CN112067572B - 一种高稳定的小型红外气体传感器及制作、实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了传感器技术领域中的一种高稳定的小型红外气体传感器，其包括传感器基座及螺旋型气室，传感器基座上设有红外光源和双通道探测器，红外光源发出的红外光经由螺旋型气室的反射后射入双通道探测器处；该制作工艺包括前期准备、固定两个反光角、形成螺旋型气室、固定红外光源和双通道探测器等过程，其实现过程中，双通道探测器的两个探测通道分别探测被待测气体吸收后的红外光信号和没有被待测气体吸收过的红外光信号，并各自转换为电信号后输出，然后做差分运算得到待测气体的浓度。本发明克服了现有红外传感器小型化制备难度大的问题，能充分实现内部结构的小型化设计，有效提高光能利用率。

Description

一种高稳定的小型红外气体传感器及制作、实现方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体的说，是涉及一种高稳定的小型红外气体传感器及制作、实现方法。

背景技术

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。因气体分子固有的振动、转动频率对特定波长的红外光信号具有吸收作用，且光吸收强度与气体分子浓度呈正相关。因此，通过探测与气体分子相互作用的特定波长的光信号功率变化，即可实现对特定气体浓度的精确检测。红外光学气体传感器具有响应快、测量精度高、抗干扰能力强等特点，且不会出现有害气体中毒、老化等现象，使用寿命长，因此得到了广泛的应用。

根据朗伯比尔定律，气体的有效吸收光程对传感器的灵敏度起着至关重要作用，气体的有效吸收光程越长，传感器的精度越高。基于此，红外气体传感器为了通过增长光程来获得比较高传感精度，导致传感器的体积都很大。近年来，随着现代社会的发展和科技的不断进步，气体传感器逐步向小型化、微型化、便携式方向发展。因此，小型化红外气体传感器已成为未来发展趋势之一。

当前，实现红外气体传感器小型化的方法主要包括折叠腔结构和空芯光纤结构两种。其中，折叠腔结构使光在多个腔镜之间反射以增加光程，但是该结构需要精密调节腔镜的位置，安装调试难度大，生产成本高，难以适合批量化生产。空芯光纤结构采用特种光纤使光在空芯波导内传输与气体相互作用，具有良好的稳定性，但是需要配套的光纤耦合装置、气体注入装置、光探测装置，同样导致传感器体积庞大。因此，实现红外传感器的小型化是当前红外气体传感器领域的研究难点之一。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种高稳定的小型红外气体传感器及制作、实现方法，在保持传感器较长光程的基础上，采用螺旋形气室结构实现红外传感器的小型化，并有效提高光能利用率；且将光源、光路气室、探测器集成化，有效降低传感器结构尺寸与制作工艺难度，适合批量化生产。

本发明技术方案如下所述：

一种高稳定的小型红外气体传感器，包括传感器基座及位于所述传感器基座上侧的气室，其特征在于，所述传感器基座上设有红外光源和双通道探测器，

所述气室为螺旋型气室，所述红外光源位于所述螺旋型气室的通道的外端，所述双通道探测器位于所述螺旋型气室的内圈，所述红外光源发出的红外光经由所述螺旋型气室的反射后射入所述双通道探测器处。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述双通道探测器上设有测量通道和参考通道，所述测量通道用于探测与待测气体吸收光谱相同的红外光信号，所述参考通道用于探测不被待测气体吸收的红外光信号。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述螺旋型气室包括反射壁、气室顶盖及气室底座，所述反射壁的上端固定于所述气室顶盖上，所述反射壁的下端固定于所述气室底座上。

进一步的，所述气室顶盖的下表面、所述气室底座的上表面、反射壁的内外反光面均涂覆有反光层。

进一步的，所述气室顶盖上设有与所述反射壁形状一致的顶盖螺旋槽，所述反射壁的上端固定于所述顶盖螺旋槽内；所述气室底座上设有与所述反射壁形状一致的底座螺旋槽，所述反射壁的下端固定于所述底座螺旋槽内。

