CN103822892B - 一种红外气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外气体传感器，所述红外气体传感器为一圆筒形结构，所述圆筒形结构包括内侧壁和外侧壁之间的第一区域、内侧壁围成的第二区域、顶壁和底壁，其中，所述顶壁和/或底壁上设置有气体进出的气孔；所述第一区域包括第一子长光路通道和第一子短光路通道；所述第二区域包括从顶壁延伸到底壁的隔板、由隔板分隔而成的第二子长光路通道和第二子短光路通道；所述顶壁包括反射部，用于将从所述第一子长光路通道和第一子短光路通道出射的光分别反射到所述第二子长光路通道和第二子短光路通道。本发明能够减小红外气体传感器的尺寸，且提高了红外提起传感器的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种红外气体传感器。
背景技术
随着物联网的发展，传感器技术的发展相当迅速，传感器的应用也变得非常广泛。气体传感器是一种可以将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表和计算机等利用的信息的装置，其可以在室外环境质量、室内空气质量以及有毒气体检测等方面的得到应用。目前，主流的气体传感器有半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器和光学气体传感器等。红外气体传感器是一种光学气体传感器，红外气体传感器具有灵敏度佳、可靠性好、精确度高以及抗干扰能力强等优点。
在红外光范围内，大多数气体都会在一定的波段内对红外光有吸收作用，红外气体传感器就是利用气体对红外光的这种吸收作用来检测特定气体浓度。在红外气体探测器中，红外光源发射的红外光经过光路通道中待测气体的吸收，到达探测器时的能量会减小，再通过探测器探测红外光的减小程度，就能利用比尔-朗伯特定律来给出气体浓度，其中，比尔-朗伯特定律可以表示为I=I0·exp(-α·c·L)，I0为红外光源发出的红外光的光强，I为红外光经过待测气体吸收后的光强，c为待测气体的浓度，L为红外光通过待测气体的路径长度，为待测气体对红外光的吸收率。美国专利US20110042570公布了一种吸收偏置式NDIR型气体传感器及气体探测方法，图1是该现有技术提供的吸收偏置式NDIR型气体传感器的结构示意图。如图1所示，上述吸收偏置式NDIR型气体传感器包括光源101、测量信号测量探测器102、参考信号参考探测器103、相同的窄带滤波片104、长光路通道105、短光路通道106、待测气体入口107以及待测气体出口108。这一技术采用吸收偏置的方法，在传统的红外气体探测器具有唯一光路通道的基础上增加了一个短的光路通道作为参考，通过测量探测器和参考探测器的输出值的比值来对测量结果进行校正。
虽然这种气体传感器在性能上达到要求，但是为了使光路通道满足一定长度就将会增加气体传感器整体的尺寸。因此，尺寸太大是这种气体传感器的一个重要不足，同时，这种气体传感器的可靠性和稳定性不高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种红外气体传感器，以缩小红外气体传感器的尺寸，并提高红外气体探测器的稳定性。
本发明提供了一种红外气体传感器，所述红外气体传感器包括：
红外气体传感器为一圆筒形结构，所述圆筒形结构包括内侧壁和外侧壁之间的第一区域、内侧壁围成的第二区域、顶壁和底壁，其中
所述顶壁和/或底壁上设置有气体进出的气孔；
所述第一区域包括第一子长光路通道和第一子短光路通道，其中红外光源发射的红外光在第一子长光路通道中的光程大于在第一子短光路通道中的光程，并且其中第一子长光路通道和第一子短光路通道分别由连通设置的多层第一水平光路通道和第二水平光路通道以及将所述红外光从一层水平光路通道反射进入上一层水平光路通道的反射结构组成；
所述第二区域包括从顶壁延伸到底壁的隔板、由隔板分隔而成的第二子长光路通道和第二子短光路通道，其中在第二子长光路通道临近底壁的位置设置有第一测量探测器和第一参考探测器，在第二子短光路通道临近底壁的位置设置有第二测量探测器和第二参考探测器；以及
所述顶壁包括反射部，用于将从所述第一子长光路通道和第一子短光路通道出射的光分别反射到所述第二子长光路通道和第二子短光路通道。
可选的，所述第一子长光路通道与第一子短光路通道共用一个红外光源，所述红外光源设置于所述第一子长光路通道与第一子短光路通道靠近底壁的起始位置。
可选的，所述反射结构包括内凹的抛物面反射结构或者两反射板构成的内凹的角形反射结构。
可选的，所述第一子长光路通道的每层第一水平光路通道和与其相对应的第一子短光路通道的第二水平光路通道构成一个圆周，并且所述第一水平光路通道的长度为圆周周长的2/3-5/6，其相对应的所述第二水平光路通道的长度为圆周周长的1/6-1/3。
