CN105973831A - 一种四通道测量气体成分的热释电红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四通道测量气体成分的热释电红外探测器，属于热释电探测器电子技术领域。本发明的热释电红外探测器包括设有通光孔的探测器外壳、设置于壳体内、能够接收到光源的分光阵列和四个探测单元，单个探测单元包括一片热释电晶体片和一片窄带红外滤光片；其中，分光阵列是由n2个微金字塔型镜面分光单元组合形成的正方形分光阵列。本发明采用微型镜面表面技术，通过将多阵列分光单元内置于探测器中作为分光器，避免了非分散红外线技术中的机械膨胀，老化效应，使用污迹等问题并且可以保证各通道光束等比例以实现稳定的信号比例；本发明通过合理的设计可以同步分析多种气体，也可以通过同种气体的不同吸收波段实现更精确的测定。
Description
技术领域
本发明涉及热释电探测器电子技术领域，具体涉及一种四通道测量气体成分的热释电红外探测器。
背景技术
气体检测仪器的应用领域广泛，覆盖了工农业生产、环境质量监测、国防、航空航天、家庭生活等各个领域。红外气体检测仪器是当今主流的气体检测仪之一，红外气体检测技术是一种非直接接触式的实时监测的气体检测技术，具有选择性强、性能稳定、灵敏度高、动态测量范围大、设备受外界干扰小、使用寿命长等优点。在用于监测易燃易爆气体、二氧化碳气体方面，具有不可替代的优势，因此受到了越来越广泛的重视。
红外探测器是一个光电元件，可以作为气体分析仪，火焰传感器，光谱分析仪器，以及非接触式测温仪的核心部件。当红外光通过待测气体时，待测气体对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律。每种气体都有自己的特征红外吸收频率，在混合气体检测时，各种气体吸收各自对应的特征频率光谱，它们是互相独立，互不干扰的，这为测量混合气体中某种特定气体的浓度提供了条件。因此，采用合理设计可以实现多种分析物的同步测量。
在分析混合气体中特定组分的过程中，目前采用在传感器或红外光源前安装一个适合于待分析气体吸收波长的窄带滤光片，使红外传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。非接触式测温仪(pyrometry量热计)通常采用的是所谓的第一窗口(3～5)μm和第二窗口(8～14)μm来作为光谱通道；而在火焰传感器技术通常使用的是带宽为600nm的宽带通窗口(BP)以实现在测量远距离火焰时得到较大的信号，但是这样会牺牲选择性。目前，分析仪器测量采用的是额外的光学部件来做光谱选择，因此在红外探测器上配备合适的晶体窗口即可实现探测器对不同波段的吸收。
现今，国内公知的红外热释电探测器大多为单通道红外热释电探测器，而多通道红外热释电探测器研究较少，且多为几个通道并行的传统直线型结构，这种结构相对简单，探测率低，信号输出微弱，尤其在NDIR系统中，由于机械膨胀，老化效应，使用污迹等问题会影响光路，导致进入多通道结构红外探测器内部的光束比例不等单个通道信号不稳定。因此，现有技术的多通道结构红外探测器在应用领域和精确度上都具有一定的局限性。
发明内容
本发明提供一种四通道测量气体成分的热释电红外探测器，其为一种只有一个通光孔、具有分光功能的多通道红外探测器。本发明采用微型镜面表面技术，以实现将多阵列分光单元内置于探测器中作为分光器。本发明通过合理的设计可以同步分析多种气体，也可以通过测量同种气体的不同吸收波段从而实现对单一气体更加精确的测量。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种四通道测量气体成分的热释电红外探测器，包括探测器外壳、设置于壳体内、能够接收到光源的分光阵列和四个探测单元，单个探测单元包括一片热释电晶体片和一片窄带红外滤光片；其中，探测器外壳上设有通光孔，分光阵列位于所述通光孔正下方，所述四个探测单元向内倾斜设置于所述分光阵列的四个分光方向，并且四片热释电晶体片分别与分光阵列的四个分光方向垂直，其中窄带滤光片均设置于靠近分光阵列一侧，且四片窄带滤光片的透光范围根据同一待测气体的不同特征吸收波段或不同待测气体的特征吸收波段设置成彼此不同。
所述通光孔可以为圆形光窗，其直径优选为3.5～4.5mm；所述窄带红外滤光片可以根据具体需求自主选择，并且可以实现多种组合，即四个窄带红外滤波片可以是同一种气体的不同吸特征收波段的组合，也可以是不同种气体的特征吸收波段组合。
本发明中分光阵列可以是由n2个微金字塔型镜面分光单元通过n×n形式组合而成的正方形分光阵列，其中30≤n≤60；所述微金字塔型镜面分光单元包括正方形底面和四个侧面，所述四个侧面均为镜面且均向内倾斜和正方形底面形成夹角从而构成金字塔型；所述微金字塔型镜面分光单元中正方形底面的边长为45μm～55μm，微金字塔型镜面分光单元的正方形底面紧密相连形成分光阵列的正方形底面。
优选地，热释电晶体片材料为钽酸锂晶体，四片用于接收不同波段的热释电晶体片分别位于正方形分光阵列的四个边，并且倾斜向分光阵列跟分光阵列底面形成60°的夹角。
优选地，微金字塔型镜面分光单元中正方形底面的边长为50μm，四个侧面与正方形底面形成的夹角为30°。
优选地，本发明中分光阵列可以是由2500个微金字塔型镜面分光单元通过50×50形式组合而成的正方形分光阵列。
