CN105319176A - 一种四系列非分光红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四系列非分光红外气体传感器，包括壳体和设置于壳体内部的检测器和光源，所述壳体内的底座上还设置一个检测器圆环状气室壁的外壁、一个与检测器同心的外部圆弧状反射壁的内壁、第一至第三偏导反射面，光源设置于外壁与内壁之间，第一偏导反射面将光源发出的红外光线反射依次经过第二偏导反射面、第三偏导反射面后进入检测器。本发明对空间利用更充分，加长的光路在传感器壳体内部分布更均匀，并在气室中设计有温湿度传感器位置，有利于提高传感器灵敏度，更准确的提供温湿度补偿。

Description

一种四系列非分光红外气体传感器

技术领域

本发明是涉及气体传感器，特别是针对当气室中包含待测气体时，通过检测气体对光学辐射通过气室时的吸收，测量气体浓度的气体检测设备。

背景技术

工业矿井生产中瓦斯(主要成分是甲烷)爆炸事故是安全生产的重大威胁，目前国内煤矿安全监控普遍采用催化燃烧传感器检测瓦斯浓度。催化燃烧传感器具有灵敏度高，线性输出，不易受温湿度影响，价格便宜的优点，但催化元件易受有机硅或硫化物的毒化，灵敏度会无征兆的急剧降低，带来极大的安全隐患。而且传感器长时间工作，零点漂移和灵敏度衰减不可避免，必须每隔一段时间调整零点，利用标准气体进行灵敏度校正，有很高的维护成本。

随着国内安全法律法规不断健全，对甲烷气体的检测提出了更高的要求。红外检测技术具有测量范围宽，精度高，选择性好，不会中毒，使用寿命长，功耗低，便于操作和维护等优点，使用越来越广泛。但由于催化燃烧传感器在气体检测仪表中已经广泛使用，如要实现红外检测技术的升级替代，除了控制成本，必须满足机械尺寸和电气接口的完全兼容。

红外甲烷传感器光路检测部分，主要由红外光源，气室和检测器构成。其中红外光源要求辐射的光谱成分稳定，辐射的能量集中在甲烷特征吸收波段范围，时间参数短，体积小，寿命长。目前国内外成熟商业产品采用钨丝灯热辐射型光源，较典型的是德国PerkinElmerOptoelectronics公司的IRL715光源，圆柱状半球面封顶，球面直径3.2mm，高度6.4mm。

检测器将通过气室被甲烷吸收后剩余的红外光能转变为电信号，供后续放大测量用。要求探测率值大，响应速度迅速，可采用高频调制，体积小，寿命长，比较有代表性的是德国InfraTec公司的LIM252热释电检测器，采用T039封装，直径8.2mm，高度3.5mm。检测器端面有两个2.7×1.5mm的检测和参考窗口。

由于红外检测光线易受温湿度影响，检测器的输出与甲烷浓度非线性，只有在传感器内部实现温湿度补偿，以及输出信号与浓度线性化，才能真正发挥红外检测技术的优势。为实现上述功能，传感器内部必须包括信号调理电路，该电路包括检测器信号前置放大/滤波电路，光源调制电路，温湿度信号放大电路，微处理器单元电路(计算/判断/控制等功能)。该部分需要两块直径20mm的双面电路板，高度6mm左右。

由于传感器工作在易燃易爆环境，须达到隔爆设计要求：底部需要有3mm左右厚度的灌封胶粘剂密封设计；顶部进气端需要有金属隔爆网，疏水性防尘过滤膜(孔径范围0.25～0.45μm)，和多孔镀金金属反射板串联安装设计，这样既保证甲烷自扩散进入气室内部，又能屏蔽大部分外界环境(粉尘和水汽)的干扰。顶部串联设计高度约1.5mm。

目前国内外主流的催化燃烧传感器均采用英国城市技术(CityTechnology)的四系列设计：传感器直径20.4mm，高度16.6mm。红外甲烷传感器要做成四系列尺寸，如何在此狭小空间内，将红外光源，检测器，信号调理电路合理布局，气室的微型化设计，是技术重点和难点。

