CN104359850B - 一种基于三椭球体吸收腔室结构的红外气体传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于三椭球体吸收腔室结构的红外气体传感器的腔室是由第一椭球体、第二椭球体与第三椭球体的焦点O123重叠、焦点O1、O2和O3构成等腰三角形结构，其中第一椭球体两焦点连线与第三椭球体两焦点连线向下呈80°角分布，第二椭球体两焦点连线与水平方向垂直向上；第一椭球体与第三椭球体的短轴半径与长轴半径的比值均为0.6842，第二椭球体的短轴半径与长轴半径的比值为0.7778，红外光源和热释电探头分别置于第一椭球体的焦点O1和第三椭球体的焦点O3处。本发明采用三椭球体封装一体化结构，在促使气室小型化的同时，不仅增加了气室腔内的光路反射光程和增强了聚焦光强，提高了光信号的信噪比，而且降低了光线的分散性，提高了光源的利用率，同时气室内壁表面采用镀金处理，提高了光反射率，降低了光损耗，且具有抗腐蚀的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外气体传感器，具体而言，是一种基于三椭球体吸收腔室结构的红外气体传感器。
背景技术
不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度有关，利用这一原理可以测量某种气体的浓度。为消除光源波动和光路中产生的干扰，采用双波长差分测量方法，用探测端信号与参考端信号的比值用来确定气体的浓度，该方法消除了光源及环境变化等因素对探测头信号的影响。
因此，计算红外光穿过待测气体后被吸收的能量，由其满足朗伯-比尔（Lambert-beer）吸收定律，可以得知探测端和参考端测量值分别为：
被测气体浓度可表示为：
I为透射光的强度；IO为入射光的强度；C为被测气体的体积分数；α为气体吸收系数，cm－ 1 ；L为有效光程。
由气体浓度表示式可知，增加气室光路吸收长度可以提高气体的采样准确度、传感器分辨率和灵敏度。因此，本方案通过设计气室结构，在不增大气室体积的情况下，有效增加红外光吸收光程，对实现传感器的高灵敏度和便携化所起作用至关重要。
在小体积、长光程设计方面，欧洲专利EP 1509759B1 中，通过光线的多次反射来增加光程，优点是光程得到一定程度增加，但其弊端为工艺性差，制造难度大。CN101004380A 公布了一种折叠式光路结构的红外气体传感器，其采用双椭球体结构的气室，两椭球体的第一焦点气室外重合，红外光源和探测器分别安置于两椭球体的第二焦点处，从光源发出的光经过椭球体内壁和通气反射板的反射，汇聚到探测器表面以增加光程。CN 103528957A 公布了一种气室封装一体化的红外气体传感器，其采用两椭球体结构的气室，两椭球体第一焦点气室外重合，红外光源安置于两椭球体中心结合处，两个探测元件分别安置于两椭球体的第二焦点处，从红外光源发出的光先经过通气网板反射，再经过椭球体内壁反射汇聚到探测元件接收面以增加光程。在后两种设计中，由于作为反射面的通气反射板和通气网板为了通气目的均开有很多通气孔，造成气室漏光严重，光线利用率低；并且由于通气孔的存在，减少了有效反射的反射面积，通气孔的内壁还会改变光线的反射路径，造成光的分散性变大，椭球体汇聚到探测器上的有效光减少；同时，这些设计虽然减小了气室体积，但过小的气室体积容纳的光程小，其传感器对需要重点监测的处于气体爆炸极限下限以下的低浓度范围的检测性能差，准确度低。
发明内容
本发明针对上述红外气体传感器存在的不足，提供一种基于三椭球体吸收腔室结构的红外气体传感器，亦即提供一种具有三椭球体吸收腔室的气室，从红外光源发出的光经过三个椭球体内壁的五次反射汇聚到热释电探头表面，三椭球体内壁的多次反射不仅有效地实现了小体积和长光程，而且有效降低了气室的漏光量，降低了光线的分散性，提高了光的汇聚性，进而提高了光的利用率，有利于高分辨率、高准确度、便携式红外气体传感器的实现。
实现上述本发明的目的所采取的技术方案如下：
