CN111721730A - 非分光红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非分光红外气体传感器，包括：多孔腔体，包括腔面和与腔面连接的两端，其中，腔面含有多个通气孔，两端具有通孔；红外光发射部件，其上封装有准直透镜，以使发射光经过该准直透镜后平行出射；红外光接收部件，包括两个探测器，该两个探测器彼此垂直封装。本发明的优点在于：使用准直透镜汇聚光束和通过垂直封装探测器芯片的方法，使红外吸收型传感器的光能利用得到大幅提高，在实现单光源双光路差分测量的同时大大提高了传感器的性能，缩小了传感器的体积。特别适用于对检测精度高且要求传感器本身安全的场合。

Description

非分光红外气体传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种非分光红外气体传感器，特别涉及一种基于红外发光二极管的非分光红外气体传感器。

背景技术

非分光红外(NDIR)气体传感器用一个宽光谱光源作为红外传感器的光源，光线穿过光路中的被测气体，透过窄带滤波片，到达红外探测器。其工作原理是基于不同气体分子吸收特定波长的红外光的特性，利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯-比尔Lambert-Beer定律)鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。随着红外光源、传感器及电子技术的发展，非分光红外(NDIR)气体传感器在国内外得到了迅速的发展。

传统的NDIR气体传感器，其主体部分，通常由红外光源、红外接收器和吸气室构成。气室通常为管状的镀膜光学腔体，作用是约束光源发射的红外光使光尽可能多的达到探测器，通过提高信号强度来提升传感器信噪比。然而，这种结构用于管路式红外气体传感器时是没有问题的。但用于扩散式气体传感器时，就需要在光管上开几排透气孔，这时就存在一个问题。如果开的通气孔较大，导致腔体对光的约束性能变小，光外泄严重；如果通气孔开的很小，就会导致气体扩散很缓慢，严重影响响应时间。此外，传统的差分结构两个探测器并排放置，导致位于两个探测器位置光能最强的地方不能被利用，从而影响传感器信噪比。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种高红外光能量利用率的非分光红外气体传感器，在保证较高的气体扩散效率的情况下提高探测器对光能量的利用，从而提升传感器的信噪比。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

本发明提供一种非分光红外气体传感器，包括：

多孔腔体，包括腔面和与腔面连接的两端，其中，腔面含有多个通气孔，实现气体扩散，两端具有通孔；

电路板，进一步的，该电路板包括：

光电二极管脉冲驱动电路，与红外光发射部件连接，用于驱动光源发光；

信号调理电路，与红外光接收部件连接，用于对出射光信号进行放大和滤波；

主控电路，设置于多孔腔体的底部，实现出射光信号的A/D转换和数据处理并读出气体浓度值。

红外光发射部件，其上封装有第一准直透镜，以使发射光经过该第一准直透镜后平行出射。

进一步的，该红外光发射部件包括：

第一底座；

红外二极管发光芯片，设置于底座中心，释放发射光；

第一晶体管外壳，该第一晶体管外壳一端设置与第一底座上具有红外二极管发光芯片的一侧相接；

上述第一准直透镜，设置于该第一晶体管外壳另一端；

以及第一管脚，设置于第一底座另一侧。

更进一步的，该红外光发射部件的第一准直透镜端嵌入上述多孔腔体的一端通孔。

红外光接收部件，该红外光接收部件包括两个探测器，该两个探测器彼此垂直封装。

进一步的，该红外光接收部件包括：

第二底座；

分光支架，实现出射光的滤波处理与探测；

第二晶体管外壳，该第二晶体管外壳一端设置与第二底座上具有分光支架的一侧相接；

第二准直透镜，设置于该第二晶体管外壳另一端；

以及第二管脚，设置于第二底座另一侧。

更进一步的，红外光接收部件的第二准直透镜端嵌入上述多孔腔体的另一端通孔。

其中，分光支架上包括：

第一滤光片，该第一滤光片与第二底座平行，接收上述出射光，该第一滤光片透过该出射光的特定波段并反射该出射光的其他波段；

第二滤光片，该第二滤光片与第二底座成45°角，该第二滤光片接收第一滤光片透过的波段的光再次进行透过与反射；

第一探测器，该第一探测器与第二底座平行，接收第二滤光片透过的光，作为信号光；

第二探测器，该第二探测器与第二底座垂直，接收第二滤光片反射的光，作为参考光。

进一步的，第一滤光片的带宽大于并包含第二块滤光片的频带。

更进一步的，第一滤光片的带宽范围大于待检测气体吸收的光谱的范围，第二滤光片的中心波长与待检测气体的红外特征吸收峰对应。

再进一步的，上述红外光接收部件还具有温度传感器，实现温度补偿。

与现有技术相比，本发明所得到的非分光红外气体传感器将两个探测器垂直封装在一起，由透镜汇聚的光分成两束分别达到探测器表面，从而实现较高光能量的利用效率。红外光发射部件上封装的的准直透镜使光束几乎平行的达到接收端，无需借助气室的约束，从而解决了气体扩散速度和光约束能力的矛盾。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例非分光红外气体传感器的总体结构示意图；

