CN107192669A - 红外气体传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种红外气体传感系统，包括红外光源、基座和探测模块，所述基座具有设于内部的折形通道，以及设置在所述折形通道内的反射镜，所述折形通道具有若干通道转角，所述反射镜包括设置在其中一个通道转角的半透半反射镜，以及设置在其余通道转角的全反射镜；所述探测模块包括导热底板、设置在所述导热底板同侧且规格相同的两个探测器模组，此结构使得两个探测器模组测出的光强因外界环境变化造成的影响呈线性关系，便于通过运算进行消除，从而提高系统对外界环境变化的抗干扰性，且通过对两探测器模组进行热学优化，使两个探测器模组的温度一致，减小温度对所述探测器模组的测量结果的影响。

Description

红外气体传感系统
技术领域
本发明涉及一种长程复合光路非色散红外气体传感系统(NDIR)的设计，属于红外气体检测领域。
背景技术
非色散红外气体传感(NDIR)技术是一种精度高、稳定性好、寿命长的气体传感技术，其原理是利用特定波长的红外光经过待测气体时被吸收发生衰减，根据衰减前后的光强对比计算出气体的浓度，及比尔-朗伯定律：I＝I0·exp(-μCL)。其中，I为有气体吸收时到达探测器的红外光强，I0为没有气体吸收时的光强，C为腔室内气体浓度，L为腔室长度或红外光光程，μ为气体的吸收系数。
传统的NDIR系统采用单光路结构，即红外光经光路到达信号探测器和参考探测器所经过的光程相同(即L相同)，信号探测器前装备透射波长为待测气体吸收波长的滤光镜，而参考探测器前装备透射波长为非待测气体吸收波长的滤光镜。例如，对于CO2气体的NDIR模块，信号探测器常采用中心透射波长为4.26微米的滤光镜，而参考探测器采用中心透射波长为3.91微米的滤光镜。这样，由于4.26微米波长的红外光经过腔室中的CO2气体后被吸收而发生衰减，而3.91微米波长的红外光则对CO2浓度不敏感，对两路信号测量结果做除法后得到其中，ur为腔室中气体对3.91微米红外光的吸收系数，cr为腔室中吸收波长为3.91微米的气体浓度，这两项的乘积可忽略不计，因此待测气体(CO2)的浓度可简化为，其中，Ir为参考探测器测量的光强，一般为固定值，Is为信号探测器测量的光强，一般用电流或电压信号来表征，us为待测气体的吸收系数，通常为常数。事实上，由于外界环境变化，主要是温度波动导致光源辐射温度发生变化，对Ir和Is间的影响为非线性的，从而导致传感器零点漂移，测量精度下降，稳定性变差等。
目前有研究解决外部环境变化导致的信号漂移一种可行方法是采用长度不同的直管双光路，信号探测器和参考探测器前的滤光镜的透射波长均为待测气体吸收波长，这样待测气体的浓度为采用该结构时，当外界环境发生变化，环境因素对于Ir和Is的影响为线性的，因此可以通过除法实现过滤掉这些影响因素，提高传感器的性能。然而，实际情况是这种直管双光路由于光路一长一短，会造成两个探测器模组温度无法保持一致，当光源端的温度发生变化时，热量传递到长光路末端的探测器模组和到短光路末端的探测器模组所需要的时间不一致，并且热损耗差异也较大，从而导致产生非线性温漂，使这种结构失去了作用。
另一方面，当NDIR气体传感器测量CH4等吸收系数较小的气体，并且分辨率需要达到50PPM以下时，结构上需要较长的吸收光程L，一般的做法是采用是光源和探测模块位于直气管室的同一端，而在直管气室的另一端放置反射镜，使光程增大到原来的两倍左右，但这种结构光源发热导致探测器测量结果产生严重的温漂，而且由于信号光路和参考光路具有相同的光程，无法采用上述双光路技术降低环境影响因素。
有鉴于此，有必要提供一种改进的红外气体传感系统以解决上述问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种长程复合光路的非色散红外气体传感系统(NDIR)的设计，形成光程足够长但不相等的两个光路，并且两个探测器模组具有相同结构和规格，使得外界环境对探测器的影响呈线性关系，两个探测器模组间进行了热学优化从而保持温度一致。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种红外气体传感系统，包括红外光源；