一种基于三椭球体吸收腔室结构的红外气体传感器，包括带有两个气体腔室的红外气体传感器，其特征在于：所述红外气体传感器气室设置有三个气体腔室；所述三个气体腔室是由第一椭球体、第二椭球体与第三椭球体的焦点O123重叠、焦点O1、O2和O3构成三角形结构，其中，第一椭球体两焦点连线与第三椭球体两焦点连线向下呈80°，第二椭球体两焦点连线与水平方向垂直向上；第一椭球体与第三椭球体的短轴半径与长轴半径的比值均为0.6842，第二椭球体的短轴半径与长轴半径的比值为0.7778。
进一步地，附加技术方案如下：
所述红外气体传感器的红外光源是MEMS工艺的热辐射光源，红外光源发光面与水平方向呈45º或其他最适角度。
所述红外气体传感器的热释电探头的感光面与水平方向呈135º或其他最佳接收角度，感光面上设置有两个窄带滤光片端口，一个为参考端，另一个为探测端。
所述红外气体传感器的气室是由旋转椭球体结构的第一气室和第二气室构成，在腔室内镀金并进行一体化封装。
所述红外气体传感器的红外光源和热释电探头分别位于第一椭球体焦点O1和第三椭球体焦点O3上。
所述红外气体传感器的第一气室和第二气室两端圆周连接处呈凸凹型结构弥合为无缝腔体。
所述红外气体传感器的第一气室顶端设置有待测气体通道。
所述红外气体传感器的腔室内红外光源发射光的反射路径是：第一椭球体焦点O1处的红外光源发射某一条光线到达第一椭球体曲面上P1点，反射后并通过三椭球体重叠焦点O123，到达第二椭球体的曲面上P2点，再经反射后通过第二椭球体的焦点O2，到达第二椭球体的曲面上P3点，再反射并通过重叠焦点O123，到达第三椭球体曲面上P4点，由此最终反射到置于第三椭球体焦点O3上的热释电探测器上。
所述红外气体传感器的气室的顶端设置有冶金粉末防尘罩，所述冶金粉末防尘罩是由一层通气网板上铺设一层金属粉末过滤网构成。
附图说明
图1是本发明气室原理结构示意图。
图2是本发明红外气体传感器结构示意图。
图3是本发明红外气体传感器外壳俯视结构示意图。
图4是本发明沿图3中A-A线的剖视结构示意图。
图5是本发明金属粉末过滤网俯视结构示意图。
图6是本发明通气网板俯视结构示意图。
图7是本发明红外气体传感器第一气室的结构示意图。
图8是本发明红外气体传感器第二气室的结构示意图。
图9是本发明红外气体传感器光路模拟示意图。
图10是本发明红外气体传感器热释电探头表面光照度分析图。
图11是本发明用于比对的两椭圆结构示意图。
图中：1：第一椭球体；2：第二椭球体；3：第三椭球体；4：顶平面；
5：第一气室；6：第二气室；7：红外光源；8：热释电探头；9：气室；10：气室外壳；11：通气网板；12：金属粉末过滤网；13：镀金层；14：电路板；15：输出管脚；16：通气孔；17：红外光源通道孔；18：热释电探头通道孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
具体实施方式1
如附图1，实施一种基于三椭球体吸收腔室结构的红外气体传感器，所述红外气体传感器包括带有两个气体腔室的红外气体传感器，其构成在于该红外气体传感器气室的构成为三个气体腔室，该三个气体腔室的构成是由第一椭球体1、第二椭球体2与第三椭球体3的焦点O123重叠，并将第一椭球体1的焦点O1、第二椭球体2的焦点O2与第三椭球体3的焦点O3设置并构成三角形结构，其中，第一椭球体1的两焦点连线与第三椭球体3的两焦点连线呈向下80°角分布，第二椭球体2的两焦点连线与水平方向垂直向上；第一椭球体1与第三椭球体3的短轴半径与长轴半径的比值均为0.6842，第二椭球体2的短轴半径与长轴半径的比值为0.7778，红外光源7和热释电探头8分别置于第一椭球体1的焦点O1和第三椭球体3的焦点O3处。
实施上述技术方案时，红外气体传感器的红外光源7是采用MEMS工艺的热辐射光源，红外光源7发光面与水平方向呈45º或其他最适角度。红外气体传感器的热释电探头8的感光面与水平方向呈135º或其他最佳接收角度，感光面上设置两个窄带滤光片端口，一个为参考端，另一个为探测端。红外气体传感器的气室9是由旋转椭球体结构的第一气室5和第二气室6构成，并在气室9的腔室内表面镀金后采用一体化封装。红外气体传感器的红外光源7和热释电探头8分别位于第一椭球体1焦点O1和第三椭球体3焦点O3处。红外气体传感器的第一气室5和第二气室6两端圆周连接处是凸凹型结构弥合并构成为无缝腔体。红外气体传感器的第一气室5的顶端还设置有待测气体通道。