为保证获得红外光路气室的设计应该遵循以下原则：红外光路在气室中有足够长光程，能够被甲烷充分吸收；减少多次反射造成折射光能损失和测量误差，红外光线应平行于气室的中心轴；气室内径在20mm左右，太粗会使测量滞后增大，太细削弱光强，降低灵敏度；气室内壁光洁，不吸收红外光，不吸附气体，化学惰性，一般采用黄铜镀金。美国华瑞科学仪器(RAESystems)将红外光源和检测器(含检测窗口的端面)设计成平行于传感器圆柱壁中轴线的轴，传感器圆柱壁作为凹面反射镜，光路设计成反射式，实现了较为紧凑的四系列尺寸的检测结构(US6469303B1)。但聚焦特征的反射面对红外光源的定位要求较高，检测器的“立式”设计，使气室高度至少要9mm，扣除掉传感器顶部和底部隔爆结构，留给信号调理电路的空间不足，只能在传感器外部进行温湿度补偿和信号线性化处理，这样造成系统噪声大，传感器的通用性差，难以广泛应用。

英国Dynament公司有一个非常经典的光路设计专利号：

US2005121614A1。光路绕壳体圆周一圈后，经过两次镜面反射进入检测器，其中环形气室壁沿轴线方向可以有轻微的凹凸，但镜面反射面(墙)必须平整，有很高的表面光洁度。这个设计充分利用了气室圆筒状结构，使光程在有限范围内尽量长；同时考虑到了制作成本，对表面光洁度要求高的零件，只是充当镜面反射墙。

特别需要指出的是，尺寸较大的检测器水平安装在气室正中心，3.5mm的高度，即便算上其上部的45度倾角反射墙75，整个气室的高度可以控制在7mm；同时由于水平安置，检测器Pin脚不需要额外空间和下部电路板电气连接，这样给信号调理电路留出了足够的空间，实现了在传感器内部的温湿度补偿和信号线性化处理，将系统噪音降低到最低，可完全替代四系列的催化燃烧传感器。

由于四系列气体传感器有限空间的限制，不改变红外光源和热释电检测器封装尺寸，该结构设计形成了很强的专利保护壁垒，对该技术在国内的发展形成很大阻碍。

发明内容

本发明的目的就是在Dynament公司经典光路设计的基础上，提供一种四系列非分光红外气体传感器，对空间利用更充分，加长的光路在传感器壳体内部分布更均匀，有利于提高传感器灵敏度，并在气室中设计有温湿度传感器位置，可以更准确的提供温湿度补偿，有利于红外检测技术在该领域的进一步推广。

一种四系列非分光红外气体传感器，包括壳体和设置于壳体内部的检测器和光源，所述壳体内的底座上还设置一个检测器圆环状气室壁的外壁、一个与检测器同心的外部圆弧状反射壁的内壁、第一至第三偏导反射面，光源设置于外壁与内壁之间，第一偏导反射面将光源发出的红外光线反射依次经过第二偏导反射面、第三偏导反射面后进入检测器。

所述内壁厚度为0.8～1mm。

所述包括第一和第二检测器元件，第一和第二检测器元件沿着一个垂直轴线间隔排列，红外光线由第三偏导反射面导入第一和第二检测器元件时特性是相同的。

所述第一和第二检测器元件都包含一个滤光片

本发明白炽灯光源发射的红外辐射有很宽的频谱，由内外两个圆弧状反射壁和三个平面反射壁形成的反射面，引导红外辐射沿着圆弧状气室传播。非聚焦特征的反射面意味着在圆环状气室中的光源位置要求不是非常苛刻。其中圆弧状气室壁沿轴线方向可以有轻微的凹凸，但三个偏导反射面必须有很高的平整度和表面光洁度，尽量将镜面反射时光能损失将到最低。

这个设计充分利用了气室圆筒状结构，使光程在有限范围内尽量长，红外光线平行于气室的中心轴；同时考虑到了制作成本，对表面光洁度要求高的零件，只是充当镜面反射墙的第一至第三偏导反射面。

光路与英国Dynament公司的结构相比，光路有明显的加长，在传感器壳体中心区域增加了内部圆弧状光路，使整个光路在圆筒状气室中的分布更均匀，有利于提高传感器灵敏度。

光路与英国Dynament公司的结构相比，对空间利用更充分，在气室中设计有温湿度传感器位置，有利于提高传感器灵敏度，更准确的提供温湿度补偿。

附图说明

图1为本发明总体架构图；

图2为本发明光路图。

具体实施方式

本发明的一个具体实施例结合图例详述如下：

图1表达了本发明的整体架构。

为了进一步提高英国Dynament公司四系列非分光红外(NDIR)气体传感器光路长度和在气室中分布的均匀性，本发明提供了一种四系列非分光红外气体传感器。

在四系列气体传感器狭窄空间内，不改变现有光源，检测器元件封装尺寸，提供一种光路改进设计，加长的光路在传感器壳体内部分布更均匀，，进一步提高检测器输出信号强度，增强的信噪比利于后续的信号调理，提高传感器灵敏度。而且在气室中设计有温湿度传感器位置，有利于更准确的提供温湿度补偿。

