元器件技术领域，特别涉及红外气体传感器。

背景技术

利用红外光谱吸收原理来检测气体浓度是气体检测的一种新技术。红外光谱吸收主要是指双原子和多原子分子对红外光具有特定吸收峰这一特性，具有这种原子结构的气体在红外辐射波段都有一条或若干条自己的特征吸收谱线，而吸收的光能量与气体在红外光区内的浓度有一定关系，因此，可以利用此特性来设计某种设备装置进行气体浓度的检测。红外光穿过被测气体时，特征频率谱线的红外光能就会被气体吸收，使该频率的红外光的强度减弱，通过检测红外光的强度变化值就可以得出被检测气体的浓度。非分散红外(Non-DiffractionInfrared,NDIR)气体传感器就是利用这一原理工作的，它由一个红外光源，一个吸收气室以及一个带有滤光片的红外探测器组成。相对于分光红外技术而言，NDIR气体传感器结构简单易集成，成本低，适用于安全监测场所的现场监测，因此近年来发展迅速。

NDIR技术的主要原理是利用朗伯—比尔（Lambert—Beer）定律得到的NDIR气体传感器浓度的计算公式：

$C=\frac{1}{\mathrm{\μ}\left(v\right)L}\mathrm{Ln}\frac{I_0\left(v\right)}{I\left(v\right)}$

其中，v代表红外频率，I₀(v)和I(v)分别代表频率为v的红外光的入射和出射光强度，μ(v)是被检测气体对频率为v的红外光的吸收系数，C是气体浓度，L是吸收气体光程长度。在上式中，μ(v)是常数项，因此，NDIR气体传感器检测精度由L和I₀(v)/I(v)决定。

对于红外光入射光强和出射光强比值I₀(v)/I(v)的测量是通过热释电红外探测器实现的，其原理是：热释电探测器有两个通道，相当于有两路吸收光线，一路为测量通道，其窄带滤光片透射频率与被测气体红外吸收峰频率对应；另一路则为参考通道，其窄带滤光片透射频率远离被测气体红外吸收峰频率。当光源发出的红外光通过检测气体到达热释电探测器后，热释电探测器测量通道电信号大小受被检测气体的影响会发生变化，因此可以认定为I(v)；而参考通道不受被检测气体的影响，其电信号大小不变，因此可以认定为I₀(v)。当存在零漂、光源的功率不稳定以及杂质微尘干扰等因素时，它们影响到测量通道和参考通道电信号的大小，将测量通道电信号与参考通道电信号相比，可以消除这些因素的干扰。从上述分析可知，提高热释电探测器的灵敏度可以影响I₀(v)/I(v)，进而提高NDIR气体传感器的检测精度。

要提高探测精度，使传感器可以探测到很低的气体浓度，至少能覆盖主要有害气体的最低爆炸极限值，一个有效措施就是提高有效吸收光程L。现有的NDIR气体传感器的气室多为直筒式结构，受系统整体体积的限制，此种结构导致红外有效光程长度有限，吸收不充分，因此测量精度较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高精度，小体积，便携化的气体传感器。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

高精度气体传感器，包括光腔气室、光源、光源端封闭装置、探测器、探测器端封闭装置，所述光腔气室为弯管光腔气室。

所述光腔气室为半圆形弯管。所述光源端封闭装置为半球形罩杯，所述探测器端封闭装置为圆柱形罩杯。所述光腔气室、光源端封闭装置和探测器端封闭装置的内壁设置有反光层。所述光腔气室设置有至少两个通气孔。所述探测器为双通道红外热释电探测器。

本发明的有益效果是，在不增大NDIR传感器系统大小的前提下，尽量增加有效吸收光程，尽量增加光能的利率，保证高精度，小体积，便携化。

在传感器整体体积大小限制下，相较于普通直筒式气室结构的NDIR气体传感器而言，本发明增加了有效吸收光程长度，进而提高了测量精度，使热释电探测器接收到的红外光线分布均匀，可以进一步提高NDIR气体传感器的测量精确度。另外，本发明的结构设计简单、尺寸易调控，装配精度要求不高，有利于提高NDIR气体传感器的测量精确度的一致性。

附图说明

图1为本发明的简单的结构示意图；

图2为本发明的弯管光腔气室中4条光线模拟得到的光反射路线图；

图3为本发明的10000条光线的光路模拟图；

图4为本发明中用以作为比对的直筒式气室结构；

图5为本发明的光线光程统计比对图；

图6为本发明的光线反射次数统计图；

图7为本发明的弯管结构探测器表面光照度分析图；

图8为本发明的用于比对的直筒结构探测器表面光照度分析图。

具体实施方式

本发明提供一种高精度的NDIR气体传感器，主要包括半圆形弯管结构的光腔气室6，红外光源1，红外热释电探测器3。

所述的光腔气室6为半圆形弯管结构。红外光源1和热释电探测器3分别放置于腔室内半圆弯管的两端的封闭装置，并且光源的发射面与探测器的接收面在同一平面上。光源端封闭装置2为半球形罩杯，尺寸与弯管相匹配，半球形罩杯底端中心处开有小孔用于放置光源1。探测器端封闭装置4为圆柱形罩杯，尺寸也与弯管相匹配，圆柱形罩杯底部也开有圆孔用于放置热释电探测器3。所述弯管光腔气室6内壁、半球形罩杯和圆柱形罩杯的内壁均涂抹覆盖有反光材料。

所述半圆弯管6上靠近两端处还各开有一个通气孔5，用于与外界交换气体，将通气孔5分别置于弯管两端口附近处，可以使外界气体充分进入整个气室。当然，根据实际通气要求，还可以在弯管上多增加几个开孔以保证有足够的开孔总面积用于与外界交换气体。