本发明中，红外光束通过通光孔射向由微金字塔型镜面分光单元组合形成的分光阵列，使得所述红外光束均匀分成四束反射光，再分别垂直射向位于所述分光阵列四个分光方向上的热释电红外探测单元上，分光处理后的红外光束先被特定波段的窄带滤光片吸收，然后传感于热释电晶体，进而实现四通道红外探测。
相比于现有技术，本发明具有的有益效果如下：
1、本发明采用微型镜面表面技术，以实现将多阵列分光单元内置于探测器中作为分光器。本发明通过合理的设计可以同步分析多种气体，也可以通过测量同种气体的不同吸收波段实现单一气体更精确的测量。
2、本发明的红外探测器通过分光功能可以避免非分散红外线技术(NDIR)中的机械膨胀，老化效应，使用污迹等问题，因为上述问题只能在分光前影响到光路，因此可以保证进入探测器内部的光束分光后始终保持等比例，从而使得每一个独立的通道都能永久保持稳定的信号比例。
附图说明
图1是本发明一个实施例的四通道测量气体成分的热释电红外探测器结构的俯视示意图；其中，1为热释电晶体片，2为窄带滤波片，3为分光阵列，4微金字塔型镜面分光单元。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的原理和特征，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明。
如图1所示为本发明一个实施例：一种四通道测量气体成分的热释电红外探测器包括探测器外壳、设置于壳体内、能够接收到光源的分光阵列3和四个探测单元，单个探测单元包括一片热释电晶体片1和一片窄带红外滤光片2；其中，探测器外壳上设有通光孔，分光阵列3位于所述通光孔正下方，所述四个探测单元向内倾斜设置于所述分光阵列3的四个分光方向，并且四片热释电晶体片1分别与分光阵列3的四个分光方向垂直，其中窄带滤光片2均设置于靠近分光阵列3一侧，且四片窄带滤光片2具有不同的透光范围。
本发明的实施例中，所述通光孔是直径为4mm的圆形通光孔。
本发明的实施例中，热释电红外探测单元中热释电晶体片1为尺寸为2.2mm×1.3mm的钽酸锂晶体片；热释电晶体片1面向分光阵列3方向上均设置有针对不同波段吸收的窄带滤光片2，根据不同滤光波段的需要可以自主选择合适的滤光片，优选地，所述窄带滤光片2的尺寸为2.7×2.0mm2。
本发明实施例中，所述四个用于接收不同波段的探测单元向分光阵列3方向倾斜设置于所述分光阵列3的四个分光方向，且所述四个用于接收不同波段的探测单元分别跟分光阵列3的底面形成60°的夹角。
本发明的实施例中，所述设置于壳体内、能够接收到光源的分光阵列3是由2500个微金字塔型镜面分光单元4通过50×50的组合方式形成的正方形分光阵列，优选地，正方形分光阵列的底面边长为2.5mm×2.5mm；
本发明实施例中，所述微金字塔型镜面分光单元包括正方形底面和四个侧面，四个侧面均向内倾斜和正方形底面形成夹角从而构成金字塔型，优选地，所述微金字塔型镜面分光单元4的正方形底面边长为50μm，四个侧面与底面形成30°夹角。
本发明中，红外光束通过通光孔射向由微金字塔型镜面分光单元4组合形成的分光阵列3，使得所述红外光束均匀分成四束反射光，再分别垂直射向位于所述分光阵列3四个分光方向上的热释电红外探测单元上，分光处理后的红外光束先被特定波段的窄带滤光片2吸收，然后传感于热释电晶体片1，本实施例中选用的热释电晶体片为钽酸锂晶体薄片，可根据具体情况选择其他的热释电材料；热释电晶体片1在受到红外光照射后会发生热释电效应，到达热释电晶体片1的红外光越强，热释电晶体片1温度越高，极化现象越明显，即聚集在热释电晶体片1两端的异号束缚电荷越多，可采用任何合适的方式将电信号引出及做合适处理，进而实现四通道红外探测。本发明的实施例可应用于检测混合气体成分、单一成分气体的精确测量等多种场合。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种四通道测量气体成分的热释电红外探测器，其特征在于，包括探测器外壳、设置于壳体内、能够接收到光源的分光阵列和四个探测单元，单个探测单元包括一片热释电晶体片和一片窄带红外滤光片；其中，探测器外壳上设有通光孔，分光阵列位于所述通光孔正下方，所述四个探测单元向内倾斜设置于所述分光阵列的四个分光方向，并且四片热释电晶体片分别与分光阵列的四个分光方向垂直，其中窄带滤光片均设置于靠近分光阵列一侧，且四片窄带滤光片的透光范围根据同一待测气体的不同特征吸收波段或不同待测气体的特征吸收波段设置成彼此不同。
2.根据权利要求1所述的一种四通道测量气体成分的热释电红外探测器，其特征在于，所述通光孔为圆形光窗，其直径为3.5～4.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种四通道测量气体成分的热释电红外探测器，其特征在于，所述设置于壳体内、能够接收到光源的分光阵列是由n2个微金字塔型镜面分光单元组成的正方形分光阵列，其中30≤n≤60。
4.根据权利要求4所述的一种四通道测量气体成分的热释电红外探测器，其特征在于，所述微金字塔型镜面分光单元包括正方形底面和四个侧面，所述四个侧面均为镜面且均向内倾斜和正方形底面形成夹角从而构成金字塔型。
5.根据权利要求5所述的一种四通道测量气体成分的热释电红外探测器，其特征在于，所述微金字塔型镜面分光单元中底面的边长为45μm～55μm。
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