更进一步的，所述顶盖螺旋槽上下贯穿所述气室顶盖，待测气体通过所述顶盖螺旋槽进入所述螺旋型气室内。

进一步的，所述气室顶盖上固定有光源反光角和探测器反光角，所述光源反光角位于所述红外光源的上侧，所述探测器反光角位于所述双通道探测器的上侧。

更进一步的，所述光源反光角和所述探测器反光角的表面均涂覆有反光层。

进一步的，所述气室底座上设有光源穿孔和通道穿孔，所述红外光源穿过所述光源穿孔后置于所述螺旋型气室的通道内，所述双通道探测器穿过所述通道穿孔并与所述螺旋型气室的通道连通。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在所述螺旋型气室内，沿着光线的传播方向，所述螺旋型气室的通道宽度逐渐减小。

另一方面，一种制作上述高稳定的小型红外气体传感器的方法，其特征在于，

步骤1、前期准备，制作传感器基座内部的电路板，并对气室顶盖下表面、气室底座上表面、反射壁的反射面、光源反光角、探测器反光角进行反光处理；

步骤2、将所述光源反光角、所述探测器反光角固定于所述气室顶盖上；

步骤3、分别将所述反射壁与所述气室顶盖和气室底座固定连接，形成螺旋型气室；

步骤4、将红外光源、双通道探测器固定于所述传感器基座上；

步骤5、将所述螺旋型气室的下端固定于所述传感器基座上，使得所述红外光源、所述双通道探测器均与所述螺旋型气室的通道连通。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在步骤1中，对气室顶盖下表面、气室底座上表面、反射壁的反射面、光源反光角、探测器反光角镀金形成反光层。

第三方面，一种高稳定的小型红外气体传感器的实现方法，其特征在于，

红外光源发出的红外信号进入螺旋型气室内，并经过所述螺旋型气室的反射后进入双通道探测器的参考通道，所述参考通道将探测的红外光信号转化为电信号输出；

待测气体进入所述螺旋型气室内，红外光源发出的红外信号进入所述螺旋型气室内并经过所述螺旋型气室的反射、所述待测气体的吸收后进入所述双通道探测器，所述双通道探测器的探测通道和参考通道同步将各自探测的红外光信号转化为电信号输出；

参考通道的电信号输出与测量通道的电信号输出做差分计算，得到待测气体的浓度。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于：本发明克服了现有红外传感器小型化制备难度大的问题，通过螺旋型气室的结构设计，既能增加光源与测试通道之间的光程，又无需多余的外部结构部件，能充分实现内部结构的小型化设计，有效提高光能利用率，制作工艺简单，适合批量化生产；另外，本发明采用螺旋结构的气室，使得通道随着光线传播的方向逐渐减小，使得红外信号光在传输的过程中不断的汇聚，有效增加红外探测器接收的光信号，保证信号接收的稳定性，进而保证了测试精准度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明另一视角的示意图；

图3为本发明的分解图；

图4为本发明另一视角的分解图；

图5为光源反光角、探测器反光角的示意图；

图6为光源反光角、探测器反光角处的光路图；

图7为本发明内部的光路走向示意图；

图8为本发明用于气体浓度探测实验的装置示意图；

图9为测量信号和参考信号随浓度变化曲线图；

图10为差分信号随气体浓度变化曲线图。

在图中，10-气室顶盖；11-顶盖螺旋槽；12-光源反光角；13-探测器反光角；

20-反射壁；21-凸起；22-缺口；

30-传感器基座；31-红外光源；32-双通道探测器；321-测量通道；322-参考通道；33-凸台；

40-气室底座；41-底座螺旋槽；42-光源穿孔；43-通道穿孔。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：

