CN103954577B - 一种微型红外气体检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型红外气体检测传感器，包括传感器壳体和气室分隔板，气室分隔板上设有开口，气室分隔板位于开口一侧的侧边与传感器壳体相接，外气室内中下部设有上下分隔板和中红外光源，内气室上部倾斜设有斜板，内气室底部设有双元双补偿热释电红外探测器，双元双补偿热释电红外探测器上集成有两个探测器灵敏元，两个探测器灵敏元的上表面上分别放置有第一滤光片和第二滤光片，斜板的底面上间隔设有两个半积分球；传感器壳体的内壁上设有多个外反射镜面，气室分隔板的外壁上设有多个中反射镜面，气室分隔板与传感器壳体相接的一侧内壁上设有内反射镜面。本发明体积小，能耗低，光程长，气体检测的稳定性和精度高，反应速度快，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明属于智能传感器技术领域，具体涉及一种微型红外气体检测传感器。
背景技术
在工业生产中，易燃易爆气体是安全生产的主要危险，既造成人员伤亡、巨大财产损失，又对环境造成污染，受到了各方面的重视。
目前，用于气体检测的方法主要有光干涉、载体化学反应、热导、红外等几种方法。
利用红外线吸收光谱技术对气体浓度进行检测精度高，反应块，测量范围广，寿命长，能进行连续分析，便于自动控制成为科学技术关注的重点。根据比耳-朗格红外吸收定律(I＝I0×e-Kic，其中，I为红外光被气体吸收后的能量，I0为红外光的初始能量，K为与气体有关的常数，i为红外光通过被测气体的厚度，c为被测气体的浓度)，为了提高光学气体传感器的灵敏度，光的路径要有足够的长度，然而，光路足够长后，为使光的最低强度能够被红外光探测器检测的到，需要加大光的能量。现有技术中的红外气体检测传感器，存在以下缺陷和不足：(1)目前国内基本上是采用的是国外进口的红外气体检测传感器，造成价格很高，每个红外气体检测传感器的价格在1500～2500元；(2)国内中红外光源基本上都使用的是灯丝光源，能耗高，寿命短，安全性差；(3)在光程有限的情况下，初始光的强度必须大，否则光被吸收量有限，很难使测值准确，但光的初始强度增加，一方面是能耗高，另一方面使电池体积增大，仪器的体积也要增大，否则满足不了安标(AQ6211-2008标准)规定的使用10小时的要求，即使能够使用10个小时，每天充电也很麻烦。
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，提供一种微型红外气体检测传感器，其体积小，能耗低，光程长，气体检测的稳定性和精度高，反应速度快，使用寿命长，实现成本低，实用性强，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：包括传感器壳体和设置在传感器壳体内部且将传感器壳体内部的气室分隔为外气室和内气室两部分的气室分隔板，所述气室分隔板上设置有开口，所述气室分隔板位于开口一侧的侧边与传感器壳体相接，所述外气室内中下部设置有用于将外气室分隔为上下两部分的上下分隔板，所述外气室内位于上下分隔板的下方设置有发光部分穿出到上下分隔板上部且用于发射红外光的中红外光源，所述内气室上部倾斜设置有斜板，所述内气室底部设置有双元双补偿热释电红外探测器，所述双元双补偿热释电红外探测器上集成有两个探测器灵敏元，两个探测器灵敏元的上表面上分别放置有用于通过与被测气体中心波长相等的光的第一滤光片和用于通过与被测气体中心波长不相等的光的第二滤光片，所述斜板的底面上间隔设置有两个分别用于将红外光反射到第一滤光片和第二滤光片上的半积分球；所述传感器壳体的内壁上设置有多个依次连接且用于反射红外光的外反射镜面，所述气室分隔板的外壁上设置有多个依次连接且用于与外反射镜面相互间隔反射红外光的中反射镜面，所述气室分隔板与传感器壳体相接的一侧内壁上设置有与外反射镜面连接且用于将红外光反射到斜板的底面上的内反射镜面。
上述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述中红外光源包括底座和固定连接在底座顶部的红外发光二极管，所述底座顶部固定连接有罩在红外发光二极管上的灯罩，所述灯罩的纵截面呈抛物线型。
上述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述红外发光二极管的晶片由固溶体硒化铅薄膜制成，所述固溶体硒化铅薄膜的制备方法为：步骤一、将铅粉、水、无水硫酸钠和硒粉按照1:3:6:1的质量比混合，然后在70℃～90℃条件下恒温搅拌20h～30h，过滤后得到固体物料；步骤二、将步骤一中所述固体物料制成厚度为1.5mm～2mm的薄膜；步骤三、将步骤二中所述薄膜置于渗氮炉中，在温度为700℃～860℃，氮气和氢气的混合气氛下恒温处理6.5h～10h，得到固溶体硒化铅薄膜。
