CN113340837B - 一种长光程微型红外气室及红外气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了红外传感技术领域中的一种长光程微型红外气室的红外气体传感器，包括电路板和长光程微型红外气室，电路板上的光源和光探测器延伸至长光程微型红外气室的光学气室主体内部；该长光程微型红外气室，包括光学气室主体，光学气室主体包括环形的外反射壁和设于外反射壁内部的内反射壁，外反射壁包括多个凹面反射镜，多个凹面反射镜的侧面依次连接围成环形，内反射壁包括多个平面反射镜，多个平面反射镜的侧面依次连接形成正多边形，每个凹面反射镜的曲率中心位于正多边形中对应的内角中心线上。本发明通过特殊的光学气室结构设计，降低气室对光源发散角的要求，可以在有效的体积内保证较大的有效光程，提高传感器对气体检测的分辨率。

Description

一种长光程微型红外气室及红外气体传感器
技术领域
本发明涉及红外传感技术领域，具体的说，是涉及一种长光程微型红外气室及传感器。
背景技术
工业气体传感器是气体安全的重要保障，随着我国经济的高速发展和物联网工业应用的不断深入优化，工业传感器近年来逐步向低功耗、微型化、便携式方向发展。其中，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、使用寿命长等优点，且不会出现有害气体中毒、老化等现象，受到市场的广泛认可。红外光学气体传感器的工作原理是利用气体分子因固有的振动、转动频率，而对特定波长的红外光信号具有吸收作用，因此通过探测与气体分子相互作用的特定波长光信号功率变化，即可实现对特定气体浓度的精确检测。
根据朗伯比尔定律可知，红外气体传感器的检测分辨率主要和传感器的光学气室有效光程和气体的吸收率有关，光学气室的有效光程越长，测量精度越高。为了使得红外传感器具备较长的光程，往往导致传感器的体积和重量都很大。微型传感器受其体积的限制，光程很难达到高分辨率的测试要求。
为了在有限的体积内尽量增加传感器光学气室的有效光程，传感器开发人员进行了大量的探索，主要以反射型光学气室为主，通过光线多次反射增加光程。例如，公告号为CN202092949U的中国实用新型专利提出了一种具有多个连续反射面的“C”型光学通道，又如专利公布号为CN101825566A的中国发明专利提出了一种“螺旋型”的气室通道，再如美国专利US7244939B2提出了一种多次反射的“环形”气室通道，光线在这些反射型的光学气室中反射会导致光线反射产生衰减，影响探测信号的准确性。另外还可以通过设计镜面谐振腔，使得光束在气室腔内来回反射来增加光程，例如采用White池和Herriott池，但是这种结构需要准直性极好的中红外激光作为光源，价格昂贵。
上述缺陷，值得解决。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种长光程微型红外气室及传感器，通过特殊的光学气室结构设计，降低气室对光源发散角的要求，可以在有效的体积内保证较大的有效光程，提高传感器对气体检测的分辨率。
本发明技术方案如下所述：
一种长光程微型红外气室，其特征在于，包括光学气室主体，所述光学气室主体包括环形的外反射壁和设于所述外反射壁内部的内反射壁；
所述外反射壁包括多个凹面反射镜，多个所述凹面反射镜的侧面依次连接围成环形；
所述内反射壁包括多个平面反射镜，多个所述平面反射镜的侧面依次连接形成正多边形，每个所述凹面反射镜的曲率中心位于所述正多边形中对应的内角中心线上，且每个平面镜中心反射至所述凹面反射镜上的光线反射后射入下一面平面反射镜的中心。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述光学气室主体的内反射壁与外反射壁之间通过底板连接。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述凹面反射镜的各位置的曲率相同，且其曲率半径R满足：
Figure BDA0003099112810000021