如图1至图7所示，一种高稳定的小型红外气体传感器，包括传感器基座30及位于传感器基座30上侧的气室，传感器基座30上设有红外光源31和双通道探测器32。双通道探测器32上设有测量通道321和参考通道322，测量通道321和参考通道322并排设置，其中参考通道322用于探测不存在待测气体吸收作用的红外光信号，测量通道321用于探测与待测气体吸收光谱相同的红外光信号，通过对比测量通道321和参考通道322的数据，进而实现气体浓度的检测。

如图7所示，本发明中的气室为螺旋型气室，红外光源31发出的光线经由螺旋型气室的反射后射入双通道探测器32处。通过螺旋形的结构设计，充分保证光线发出到检测位置之间的光程，使得待测气体可以充分吸收光线，进而增加传感器的检测精度。

本发明在保持传感器较长光程的基础上，采用螺旋形气室结构实现红外传感器的小型化，并有效提高光能利用率；并且将光源、光路气室、探测器集成化，有效降低传感器结构尺寸与制作工艺难度，适合批量化生产。

本发明中的螺旋型气室的反射壁走线为螺旋状（螺旋圈数可根据需要进行选择设置），且沿着光线的传播方向，螺旋型气室的通道宽度逐渐减小。在一个具体实施例中，红外光源31位于螺旋型气室的通道的外端，双通道探测器32位于螺旋型气室的内圈，螺旋型气室由外圈向内圈的延伸过程中，通道宽度逐渐减小。

通过采用螺旋状的气室通道，在传感器体积不变的情况下，可有效增加光信号的传输光程，并且螺旋型通道会随着光的传播方向而逐渐减小，使得红外信号光在传输过程中不断的汇聚，达到增强光信号的目的。

具体的，螺旋型气室包括反射壁20、气室顶盖10及气室底座40，反射壁20的上端固定于气室顶盖10上，反射壁20的下端固定于气室底座40上。红外光源31发出的光线经过反射壁20、气室顶盖10及气室底座40的反射作用后传输至双通道探测器32的位置。优选的，气室底座40上设有光源穿孔42和通道穿孔43，红外光源31穿过光源穿孔42后置于螺旋型气室的通道内，双通道探测器32穿过通道穿孔43并与螺旋型气室的通道连通。

在实现反射壁20与气室顶盖10的连接结构中，气室顶盖10上设有与反射壁20形状一致的顶盖螺旋槽11，反射壁20的上端固定于顶盖螺旋槽11内；在实现反射壁20与气室底座40的连接结构中，气室底座40上设有与反射壁20形状一致的底座螺旋槽41，反射壁20的下端固定于底座螺旋槽41内。优选的，顶盖螺旋槽11上下贯穿气室顶盖10，待测气体通过顶盖螺旋槽11进入螺旋型气室内；底座螺旋槽41上下贯穿气室底座40。不仅使得气室顶盖10和气室底座40更方便制作和装配，无需开设额外的空气孔，待测气体就能扩散至气室中；另外，顶盖螺旋槽11和底座螺旋槽41的间隙对于双通道探测器32接收到的光强影响较小，保证了探测的精度。

优选的，反射壁20的最外端设有向内侧延伸的弧形的凸起21，且凸起21的上下两侧设有缺口22，该缺口22分别与顶盖螺旋槽11、底座螺旋槽41配合。通过弧形的凸起21，使得红外光源31发出的光线能够全部反射到气室的通道内。

为了保证螺旋型气室对于光线的反射效果，气室顶盖10的下表面、气室底座40的上表面、反射壁20的内外反光面均涂覆有反光层。即气室顶盖10的下表面、气室底座40的上表面、反射壁20的内外反光面均做抛光及镀金处理。

