CN109813673A - 一种具有压电微泵和扰流结构的红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体传感器领域，特别涉及一种具有压电微泵和扰流结构的红外气体传感器，尤其适用于动态的呼吸气体检测。本发明首先通过压电微泵对被测气体进行整流，以解决在被测气体在进入进气孔产生湍流的问题；再配合气室设置的扰流结构将进入气室内部的被测气体进行均匀扩散，以解决被测气体进入气室时形成非均匀气流柱导致红外气体传感器的有效可利用光程长变短的情况，同时提高气室内部气体的扩散速度。相比现有红外气体传感器具有更加高效、精准的效果。

Description

一种具有压电微泵和扰流结构的红外气体传感器

技术领域

本发明属于气体传感器领域，特别涉及一种具有压电微泵和扰流结构的红外气体传感器，尤其适用于动态的气体检测。

背景技术

气体传感器在生产，环境检测，医疗健康领域都有大量使用，尤其是在物联网产业飞速发展的大背景下，对传感器的使用需求大幅调高。人们生活水平日益提高后，大家对空气质量，身体健康的关注度增加，气体传感器的应用需求飞速增长。气体传感器主要有电化学型，催化燃烧型和半导体型等，但这些类型的传感器多用于工业或室内的气体浓度检测。而对于人体呼吸气体的检测，尤其是对二氧化碳的检测，这种动态的气体交换过程对传感器本身提出了更高的要求。

利用气体分子对于特定波长红外光的选择性吸收原理所产生的红外气体传感器具有高度选择性。红外气体传感器的检测不会与任何反应物接触，对于呼吸气体的检测是比较安全的，并且具有较长的使用寿命。

在红外气体传感器检测中，不同浓度的气体对红外光的吸收遵循朗伯比尔定律：I＝I₀e^-kcl。

由上述公式可以得出传感器的量程由气室长度决定，长气室用于对较低浓度气体的检测，短气室用于对较高浓度气体的检测。对于人体呼出的二氧化碳而言，其浓度在5％左右，属于较高浓度的气体。经计算后得到其所需的气室长度大约为10mm-20mm左右。

红外气体传感器中的气室是红外光线与待测气体相互作用的通道，是红外气体传感器的重要组成部分。气室的结构对灵敏度，响应时间具有直接的影响。

动态监测对气体扩散速度、气室设计和进气方式提出了较高的要求，常见方法是采用十字形气室加机械式气泵的方式，以满足动态气体检测对传感器动态响应特性的要求。这种结构中传感器的气流通路为直通管道，直径大约1-2cm，然后在管道中央沿垂直方向布置红外光通路。

但是，这种配置导致气体扩散和光传输存在的问题。由于整个光通路处于一个半开放的环境之中，会导致红外光无法全部到达探测器处，浪费了一部分红外光线，这会对测量的精度等造成影响。所以需要一个全封闭的环境来减少红外光的逸散。在传统的直通气室中，尤其是应用于呼吸检测的光程长较短的直通气室中，由于体积的限制，导致进气孔和出气孔的排布不够灵活，这时通过进气孔进入的气体可能会在进气孔和出气孔中出现联通的柱状气流。进一步，这个柱状气流并不会立即在气室腔体内分散，这种情况就会导致红外气体传感器的有效可利用光程长被缩短，因为红外光线只能在有气流通过的地方与气体发生作用。而气体在大约1s左右过后才会均匀地分散在气室内，这种情况会导致整个红外气体传感器的响应时间被缩短；这对于测量类似人体呼吸二氧化碳这种需要快速频繁的情况是不利的。

发明内容

基于上述问题，为解决现有红外呼吸气体传感器在动态环境下的响应速度和准确性不足的问题，本发明提供了一种具有压电微泵和扰流结构的红外气体传感器。利用压电微泵和扰流结构把进入气室内的待测气体高效均匀地扩散在整个气室内，提高气室体积的利用率，保证了有效光程长，最终提高传感器在动态环境下测试的速度和准确性。

该具有压电微泵和扰流结构的红外气体传感器包括扰流板、红外光源、红外探测器、气室和压电微泵。

红外光源和红外探测器在与气室两端连接的中间均设有一个全透红外光学玻璃，其作用是隔绝气室与光学器件，避免气流与光学器件直接接触，同时保证光源红外辐射的高效传输。

气室的结构是两个内径不同的圆柱形空腔以十字交叉的方式互相穿过对方的几何中心。其中内径较大的圆柱形空腔为横向部分，它提供了被测气体与红外光进行交互的空间；内径较小的圆柱形空腔为纵向部分，它作为气室的进气孔和出气孔。

所述气室内还设有一个安装扰流板的长方体空腔，其位置在十字交叉腔体横向部分靠近进气孔一侧，但是不与进气孔直接连接。扰流板与长方体空腔的大小相适应，扰流板的几何中心与进气孔正对，且除其正对进气孔投影区域外设有均匀分布的通孔，使得被测气体在进入气室时通过扰流板的通孔进入气室。在此处设置扰流板的作用是把直通向下的气流阻挡并分割，快速、均匀地分散在整个气室腔体之中。

