CN104122223B - 一种双光程多气体红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双光程多气体红外气体传感器，主要包括双光程多气体检测腔、红外光源、多元探测器、防水透气膜、信号放大模块、模数转换模块、信号处理模块、通讯显示模块。所述双光程多气体检测腔包括环形腔和盖板。红外光源发出红外光的下半部分经平面反光镜反射后到达多元探测器下半部分，构成第1短光程；红外光源发出红外光的上半部分经环形腔内表面多次反射后到达多元探测器上半部分，构成第2长光程，在单腔室内实现了长、短两种光程。本发明可以满足红外吸收率不同气体同时检测的要求，同时还可以满足同种气体不同检测精度的需求，方便实现多气体检测及识别，可广泛应用于多种场合下气体的实时监测。

Description

一种双光程多气体红外气体传感器

技术领域

本发明涉及一种红外气体传感器，更确切地说本发明涉及一种双光程多气体红外气体传感器。属于红外气体传感器领域。

背景技术

近年来随着经济的发展、政府低碳环保等政策的推行以及人们安全意识的提高，气体传感器市场需求量逐年增加，红外传感器以其精度高、选择性好、寿命长、不中毒、不依赖于氧气、受环境干扰小等优点得到了广泛的研究。

CN 2507011Y公布了一种由光锥阵列、光锥套、滤光片阵列等组成的阵列式气体传感器，可同时测定多种气体组分。CN200947084Y公布了一种由供电电源接口、气体传感器光学平台、仪器测控系统以及外围接口组成的电调制非分光红外气体传感器，适合于多种气体的测量。CN 102279167A公布了一种由气室以及由窄带光源、红外敏感部分、窄带光学滤光片、气体干燥装置等部件组成的微型红外气体传感器。CN 102608064A公布了一种以三通道探测器为基础设计的CO气体高精度检测的三通道红外气体传感器，可同时实现CO气体和CO₂气体的测量。CN 102507494A公布了一种长光程及光强可调型红外甲烷气体传感器，解决了现有非色散红外甲烷传感器只能测量较高浓度(>100ppm)的甲烷气体的问题。CN102721662A公布了一种不依靠反射来延长光程，消除了传感器因反射面被污染后很快失效的问题。

以上公开的资料表明尽管它们设计精巧，在腔体内部设计了精巧的光路，但是其光程唯一。由于不同气体对红外线的吸收强弱是不同的，在单一光程下同时对多种气体进行检测，在光程设计时照顾了红外线吸收强的气体，势必会影响红外线吸收弱的气体的检测精度，反之亦然；同时某些气体的红外吸收主峰比较接近，存在交叠区域，检测时很难判别为何种气体，此时便需要吸收较弱的次吸收峰作为气体识别的补充依据，但是主次吸收峰的强弱不同，单一光程下势必顾此失彼。为此单一光程不利于不同红外吸收率气体的同时检测及气体筛选的精确度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双光程多气体红外气体传感器，针对多种气体的检测，对应待测气体中红外吸收弱气体的检测单元设置在长光程区，对应红外吸收强气体的检测单元设置在短光程区，这便可以满足红外吸收率不同气体同时检测的需求及检测精度；针对气体的识别和检测，对应待测气体的红外吸收主峰的检测单元设置在短光程区，对应待测气体的红外吸收次峰的检测单元设置在长光程区，可以满足气体识别及测量；针对同种气体不同检测精度，设置在短光程区的检测单元可以满足大量程低精度的需求，设置在长光程区的检测单元可以满足小量程高精度的需求。

所述传感器包括：

①呈环形的多种气体检测腔为光路主通道，环形腔的侧壁设置有安放红外光源的光源安装槽，抛物反射面，安放多元探测器的探测器安装槽以及内部设置平面反射镜；

②所述的平面反射镜为方形结构，置于探测器安装槽轴线与光源安装槽的轴线交点处，且探测器安装槽的轴线与光源安装槽的轴线夹角的平分线垂直；抛物反射面用于红外光源发出的红外光反射进入环形腔；