基座，所述基座具有设于内部的折形通道、设置在所述折形通道内的反射镜、以及与所述折形通道相连通的进气口和出气口，所述折形通道具有相邻所述红外光源设置的第一端口、沿所述折形通道延伸方向远离所述第一端口的第二端口，以及位于所述第一端口和第二端口之间的若干通道转角，所述反射镜包括设置在其中一个通道转角的半透半反射镜，以及设置在其余通道转角的全反射镜；
探测模块，所述探测模块包括导热底板、设置在所述导热底板同侧且规格相同的两个探测器模组，所述半透半反射镜和第二端口设置在所述基座的同侧，两个所述探测器模组分别对应设置在所述半透半反射镜和第二端口的外侧。
作为本发明的进一步改进，所述折形通道包括相互平行的至少三个第一通道，以及连接相邻两个所述第一通道的至少两个第二通道，在高度方向上相邻的两个所述第二通道交错设置，所述通道转角形成在每一所述第一通道和每一第二通道的连接处。
作为本发明的进一步改进，所述基座包括基板，以及与所述基板相配合的至少两个安装座，所述第一通道形成在所述基板上且横向贯穿所述基板，第二通道形成在所述基板和所述安装座之间，所述反射镜设置于所述基板和安装座之间的所述通道转角处，且向外贴靠所述安装座。
作为本发明的进一步改进，每个所述安装座具有相对设置的两个斜面，及自所述斜面朝内设置的安装槽，当所述基板与所述安装座相配合时，所述斜面为所述通道转角的外切面，所述反射镜配合安装在所述安装槽内，其中用于安装所述半透半反射镜的安装槽沿与之相对的第一通道的延伸方向向外贯通形成一探测孔，所述探测孔的外端口和所述第二端口分别形成为供所述红外气体传感系统探测所述折形通道内红外光光强的第一探测口、第二探测口。
作为本发明的进一步改进，所述反射镜为平面镜或弧面镜，当所述反射镜为平面镜时，所述反射镜的镜面与所述红外光源照射的光线形成的夹角范围为0～90度，当所述反射镜为弧面镜时，所述反射镜镜面中心的外切面与所述红外光源照射的光线形成的夹角范围为0～90度。
作为本发明的进一步改进，所述折形通道的内壁上镀有金属层，以提高光的反射率。
作为本发明的进一步改进，所述探测模块还包括设置在所述导热底板上且与所述基座相连的绝热连接壳，所述绝热连接壳包括两个壳侧壁以及连接两个所述壳侧壁的壳端壁，所述壳端壁设有两个开口，两个所述开口分别与所述半透半反射镜、所述第二端口对应设置。
作为本发明的进一步改进，每个所述探测器模组包括探测芯片组、封装在所述探测芯片组外侧的管壳，以及嵌设在所述管壳上的滤光镜，所述探测模组的两个滤光镜分别与两个所述开口对应设置。
作为本发明的进一步改进，所述红外气体传感系统还包括与所述探测模块电性连接的控制模块，所述导热底板上设有若干引线孔，以使所述探测芯片组通过导线与所述控制模块电性连接。
作为本发明的进一步改进，所述绝热连接壳的壳端壁和壳侧壁由不透光材质制成，或者所述绝热连接壳的壳端壁和壳侧壁上设置有不透光材质。
本发明的有益效果是：(1)本发明涉及一种红外气体传感系统，通过在基座内设计一个折形通道，在折形通道的若干通道转角设置半透半反射镜和全反射镜，通过相邻所述半透半反射镜和折形通道的第二端口设置两个规格相同的探测器模组，用于探测所述折形通道内的红外光的光强，此结构使得测出的光强参数因外界环境变化的影响呈线性关系，便于通过后期运算进行消除，大大提高系统对外界环境变化的抗干扰性，具有广阔的应用前景。
(2)本发明提供的红外气体传感系统，通过在两探测器模组端设置一导热底板对两探测器模组进行热学优化，使两个探测器模组的温度保持一致，能够避免因探测器模组温度误差造成测量不准确，减小温度对所述探测器模组的测量结果造成的影响。
(3)本发明提供的红外气体传感系统，通过在折形通道内设置反射镜，增加红外光传播的光程，能够对吸收系数较小的气体进行检测，具有检测范围广的优点。
附图说明
图1是本发明红外传感系统的整体结构示意图。
图2是本发明红外传感系统的设计原理图。
图3是本发明红外传感系统的基座立体分解图。
图4是本发明红外传感系统的基板沿A-A的剖视图。
图5是本发明红外传感系统的安装座的立体图。