其中d为所述凹面反射镜的中心到与其相邻的所述正多边形的顶点的距离，a为正多边形的边长，n为正多边形的边数，且n大于等于3。
根据上述方案的本发明，其特征在于，在所述光学气室主体内，所述平面反射镜与所述凹面反射镜沿圆周方向交错排列，形成反射镜对；光线在所述平面反射镜与所述凹面反射镜之间往复反射，并沿着所述内反射壁与所述外反射壁之间的周向通道向前传输。
进一步的，光源发出的光线以α角度入射到所述平面反射镜，再以相同反射角反射到相邻的所述凹面反射镜，入射光的焦点与所述平面反射镜的中心点重合；所述凹面反射镜再将光反射聚焦到下一个相邻所述平面反射镜的中心位置，光线在所述平面反射镜与所述凹面反射镜之间如此往复反射，并沿着所述内反射壁与所述外反射壁之间的周向通道折叠型向前传播。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述由内反射壁、外反射壁和底板构成的光学气室主体结构一体成型。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述基于光学气室结构的一种红外气体传感器，包括电路板和上述的长光程微型红外气室，所述电路板上设有光源和光探测器，所述光源和所述光探测器延伸至所述长光程微型红外气室的光学气室主体内部。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述光源斜向射入所述光学气室主体的其中一平面反射镜，且所述光源处的透镜焦点与该平面反射镜的中心点重合。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述光学气室主体内开设有用于穿过光源的光源通孔，所述光学气室主体内还开设有用于穿过探测器的探测器通孔。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述光学气室主体的内反射壁与外反射壁之间通过底板连接，所述光源通孔靠近所述外反射壁的一个凹面反射镜处。
进一步的，所述探测器通孔设于所述内反射壁与所述外反射壁之间的底板上，且所述探测器通孔的正上方设有斜面反射镜，将光入射到探测器；
或，所述探测器通孔位于所述内反射壁的内部，且所述内反射壁的其中一平面反射镜上开设有通孔，反射光通过通孔入射到探测器。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明可以适用于小型的红外气体传感器，通过光学气室内部的外反射壁和内反射壁的结构设计，使得光源发出的光线经过多次反射后再被光探测器接收，实现了在有限的体积内尽量增加有效光程的目的，提高传感器对气体检测的分辨率，同时通过外反射壁与内反射壁的形状设计，充分避免光线在反射传播过程中的散射衰减，保证到达光探测器处的光功率强度，进而保证气体探测精准度；另外，本发明减少了不必要内部部件的应用，充分降低了传感器的成本，有利于微型红外气体传感器的推广及应用。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例一另一视角的示意图；
图3为本发明实施例一应用实例的光线传播示意图；
图4为本发明实施例一应用实例的光路图；
图5为本发明实施例一的尺寸标注图；
图6为本发明实施例二的结构示意图；
图7为本发明实施例二应用实例的示意图；
图8为本发明实施例二应用实例的光线传播示意图；
图9为本发明实施例二应用实例的光路图；
图10为本发明实施例二的尺寸标注图。
在图中，10-外反射壁；101-凹面反射镜；11-底板；12-探测器通孔；13-斜面反射镜；14-内凹弧边；
20-内反射壁；201-平面反射镜；21-通孔；
30-光源聚焦镜
40-光探测器。
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10所示，一种红外气体传感器，包括长光程微型红外气室和电路板，电路板上设有光源、光探测器40及其他电子元器件，光源和光探测器40延伸至长光程微型红外气室的光学气室主体内部。光源用于发射光，光线在长光程微型红外气室内部传播并与待测气体相互作用后被光探测器40接收，光探测器40接收光信号后转化为电信号，进而生成气体浓度测量结果。