所述红外热释电探测器3是双通道的，有两个探测窗口，一个为测量窗口，一个为参考窗口。测量窗口上的窄带滤光片滤出的红外光波长与所测气体吸收波长一致，输出测量信号；参考窗口上的滤光片滤出的红外光则不被所测气体吸收，输出参考信号。将测量信号量与参考信号量相比得到的比值与所测浓度值是简单的对数关系，便于数据处理。

更具体的实施例如下：

弯管光腔气室6是一个内径20mm，外径35mm的半圆形弯管，管筒直径为15mm。弯管形光腔气室6的一端接有一个半球形罩杯2，其直径为15mm，即尺寸大小与弯管相匹配。半球形罩杯2底部中心处开有一小孔，小孔的大小略大于红外光源1的尺寸，用于放置红外光源1。弯管光腔气室6的另一端接有一个圆柱形罩杯4，其直径为15mm，长度为7.5mm，尺寸大小与弯管相匹配，圆柱形罩杯4底部开有圆孔，大小略大于热释电探测器3的尺寸，用于放置热释电探测器3。弯管光腔气室6、半球形罩杯2和圆柱形罩杯4的内壁均涂抹覆盖有反光材料，增加被测气体在气室内部的反射效率，减少光能衰减。

弯管光腔气室6的接近两端处，在同一侧各开有一个半径1mm的小圆孔5，两小孔位置对称，圆孔圆心距弯管光腔气室6边缘0.5mm。将通气孔5分别置于弯管两端口附近处，可以使外界气体充分进入整个气室。根据实际需求，也可以在弯管上多开几个小孔以保证足够的通气孔面积。

红外光源1为圆柱形钨丝白炽灯泡，可视为直径1mm长为4mm的小圆柱，经过光路模拟优化后被定于伸入罩杯2内部分长度为3mm，也即发光面与罩杯2的开孔的距离为3mm。

红外热释电探测器3是双通道的，有两个探测窗口，一个为测量窗口，一个为参考窗口。测量窗口上的窄带滤光片通过的红外光波长与所测气体吸收波长一致，输出测量信号；参考窗口上的滤光片滤出的红外光则不被所测气体吸收，输出参考信号。将测量信号量与参考信号量相比得到的比值与所测浓度值是简单的对数关系，便于数据处理。

图2是对光源发出4条光线的情况进行光路模拟得到的图。图3则是对光源发出10000条光线的情况进行光路模拟得到的图。

由图2可以看出光线正常反射的路径，虽然各个光线反射并未聚焦，也无特定规律，但是其在气室内总体的光程路径相差不大。图3则是模拟了光源发出10000条光线的情况，并对所有光线的光程，折射次数以及热释电探测器表面光照图进行统计分析。图4是用来与弯管光腔气室结构相比较的直筒气室结构，其长度尺寸与弯管光腔气室一致，所用红外光源与红外探测器也与弯管结构中的一样，并且同样也开有两个半径1mm的通气孔。

图3所示的10000条出射光线，其中有5555条光线被热释电探测器接收到；而图4所示的直筒气室结构在光源同样发出10000条光线的情况下，有5426条光线被热释电探测器接收到。将这5555条光线和5426条光线分别进行统计，得到两者的光程分布图5和反射次数图6。在光程分布图中，弯管结构主要分布在100-120mm和120-140mm两段内，而直筒结构主要分布在80-100mm和100-120mm两段内，可以明显看出弯管结构的光程整体而言要长于直筒结构。弯管结构的光程平均长度为136.177mm，而直筒结构的光程平均长度为102.335mm，弯管结构较之直筒结构平均光程长度提高了33.07%。由反射次数图6可以看出，弯管结构主要的反射次数是4次，而直筒结构从3次到9次都有较多分布，因此弯管结构相对来说反射路径更一致。

图7和图8分别是弯管结构和直筒结构在光线为10000条时，探测器表面光照度分析图。由两张图对比可以明显看出直筒结构则是相对集中于探测器中心位置，而弯管结构光线在探测器表面分布更为均匀，因此弯管光腔气室对于提高测量的精确度更有利。

另外，本发明可以用于测量多种气体的浓度。由于不同气体对红外光的特征吸收波段是不同的，实际应用中，针对各种气体，只要其特征吸收波段在红外光源发光波段覆盖内，只需更换热释电探测器所配的窄带滤波片，就可以进行浓度测量，使用方便。

Claims (7)

1.具有弯管气室的高精度红外气体传感器，包括光腔气室[6]、光源[1]、光源端封闭装置[2]、探测器[3]、探测器端封闭装置[4]，其特征在于，所述光腔气室[6]为弯管气室。

2.如权利要求1所述的高精度气体传感器，其特征在于，所述光腔气室[6]为半圆形弯管。

3.如权利要求1所述的高精度气体传感器，其特征在于，所述光源端封闭装置[2]为半球形罩杯，所述探测器端封闭装置[4]为圆柱形罩杯。

4.如权利要求1所述的高精度气体传感器，其特征在于，所述光腔气室[6]、光源端封闭装置[2]和探测器端封闭装置[4]的内壁设置有反光层。

5.如权利要求1所述的高精度气体传感器，其特征在于，所述光腔气室[6]设置有至少两个通气孔[5]。

6.如权利要求1所述的高精度气体传感器，其特征在于，所述探测器[3]为双通道红外热释电探测器。

7.如权利要求1所述的高精度气体传感器，其特征在于，所述光源[1]的发射面与探测器[3]的接收面在同一平面上。

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