可选的，所述第一子长光路通道和第一子短光路通道的内壁上设置有反射膜。
可选的，所述圆筒形结构的内侧壁上设置有反射膜。
可选的，所述气孔设置于与所述第一区域对应的位置。
可选的，所述反射部位于所述顶壁的内壁上。
可选的，所述反射部包括内凹的抛物面反射结构、两反射板构成的内凹的角形反射结构或者斜平面反射结构。
本发明提供的一种红外气体传感器，通过将长光路通道和短光路通道做成多层的光通道，能够减小红外气体传感器的尺寸，并通过获得消除测量误差后的两测量探测器的输出值的比值，消减了光源的老化和外界温度等对测量结果的影响，提高了红外气体传感器的可靠性和稳定性，节省了校准所需的人力和费用，且寿命长。
附图说明
图1是现有技术提供的吸收偏置式NDIR型气体传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的红外气体传感器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的红外气体传感器的主视图；
图4是本发明实施例提供的红外气体传感器的后视图；
图5是本发明实施例提供的红外气体传感器从顶壁向底壁方向的俯透视图；
图6是本发明实施例提供的红外气体传感器的反射部的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图2是本发明实施例提供的红外气体传感器的结构示意图。图3是本发明实施例提供的红外气体传感器的主视图。图4是本发明实施例提供的红外气体传感器的后视图。图5是本发明实施例提供的红外气体传感器从顶壁向底壁方向的俯透视图。其中，为了清晰的展现本发明实施例提供的红外气体传感器的内部结构，图3和图4是分别是去除所述红外传感器的外侧壁的红外气体探测器的主视图和后视图。如图2、图3、图4和图5所示，本发明实施例提供的红外气体传感器为一圆筒形结构，所述圆筒形结构包括内侧壁和外侧壁之间的第一区域201、内侧壁围成的第二区域202、顶壁203和底壁204，其中：
所述顶壁203和/或底壁204上设置有气体进出的气孔205，在多个气孔的情况下，所述气孔可以均匀设置。在使用本发明实施例提供的红外气体探测器时，通过顶壁和/或底壁上设置的气孔205通入和导出待测气体，使本发明实施例提供的所有光路通道中均匀分布待测气体。
所述第一区域201包括第一子长光路通道和第一子短光路通道，其中红外光源发射的红外光在第一子长光路通道中的光程大于在第一子短光路通道中的光程，并且其中第一子长光路通道和第一子短光路通道分别由连通设置的多层第一水平光路通道301和第二水平光路通道302以及将所述红外光从一层水平光路通道反射进入上一层水平光路通道的反射结构303组成，连通设置的多层第一水平光路通道301共同组成了第一子长光路通道，连通设置的多层第二水平光路通道302共同组成了第一短光路通道，其中，所述第一水平光路通道301即图4中的401，多层第一水平光路通道301和第二水平光路通道302可以通过挡板304隔开，在每一层挡板304靠近反射结构303的位置有一个开口，使多层第一水平光路通道301组成的第一长光路通道连通，使多层第二水平光路通道302组成的第一短光路通道连通。优选的，所述反射结构303可以为内凹的抛物面反射结构或者两反射板构成的内凹的角形反射结构。
所述第二区域202包括从顶壁延伸到底壁的隔板501、由隔板分隔而成的第二子长光路通道502和第二子短光路通道503，其中在第二子长光路通道502临近底壁的位置设置有第一测量探测器504和第一参考探测器505，在第二子短光路通道503临近底壁的位置设置有第二测量探测器506和第二参考探测器507，所述第二子长光路通道502和所述第二子短光路通道503对称设置，优选的，所述第一测量探测器504、第一参考探测器505、第二测量探测器506和第二参考探测器507采用相同的探测器，通过在探测器的表面安装不同的滤波片来分别实现测量和参考的作用，可以在所述第一测量探测器504和所述第二测量探测器506的表面安装能够通过气体特定波长的滤波片，可以在所述第一参考探测器505和所述第二参考探测器507的表面安装能够通过靠近气体特征吸收波长且不包含气体特征吸收波长的波段的滤波片，即所述第一测量探测器504和所述第二测量探测器506能够通过气体的特征吸收波长，所述第一参考探测器505和所述第二参考探测器507能够通过靠近气体特征吸收波长且不包含气体特征吸收波长的波段。