图2是本发明实施例的红外光发射部件示意图；

图3是本发明实施例的红外光接收部件的内部结构图；

图4是本发明实施例的分光片支架结构图。

图中：

红外光发射部件 100 红外光接收部件 101 多孔腔体 103

通气孔 102 通孔 104 底座 201、208 管脚 202、209

第二滤光片 203 分光支架 204 第一滤光片 205

第二探测器 206 第一探测器 207 TO管壳 301

准直透镜 302 红外二极管发光芯片 303

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。

本发明一实施例提供了一种非分光红外气体传感器，如图1所示，包括：

多孔腔体103，包括腔面和与腔面连接的两端，其中，腔面含有多个通气孔102，实现气体扩散，两端具有通孔104；

红外光发射部件100，该红外光发射部件100上封装有一准直透镜302，以使发射光经过该准直透镜302后平行出射；

以及红外光接收部件101，该红外光接收部件包括两个探测器，该两个探测器彼此垂直封装。

本实施例中，红外光发射部件100、红外光接收部件101和多孔腔体103连成一个整体，由红外光发射部件100中红外二极管发光芯片发射的红外光经过准直透镜整形后经过多孔腔体103，最终进入红外光接收部件101。

一些实施例中，请参照图2，上述红外光发射部件100包括：

底座201；

红外二极管发光芯片303，设置于底座201中心，释放发射光；

晶体管外壳(即TO管壳)301，该TO管壳301一端设置与底座201上具有红外二极管发光芯片303的一侧相接；

所述准直透镜302，设置于该TO管壳301另一端；

以及管脚202，设置于底座201另一侧。

更进一步的，结合参照图1和图2，该红外光发射部件100的准直透镜端嵌入上述多孔腔体103的一端通孔104。

在本实施例中，该红外光发射部件100由红外二极管发光芯片303、TO管壳301和准直透镜302组成，红外二极管发光芯片303位于底座中心位置，在驱动电路的驱动下发射脉冲或者连续光，光束经过准直透镜302整形后接近平行出射。

一些实施例中，请参照图3和图4，上述红外光接收部件包括：

底座208；

分光支架204，实现出射光的滤波处理与探测；

TO管壳(图中未示)，该TO管壳一端设置与底座208上具有分光支架204的一侧相接；

准直透镜(图中未示)，设置于该TO管壳另一端；

以及管脚209，设置于底座208另一侧。

更进一步的，请参照图1，红外光接收部件101的准直透镜端嵌入上述多孔腔体103的另一端通孔104。

其中，上述红外光接收部件中分光支架204上包括：

第一滤光片205，该第一滤光片205与底座208平行，接收上述出射光，该第一滤光片205透过该出射光的特定波段并反射该出射光的其他波段；

第二滤光片203，该第二滤光片203与底座208成45°角，该第二滤光片203接收第一滤光片205透过的波段的光再次进行透过与反射；

第一探测器207，该第一探测器207与底座208平行，接收第二滤光片203透过的光，作为信号光；

第二探测器206，该第二探测器206与底座208垂直，接收第二滤光片203反射的光，作为参考光。

一些实施例中，上述红外光接收部件101还具有温度传感器。

本实施例中，红外光接收部件101为TO封装探测器组件，由TO外壳(图中未示)、底座208、分光支架204、管脚209、准直透镜(图中未示)、温度传感器(图中未示)、滤光片203和205及探测器芯片206和207组成，温度传感器和分光支架固定于底座，探测器芯片分别固定于底座和TO管壳内壁并位于滤光片之后，滤光片固定于分光支架上，进入透镜的光在经过两块滤光片后汇聚于两个探测器206和207，其特征在于准直透镜的焦点位于第一探测器207的中心，分光支架204使第一滤光片205和第二滤光片203成45度角。

基于以上实施例，进入准直透镜的红外光会被汇聚先达到第一滤光片205，第一滤光片205使特定波段的光透过到达第二滤光片203并反射其他波段的光，进一步使所要探测气体对应的红外特征吸收光透过并到达第一探测器207作为信号光，未透过第二滤光片203的红外光则被反射进入第二探测器206作为参考光。

