CN109960024B - 气体传感器用光腔及具有该光腔的气体传感器 - Google Patents

气体传感器用光腔及具有该光腔的气体传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及内部具有空间的气体传感器用光腔(100)及利用该光腔的气体传感器，光腔(100)的空间内形成有椭圆反射面(133)和双曲线反射面(135)，椭圆反射面(133)形成椭圆(133、133a)的一部分，用于将从椭圆的一侧焦点(F1)位置射出的光线进行反射使其聚集到椭圆的另一侧焦点(F2)，双曲线反射面(135)形成一侧焦点(f1)与椭圆的另一侧焦点一致的双曲线(135a、135b)的一部分，用于将由椭圆反射面反射而聚集到椭圆的另一侧焦点侧的光线进行反射使其聚集到双曲线的另一侧焦点(f2)侧，并且连接双曲线的一侧焦点和双曲线的另一侧焦点的双曲线中心线(B‑B')朝椭圆反射面的相反面侧倾斜与连接椭圆的一侧焦点和椭圆的另一侧焦点的椭圆中心线(A‑A')形成预定角度。

Description

气体传感器用光腔及具有该光腔的气体传感器
技术领域
本发明涉及一种气体传感器用光腔及具有该光腔的气体传感器。
背景技术
利用由两个以上不同原子组成的气体如一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)或甲烷(CH4)吸收特定波段光线的性质来检测气体浓度的所谓非色散方式气体传感器的相关技术已经非常普遍。
为了使非色散方式气体传感器发挥优异的感应特性，光路的长度必须得长，以增加在光腔内的吸光量，而且通过光腔内的光线必须聚集到光检测器(感光传感器)。
作为用于增加光腔内的光路长度的技术，专利文献1中记载的非色散方式气体传感器利用具有特定曲率的五个反射镜为一体制作成球状的光腔来增加光路的长度。
然而，一般的非色散方式气体传感器的用于光腔的反射镜是通过注塑或金属加工或镀膜等制成，当实际制作过程中反射镜的反射面曲率不能满足设计值时，反射光的行进路径超出正常范围而造成损失，并且由于各反射镜具有像差，因此会出现反射次数越增加光行进路径越超出预测范围等问题。专利文献1的气体传感器中使用五个反射镜以增加光路的长度，因此如上所述的问题会更大，其结果射入光检测器的光量会减少，从而造成气体传感器的检测精度下降的问题。
另外，作为用于使通过光腔内的光线聚集到光检测器(感光传感器)的技术，专利文献2中记载了一种气体传感器包括：菲涅耳透镜，其设置在与光检测器相邻的位置上，用于使通过光腔的光线聚集并聚焦；以及抛物面镜，用于将穿透菲涅耳透镜后分散的光线进行反射使其聚集到光检测器。
然而，专利文献2的技术还需要菲涅耳透镜和抛物面镜等额外组件，以提高聚光效率，因此气体传感器用光腔结构变得复杂，尺寸也不得不增加，这样会造成费用增加的问题。
在先技术文献
专利文献1：韩国专利公开公报第2009-0012952号(2004年02月09日公开)
专利文献2：韩国专利公开公报第2011-0057651号(2011年06月01日公开)
发明内容
本发明鉴于现有技术的上述问题而提出，其目的在于提供一种气体传感器用光腔及具有该光腔的气体传感器，尽量加长光腔内的光路长度，并且无需增加额外组件如菲涅耳透镜即可增加光检测器接收的光量。