所述顶壁203包括反射部，用于将从所述第一子长光路通道和第一子短光路通道出射的红外光分别反射到所述第二子长光路通道和第二子短光路通道，通过所述反射部可以实现所述第一子长光路通道和所述第二子长光路通道中光路的连通，所述第一子长光路通道和所述第二子长光路通道共同组成长光路通道（即红外光的长光路），通过所述反射部可以实现所述第一子短长光路通道和所述第二子短光路通道中光路的连通，所述第一子短光路通道和所述第二子短光路通道共同组成短光路通道（即红外光的短光路）。优选的，所述反射部位于所述顶壁203的内壁上。所述反射部可以包括至少一个内凹的抛物面反射结构、两反射板构成的内凹的角形反射结构或者斜平面反射结构。图6是本发明实施例提供的红外气体传感器的反射部的结构示意图。如图6所示，本发明实施例提供的反射部可以包括两个反射单元，即第一反射单元601和第二反射单元602，其中，所述第一反射单元601和第二反射单元602可以分别为内凹的抛物面反射结构，所述第一反射单元601用于将所述第一子长/短光路通道出射的红外光反射到所述第二反射单元602，所述第一反射单元601位于第一子长光路通道和第一短长光路通道的共同的末端，所述第二反射单元602用于将所述第一反射单元出射的红外光反射到第二子长/短光路通道，进而照射到所述红外气体传感器的探测器上，所述第二反射单元602位于所述隔板603的顶端并与所述第一反射单元601对应设置的另一侧，并在所述第二区域的顶端，其中，隔板603即图5中的501。
由于常规的红外气体传感器随着时间的推移会产生由光源的老化和外界温度等影响而形成的测量误差，本发明实施例通过设置长度不同的两个光路通道，并分别在两个光路通道的末端安装了测量探测器和参考探测器，来消除光源的老化和外界温度等影响而形成的测量误差。其中，消除测量误差的过程为：
获得未通入待测气体时，第一测量探测器504和第二测量探测器506的输出值的比值G0，即G0=V1/V2，其中，V1表示长光路通道中的第一测量探测器的输出值（即长光路的测量探测器的输出值），V2表示短光路通道中的第二测量探测器的输出值（即短光路的测量探测器的输出值），即此时为第一次获得G0；
获得未通入待测气体时，第一参考探测器505和第二参考探测器507的输出值的比值G1，即G1=V3/V4，其中，V3表示长光路通道中的第一参考探测器的输出值（即长光路参考探测器的输出值），V4表示短光路通道中的第二参考探测器的输出值（即短光路参考探测器的输出值），即此时为第一次获得G1；
在通入待测气体时，第N次获得G0和G1时由非气体因素（如光源的老化和外界温度等）引起的两测量探测器输出比值和两参考探测器输出比值。由于在长光路通道和短光路通道中探测器除滤波片以外的参数均相同，共用一个红外光源，且长光路通道和短光路通道的长度不变，因而光源老化及外界影响引起的两个测量探测器和两个参考探测器的输出比值变化的比例是相同的，从而，此时两个测量探测器输出比值和两个参考探测器输出比值的比值不随时间改变，即其中，G0N、G1N表示通入待测气体时第N次获得的G0和G1，G1N可以由测量得到，此时只有G0N未知，就能够获得出G0N；
获得通入待测气体时，长光路通道的第一测量探测器和短光路通道的第二测量探测器的输出值的比值G2，即G2=V5/V6，其中，V5表示通入待测气体时长光路通道中的第一测量探测器的输出值，V6表示通入待测气体时短光路通道的第二测量探测器的输出值，进一步的，获得消除测量误差后的两测量探测器的输出值的比值R，R=G2/G0N，其中，R也可以称为标准化的输出比值，G0N相当于光源的老化和外界温度等影响而对测量结果产生的一个系数，进一步的，通过运算消除这个系数就能够对待测气体浓度的测量结果进行自动校准。
这样就能够在使用本发明实施例提供的红外气体传感器时，消掉光源的老化和外界温度等影响而测量误差。以上过程可通过计算机调用相应的程序来实现。
本发明与现有技术相比，通过将长光路通道和短光路通道做成多层的光通道，将红外气体传感器的尺寸减小，并通过获得消除测量误差后的两测量探测器的输出值的比值，消减了光源的老化和外界温度等对测量结果的影响，且由于消除测量误差后的两测量探测器的输出值的比值能够不断的更新，从而使本发明实施例提供的红外气体传感器具有较好的长期可靠性和稳定性，节省了校准所需的人力和费用，且寿命长。
优选的，所述第一子长光路通道与第一子短光路通道共用一个红外光源，如图5所示，所述红外光源508设置于所述第一子长光路通道与第一子短光路通道靠近底壁204的起始位置。如图3所示，305表示所述红外光源在第一子短光路通道的出射口，第一长短光路通道与此类似，在此不在赘述。
优选的，所述第一子长光路通道的每层第一水平光路通道和与其相对应的第一子短光路通道的第二水平光路通道构成一个圆周，并且所述第一水平光路通道的长度为圆周周长的2/3-5/6，其相对应的所述第二水平光路通道的长度为圆周周长的1/6-1/3。
优选的，所述第一子长光路通道和第一子短光路通道的内壁上设置有反射膜。所述圆筒形结构的内侧壁上设置有反射膜。例如，可以镀金膜来提高红外光在光路通道中的反射率。
优选的，所述气孔可以设置于与所述第一区域对应的位置。如图5所示，509表示与所述第一区域对应的设置的多个气孔，即气孔509垂直向下的区域都是第一区域。