如图5、图6所示，气室顶盖10上固定有光源反光角12和探测器反光角13，优选的，光源反光角12和探测器反光角13的表面均涂覆有反光层，使得光源反光角12和探测器反光角13充分发挥光线反射的作用。具体的，光源反光角12位于红外光源31的上侧，红外光源31发射到气室顶盖10的光线可以经过光源反光角12反射进入螺旋型气室的通道内；探测器反光角13位于双通道探测器32的上侧，螺旋型气室内照射到探测器反光角13的光线可以经过探测器反光角13的反射，进而到达双通道探测器32的位置。优选的，光源反光角12和探测器反光角13的底面倾斜角度均为45度，配合红外光源31、双通道探测器32的安装位置可以使得光线发射、接收更加全面。

制作上述高稳定的小型红外气体传感器的方法，包括以下步骤：

步骤1、前期准备，制作传感器基座内部的电路板，并对气室顶盖下表面、气室底座上表面、反射壁的反射面、光源反光角、探测器反光角进行反光处理。

具体的，对气室顶盖下表面、气室底座上表面、反射壁的反射面、光源反光角、探测器反光角镀金形成反光层。

步骤2、将光源反光角、探测器反光角固定于气室顶盖上。

步骤3、分别将反射壁与气室顶盖和气室底座固定连接，形成螺旋型气室。在将反射壁分别固定气室顶盖和气室底座时，需使得气室顶盖上的光源反光角与气室底座上的光源穿孔位置对应，气室顶盖上的探测器反光角与气室底座上的通道穿孔的位置对应。

可以先将反射壁的下端插入并固定于气室底座的底座螺旋槽上，再将反射壁的上端插入并固定于气室顶盖的顶盖螺旋槽中；也可以先将反射壁的上端插入并固定于气室顶盖的顶盖螺旋槽中，再将反射壁的下端插入并固定于气室底座的底座螺旋槽上。

步骤4、将红外光源、双通道探测器固定于传感器基座上，并且使得红外光源、双通道探测器与电路板电气连接。

步骤5、将螺旋型气室的下端固定于传感器基座上，使得红外光源从光源穿孔处穿出，双通道探测器从通道穿孔处穿出，进而使得红外光源和双通道探测器均与螺旋型气室的通道连通。

如图8所示，在一个具体实施例中，传感器制作完成后对待测气体进行浓度测试。待测气体通过气体浓度配比仪分别配置形成不同浓度的气体经由顶盖螺旋槽扩散至螺旋型气室内，传感器内部双通道探测器探测并得到的数据由终端显示设备（PC终端）进行显示。

上述高稳定的小型红外气体传感器的实现过程中：

（1）红外光源发出的红外信号进入螺旋型气室内，并经过螺旋型气室的反射、待测气体的吸收后进入双通道探测器，其中：测量通道用于探测与待测气体吸收光谱相同的红外光信号，参考通道用于探测不被待测气体吸收的红外光信号，并且测量通道和参考通道将探测的红外光信号转化为电信号输出；

（2）参考通道的电信号输出为I1，测量通道的电信号输出为I2，将参考通道输出I1与测量通道输出T2做差分计算得到I=I2/I1,，差分信号I与待测气体浓度存在正相关性，最终通过气体浓度标定后，根据差分信号I即可测得待测气体的浓度。

如图9所示，终端显示设备得到测量通道和参考通道的信号随浓度的变化曲线。其中测量通道的信号随着待测气体浓度的增大而减弱，参考通道的信号不会随着待测气体浓度的变化而变化。因此将测量通道的信号与参考通道的信号做差分计算，进而计算得到气体浓度，且有效消除气体以外其他信号的干扰，使得传感器能够准确的反映出气体的浓度信息。

如图10所示，计算得到测量通道和参考通道的差分信号随浓度的变化趋势，根据该图可知，与测量通道随待测气体浓度变化趋势一致，因此可以通过差分信号准确反映出待测气体的浓度信息。