为了解决上述的问题，本发明提供一种气体传感器用光腔，其内部具有空间，所述光腔的所述空间内形成有椭圆反射面和双曲线反射面，所述椭圆反射面形成椭圆的一部分，用于将从所述椭圆的一侧焦点位置射出的光线进行反射使其聚集到所述椭圆的另一侧焦点，所述双曲线反射面形成一侧焦点与所述椭圆的另一侧焦点一致的双曲线的一部分，用于将由所述椭圆反射面反射而聚集到所述椭圆的另一侧焦点侧的光线进行反射使其聚集到双曲线的另一侧焦点侧，并且连接所述双曲线的一侧焦点和所述双曲线的另一侧焦点的双曲线中心线朝所述椭圆反射面的相反面侧倾斜与连接所述椭圆的一侧焦点和所述椭圆的另一侧焦点的椭圆中心线形成预定角度。
另外，为了解决上述的问题，本发明提供一种用于检测气体浓度的气体传感器包括：所述气体传感器用光腔；光源，其设置在所述椭圆的一侧焦点上；以及光检测器，其设置在所述双曲线的另一侧焦点上，用于接收从所述光源射出的光线并将接收的光线转换成电信号。
根据本发明，可以将从光源射出的光线聚集到光检测器为止的长度即光路的长度加长至大约光腔内部长度的2倍左右，从而可以确保气体浓度检测所需的适当长度的光路。
此外，由于椭圆和双曲线所具有的基本特性，经椭圆反射面和双曲线反射面反射的光线不会朝其他方向分散都聚集到一处，再由光检测器接收，从而可以尽量减少经反射面的反射过程中因分散而损失的光线。
附图说明
图1是本发明的优选实施方式的光腔的立体分解图。
图2是本发明的优选实施方式的光腔的俯视图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述本发明的优选实施方式的光腔及利用该光腔的气体传感器。
图1是本发明的优选实施方式的光腔的立体分解图，图2是本发明的优选实施方式的光腔的俯视图。
首先，本发明的气体传感器用光腔利用椭圆和双曲线所具有的性质，即「朝向椭圆或双曲线的2个焦点中任何一侧焦点的光线(光)经椭圆或双曲线反射后朝向另一侧焦点」的性质以及「在形成椭圆的镜面中从椭圆的2个焦点中任何一侧焦点射出的光线经椭圆面反射后到达另一侧焦点」的性质，通过使至少一个椭圆的焦点和至少一个双曲线的焦点在几何学上一致后，将从椭圆的一侧焦点射出并经反射面反射后聚集到椭圆的另一侧焦点(即，与椭圆的另一侧焦点在几何学上一致的双曲线的2个焦点中任何一侧焦点)的光线经双曲线面进行反射使其聚集到双曲线的另一侧焦点，以改变起初从椭圆的一侧焦点射出的光线的行进方向后再聚光。
另外，对此进行扩展，通过使从椭圆的一侧焦点射出的光线改变行进方向后再聚光的双曲线的另一侧焦点与新双曲线的一侧焦点一致，同时改变新双曲线的角度，以再次改变光线的行进方向，由此方式可以继续进一步扩展光路。
因此，通过增加焦点与起初从椭圆的一侧焦点射出的光线聚光的双曲线的另一侧焦点一致的新双曲线，可以进一步扩展光路的长度，而且经双曲线面反射的光线不会朝其他方向分散而是聚集到该双曲线的另一侧焦点，从而无需利用其他聚光装置如菲涅耳透镜也可以尽量减少光分散所导致的光损失。
为此，如图1、图2所示，本发明的优选实施方式的光腔100由内部具有预定空间的上壳体110和下壳体130结合而成，光腔100内的所述空间由上壳体110的内面即顶面(未图示)、下壳体130的内面即底面(未图示)及顺着底面的边缘朝顶面的边缘侧延伸一定高度的壁面组成，该壁面中一部分成为图1、图2的椭圆反射面133。
为了便于说明，本文中使用了顶面和底面等术语，例如上壳体110的内面为顶面时，下壳体130的内面为底面，在相反的情况下也能成立。
另外，如图2所示，构成光腔100内部的壁面的一部分的椭圆反射面133和沿着椭圆反射面133的形状延伸的部分(即，图2中由虚线133a表示的部分)加在一起形成椭圆(133、133a)，椭圆反射面133从所述椭圆(133、133a)的2个焦点(F1、F2)中一侧焦点F1的后方延伸至另一侧焦点F2附近，并且在一侧焦点F1侧围绕该一侧焦点F1。