在上述技术方案中，红外气体传感器的腔室内红外光源7发射光的反射路径是：第一椭球体1焦点O1处的红外光源发射某一条光线到达第一椭球体1曲面上P1点，反射并通过三椭球体重叠焦点O123，到达第二椭球体2的曲面上P2点，再经反射后通过第二椭球体2的焦点O2，到达第二椭球体2的曲面上P3点，再反射并通过重叠焦点O123，到达第三椭球体3曲面上P4点，并反射到置于第三椭球体3焦点O3处的热释电探头上。
红外气体传感器的气室9的顶端设置有冶金粉末防尘罩，所述冶金粉末防尘罩是由一层通气网板11上铺设一层金属粉末过滤网12构成。
在上述技术方案中，光在腔室中传播时，待测气体会吸收特定波长的光波，通过测试这个波长的光波的光强，就可以推算出待测气体的浓度。光源发出的某些光线经过三个椭球体内壁五次反射后，汇聚到热释电探头上，而其他部分的光线只有少数能够到达热释电探头，因此热释电探头测量到的光波主要来自于经过三个椭球体内壁反射的那部分具有长光程的光。这部分光均经过五次反射才到达热释电探头上，以其中某一条光线为例，其光路包括：光从红外光源7到第一椭球体1内壁P1点的光路、从第一椭球体1内壁P1点到第二椭球体2内壁P2点的光路、从第二椭球体2内壁P2点到第二椭球体2内壁P3点的光路、从第二椭球体2内壁P3点到第三椭球体3内壁P4点的光路和从第三椭球体3内壁P4点到热释电探头8表面的光路。因此，在促使气室小型化同时，增加了气室腔内的光程和增强了光强，而且小气室能够加快气室内外气体交换，使其室内的气体尽可能与外环境的一致，提高传感器测量的灵敏度和准确度，气室内壁采取镀金处理，提高红外反射率，降低光传导过程的损耗和起到防腐的功效。
具体实施方式2
如图2所示，实施本发明所提供的一种基于三椭球体吸收腔室结构的红外气体传感器，包括气室9、气室外壳10、红外光源7、热释电探头8、通气网板11、金属粉末过滤网12、镀金层13、红外光源及热释电探头控制电路板14、管脚插针15。其中：气室9由第一气室5和第二气室6构成，第一气室由包括单椭圆的结构旋转得到，第二气室由包括双椭圆的结构旋转得到，第一气室5和第二气室6两端面圆周接合处呈凸凹型结构，使气室弥合为无缝的腔体；通气网板11安置于第一气室上端面；金属粉末过滤网12放置于通气网板11的上端面；电路板14安置于第二气室6的下端；管脚插针16安装于总电路板上。
如附图3所示，气室外壳10一端开有通气孔，采用不锈钢材料。
如附图6所示，通气网板11中心开有一个较大孔，并在此孔圆周均布有12个小孔，共13个孔用来气体交换。
如附图8所示，第二气室结构图，红外光源7和热释电探头8分别通过通道孔17、18进入气室。
下面通过实施例对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施例1
气室9是一个底面直径为21mm，高为26mm的圆柱，第一椭球体1和第三椭球体3的焦距为10mm，第二椭球体2的焦距为9mm。
如附图3和附图4所示，气室外壳11为不锈钢圆筒，外径为23mm，内径为21.2mm，高为28mm,顶面厚度为0.3mm，开孔直径为18mm。
如附图5所示，金属粉末过滤网直径为20mm，虑孔尺寸在0.2微米到3微米，放置于通气网板上。
如附图6所示，通气网板直径为20mm，中心开有直径为3mm的通气孔，以其为中心周围均布12个直径为1.5mm的通气孔，通气网板放置于第一气室的顶端面上，其下表面即为所述的顶平面4。
若两椭球体气室与本发明中三椭球吸收腔室的气室具有相同的整体尺寸，光强I0=52mw, PY-ITV-DUAL-TO39探测器可检测到的最小光强变化为19nw；通过查阅HIT-RAN08数据库，由公式
得到3.3μm处，甲烷气体的光吸收系数=21.4cm-1；
根据公式
得当光强为最小时，浓度变化也为最小。
因此，本发明中三椭球体有效光程为76mm，则由