一些实施例中，第一滤光片205的带宽大于并包含第二块滤光片203的频带；

第一滤光片205的带宽范围大于待检测气体吸收的光谱的范围，第二滤光片203的中心波长与待检测气体的红外特征吸收峰对应。

本实施例中，第一滤光片205的窗口大于并包含第二滤光片203的窗口，第二滤光片203的带宽和中心波长根据实际要检测气体对应的特征峰确定，确定方法为第二滤光片203的中心波长与气体特征吸收峰对应，第一滤光片205的带宽包含不被气体吸收的光谱。

上述实施例中，第一探测器芯片207贴装与底座201的中心位置，并与分光支架204的矩形通孔对齐，该矩形通孔为第二滤光片203所在位置的垂向。

在其他实施例中，分光支架204可以设计成其他形状，但是其光路不变。

一些实施例中，该非分光红外气体传感器还包括电路板，该电路板包括：

光电二极管脉冲驱动电路，与红外光发射部件100连接，用于驱动光源发光；

信号调理电路，与红外光接收部件101连接，用于对出射光信号进行放大和滤波；

主控电路，设置于多孔腔体103的底部，实现出射光信号的A/D转换和数据处理并读出气体浓度值。

在本实施例中，多孔腔体103上分布有通气孔102，其底部用于和主控电路板连接，两端用于固定红外光发射部件100和红外光接收部件101，圆形通孔104的大小分别与红外光发射部件100和红外光接收部件101的TO外壳尺寸相匹配，从而使红外光发射部件100和红外光接收部件101刚好嵌入其中。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种非分光红外气体传感器，其特征在于，包括：

多孔腔体，包括腔面和与腔面连接的两端，所述腔面含有多个通气孔，所述两端具有通孔；

红外光发射部件，其上封装有第一准直透镜，以使发射光经过该第一准直透镜后平行出射；

红外光接收部件，包括两个探测器，所述两个探测器彼此垂直封装。

2.根据权利要求1所述的非分光红外气体传感器，其特征在于，还包括电路板，所述电路板包括：

光电二极管脉冲驱动电路，与所述红外光发射部件连接，用于驱动光源发光；

信号调理电路，与所述红外光接收部件连接，用于对所述出射光信号进行放大和滤波；

主控电路，设置于所述多孔腔体的底部，实现所述出射光信号的A/D转换和数据处理与读出。

3.根据权利要求1所述的非分光红外气体传感器，其特征在于，所述红外光发射部件包括：

第一底座；

红外二极管发光芯片，设置于所述第一底座中心，释放发射光；

第一晶体管外壳，所述第一晶体管外壳一端设置与所述第一底座上具有红外二极管发光芯片的一侧相接；

所述第一准直透镜，设置于所述第一晶体管外壳另一端；

以及第一管脚，设置于所述第一底座另一侧。

4.根据权利要求3所述的非分光红外气体传感器，其特征在于，所述红外光发射部件的第一准直透镜端嵌入所述多孔腔体的一端通孔。

5.根据权利要求1所述的非分光红外气体传感器，其特征在于，所述红外光接收部件包括：

第二底座；

分光支架，实现所述出射光的滤波处理与探测；

第二晶体管外壳，所述第二晶体管外壳一端设置与所述第二底座上具有分光支架的一侧相接；

第二准直透镜，设置于所述第二晶体管外壳另一端；

以及第二管脚，设置于所述第二底座另一侧。

6.根据权利要求5所述的非分光红外气体传感器，其特征在于，所述分光支架上包括：

第一滤光片，所述第一滤光片与第二底座平行，接收所述出射光，所述第一滤光片透过所述出射光的特定波段并反射该出射光的其他波段；

第二滤光片，所述第二滤光片与第二底座成45°角，所述第二滤光片接收所述第一滤光片透过的波段的光再次进行透过与反射；

第一探测器，所述第一探测器与第二底座平行，接收所述第二滤光片透过的光，作为信号光；

第二探测器，所述第二探测器与第二底座垂直，接收所述第二滤光片反射的光，作为参考光。

7.根据权利要求5所述的非分光红外气体传感器，其特征在于，所述红外光接收部件的第二准直透镜端嵌入所述多孔腔体的另一端通孔。

8.根据权利要求6所述的非分光红外气体传感器，其特征在于，所述第一滤光片的带宽大于并包含所述第二滤光片的频带。

9.根据权利要求6或8所述的非分光红外气体传感器，其特征在于，所述第一滤光片的带宽范围大于待检测气体吸收的光谱的范围，所述第二滤光片的中心波长与待检测气体的红外特征吸收峰对应。

10.根据权利要求1或5所述的非分光红外气体传感器，其特征在于，所述红外光接收部件还具有温度传感器。

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