此外，椭圆(133、133a)的一侧焦点F1上设置光源131，作为光源131可以使用发射白炽光或红外光的光源。
椭圆反射面133在图2中表示为椭圆，但是如图1所示实际上可以是将椭圆球的一部分沿着其长轴方向(与图2的椭圆(133、133a)的中心轴A-A'平行的方向)切割的形状，因此椭圆反射面133具有一定的宽度。
椭圆(133、133a)的另一侧焦点F2侧连接于2个焦点(f1、f2)中一侧焦点f1与椭圆(133、133a)的另一侧焦点F2一致(f1＝F2)且连接2个焦点(f1、f2)的中心轴(B-B')相对于所述椭圆(133a)的中心轴A-A'倾斜设置预定角度θ的双曲线(135a、135b)的一部分即双曲线反射面135。
在本文中，以椭圆(133、133a)的2个焦点(F1、F2)中另一侧焦点F2和双曲线(135a、135b)的2个焦点(f1、f2)中一侧焦点f1彼此一致(f1＝F2)的方式形成双曲线反射面135，因此如图2所示，双曲线反射面135当然在连接椭圆(133、133a)的2个焦点(F1、F2)的轴即中心轴A-A'上位于椭圆(133、133a)的另一侧焦点F2的前方(在连接双曲线(135a、135b)的2个焦点(f1、f2)的轴即中心轴B-B'上位于双曲线(135a、135b)的一侧焦点f1的前方)。
此外，双曲线反射面135是双曲线(135a、135b)中135b部分的一部分，而135a是虚拟的线，135a侧上没有形成与双曲线反射面135一样的面。
图2中与所述椭圆反射面133一样双曲线反射面135也用线来表示，但是如图1所示，实际上双曲线反射面135也是具有一定宽度的面。
如上所述，为了便于说明，本说明书中使用了椭圆、双曲线等术语，但实际上不是线，而是具有一定宽度的面。
另外，椭圆反射面133和双曲线反射面135都做了镜面处理，以使射入该面的光线按照预定角度反射出去。
此外，连接双曲线(135a、135b)的2个焦点(f1、f2)的线段即中心线B-B'朝光腔100内部的椭圆反射面133侧壁面的相反壁面侧倾斜与连接椭圆(133、133a)的2个焦点(F1、F2)的线段即中心线A-A'形成预定角度θ。
因此，在光腔100内部，双曲线(135a、135b)的另一侧焦点f2与椭圆(133、133a)的一侧焦点F1相距对应于椭圆(133、133a)的中心线A-A'和双曲线(135a、135b)的中心线B-B'所形成的角度θ的距离位于相同侧，而且该双曲线(135a、135b)的另一侧焦点f2上设置光检测器137，所述光检测器137接收从光源131射出的光线(光信号)，并将接收的光信号转换成的电信号。
设置在椭圆(133、133a)的一侧焦点F1上的光源131和设置在双曲线(135a、135b)的另一侧焦点f2上的光检测器137之间形成有隔墙111，以防止从光源131射出的光线和光检测器137接收的光线之间发生干扰。
另外，虽然图1、图2中未示出，但是本实施方式的光腔100形成有使待检测浓度的气体流入或流出其内部的通道即气体入口和气体出口。
除此之外，本发明的优选实施方式的气体传感器包括用于放大光检测器137的电信号的放大器、用于根据放大器中放大的电信号计算气体浓度的气体浓度计算单元等，而且包括光源在内的这些组件都利用了公知技术，在此不再赘述。