上述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述中红外光源发射的红外光的波长为3.2μm～4.8μm。
上述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述传感器壳体外轮廓的形状为圆柱形，所述传感器壳体的底面直径为20mm，所述传感器壳体的高度为16.6mm。
上述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述外反射镜面的数量为4～8块，相邻两块外反射镜面之间的夹角为120°～150°；所述中反射镜面的数量为4～8块，相邻两块中反射镜面之间的夹角为120°～150°。
上述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述外反射镜面的数量为6块且分别为第一外反射镜面、第二外反射镜面、第三外反射镜面、第四外反射镜面、第五外反射镜面和第六外反射镜面，相邻两块外反射镜面之间的夹角为135°；所述中反射镜面的数量为6块且分别为第一中反射镜面、第二中反射镜面、第三中反射镜面、第四中反射镜面、第五中反射镜面和第六中反射镜面，相邻两块中反射镜面之间的夹角为135°，所述第二中反射镜面的中心部位对正第一外反射镜面和第二外反射镜面的连接部位设置，所述第三中反射镜面的中心部位对正第二外反射镜面和第三外反射镜面的连接部位设置，所述第四中反射镜面的中心部位对正第三外反射镜面和第四外反射镜面的连接部位设置，所述第五中反射镜面的中心部位对正第四外反射镜面和第五外反射镜面的连接部位设置，所述第六中反射镜面的中心部位对正第五外反射镜面和第六外反射镜面的连接部位设置，所述内反射镜面与第六外反射镜面连接。
上述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述中红外光源发射的红外光依次经过第一外反射镜面、第二中反射镜面、第二外反射镜面、第三中反射镜面、第三外反射镜面、第四中反射镜面、第四外反射镜面、第五中反射镜面、第五外反射镜面、第六中反射镜面、第六外反射镜面和内反射镜面反射后，形成了长度为55mm～70mm的光程并反射到了斜板的底面上。
上述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述外反射镜面、中反射镜面和内反射镜面均为镀金反射镜面。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明中红外光源的能耗低，不大于3.5mW，比现有的灯丝光源的能耗100mW小28.5倍，采用与现有技术中相同的锂离子充电电池供电，现有技术充一次电仅能保证使用10小时，而本发明能够使用15天，目前锂离子电池循环寿命基本上在500次，本发明可以使锂离子充电电池的使用寿命大大延长，大约是现有技术中锂离子电池使用寿命的36倍。
2、本发明的体积小，而通过多镜面反射，光程能够达到55mm～70mm，光程的加长增加了对被测气体的吸收，在相同光源情况下对被测气体的吸收增加了2倍，有利于气体检测的稳定性，且提高了气体检测精度。
3、本发明光的强度是现有技术中的5倍以上，能够用于对多种气体的检测，除了单原子的惰性气体和具有对称结构的无极气体外，大多数有机和无极多原子分子气体都可以进行检测，且反应速度快，反应时间在10s以内。
4、本发明无需经常调校，调校期为半年，且使用寿命能够达6年以上，使用寿命长。
5、本发明的光路采用了一体化设计，不用多件装配，有利于保证产品质量，适应成批生产。
6、本发明的实现成本低，实用性强，便于推广使用。
综上所述，本发明的体积小，能耗低，光程长，气体检测的稳定性和精度高，反应速度快，使用寿命长，实现成本低，实用性强，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的光路示意图。
图3为本发明半积分球反射光的光路示意图。
图4为本发明中红外光源的结构示意图。
附图标记说明:
1—传感器壳体；2—内反射镜面；3—外气室；
4—内气室；5—气室分隔板；6—中红外光源；
6-1—底座；6-2—红外发光二极管；6-3—灯罩；
7—斜板；8—双元双补偿热释电红外探测器；