③所述多元探测器为四元红外探测器，敏感单元分上、下两排排列，上、下两排分别贴装参考窄带滤光和待测气体对应的窄带滤光片，用于识别和检测多种待测气体；

④多元探测器通过探测器板与仪器电路板相连，构建探测器信号的传输通道；红外光源通过光源板与仪器电路板相连，构建红外光源控制信号传输的通道。

所述的传感器其特征在于：

(a)所述的探测器安装槽的轴线与光源安装槽的轴线相交于环形腔的内部，否则将不能对入射光线进行有效的反射；

(b)所述的探测器安装槽轴线与光源安装槽轴线不经过环形腔的中心，否则光线将不能传播到探测器接收端。

(c)所述的仪器电路板依次包括信号放大模块、模数转换模块、信号处理模块、通讯显示模块，其中信号放大模块将多元探测器的信号放大，模数转换模块将放大后的模拟信号转化为数字信号，信号处理模块将转化后的数字信号进行运算处理转换为对应的输出信号，通讯显示模块将输出信号显示出来。

(d)探测器安装槽与光源安装槽轴线夹角为120°。

(e)所述的多元探测器有4个焊接孔，与仪器电路板连接焊盘4个；红外光源有2个焊接孔，与仪器电路板连接焊盘2个。

(f)所述多种气体检测腔的盖板为光路辅助部分，盖板上设有通气孔和定位槽，通气孔用的待测气体扩散进入并充满多种气体检测腔；定位槽卡住固定探测器安装槽，使盖板固定在多种气体检测腔上。

(g)所述的短光程为红外光源发出红外光的下半部分经平面反光镜反射后到达多元探测器下半部分的距离，

根据三角形余弦定理可得到短光程的长度，即光程L₁为：

$L_1=2\×(b\×{\mathrm{cos\α}}_1+\sqrt{{(b\×{\mathrm{cos\α}}_1)}^2-4\×(b^2-R^2)})-h_1-h_2$

其中，R为环形腔内半径，α₁为光源入射角，b为环形腔中心到平面镜的距离，h₁为红外光源灯丝到内腔表面的距离，h₂为探测器上表面到内腔表面的距离；

(h)所述的长光程区为红外光源发出的红外光的上半部分经环形腔的内表面n次反射后到达多元探测器上半部分的距离；

根据三角形余弦定理，可得到入射光从入射点到第1次到环形腔内表面的距离S为：

其中R为环形腔内半径，α₂为长光程光源入射角；

根据光学反射原理，入射光经n≥1次反射后到达探测器接收表面的距离，即光程L₂为：

其中R为环形腔内半径，α₂为第2光程光源入射角，n为红外光到达探测器前反射的次数，h₁为红外光源灯丝到内腔表面的距离，h₂为探测器上表面到内腔表面的距离；

所述的短光程即为第1光程或光程1；所述的长光程即为第2光程或光程2。

综上所述，本发明提供的传感器通过特殊的结构设计和多元探测器的利用，双光程多气体检测腔内实现了长、短两种光程。因此，本发明可以满足红外吸收率不同气体同时检测的要求，同时还可以满足同种气体不同检测精度的需求，方便实现多气体检测及识别，可广泛应用于多种场合下气体的实时监测。

附图说明

图1为本发明所述双光程红外多气体传感器结构示意图；

图2为本发明所述双光程多气体传感器腔体第1光程结构平面示意图；

图3为本发明所述双光程多气体传感器腔体第1光程光路示意图；

图4为本发明所述双光程多气体传感器腔体第2光程结构平面示意图；

图5为本发明所述双光程多气体传感器腔体第2光程光路示意图。

具体实施方式

图1示出了本发明所述双光程红外多气体传感器结构示意图，根据该示意图本发明提供了相应的实施例。

本发明提供的一种双光程多气体红外气体传感器，主要包括双光程多气体检测腔、红外光源10、多元探测器2、防水透气膜3、信号放大模块15、模数转换模块16、信号处理模块17、通讯显示模块18。