实施例一
如图1、图2所示，一种长光程微型红外气室，包括光学气室主体，光学气室主体的内壁涂覆或电镀有反光层。光学气室主体通过进气通道(图中未示出)与外界待测环境连通，外界待测环境的气体通过进气通道进入光学气室主体内部。
光学气室主体包括环形的外反射壁10和设于外反射壁10内部的内反射壁20，外反射壁10和内反射壁20均与底板11连接，底板11上开设有用于穿过光探测器的探测器通孔12，底板11上还开设有用于穿过光源的光源通孔(图中未示出)。外反射壁10与内反射壁20沿圆周方向交错排列，使光线在外反射壁10与内反射壁20之间交替往复反射沿周向方向传播，并最终被光探测器接收。本实施例适用于探测器尺寸较小、可容纳于内反射壁内腔的场合。
本发明中的光学气室主体内设有用于容纳光源的光源聚焦镜30，电路板上的光源伸入光学气室主体后置于光源聚焦镜30内。在一个优选实施例中，光源聚焦镜30的侧壁横截面为直线形或弧线形，弧线形的光源聚焦镜30更有利于光源发出的光线进行聚焦利用，增加光源利用率。
外反射壁10包括多个(n个)凹面反射镜101，多个(n个)凹面反射镜101的侧面依次连接围成环形；内反射壁20包括多个尺寸相等的平面反射镜201，平面反射镜201的侧面依次连接形成正多边形，该正多边形的每个外角朝向相对应的凹面反射镜101的中心，使得每个凹面反射镜101的曲率中心位于该正多边形的对应外角(即内角)所在中心线上，进而保证每一平面反射镜201中点反射的光线经过凹面反射镜101的聚焦反射后能够到达相邻平面反射镜201的中心位置。
本实施例中，平面反射镜201和凹面反射镜101的数量均为5，即5面平面反射镜201呈正五边形排列，5面凹面反射镜101设于该正五边形外围。
如图5所示，每一凹面反射镜101的曲率中心(即圆心O1)位于与其对应的正多边形的内角中心线(即该内角与正多边形中心的连线)上，凹面反射镜101的各位置的曲率相同，且其曲率半径R满足：
Figure BDA0003099112810000061
其中d为凹面反射镜101的中心到与其相邻的正多边形的顶点的距离，a为正多边形的边长，n为正多边形的边数，且n大于等于3。
光源聚焦镜30内的光源斜向射入光学气室主体的其中一平面反射镜201，光源聚焦镜30开口处设有透镜，透镜焦点与该平面反射镜201的中心点重合，使得光源发出的光线能聚焦于该平面反射镜201的中心点。具体的，光源的中心线的入射角α满足：
Figure BDA0003099112810000062
其中n为光学气室主体的内反射壁20的边数。在本实施例中，正多边形的边数n≥3，可根据所需分辨率要求进行调整，n越大则光程越长，分辨率越高。
本发明的光学气室主体内，光线在平面反射镜201与凹面反射镜101之间往复反射，并沿着内反射壁20与外反射壁10之间的通道周向向前传输。在此基础上，该传感器实现过程中：
发散红外光的光源经透镜以一定角度聚焦后入射至平面反射镜201的中心处，平面反射镜201将光线反射后射入凹面反射镜101，凹面反射镜101再将光以相同的角度聚焦到相邻平面反射镜201的中心，如此循环使得光线在长光程微型红外气室的内反射壁20与外反射壁10之间沿圆周方向折叠向前传输，直至入射至光探测器处。
本实施例的内反射壁20为内部中空的结构，探测器通孔12位于内反射壁20的腔内，且内反射壁20的其中一平面反射镜201(第m(m≤n)面平面反射镜，优选为最后一面平面反射镜)上设有用于透过光线的通孔21；光探测器40穿过探测器通孔12后放置于反射壁20的腔内，光线经过通孔21入射到光探测器40。在本实施例中，光源聚焦镜30的中心、各个平面反射镜201的中心、通孔21的中心位于同一平面，且该平面与光学气室主体的底板11相平行。
优选的，内反射壁20的内部为磨砂表面，通过磨砂表面的漫反射使得进入内反射壁20内部的光线被光探测器接收。