9—探测器灵敏元；10-1—第一滤光片；10-2—第二滤光片；
11—半积分球；12-1—第一外反射镜面；
12-2—第二外反射镜面；12-3—第三外反射镜面；
12-4—第四外反射镜面；12-5—第五外反射镜面；
12-6—第六外反射镜面；13-1—第一中反射镜面；
13-2—第二中反射镜面；13-3—第三中反射镜面；
13-4—第四中反射镜面；13-5—第五中反射镜面；
13-6—第六中反射镜面；14—上下分隔板。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2和图3所示，本发明包括传感器壳体1和设置在传感器壳体1内部且将传感器壳体1内部的气室分隔为外气室3和内气室4两部分的气室分隔板5，所述气室分隔板5上设置有开口，所述气室分隔板5位于开口一侧的侧边与传感器壳体1相接，所述外气室3内中下部设置有用于将外气室3分隔为上下两部分的上下分隔板14，所述外气室3内位于上下分隔板14的下方设置有发光部分穿出到上下分隔板14上部且用于发射红外光的中红外光源6，所述内气室4上部倾斜设置有斜板7，所述内气室4底部设置有双元双补偿热释电红外探测器8，所述双元双补偿热释电红外探测器8上集成有两个探测器灵敏元9，两个探测器灵敏元9的上表面上分别放置有用于通过与被测气体中心波长相等的光的第一滤光片10-1和用于通过与被测气体中心波长不相等的光的第二滤光片10-2，所述斜板7的底面上间隔设置有两个分别用于将红外光反射到第一滤光片10-1和第二滤光片10-2上的半积分球11；所述传感器壳体1的内壁上设置有多个依次连接且用于反射红外光的外反射镜面，所述气室分隔板5的外壁上设置有多个依次连接且用于与外反射镜面相互间隔反射红外光的中反射镜面，所述气室分隔板5与传感器壳体1相接的一侧内壁上设置有与外反射镜面连接且用于将红外光反射到斜板7的底面上的内反射镜面2。
如图4所示，本实施例中，所述中红外光源6包括底座6-1和固定连接在底座6-1顶部的红外发光二极管6-2，所述底座6-1顶部固定连接有罩在红外发光二极管6-2上的灯罩6-3，所述灯罩6-3的纵截面呈抛物线型。通过设置纵截面为抛物线型的灯罩6-3，能够使红外发光二极管6-2发射的红外线平行地照射到外反射镜面上，并能够起到聚光的作用，不会由于散光而减弱光的强度，减少了光强度的损失。
本实施例中，所述红外发光二极管6-2的晶片由固溶体硒化铅薄膜制成，所述固溶体硒化铅薄膜的制备方法为：步骤一、将铅粉、水、无水硫酸钠和硒粉按照1:3:6:1的质量比混合，然后在70℃条件下恒温搅拌30h，过滤后得到固体物料；步骤二、将步骤一中所述固体物料制成厚度为1.5mm的薄膜；步骤三、将步骤二中所述薄膜置于渗氮炉中，在温度为700℃，氮气和氢气的混合气氛下恒温处理6.5h，得到固溶体硒化铅薄膜。具体实施时，选取合适大小的固溶体硒化铅薄膜制成红外发光二极管6-2的晶片，再经封装即可制成红外发光二极管6-2。采用固溶体硒化铅薄膜制成红外发光二极管6-2的晶片，使得所述红外发光二极管6-2的光源转化率能够达到44％。
本实施例中，所述中红外光源6发射的红外光的波长为3.2μm～4.8μm。
如图1和图2所示，本实施例中，所述传感器壳体1外轮廓的形状为圆柱形，所述传感器壳体1的底面直径为20mm，所述传感器壳体1的高度为16.6mm。
如图1和图2所示，本实施例中，所述外反射镜面的数量为4～8块，相邻两块外反射镜面之间的夹角为120°～150°；所述中反射镜面的数量为4～8块，相邻两块中反射镜面之间的夹角为120°～150°。优选地，所述外反射镜面的数量为6块且分别为第一外反射镜面12-1、第二外反射镜面12-2、第三外反射镜面12-3、第四外反射镜面12-4、第五外反射镜面12-5和第六外反射镜面12-6，相邻两块外反射镜面之间的夹角为135°；所述中反射镜面的数量为6块且分别为第一中反射镜面13-1、第二中反射镜面13-2、第三中反射镜面13-3、第四中反射镜面13-4、第五中反射镜面13-5和第六中反射镜面13-6，相邻两块中反射镜面之间的夹角为135°，所述第二中反射镜面13-2的中心部位对正第一外反射镜面12-1和第二外反射镜面12-2的连接部位设置，所述第三中反射镜面13-3的中心部位对正第二外反射镜面12-2和第三外反射镜面12-3的连接部位设置，所述第四中反射镜面13-4的中心部位对正第三外反射镜面12-3和第四外反射镜面12-4的连接部位设置，所述第五中反射镜面13-5的中心部位对正第四外反射镜面12-4和第五外反射镜面12-5的连接部位设置，所述第六中反射镜面13-6的中心部位对正第五外反射镜面12-5和第六外反射镜面12-6的连接部位设置，所述内反射镜面2与第六外反射镜面12-6连接。