本发明所述双光程多气体检测腔兼具光学通道和气室功能，包括环形腔14和盖板4。

本发明所述环形腔14为光路主通道，侧壁设置红外光源安装槽12、抛物反射面9、探测器安装槽6，内部设置平面反射镜8。

本发明所述平面反射镜8为方形结构，设置于探测器安装槽6轴线与光源安装槽12轴线交点处，且与探测器安装槽6轴线与光源安装槽12轴线夹角平分线垂直。

本发明所述探测器安装槽6轴线与光源安装槽12轴线相交于环形腔14的内部，否则将不能对入射光线进行有效的反射。

本发明所述探测器安装槽6轴线与光源安装槽12轴线不经过环形腔14的中心，否则光线将不能传播到探测器接收端。

本发明所述盖板4为光路辅助部分，设置透气孔7和定位槽5。

本发明所述光程1(或称第1光程，短光程区，下同)为红外光源10发出红外光的下半部分经平面反光镜8反射后到达被多元探测器2下半部分的距离。

根据三角形余弦定理可得到第1光程的长度，即光程L₁为：

$L_1=2\×(b\×{\mathrm{cos\α}}_1+\sqrt{{(b\×{\mathrm{cos\α}}_1)}^2-4\×(b^2-R^2)})-h_1-h_2---\left(1\right)$

其中，R为环形腔内半径，α₁为第1光程光源入射角，b为环形腔中心到平面镜的距离，h₁为红外光源灯丝到内腔表面的距离，h₂为探测器上表面到内腔表面的距离。

本发明所述光程2(或称第2光程，长光程区，下同)为红外光源10发出红外光的上半部分经环形腔14内表面n次反射后到达多元探测器2上半部分的距离。

根据三角形余弦定理，可得到入射光从入射点到第1次到环形腔14内表面的距离S为：

其中R为环形腔内半径，α₂为第2光程光源入射角。

根据光学反射原理，理论上入射光经n(n≥1)次反射后到达探测器接收表面的距离，即光程L₂为：

其中R为环形腔内半径，α₂为第2光程光源入射角，n为红外光到达探测器前反射的次数，h₁为红外光源灯丝到内腔表面的距离，h₂为探测器上表面到内腔表面的距离。

理论上n可以取无限，但一般选3<n≤10。

本发明所述防水透气膜3贴在透气孔7表面，起到防水透气的功能。

本发明所述多元探测器2敏感单元分上下两排排列，上下两排分别贴装参考窄带滤光片和待测气体对应的窄带滤光片。

本发明所述多元探测器2通过探测器板1与仪器电路板13相连构建探测器信号的传输通道。

本发明所述红外光源10通过光源板11与仪器电路板13相连构建红外光源控制信号传输的通道。

本发明所述仪器电路板13依次包括信号放大模块15、模数转换模块16、信号处理模块17、通讯显示模块18，其中信号放大模块负责多元探测器2的信号放大，模数转换模块16负责将放大后的模拟信号转化为数字信号，信号处理模块17负责将转化后的数字信号进行运算处理转换为对应的输出信号，通讯显示模块18负责将输出信号显示出来。

本发明实施例提供的环形腔14设计为外径50mm，内径48mm；光源安装槽12长12.5mm，宽8mm，高2mm，内孔直径7mm；探测器安装槽6长18mm，宽11mm，高2mm，探测器上表面距内腔表面h₂为5mm；光源灯丝距内腔表面h₁15mm；探测器安装槽6轴线与光源安装槽12轴线夹角设计为120°。

本发明实施例设计的探测器板1设计为18mm(长)x11mm(宽)x1mm(厚)，设多元探测器2焊接孔4个，与仪器电路板13连接焊盘4个；光源板11设计为18mm(长)x11mm(宽)x1mm(厚)，设光源10焊接孔2个，与仪器电路板13连接焊盘2个。

本发明实施例所提供的双光程多气体红外气体传感器的多元探测器2选用四元红外探测器，上半部分设置1#滤光片和2#滤光片，下半部分设置3#滤光片和4#滤光片，探测器内部设有阻值为100K的热敏电阻，提供传感器温度补偿所需的温度信号。

本发明实施例中四元红外探测器1#滤光片选用4.26um波长，2#滤光片选用3.9um波长，3#滤光片选用3.4um，4#滤光片选用3.9um便可实现CO₂和CH₄气体的同时精确检测。