图6是本发明红外传感系统的探测模块的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。
请参见图1～图6所示，本发明涉及一种红外气体传感系统100包括具有折线通道13的基座10、与所述基座10相邻设置的红外光源20、与所述基座10相邻设置的探测模块30，以及与所述红外光源20和探测模块30电性连接的控制模块40。
所述基座10包括基板11、与所述基板11相配合的至少两个安装座12、设置在所述基板11和所述安装座12之间的反射镜14、以及设置在所述基板11上的进气口15和出气口16，在本实施中，所述安装座12的个数为两个，且分别位于所述基板11的两侧。
所述基板11的两侧壁上设有朝所述安装座12延伸的两个平行挡板111，所述安装座12具有与所述挡板111外缘相配合的凹槽112，以当所述基板11与所述安装座12相配合时，所述基板11和所述安装座12凹凸配合，并通过螺栓进行紧固连接。
每个所述安装座12具有相对设置的两个斜面121，及自所述斜面121朝内设置的安装槽122，所述反射镜14配合安装在所述安装槽122内。其中用于安装所述半透半反射镜141的安装槽122沿与之相对的第一通道131的延伸方向向外贯通形成一探测孔123，其中用于安装所述全反射镜142的安装槽122的内侧为实心结构。所述探测孔123和所述第二端口134分别位于所述基座10的同侧，所述探测孔123的外端口、所述第二端口134分别形成为所述红外气体传感系统100探测所述折形通道13内红外光光强的第一探测口、第二探测口。
所述折形通道13具有相互平行且横向贯穿所述基板11的至少三个第一通道131，以及连接相邻两个所述第一通道131的至少两个第二通道132，所述第二通道132形成在所述基板11和安装座12之间，所述反射镜14位于所述基板11和安装座12之间，且向外贴靠所述安装座12设置，在高度方向上相邻的两个所述第二通道132交错设置，以使所述折形通道13形成来回往复的结构。
所述折形通道13还具有相邻所述红外光源20设置的第一端口133，以及沿所述折形通道13延伸方向远离所述第一端口133的第二端口134，以及位于所述第一端口133和第二端口134之间的通道转角135。当所述基板11与所述安装座12相配合时，所述斜面121为所述通道转角133的外切面。
所述通道转角135形成在每一所述第一通道131和每一第二通道132的连接处，所述反射镜14设置在所述通道转角135处。所述通道转角135可以呈直角形、任意角度的折角、或者为弧角，在本实施方式中，所述通道转角135为直角形，每一所述第一通道131和每一第二通道132的连接处形成一个所述通道转角135。但是在其他实施方式中，所述每个通道转角135也可以为若干个所述第一通道131和第二通道132的连接处组成。
所述折形通道13的内壁上镀有金属层，以提高光的反射率，减小红外光在内壁反射时产生的损耗。在本实施方式中，所述第一通道131的个数为三个，且平行贯通设置在所述基板11内。
所述反射镜14为平面镜或弧面镜，所述反射镜14包括设置在其中一个所述通道转角133的半透半反射镜141，以及设置在其余所述通道转角133的全反射镜142。当所述反射镜14为平面镜且安装在所述安装槽122内时，所述反射镜14与所述红外光源20照射的光线形成的夹角A范围为0～90度。当所述反射镜14为弧面镜且安装在所述安装槽122内时，所述反射镜14镜面中心的外切面与所述红外光源20照射的光线形成的夹角范围为0～90度。在本实施方式中，所述半透半反射镜141或全反射镜142与所述通道13形成的夹角A为45度，即所述半透半反射镜141或全反射镜142的镜面法向在所述通道转角135的角平分线上。
所述进气口15和出气口16与所述折形通道13相连通，所述进气口15靠近所述第一端口133设置，所述出气口16靠近所述第二端口134设置，所述进气口15的末端、出气口16的末端分别设置有进气管151、出气管152，外界气体通过所述进气管151和出气管152，采用扩散或泵吸的方法流入和流出所述折形通道13。
所述红外光源20与所述第一端口133对应相邻设置，并通过导线与所述控制模块40相连，并由所述控制模块40控制所述红外光源20发光。