如图1和图2所示，本实施例中，所述中红外光源6发射的红外光依次经过第一外反射镜面12-1、第二中反射镜面13-2、第二外反射镜面12-2、第三中反射镜面13-3、第三外反射镜面12-3、第四中反射镜面13-4、第四外反射镜面12-4、第五中反射镜面13-5、第五外反射镜面12-5、第六中反射镜面13-6、第六外反射镜面12-6和内反射镜面2反射后，形成了长度为55mm～70mm的光程并反射到了斜板7的底面上。红外光经过多次反射在上下方向上拉开了距离，给红外光经过两个半积分球11反射后分成两路光提供了条件。红外光经过多次反射所形成的光程为一次反射最长光程的3.5倍以上，能够在保持红外气体检测传感器小提交的前提下达到长光程，填补了现有技术的空白。
本实施例中，所述外反射镜面、中反射镜面和内反射镜面2均为镀金反射镜面。通过镀金能够减少光反射对光强度的损失。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是：所述固溶体硒化铅薄膜的制备方法为：步骤一、将铅粉、水、无水硫酸钠和硒粉按照1:3:6:1的质量比混合，然后在90℃条件下恒温搅拌20h，过滤后得到固体物料；步骤二、将步骤一中所述固体物料制成厚度为1.75mm的薄膜；步骤三、将步骤二中所述薄膜置于渗氮炉中，在温度为780℃，氮气和氢气的混合气氛下恒温处理10h，得到固溶体硒化铅薄膜。其余结构均与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1不同的是：所述固溶体硒化铅薄膜的制备方法为：步骤一、将铅粉、水、无水硫酸钠和硒粉按照1:3:6:1的质量比混合，然后在80℃条件下恒温搅拌25h，过滤后得到固体物料；步骤二、将步骤一中所述固体物料制成厚度为2mm的薄膜；步骤三、将步骤二中所述薄膜置于渗氮炉中，在温度为860℃，氮气和氢气的混合气氛下恒温处理8h，得到固溶体硒化铅薄膜。
本发明的工作过程是：中红外光源6发射的红外光首先在外气室3内平行照射在第一外反射镜面12-1上，经过第一外反射镜面12-1反射后照射到了第二中反射镜面13-2上，经过第二中反射镜面13-2反射后照射到了第二外反射镜面12-2上，经过第二外反射镜面12-2反射后照射到了第三中反射镜面13-3上，经过第三中反射镜面13-3反射后照射到了第三外反射镜面12-3上，经过第三外反射镜面12-3反射后照射到了第四中反射镜面13-4上，经过第四中反射镜面13-4反射后照射到了第四外反射镜面12-4上，经过第四外反射镜面12-4反射后照射到了第五中反射镜面13-5上，经过第五中反射镜面13-5反射后照射到了第五外反射镜面12-5上，经过第五外反射镜面12-5反射后照射到了第六中反射镜面13-6上，经过第六中反射镜面13-6反射后照射到了第六外反射镜面12-6上，经过第六外反射镜面12-6反射后照射到了内反射镜面2上并进入了内气室4内，经过内反射镜面2反射后照射到了斜板7的底面上，红外光经过外气室3和内气室4内的气体吸收后，再经过间隔设置在斜板7的底面上的两个半积分球11反射，分成两束并照射到了第一滤光片10-1和第二滤光片10-2上，分别经过第一滤光片10-1和第二滤光片10-2滤光后，又分别照射到了集成在双元双补偿热释电红外探测器8上的两个探测器灵敏元9上，这样双元双补偿热释电红外探测器8就能够测得气体在空气中的含量。
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)
1.一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：包括传感器壳体(1)和设置在传感器壳体(1)内部且将传感器壳体(1)内部的气室分隔为外气室(3)和内气室(4)两部分的气室分隔板(5)，所述气室分隔板(5)上设置有开口，所述气室分隔板(5)位于开口一侧的侧边与传感器壳体(1)相接，所述外气室(3)内中下部设置有用于将外气室(3)分隔为上下两部分的上下分隔板(14)，所述外气室(3)内位于上下分隔板(14)的下方设置有发光部分穿出到上下分隔板(14)上部且用于发射红外光的中红外光源(6)，所述内气室(4)上部倾斜设置有斜板(7)，所述内气室(4)底部设置有双元双补偿热释电红外探测器(8)，所述双元双补偿热释电红外探测器(8)上集成有两个探测器灵敏元(9)，两个探测器灵敏元(9)的上表面上分别放置有用于通过与被测气体中心波长相等的光的第一滤光片(10-1)和用于通过与被测气体中心波长不相等的光的第二滤光片(10-2)，所述斜板(7)的底面上间隔设置有两个分别用于将红外光反射到第一滤光片(10-1)和第二滤光片(10-2)上的半积分球(11)；所述传感器壳体(1)的内壁上设置有多个依次连接且用于反射红外光的外反射镜面，所述气室分隔板(5)的外壁上设置有多个依次连接且用于与外反射镜面相互间隔反射红外光的中反射镜面，所述气室分隔板(5)与传感器壳体(1)相接的一侧内壁上设置有与外反射镜面连接且用于将红外光反射到斜板(7)的底面上的内反射镜面(2)；