本发明所采用的技术方案是：

一种四系列非分光红外气体传感器如图1～2所示。检测器2位于传感器外部圆柱状壳体的内壁边缘，检测元件3a和3b水平向上。光源1紧靠检测器圆环状气室壁的外壁5，光源另一侧是外部圆弧状反射壁6。外部圆弧状反射壁与检测器同心，为了保证机械尺寸稳定，厚度在0.8～1mm左右，最好是0.9mm，各处厚度尽量一致。光源和检测器分别位于光路的相对尽头。

光路由四部分构成：一个内部圆弧状部分，一个外部圆弧状部分，一个水平直线部分，一个与传感器圆柱壁轴向呈45度夹角的直线部分。光路被内外两个圆弧状气室和检测器圆环状气室所限定。

内部圆弧状气室由以下部分限定：一个气室底座4；一个带弯折的辐射端壁(紧靠光源1，用于限制红外光源的辐射，通过反射和折射，将主要辐射光能向第一偏导反射面传递)；一个检测器圆环状气室壁的外壁5；一个与检测器同心的外部圆弧状反射壁的内壁6；一个偏导反射面7，将内部圆弧状气室的红外光线反射到外部圆弧状气室，该反射面位于内外两个圆弧状气室中轴线的交点，所述偏导反射面7背面还设置温度传感器10。内外两个圆弧状气室的中心轴线就是红外光线的光路，该偏导反射面是此处镜面反射轴的法相面。外部圆弧状反射内壁6与偏导反射面7的间隙应满足镜面反射要求。

外部圆弧状气室由以下部分限定：一个气室底座4；一个外部圆弧状反射壁的外壁6；一个传感器外部圆柱壳体的内壁；一个偏导反射面8，将外部圆弧状气室的红外光线反射到检测器圆环状气室，该反射面位于外部圆弧状气室与检测器圆环状气室中轴线的交点。两气室的中心轴线就是红外光线的光路，偏导反射面8是此处镜面反射轴的法相面。外部圆弧状反射外壁6与偏导反射面8的间隙应满足镜面反射要求。

检测器圆环状气室由以下部分限定：一个气室底座4；一个传感器外部圆柱状壳体的内壁；一个与检测器同心的内部圆环状反射壁5的内壁；一个位于检测器检测窗口上方，与检测窗口平面呈45度夹角的偏导反射面9。检测器2被固定在传感器壳体底座上，包括一个双通道的热释电检测器。检测器元件3a和3b沿着一个垂直轴线V，以一定间隔排列，能够保证光路由偏导反射面9导入每个元件时特性是相同的。每个元件3a和3b)都包含一个滤光片，允许固定频率或一定频率范围的光学辐射可以透射。这种双元件配置能够通过一个参考或补偿检测器，提高检测的准确度。

以上是本发明的一个具体实施例，对本发明的基本原理和主要特征进行了详细的阐述，在不脱离本发明的范围和实质情况下，对本发明所作的改变和变化仍然属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种四系列非分光红外气体传感器，包括壳体和设置于壳体内部的检测器(2)和光源(1)，其特征在于所述壳体内的底座(4)上还设置一个检测器(2)圆环状气室壁的外壁(5)、一个与检测器(2)同心的外部圆弧状反射壁的内壁(6)、第一至第三偏导反射面(7、8、9)，光源(1)设置于外壁(5)与内壁(6)之间，第一偏导反射面(7)将光源发出的红外光线反射依次经过第二偏导反射面(8)、第三偏导反射面(9)后进入检测器(2)。

2.根据权利要求1所述的一种四系列非分光红外气体传感器，其特征在于所述内壁(6)厚度为0.8～1mm。

3.根据权利要求1所述的一种四系列非分光红外气体传感器，其特征在于所述包括第一和第二检测器元件(3a)和(3b)，第一和第二检测器元件(3a)和(3b)沿着一个垂直轴线间隔排列，红外光线由第三偏导反射面(9)导入第一和第二检测器元件(3a)和(3b)时特性是相同的。

4.根据权利要求3所述的一种四系列非分光红外气体传感器，其特征在于所述第一和第二检测器元件(3a)和(3b)都包含一个滤光片。