本发明实施例中四元红外探测器1#滤光片选用3.4um波长，2#滤光片选用3.9um，3#滤光片选用6.5um，4#滤光片选用3.9um便可实现CH₄气体的准确识别和精确测量。

本发明实施例中四元红外探测器1#和3#滤光片选用4.26um波长，2#和4#滤光片选用3.9um，可实现CO₂气体不同浓度的精确测量。

图2示出了本发明所述双光程多气体传感器腔体第1光程结构平面示意图，第1光程光源入射角α₁为60°；环形腔中心到反光镜距离为14.35mm。

图3示出了发明实施例提供的双光程多气体传感器腔体第1光程光路示意图，根据公式1可得到第1光程的长度为：

图4示出了本发明所述双光程多气体传感器腔体第2光程结构平面示意图，第2光程光源入射角为14.96°。

图5示出了本发明实施例提供的双光程多气体传感器腔体第2光程光路示意图，红外光经过10次反射到达探测器接收表面，根据公式3可得到第2光程的长度为：

本发明双光程多气体传感器实施例的工作原理为携带有易燃、易爆等待测气体的空气通过传感器侧壁上的通气孔7扩散进入并充满腔室，红外光源10发出的调制红外光经反射、待测气体吸收及滤光片选择性吸收后到达多元探测器2核心元件的表面，被探测器感知吸收并转化为电信号。探测器输出信号经放大模块15放大后，得到稳定信号，然后经A/D模数转换模块16转化为数字信号后进入信号处理模块17，信号处理模块17借助单片机利用相应程序对信号进行分析处理，得到空气中待测气体的浓度，经通讯显示模块18输出。

本发明所述双光程多气体传感器所用腔室加工原材料可以采用但不仅限于黄铜。

本发明实施例提供的腔室可以通过但不仅限于以下步骤得到：

第一步以黄铜为原材料，通过数控加工机床加工实现腔室结构；

第二步腔室表面进行抛光处理，粗糙度抛到0.1，以满足红外光反射的要求；

第三步腔室表面进行镀金处理，提高对红外光的反射率，并起到防治铜被氧化、腐蚀的作用。

本发明所述双光程多气体传感器所用红外光源10可以采用但不仅限于MEMS光源、白炽灯等。

本发明所述双光程多气体传感器所用多元探测器可以采用但不仅限于热电堆探测器、热释电探测器、化合物半导体探测器等。

本发明所述双光程多气体传感器通过更换封装有不同特征吸收波长滤光片的探测器可以实现不同气体的监测。其中作为参考滤光片的中心波长可以选择但不仅限于3.9um；检测气体滤光片中心波长可以选用但不仅限于下表。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明技术方案而不是对其限制，尽管实施例对本发明进行了详细的说明，所述领域的技术人员仍可对本发明的技术方案进行更改或部分替换，其方案更改或替换不脱离本发明技术方案精神的均应包括在本发明申请保护的范围中。

Claims (10)

1.一种双光程多气体红外气体传感器，其特征在于所述传感器包括：

①呈环形的多种气体检测腔为光路主通道，环形腔的侧壁设置有安放红外光源的光源安装槽，抛物反射面，安放多元探测器的探测器安装槽以及内部设置平面反射镜；

②所述的平面反射镜为方形结构，置于探测器安装槽轴线与光源安装槽的轴线交点处，且探测器安装槽的轴线与光源安装槽的轴线夹角的平分线垂直；抛物反射面用于红外光源发出的红外光反射进入环形腔；

③所述多元探测器为四元红外探测器，敏感单元分上、下两排排列，上和下两排分别都贴装参考窄带滤光片和待测气体对应的窄带滤光片，用于识别和检测多种待测气体；

④多元探测器通过探测器板与仪器电路板相连，构建探测器信号的传输通道；红外光源通过光源板与仪器电路板相连，构建红外光源控制信号传输的通道。

2.按权利要求1所述的传感器，其特征在于：

①所述的探测器安装槽的轴线与光源安装槽的轴线相交于环形腔的内部，否则将不能对入射光线进行有效的反射；

②所述的探测器安装槽轴线与光源安装槽轴线不经过环形腔的中心，否则光线将不能传播到探测器接收端。

3.按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的仪器电路板依次包括信号放大模块、模数转换模块、信号处理模块、通讯显示模块，其中信号放大模块将多元探测器的信号放大，模数转换模块将放大后的模拟信号转化为数字信号，信号处理模块将转化后的数字信号进行运算处理转换为对应的输出信号，通讯显示模块将输出信号显示出来。