在进行气体浓度探测的过程中，测量通道和参考通道的响应波长不同，其中参考通道响应的波长对于气室内的气体没有吸收作用，而测量通道的波长对气室内的气体有吸收作用，因此，当气室内有不同浓度的气体时，测量通道的信号会变化，而参考通道不变，参考通道和探测通道同步受到光源波动、气室散射的作用的影响，因此通过测量通道和参考通道的差分运算（比值），可以抵消光源波动和气室散射对于测量结果的干扰。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高稳定的小型红外气体传感器，包括传感器基座及位于所述传感器基座上侧的气室，其特征在于，所述传感器基座上设有红外光源和双通道探测器，

所述气室为螺旋型气室，所述红外光源位于所述螺旋型气室的通道的外端，所述双通道探测器位于所述螺旋型气室的内圈，所述红外光源发出的红外光经由所述螺旋型气室的反射后射入所述双通道探测器处，在所述螺旋型气室内，沿着光线的传播方向，所述螺旋型气室的通道宽度逐渐减小；

所述螺旋型气室包括反射壁、气室顶盖及气室底座，所述反射壁的上端固定于所述气室顶盖上，所述反射壁的下端固定于所述气室底座上；

所述气室顶盖上设有与所述反射壁形状一致的顶盖螺旋槽，所述反射壁的上端固定于所述顶盖螺旋槽内，所述顶盖螺旋槽上下贯穿气室顶盖，待测气体通过所述顶盖螺旋槽进入所述螺旋型气室内；所述气室底座上设有与所述反射壁形状一致的底座螺旋槽，所述反射壁的下端固定于所述底座螺旋槽内；

所述反射壁的最外端设有向内侧延伸的弧形的凸起，且所述凸起的上下两侧设有缺口，所述缺口分别与所述顶盖螺旋槽、所述底座螺旋槽配合。

2.根据权利要求1所述的高稳定的小型红外气体传感器，其特征在于，所述双通道探测器上设有测量通道和参考通道，所述测量通道用于探测与待测气体吸收光谱相同的红外光信号，所述参考通道用于探测不被待测气体吸收的红外光信号。

3.根据权利要求1所述的高稳定的小型红外气体传感器，其特征在于，所述气室顶盖的下表面、所述气室底座的上表面、反射壁的内外反光面均涂覆有反光层。

4.根据权利要求1所述的高稳定的小型红外气体传感器，其特征在于，所述气室顶盖上固定有光源反光角和探测器反光角，所述光源反光角位于所述红外光源的上侧，所述探测器反光角位于所述双通道探测器的上侧。

5.根据权利要求1所述的高稳定的小型红外气体传感器，其特征在于，所述气室底座上设有光源穿孔和通道穿孔，所述红外光源穿过所述光源穿孔后置于所述螺旋型气室的通道内，所述双通道探测器穿过所述通道穿孔并与所述螺旋型气室的通道连通。

6.一种制作权利要求1-5任一项所述的高稳定的小型红外气体传感器的方法，其特征在于，

步骤1、前期准备，制作传感器基座内部的电路板，并对气室顶盖下表面、气室底座上表面、反射壁的反射面、光源反光角、探测器反光角进行反光处理；

步骤2、将所述光源反光角、所述探测器反光角固定于所述气室顶盖上；

步骤3、分别将所述反射壁与所述气室顶盖和气室底座固定连接，形成螺旋型气室；

步骤4、将红外光源、双通道探测器固定于所述传感器基座上；

步骤5、将所述螺旋型气室的下端固定于所述传感器基座上，使得所述红外光源、所述双通道探测器均与所述螺旋型气室的通道连通。

7.一种权利要求1-5任一项所述的高稳定的小型红外气体传感器的实现方法，其特征在于，

红外光源发出的红外信号进入螺旋型气室内，并经过所述螺旋型气室的反射、待测气体的吸收后进入双通道探测器，其中测量通道探测与所述待测气体吸收光谱相同的红外光信号，参考通道用于探测不被所述待测气体吸收的红外光信号，并且所述探测通道和所述参考通道将探测的红外光信号转化为电信号输出；

参考通道的电信号输出与测量通道的电信号输出做差分计算，得到待测气体的浓度。

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