得=2.2x10-9
即本发明传感器可检测到的最小甲烷浓度变化为2.2x10-9
如附图11为比对的两椭圆结构，两椭球体的焦距为L，气室高度亦为26mm,则有
经计算其椭圆焦距不大于18.446mm，如按照焦距为18.446mm计算，有效光程为36.892mm，由上述公式计算得
=4.6x10-9
即作为比对的两椭圆传感器可检测到的最小甲烷浓度变化为4.6x10-9
由此可得，本方案发明的红外气体传感器所达到的精度更高，检测分辨率也更高。
如附图9所示，为三椭球体腔室结构的光路模拟所获得的光路反射图。虽然并非所有光线都按照预定的光路反射，但到达探测器的光线中绝大多数是按照设计的光路经过五次反射所获得的，效果是显著的，是本发明希望检测到的有效光线。
如附图10所示，为三椭球腔室结构的热释电探头表面反射光照度分析图。由图可以看出，三椭球结构气室的光线在探测器表面分布很规则且集中。
本发明可以用于测量多种气体浓度。由于不同气体对红外光的特征吸收波段不同，所以只需更换热释电探头所配的窄带滤波片，就可以实现对多种气体浓度的测量。
虽然本发明已公开实施例，但并不是用来限定本发明的，任何熟悉本技术领域者，在不背离本发明精神及其实质的前提下，均可作出各种相应的改变，因此本发明的保护范围应当以本发明所附的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (3)
1.一种基于三椭球体吸收腔室结构的红外气体传感器，包括带有两个气体腔室的红外气体传感器，其特征在于：所述红外气体传感器的气室（9）设置有三个气体腔室；所述三个气体腔室是由第一椭球体（1）、第二椭球体（2）与第三椭球体（3）的焦点O123重叠、焦点O1、O2和O3构成三角形结构，其中，第一椭球体（1）两焦点连线与第三椭球体（3）两焦点连线向下呈80°角分布，第二椭球体（2）两焦点连线与水平方向垂直向上；第一椭球体（1）与第三椭球体（3）的短轴半径与长轴半径的比值均为0.6842，第二椭球体（2）的短轴半径与长轴半径的比值为0.7778；
所述红外气体传感器的红外光源（7）是MEMS工艺的热辐射光源，红外光源（7）发光面与水平方向呈45º或其他最适角度；
所述红外气体传感器的热释电探头（8）的感光面与水平方向呈135º或其他最佳接收角度，感光面上设置有两个窄带滤光片端口，一个为参考端，另一个为探测端；
所述红外气体传感器的气室（9）是由旋转椭球体结构的第一气室（5）和第二气室（6）构成，在气室（9）内镀金并进行一体化封装；
所述红外气体传感器的红外光源（7）和热释电探头（8）分别位于第一椭
球体（1）焦点O1和第三椭球体（3）焦点O3处；
所述红外气体传感器的第一气室（5）和第二气室（6）两端圆周连接处呈凸凹型结构弥合为无缝腔体；
所述红外气体传感器的第一气室（5）顶端设置有待测气体通道。
2.如权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于：所述红外气体传感器的腔室内红外光源（7）发射光的反射路径为：第一椭球体（1）焦点O1处的红外光源（7）发射某一条光线到达第一椭球体（1）曲面上P1点，反射后并通过三椭球体重叠焦点O123，到达第二椭球体（2）的曲面上P2点，再经反射后通过第二椭球体（2）的焦点O2到达第二椭球体（2）的曲面上P3点，再反射并通过重叠焦点O123，到达第三椭球体（3）曲面上P4点，由此反射到置于第三椭球体（3）焦点O3处的热释电探头（8）上。
3.如权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于：所述红外气体传感器的气室（9）的顶端设置有冶金粉末防尘罩，所述冶金粉末防尘罩是由一层通气网板（11）上铺设一层金属粉末过滤网（12）构成。
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Granted publication date: 20180109 Termination date: 20201119 |