4.按权利要求1或2所述的传感器，其特征在于探测器安装槽与光源安装槽轴线夹角为120°。

5.按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的多元探测器有4个焊接孔，与仪器电路板连接焊盘4个；红外光源有2个焊接孔，与仪器电路板连接焊盘2个。

6.按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述多种气体检测腔的盖板为光路辅助部分，盖板上设有通气孔和定位槽，通气孔用的待测气体扩散进入并充满多种气体检测腔；定位槽卡住固定探测器安装槽，使盖板固定在多种气体检测腔上。

7.按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述识别和测定多种待测气体是：

①针对多种气体的检测，对应待测气体中红外吸收弱气体的检测单元设置在长光程区，对应红外吸收强气体的检测单元设置在短光程区，以满足红外吸收率不同气体同时检测的需求及检测精度；

②针对气体的识别和检测，对应待测气体的红外吸收主峰的检测单元设置在短光程区，对应待测气体的红外吸收次峰的检测单元设置在长光程区，以满足气体识别及测量；

③针对同种气体不同检测精度，设置在短光程区的检测单元可以满足大量程低精度的需求，设置在长光程区的检测单元可以满足小量程高精度的需求。

8.按权利要求7所述的传感器，其特征在于：

①所述的短光程为红外光源发出红外光的下半部分经平面反光镜反射后到达多元探测器下半部分的距离，

根据三角形余弦定理可得到短光程的长度，即光程L₁为：

$L_1=2\&times;(b\&times;{\mathrm{cos\&alpha;}}_1+\sqrt{{(b\&times;{\mathrm{cos\&alpha;}}_1)}^2-4\&times;(b^2-R^2)})-h_1-h_2$

其中，R为环形腔内半径，α₁为光源入射角，b为环形腔中心到平面镜的距离，h₁为红外光源灯丝到内腔表面的距离，h₂为探测器上表面到内腔表面的距离；

②所述的长光程区为红外光源发出的红外光的上半部分经环形腔的内表面n次反射后到达多元探测器上半部分的距离；

根据三角形余弦定理，可得到入射光从入射点到第1次到环形腔内表面的距离S为：

其中R为环形腔内半径，α₂为长光程光源入射角；

根据光学反射原理，入射光经n≥1次反射后到达探测器接收表面的距离，即光程L₂为：

其中R为环形腔内半径，α₂为第2光程光源入射角，n为红外光到达探测器前反射的次数，h₁为红外光源灯丝到内腔表面的距离，h₂为探测器上表面到内腔表面的距离；

所述的短光程即为第1光程或光程1；所述的长光程即为第2光程或光程2。

9.按权利要求1或8所述的传感器，其特征在于所述的红外光源采用MEMS光源或白炽灯；

所述的多元探测器采用热电堆探测器、热释电探测器或化合物半导体探测器。

10.按权利要求8所述的传感器，其特征在于所述的双光程多气体传感器通过更换封装有不同特征吸收波长滤光片的探测器实现不同气体的监测，其中作为参考滤光片的中心波长选择3.9μm；检测气体滤光片中心波长依不同气体而选择不同特征峰：

(a)气体CO₂特征峰为1.4、1.6、2.0、2.7、4.26、4.8、5.2、9.4、10.4或15；

(b)气体CO特征峰为2.3或4.64；

(c)气体CH₄特征峰为3.31、6.5或7.65；

(d)气体NO特征峰为5.3；

(e)气体N₂O特征峰为3.9、4.05、4.5、7.7、8.6或17.1；

(f)气体H₂O特征峰为0.94、1.1、1.38、1.87、2.7、5.2或6.27；

(g)气体O₃特征峰为4.7、8.9、9.6或14；

(h)气体SO₂特征峰为7.3；

上述特征峰单位为μm。