示例性的，多层第一水平光路通道和第二水平光通道的层数可以为四层，所述第一子长光路通道的每层第一水平光路通道和与其相对应的第一子短光路通道的第二水平光路通道构成一个圆周，并且所述第一水平光路通道的长度可以为圆周周长的3/4，其相对应的所述第二水平光路通道的长度可以为圆周周长的1/4，圆周的直径可以为33mm，这样长光路通道的长度可达到120cm，短光路通道的长度可达到40cm，反射结构可以采用半圆曲面的反射结构。
本发明实施例提供的红外气体传感器可以采用可伐金材料进行加工。
本实施例提供的红外气体传感器，通过将长光路通道和短光路通道做成多层的光路通道，能够减小红外气体传感器的尺寸，并通过获得消除测量误差后的两测量探测器的输出值的比值，消减了光源的老化和外界温度等对测量结果的影响，提高了红外气体传感器的可靠性和稳定性，节省了校准所需的人力和费用，且寿命长。
注意，上述内容仅为本发明的较佳实施例。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其它等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (8)
1.一种红外气体传感器，其特征在于，红外气体传感器为一圆筒形结构，所述圆筒形结构包括内侧壁和外侧壁之间的第一区域、内侧壁围成的第二区域、顶壁和底壁，其中
所述顶壁和/或底壁上设置有气体进出的气孔；
所述第一区域包括第一子长光路通道和第一子短光路通道，所述第一子长光路通道与第一子短光路通道共用一个红外光源，所述红外光源设置于所述第一子长光路通道与第一子短光路通道靠近底壁的起始位置，其中红外光源发射的红外光在第一子长光路通道中的光程大于在第一子短光路通道中的光程，并且其中第一子长光路通道和第一子短光路通道分别由连通设置的多层第一水平光路通道和第二水平光路通道以及将所述红外光从一层水平光路通道反射进入上一层水平光路通道的反射结构组成；
所述第二区域包括从顶壁延伸到底壁的隔板、由隔板分隔而成的第二子长光路通道和第二子短光路通道，其中在第二子长光路通道临近底壁的位置设置有第一测量探测器和第一参考探测器，在第二子短光路通道临近底壁的位置设置有第二测量探测器和第二参考探测器；以及
所述顶壁包括反射部，用于将从所述第一子长光路通道和第一子短光路通道出射的光分别反射到所述第二子长光路通道和第二子短光路通道。
2.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述反射结构包括内凹的抛物面反射结构或者两反射板构成的内凹的角形反射结构。
3.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述第一子长光路通道的每层第一水平光路通道和与其相对应的第一子短光路通道的第二水平光路通道构成一个圆周，并且所述第一水平光路通道的长度为圆周周长的2/3-5/6，其相对应的所述第二水平光路通道的长度为圆周周长的1/6-1/3。
4.根据权利要求1-3任一项所述的红外气体传感器，其特征在于，所述第一子长光路通道和第一子短光路通道的内壁上设置有反射膜。
5.根据权利要求1-3任一项所述的红外气体传感器，其特征在于，所述圆筒形结构的内侧壁上设置有反射膜。
6.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述气孔设置于与所述第一区域对应的位置。
7.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述反射部位于所述顶壁的内壁上。
8.根据权利要求1或7所述的红外气体传感器，其特征在于，所述反射部包括内凹的抛物面反射结构、两反射板构成的内凹的角形反射结构或者斜平面反射结构。
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Effective date of registration: 20221021 Address after: 610200 in the concentration area of Chengdu Xingu Industrial Park, Shuangliu District, Chengdu City, Sichuan Province Patentee after: Zhongke micro photonics technology (Chengdu) Co.,Ltd. Address before: 610200 in the concentration area of Chengdu Xingu Industrial Park, Dongsheng Street, Shuangliu District, Chengdu City, Sichuan Province Patentee before: China core Microelectronics Technology Chengdu Co.,Ltd. |