所述探测模块30包括导热底板31、设置在所述导热底板31上规格相同的两个探测器模组32、设置在所述导热底板31上且与所述基座10相连的绝热连接壳33，以及形成在所述导热底板31和绝热连接壳33之间的腔室34，所述导热底板31上设有若干引线孔311，所述导热底板31为导热材质制成，两个所述探测器模组32设置在所述腔室34内并与所述导热底板31的内侧壁相接触。所述半透半反射镜141和第二端口134设置在所述基座10的同侧，两个所述探测器模组32分别对应设置在所述半透半反射镜141和第二端口134的外侧，且两个所述探测器模组32分别自两个所述开口333与所述半透半反射镜141和所述第二端口134对应设置。
两个所述探测器模组32中的其中之一为信号探测器，其中另一为参考探测器，并且所述红外光源20的红外光到达信号探测器和参考探测器的光程不同。由于两个所述探测器模组32的规格相同，此结构使得测出的光强参数因外界环境变化的影响呈线性关系，便于通过后期运算进行消除，大大提高系统对外界环境变化的抗干扰性，具有广阔的应用前景。
每个所述探测器模组32包括探测芯片组321、封装在所述探测芯片组321外侧的管壳322，以及嵌设在所述管壳322上的滤光镜323，所述探测模组30的两个滤光镜323分别与所述第一探测口和所述第二探测口相邻设置。使得所述红外光源20与该探测器模组32之间形成参考通道；其中另一所述探测器模组32与所述第二端口134相邻设置，使得所述红外光源20与该探测器模组32之间形成探测通道。
每个探测芯片组321包括衬底层3211、及覆盖在所述衬底层3212上的光敏层3213，两个所述光敏层3213上均设有导线，所述导线自所述引线孔311与所述控制模块40电性连接，并由所述控制模块40控制所述探测模块30启动测量。
所述绝热连接壳33包括两壳侧壁331以及位于所述壳侧壁331前端的壳端壁332，所述壳端壁332设有两个开口333，所述绝热连接壳33的壳端壁332和壳侧壁331由不透光材质制成，或者在所述壳端壁332和壳侧壁331上涂有不透光的材料，防止环境光干扰红外探测器测量结果。在本实施方式中，所述绝热连接壳33由PE塑料制作。由于所述绝热连接壳33为绝热结构，且所述导热底板31为导热结构，因此当所述红外光源20的光源温度发生变化时，两个所述探测器模组32的温度始终保持一致，减小温度对所述探测器模组32的测量结果造成干扰。
当所述控制模块40控制所述红外光源20发出红外光时，红外光经过所述半透半反射镜141后，一部分光透射到所述半透半射反镜141后侧所述探测模组30的滤光镜323上，形成较短的光路通道，即所述参考通道；另一部分红外光被所述半透半反射镜141反射继续传播，通过所述折形通道13的第二端口134到达所述探测模块30的另一滤光镜323上，形成较长的光路通道，即所述探测通道。所述探测通道和参考通道的光程差可达到2倍以上，以适应对吸收系数较小的气体进行检测。
所述红外传感系统100对待测气体的测量过程为：
(1)校准：自所述进气口15向所述折形通道13通入氮气，所述控制模块40控制所述红外光源20发射红外光，与所述参考通道相邻设置的探测器模组32探测出此时光强Ir，与所述探测通道相邻设置的所述探测器模组32探测出此时光强Is，将Ir/Is以消除外界环境因素造成的影响，最后通过以下公式1得出零点浓度Cr。
其中，L1为探测通道的长度，L2为参考通道的长度，ur氮气吸收系数。
将所述红外传感系统100移至待测气体的环境中，所述控制模块40控制所述红外光源20发射红外光，与所述参考通道相邻设置的探测器模组32探测出此时光强Ir，与所述探测通道77相邻设置的所述探测器模组32探测出此时光强Is，将Ir/Is以消除外界环境因素造成的影响，最后通过以下公式2得出待测气体的浓度Cs
其中，L1为探测通道的长度，L2为参考通道的长度，us为待测气体的吸收系数。
(3)对比：将Cs与Cr进行对比，得出最终的待测气体浓度。
