CN107860737B - 红外气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明设计的红外气体传感器，包括壳体，在壳体内设有光学检出机构和线路板，所述的线路板上包括解算电路和输出电路，所述的光学检出机构包括红外光源、光路通道和热电堆传感器；光学通道采用平面反射镜模式，隔离光学通道和电路板的直接接触，形成了封闭而独立的光学通道，从而减少了电路板本身对光学通道的污染。同时优化了光路通道的结构，光线从光源到达传感器需经过多次反射，并通过各种曲面反射镜尽量汇聚光线，极大的提高了光源能量的利用率，从而增加检测的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，特别是一种红外气体传感器。
背景技术
红外气体传感器是一种利用不同气体对不同的红外波段有不同的透射率，从而检测分析气体的设备。其需要发射红外光线穿过被检测的气体，然后接受穿过气体的光线，分析接收到光线的相应波段的感应值，得出检测结论。现有技术中，由于结构设计、对传感器体积要求等各个因素导致，红外光线穿过气体的光路较短使得气体与光线接触不充分，另一方面光路设计不合理又会导致光线能量衰减较大，上述两个因素对检测的结果都是指数级的影响，最终会使得其检测结果误差较大。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种光路长，光源能量衰减少，检测结果精确的红外气体传感器。
本发明设计的红外气体传感器，包括壳体，在壳体内设有光学检出机构和线路板，所述的线路板上包括解算电路和输出电路，所述的光学检出机构包括红外光源、光路通道和热电堆传感器；
所述的光路通道是由第一椭球反射镜、第二椭球反射镜、圆柱反射镜、第一柱面反射镜、第二柱面反射镜、第三柱面反射镜、平面反射镜以及连接前述各个反射镜的反射平面组成的封闭空间，其中第一椭球反射镜、第二椭球反射镜、圆柱反射镜、第二柱面反射镜以及平面反射镜设置在光路通道的一侧，第一柱面反射镜和第三柱面反射镜设置在光路通道的另一侧，光路两侧的各个反射镜交错相对设置；
所述的第一椭球反射镜的一侧长轴顶端向其椭球面外凸出通过圆柱反射镜连接第二椭球反射镜，第一椭球反射镜和第二椭球反射镜两个焦点重合，红外光源设置在靠近第二椭球反射镜的椭球反射镜第一焦点上，椭球反射镜的第二焦点为椭球反射镜第二焦点；
所述的第一柱面反射镜能将穿过椭球反射镜第二焦点的光反射汇聚到第二柱面反射镜上，第二柱面反射镜能将经由穿过椭球反射镜第二焦点、并通过第一柱面反射镜反射的光反射到第三柱面反射镜上，并最终通过第三柱面反射镜反射汇聚到平面反射镜上；
所述的平面反射镜与水平面成角度设置，能将经由第三柱面反射镜反射汇聚的光反射到设置在光路通道出口的热电堆传感器上。
进一步地，所述的解算电路包括轨到轨放大器、AD转换和解算单元，所述的输出电路UART通讯模块、DA转换、PWM和IO接点。
更进一步地，所述的第一椭球反射镜的两焦点之间的间距为12mm，且椭球反射镜第一焦点到第一椭球反射镜的长轴端的距离为1mm，椭球反射镜第一焦点到第二椭球反射镜的长轴端的距离为1.5mm，圆柱反射镜的直径为4.15mm；
第一柱面反射镜弧面的中点与光源在同一水平线上，其中点到光源的距离为20.7mm，半径为13mm，其弦与Y轴夹角为10°；
第二柱面反射镜弧面的中点与光源的水平距离为4mm，垂直距离为6mm，半径为22mm其弦与Y轴夹角为4°；
第三柱面反射镜弧面的中点与光源的水平距离为21.08mm，垂直距离为9mm，半径为19mm，其弦与Y轴夹角为2.3°。
与现有技术相比，本发明所得到的红外气体传感器，光学通道采用平面反射镜模式，隔离光学通道和电路板的直接接触，形成了封闭而独立的光学通道，从而减少了电路板本身对光学通道的污染。同时优化了光路通道的结构，光线从光源到达传感器需经过多次反射，并通过各种曲面反射镜尽量汇聚光线，极大的提高了光源能量的利用率，从而增加检测的精确性。
其中所述热电堆传感器可以是双通道传感器也可以是单通道传感器。所述的双通道传感器包含检测通道和参考通道，而单通道传感器包含仅检测通道。
所述轨到轨放大器，可以获得零交越失真，适合驱动AD转换芯片，而不会造成差动线性衰减，实现高精密度应用
所述AD转换为12位或16位AD转换，热电堆传感器感应出来的电压转换成对应的数字。
所述解算CPU单元，采用低功率ARM Cortex-M3或Cortex-M4 内核的CPU。
所述UART通讯模块，采用串口通讯协议，累加和校验模式，输出解算出来的二氧化碳浓度，输入设置参数、校正值。
所述DA转换为12位或16位DA转换，解算出来的二氧化碳浓度转换成对应的电压值。
所述PWM,将解算出来的二氧化碳浓度转换成对应的脉冲数。