所述压电微泵的出气口与十字空腔气室的进气孔进行密封连接。压电微泵的进气口呈圆环状排列，这样是为了提高其吸入被测气体时的作用范围，并把被测气体进行整流，使其可以保持均匀地流速和压强进入到气室内部。

本发明的工作流程为：被测气体通过压电微泵做功进行整流再进入气室纵向部分的进气孔；之后经过扰流板进行分流，使得被测气体在这里被相对均匀地流通至整个气室横向部分的空腔中，并在该空腔中对红外光源发射出的红外光进行吸收，再由气室纵向部分的出气孔流出，最后通过红外探测器检测红外光强得到被测气体的浓度。

本发明首先通过压电微泵对被测气体进行整流，以解决在被测气体在进入进气孔具有湍流；再配合气室设置的扰流结构将进入气室内部的被测气体进行均匀扩散，以解决被测气体进入气室时形成气流柱，所导致红外气体传感器的有效可利用光程长变短的情况，以提高气室内部气体的扩散速度。相比现有红外气体传感器具有更加高效、精准的效果。

附图说明

图1包含所有部件的气体传感器3D结构示意图；

图2沿中轴线的剖面示意图；

图3扰流结构3D详图；

图4有无扰流结构的气体扩散仿真图；

附图标记：压电微泵1，扰流板2，十字交叉气室3,敏感源固定结构4，红外敏感元5，光源固定结构6，红外光源7，全透红外玻璃8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，整个红外气体传感器的组成零件部件有，压电微泵1，扰流板2，十字交叉气室3,敏感源固定结构4，红外敏感元5，光源固定结构6，红外光源7和全透红外玻璃8。

利用机械加工的方式在材质为铝合金的长方体金属块上分别从纵向和横向挖出两个圆柱体形空腔，其内径分别为9mm和2mm。9mm内径的空腔将作为气室使用，2mm内径的空腔为进出气口。在9mm空腔靠近进气口方向1mm的断面处切割出1mm*9mm*10mm的长方体空腔，用来放置扰流板。

使用激光切割制作扰流板2，如图3所示，其尺寸与气室的长方体空腔相适应，用激光在厚度为1mm的铝合金板上切割出14个1mm*1mm的正方形通孔；正方形通孔在除开扰流板2的几何中心位置外，按照每两个之间0.5mm的间距共计5列3行排布。

将扰流板2插入预留的长方体空腔，然后把扰流板和气室密封。

用热熔胶将红外光源7和红外探测器5分别与各自的固定结构4,6结合并密封，并且在固定结构中的预留凹槽处使用瞬干胶将两个全透红外玻璃8分别固定在固定结构4,6里面。然后把两个结构固定在十字交叉气室3横向空腔的两端并密封。红外光源7发出的光线通过十字交叉气室3的横向空腔抵达红外探测器5。

压电微泵1的进气口位于其顶部，呈圆环状排列，这种结构作用面积更大，可以更好地吸收呼吸气体。如图2所示，其内部结构有2层，一部分为内部进气通道，另一部分为泵腔。底部有出气口。

图4为本实施例有无扰流结构的气体扩散仿真图，通过模拟仿真可以看出在加入扰流结构之后相较于没有扰流结构的气室，提高了气室内部气体的扩散速度。

Claims (3)

1.一种具有压电微泵和扰流结构的红外气体传感器，包括扰流板、红外光源、红外探测器、气室和压电微泵，其特征在于：

红外光源和红外探测器在与气室两端连接的中间均设有一个全透红外光学玻璃，以隔绝气室与光学器件，避免气流与光学器件直接接触，同时保证光源红外辐射的高效传输；

气室的结构是两个内径不同的圆柱形空腔以十字交叉的方式互相穿过对方的几何中心；其中内径较大的圆柱形空腔为横向部分，它提供了被测气体与红外光进行交互的空间；内径较小的圆柱形空腔为纵向部分，它作为气室的进气孔和出气孔；

所述气室内还设有一个安装扰流板的长方体空腔，其位置在十字交叉腔体横向部分靠近进气孔一侧，但是不与进气孔直接连接；扰流板与长方体空腔的大小相适应，扰流板的几何中心与进气孔正对，且除其正对进气孔投影区域外设有均匀分布的通孔，使得被测气体在进入气室时通过扰流板的通孔进入气室；

所述压电微泵的出气口与十字空腔气室的进气孔进行密封连接。

2.如权利要求1所述具有压电微泵和扰流结构的红外气体传感器，其特征在于：所述压电微泵的进气口呈圆环状排列。

3.如权利要求1所述具有压电微泵和扰流结构的红外气体传感器，其特征在于：

工作流程为：被测气体通过压电微泵做功进行整流再进入气室纵向部分的进气孔；之后经过扰流板进行分流，使得被测气体在这里被相对均匀地流通至整个气室横向部分的空腔中，并在该空腔中对红外光源发射出的红外光进行吸收，再由气室纵向部分的出气孔流出，最后通过红外探测器检测红外光强得到被测气体的浓度。