所述中红外光源(6)包括底座(6-1)和固定连接在底座(6-1)顶部的红外发光二极管(6-2)，所述底座(6-1)顶部固定连接有罩在红外发光二极管(6-2)上的灯罩(6-3)，所述灯罩(6-3)的纵截面呈抛物线型；
所述红外发光二极管(6-2)的晶片由固溶体硒化铅薄膜制成，所述固溶体硒化铅薄膜的制备方法为：步骤一、将铅粉、水、无水硫酸钠和硒粉按照1:3:6:1的质量比混合，然后在70℃～90℃条件下恒温搅拌20h～30h，过滤后得到固体物料；步骤二、将步骤一中所述固体物料制成厚度为1.5mm～2mm的薄膜；步骤三、将步骤二中所述薄膜置于渗氮炉中，在温度为700℃～860℃，氮气和氢气的混合气氛下恒温处理6.5h～10h，得到固溶体硒化铅薄膜。
2.按照权利要求1所述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述中红外光源(6)发射的红外光的波长为3.2μm～4.8μm。
3.按照权利要求1所述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述传感器壳体(1)外轮廓的形状为圆柱形，所述传感器壳体(1)的底面直径为20mm，所述传感器壳体(1)的高度为16.6mm。
4.按照权利要求1所述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述外反射镜面的数量为4～8块，相邻两块外反射镜面之间的夹角为120°～150°；所述中反射镜面的数量为4～8块，相邻两块中反射镜面之间的夹角为120°～150°。
5.按照权利要求4所述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述外反射镜面的数量为6块且分别为第一外反射镜面(12-1)、第二外反射镜面(12-2)、第三外反射镜面(12-3)、第四外反射镜面(12-4)、第五外反射镜面(12-5)和第六外反射镜面(12-6)，相邻两块外反射镜面之间的夹角为135°；所述中反射镜面的数量为6块且分别为第一中反射镜面(13-1)、第二中反射镜面(13-2)、第三中反射镜面(13-3)、第四中反射镜面(13-4)、第五中反射镜面(13-5)和第六中反射镜面(13-6)，相邻两块中反射镜面之间的夹角为135°，所述第二中反射镜面(13-2)的中心部位对正第一外反射镜面(12-1)和第二外反射镜面(12-2)的连接部位设置，所述第三中反射镜面(13-3)的中心部位对正第二外反射镜面(12-2)和第三外反射镜面(12-3)的连接部位设置，所述第四中反射镜面(13-4)的中心部位对正第三外反射镜面(12-3)和第四外反射镜面(12-4)的连接部位设置，所述第五中反射镜面(13-5)的中心部位对正第四外反射镜面(12-4)和第五外反射镜面(12-5)的连接部位设置，所述第六中反射镜面(13-6)的中心部位对正第五外反射镜面(12-5)和第六外反射镜面(12-6)的连接部位设置，所述内反射镜面(2)与第六外反射镜面(12-6)连接。
6.按照权利要求5所述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述中红外光源(6)发射的红外光依次经过第一外反射镜面(12-1)、第二中反射镜面(13-2)、第二外反射镜面(12-2)、第三中反射镜面(13-3)、第三外反射镜面(12-3)、第四中反射镜面(13-4)、第四外反射镜面(12-4)、第五中反射镜面(13-5)、第五外反射镜面(12-5)、第六中反射镜面(13-6)、第六外反射镜面(12-6)和内反射镜面(2)反射后，形成了长度为55mm～70mm的光程并反射到了斜板(7)的底面上。
7.按照权利要求1所述的一种微型红外气体检测传感器，其特征在于：所述外反射镜面、中反射镜面和内反射镜面(2)均为镀金反射镜面。
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