所述IO接点，根据解算出来的二氧化碳浓度与设置的二氧化碳浓度对比，给定IO接点的开关值。
附图说明
图1是本发明的模块图。
图2是本发明的光路俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1。
如图1-2所示，本实施例描述的外气体传感器，包括壳体15，在壳体15内设有光学检出机构1和线路板，所述的线路板上包括解算电路2和输出电路3，所述的光学检出机构1包括红外光源12、光路通道4和热电堆传感器。其中所述的光路通道4设置在壳体15上部，为封闭的盒体结构，所述的线路板设置在壳体15下部光路通道4的下方。
所述的光路通道4是由第一椭球反射镜5、第二椭球反射镜6、圆柱反射镜7、第一柱面反射镜8、第二柱面反射镜9、第三柱面反射镜10、平面反射镜11以及连接前述各个反射镜的反射平面组成的封闭空间，其中第一椭球反射镜5、第二椭球反射镜6、圆柱反射镜7、第二柱面反射镜9以及平面反射镜11设置在光路通道4的一侧，第一柱面反射镜8和第三柱面反射镜10设置在光路通道4的另一侧，光路两侧的各个反射镜交错相对设置；
所述的第一椭球反射镜5的一侧长轴顶端向其椭球面外凸出通过圆柱反射镜7连接第二椭球反射镜6，第一椭球反射镜5和第二椭球反射镜6两个焦点重合，红外光源12设置在靠近第二椭球反射镜6的椭球反射镜第一焦点13上，椭球反射镜的第二焦点14为椭球反射镜第二焦点14；
所述的第一柱面反射镜8能将穿过椭球反射镜第二焦点14的光反射汇聚到第二柱面反射镜9上，第二柱面反射镜9能将经由穿过椭球反射镜第二焦点14、并通过第一柱面反射镜8反射的光反射到第三柱面反射镜10上，并最终通过第三柱面反射镜10反射汇聚到平面反射镜11上；
所述的平面反射镜11与水平面成角度设置，能将经由第三柱面反射镜10反射汇聚的光反射到设置在光路通道4出口的热电堆传感器上。
所述的解算电路2包括轨到轨放大器、AD转换和解算单元，所述的输出电路3UART通讯模块、DA转换、PWM和IO接点。
所述的第一椭球反射镜5的两焦点之间的间距为12mm，且椭球反射镜第一焦点13到第一椭球反射镜5的长轴端的距离为1mm，椭球反射镜第一焦点13到第二椭球反射镜6的长轴端的距离为1.5mm，圆柱反射镜7的直径为4.15mm；
第一柱面反射镜8弧面的中点与光源在同一水平线上，其中点到光源的距离为20.7mm，半径为13mm，其弦与Y轴夹角为10°；
第二柱面反射镜9弧面的中点与光源的水平距离为4mm，垂直距离为6mm，半径为22mm其弦与Y轴夹角为4°；
第三柱面反射镜10弧面的中点与光源的水平距离为21.08mm，垂直距离为9mm，半径为19mm，其弦与Y轴夹角为2.3°。
使用上述结构的光路通道4，根据测量，到达传感器的光能量约为光源总能量的28%，与现有技术的产品相比，光能量提高20%左右。
Claims (1)
1.一种红外气体传感器，包括壳体，在壳体内设有光学检出机构和线路板，所述的线路板上包括解算电路和输出电路，其特征是所述的光学检出机构包括红外光源、光路通道和热电堆传感器；
所述的光路通道是由第一椭球反射镜、第二椭球反射镜、圆柱反射镜、第一柱面反射镜、第二柱面反射镜、第三柱面反射镜、平面反射镜以及连接前述各个反射镜的反射平面组成的封闭空间，其中第一椭球反射镜、第二椭球反射镜、圆柱反射镜、第二柱面反射镜以及平面反射镜设置在光路通道的一侧，第一柱面反射镜和第三柱面反射镜设置在光路通道的另一侧，光路两侧的各个反射镜交错相对设置；
所述的第一椭球反射镜的一侧长轴顶端向其椭球面外凸出通过圆柱反射镜连接第二椭球反射镜，第一椭球反射镜和第二椭球反射镜两个焦点均重合，靠近第二椭球反射镜的焦点为椭球反射镜第一焦点，远离第二椭球反射镜的焦点为椭球反射镜第二焦点；红外光源设置在椭球反射镜第一焦点上；
所述的第一柱面反射镜能将穿过椭球反射镜第二焦点的光反射汇聚到第二柱面反射镜上，第二柱面反射镜能将经由穿过椭球反射镜第二焦点、并通过第一柱面反射镜反射的光反射到第三柱面反射镜上，并最终通过第三柱面反射镜反射汇聚到平面反射镜上；
所述的平面反射镜与水平面成角度设置，能将经由第三柱面反射镜反射汇聚的光反射到设置在光路通道出口的热电堆传感器上；
所述的第一椭球反射镜的两焦点之间的间距为 12mm，且椭球反射镜第一焦点到第一椭球反射镜的长轴端的距离为 1mm，椭球反射镜第一焦点到第二椭球反射镜的长轴端的距离为 1.5mm，圆柱反射镜的直径为 4.15mm；
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第二柱面反射镜弧面的中点与光源的水平距离为 4mm，垂直距离为 6mm，半径为22mm，其弦与 Y 轴夹角为 4°；
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