综上所述，本发明涉及一种红外气体传感系统100，通过在基座10内设计一个折形通道13，在所述折形通道13的通道转角设置半透半反射镜141和全反射镜142，以形成参考通道和探测通道，通过在所述参考通道的末端、探测通道的末端分别设置两个结构和规格相同的两个探测器模组32，此结构使得测出的光强参数因外界环境变化造成的影响呈线性关系，便于通过后期运算进行消除，大大提高系统对外界环境变化的抗干扰性，具有广阔的应用前景。
通过对所述探测器模组32进行热学优化，使两个探测器模组32的温度保持一致，能够避免因探测器模组32温度误差造成测量不准确，减小温度对所述探测器模组32的测量结果造成的影响。
通过在所述折形通道13内设置反射镜14，增加红外光传播的光程，能够对吸收系数较小的气体进行检测，具有检测范围广的优点。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外气体传感系统，包括红外光源，其特征在于：还包括：
基座，所述基座具有设于内部的折形通道、设置在所述折形通道内的反射镜、以及与所述折形通道相连通的进气口和出气口，所述折形通道具有相邻所述红外光源设置的第一端口、沿所述折形通道延伸方向远离所述第一端口的第二端口，以及位于所述第一端口和第二端口之间的若干通道转角，所述反射镜包括设置在其中一个通道转角的半透半反射镜，以及设置在其余通道转角的全反射镜；
探测模块，所述探测模块包括导热底板、设置在所述导热底板同侧且规格相同的两个探测器模组，所述半透半反射镜和第二端口设置在所述基座的同侧，两个所述探测器模组分别对应设置在所述半透半反射镜和第二端口的外侧。
2.根据权利要求1所述的红外气体传感系统，其特征在于：所述折形通道具有相互平行的至少三个第一通道，以及连接相邻两个所述第一通道的至少两个第二通道，在高度方向上相邻的两个所述第二通道交错设置，所述通道转角形成在每一所述第一通道和每一第二通道的连接处。
3.根据权利要求2所述的红外气体传感系统，其特征在于：所述基座包括基板，以及与所述基板相配合的至少两个安装座，所述第一通道形成在所述基板上且横向贯穿所述基板，第二通道形成在所述基板和所述安装座之间，所述反射镜设置于所述基板和安装座之间的所述通道转角处，且向外贴靠所述安装座。
4.根据权利要求3所述的红外气体传感系统，其特征在于：每个所述安装座具有相对设置的两个斜面，及自所述斜面朝内设置的安装槽，当所述基板与所述安装座相配合时，所述斜面为所述通道转角的外切面，所述反射镜配合安装在所述安装槽内，其中用于安装所述半透半反射镜的安装槽沿与之相对的第一通道的延伸方向向外贯通形成一探测孔，所述探测孔的外端口和所述第二端口分别形成为供所述红外气体传感系统探测所述折形通道内红外光光强的第一探测口、第二探测口。
5.根据权利要求1所述的红外气体传感系统，其特征在于：所述反射镜为平面镜或弧面镜，当所述反射镜为平面镜时，所述反射镜的镜面与所述红外光源照射的光线形成的夹角范围为0～90度，当所述反射镜为弧面镜时，所述反射镜镜面中心的外切面与所述红外光源照射的光线形成的夹角范围为0～90度。
6.根据权利要求1所述的红外气体传感系统，其特征在于：所述折形通道的内壁上镀有金属层，以提高光的反射率。
7.根据权利要求1所述的红外气体传感系统，其特征在于：所述探测模块还包括设置在所述导热底板上且与所述基座相连的绝热连接壳，所述绝热连接壳包括两个壳侧壁以及连接两个所述壳侧壁的壳端壁，所述壳端壁设有两个开口，两个所述开口分别与所述半透半反射镜、所述第二端口对应设置。
8.根据权利要求7所述的红外气体传感系统，其特征在于：每个所述探测器模组包括探测芯片组、封装在所述探测芯片组外侧的管壳，以及嵌设在所述管壳上的滤光镜，所述探测模组的两个滤光镜分别与两个所述开口对应设置。
9.根据权利要求8所述的红外气体传感系统，其特征在于：所述红外气体传感系统还包括与所述探测模块电性连接的控制模块，所述导热底板上设有若干引线孔，以使所述探测芯片组通过导线与所述控制模块电性连接。
10.根据权利要求7所述的红外气体传感系统，其特征在于：所述绝热连接壳的壳端壁和壳侧壁由不透光材质制成，或者所述绝热连接壳的壳端壁和壳侧壁上设置有不透光材质。
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