如上所述，就本实施方式的光腔100而言，用于射出光线的光源131和用于接收从光源131射出的光线的光检测器137彼此隔开设置在光腔100内的一侧，而且具有如下所述从光源131射出经椭圆反射面133反射的光线被设置在光源131的相反侧的双曲线反射面135反射后由设置在相反侧的光检测器137接收的结构，因此从光源131射出的光线聚集至光检测器137的长度即光路长度大致达到光腔100内部长度的2倍。由此，可以确保检测气体浓度所需的适当长度的光路。
另外，从光源131射出的光线经椭圆反射面133和双曲线反射面135反射后由光检测器137接收，由于具有这样的结构，经椭圆反射面133和双曲线反射面135反射的光线不会朝其他方向分散都聚集到一处并由光检测器137接收。由此，可以尽量减少经反射面的反射过程中因分散而损失的光线。
接下来参照图2描述本实施方式的光腔100中光线移动的路径即光路。
从设置在椭圆(133、133a)的2个焦点(F1、F2)中一侧焦点F1上的光源131射出的光线分别经镜面处理过的椭圆反射面133反射后行进到另一侧焦点F2侧，并且在行进途中经位于该另一侧焦点(F2＝双曲线(135a、135b)的一侧焦点f1)的前方的双曲线反射面135反射后向双曲线(135a、135b)的另一侧焦点f2行进，从而聚集到位于双曲线(135a、135b)的另一侧焦点f2上的光检测器137。
上文中根据优选实施方式描述了本发明，但是本发明不限于上述的实施方式，在不脱离本发明范围的前提下可以做各种修饰或变形实施。
在上述的实施方式中，由一个椭圆和一个双曲线来形成光路，但不限于此，如前所述通过使从椭圆(133、133a)的一侧焦点F1射出的光线改变行进方向后再聚光的双曲线(135a、135b)的另一侧焦点f2与新双曲线的一侧焦点一致，同时改变新双曲线的角度，以再次改变光线的行进方向，由此方式通过增加双曲线可以进一步扩展光路的长度。
另外，上述的实施方式中描述由上壳体110和下壳体130两个部件组成光腔100，但不限于此，光腔100也可以由单一件组成。
符号说明
100：光腔 111：隔墙
131：光源 133：椭圆反射面
135：双曲线反射面 137：光检测器

Claims (4)

1.一种内部具有空间的气体传感器用光腔，其特征在于：
所述光腔的所述空间内形成有椭圆反射面和双曲线反射面，
所述椭圆反射面形成椭圆的一部分，用于将从所述椭圆的一侧焦点位置射出的光线进行反射使其聚集到所述椭圆的另一侧焦点，
所述双曲线反射面形成一侧焦点与所述椭圆的另一侧焦点一致的双曲线的一部分，用于将由所述椭圆反射面反射而聚集到所述椭圆的另一侧焦点侧的光线进行反射使其聚集到双曲线的另一侧焦点侧，
连接所述双曲线的一侧焦点和所述双曲线的另一侧焦点的双曲线中心线朝所述椭圆反射面的相反面侧倾斜与连接所述椭圆的一侧焦点和所述椭圆的另一侧焦点的椭圆中心线形成预定角度。
2.根据权利要求1所述的气体传感器用光腔，其特征在于：
所述椭圆的一侧焦点和所述双曲线的另一侧焦点之间还形成有隔墙。
3.根据权利要求1所述的气体传感器用光腔，其特征在于：
所述椭圆的一侧焦点上设置所述气体传感器用光源，
所述双曲线的另一侧焦点上设置光检测器，所述光检测器用于接收从所述光源射出的光线并将接收的光线转换成电信号。
4.一种用于检测气体浓度的气体传感器，包括：
根据权利要求1或2所述的气体传感器用光腔；
光源，其设置在所述椭圆的一侧焦点上；以及
光检测器，其设置在所述双曲线的另一侧焦点上，用于接收从所述光源射出的光线并将接收的光线转换成电信号。
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