如图3、图4所示，外反射壁10包括第一凹面反射镜M1、第二凹面反射镜M2、第三凹面反射镜M3、第四凹面反射镜M4以及第五凹面反射镜M5，内反射壁20包括第一平面反射镜N1、第二平面反射镜N2、第三平面反射镜N3、第四平面反射镜N4以及第五平面反射镜N5，光源聚焦镜30设于第一凹面反射镜M1处，通孔21位于第五平面反射镜N5的中心。
光学气室主体中，光源发出的光束(图中的光线所示)以α＝54°的入射角射入第一平面反射镜N1的中心，第一平面反射镜N1将光线反射并发散射入第二凹面反射镜M2上，第二凹面反射镜M2将光线反射并聚焦射入第二平面反射镜N2的中心，依次类推，光线以同样的方式依次经过第三凹面反射镜M3、第三平面反射镜N3、第四凹面反射镜M4、第四平面反射镜N4、第五凹面反射镜M5的反射后射入第五平面反射镜N5，并经由通孔21射入内反射壁20内部，经过内反射壁20内壁的漫反射后将光线均匀的入射到光探测器接收面被光探测器40接收，光探测器40将接收到光信号通过电路转化成可视化气体浓度。
为了以示区分，图中的光线均以虚线进行表示。
本实施例中，光学气室主体一体成型，即内反射壁20、外反射壁10、底板11、光源聚焦镜30均一体成型。
实施例二
如图6、图7所示，一种长光程微型红外气室，与实施例一不同的是，本实施例中正多边形的边数n为6，即平面反射镜201和凹面反射镜101的数量均为6，即6面平面反射镜201呈六边形排列，6面凹面反射镜101设于正六边形外围。
如图10所示，每一凹面反射镜101的曲率中心(即圆心O2)位于与其对应的正多边形的内角中心线(即该内角与正多边形中心的连线)上，凹面反射镜101的各位置的曲率相同，且其曲率半径R满足：
Figure BDA0003099112810000081
其中d为凹面反射镜101的中心到与其相邻的正多边形的顶点的距离，a为正多边形的边长，n为正多边形的边数，且n大于等于3。
光源斜向射入光学气室主体的其中一平面反射镜201，且光源的入射光线平行于光学气室主体的底板11。具体的，光源的中心线的入射角α满足：
Figure BDA0003099112810000082
其中n为光学气室主体的内反射壁20的边数。在本实施例中，正多边形的边数n≥3，可根据所需分辨率要求进行调整，n越大则光程越长，分辨率越高。光源聚焦镜30的透镜焦点与该平面反射镜201的中心点重合，使得光源发出的光线能聚焦于该平面反射镜201的中心点。
本实施例的内反射壁20为实心结构(也可为空心结构)，探测器通孔12位于外反射壁10与内反射壁20之间(第m(m≤n)面平面反射镜的外侧)，且探测器通孔12的正上方设有斜面反射镜13，使得光探测器通过探测器通孔12伸入外反射壁10与内反射壁20之间，且射入斜面反射镜13的光线经过反射后可以直接射入光探测器的位置处。在本实施例中，光源聚焦镜30的中心、各个平面反射镜的中心、斜面反射镜13的中心位于同一平面，且该平面与光学气室主体的底板相平行。本实施例适用于探测器尺寸较大、需安装于内反射壁外部的场合，且本实施例中的内反射壁可为空心结构，也可为实心结构。
优选的，斜面反射镜13的中心高度与内反射壁20的中心高度一致。在一个具体实施例中，斜面反射镜13相对底板11的倾斜角为45°，使得横向射入斜面反射镜13的光线经过90°反射后射入位于其正下方的光探测器处。
优选的，光学气室主体内设有内凹弧边14，内凹弧边的内凹面朝向光源背向发光的一侧。通过内凹弧边14可以遮挡光源的杂散光，进而增强该传感器的稳定性。
如图8、图9所示，外反射壁10包括第一凹面反射镜P1、第二凹面反射镜P2、第三凹面反射镜P3、第四凹面反射镜P4、第五凹面反射镜P5以及第六凹面反射镜(图中未示出)，内反射壁20包括第一平面反射镜Q1、第二平面反射镜Q2、第三平面反射镜Q3、第四平面反射镜Q4、第五平面反射镜Q5以及第六平面反射镜Q6，光源聚焦镜30设于第一凹面反射镜P1处，光探测器40穿过探测器通孔12后位于第五平面反射镜Q5的外侧。
光学气室主体中，光源发出的光束(图中的光线所示)以60°的入射角射入第一平面反射镜Q1的中心，第一平面反射镜Q1将光线反射并发散射入第二凹面反射镜P2上，第二凹面反射镜P2将光线反射并聚焦射入第二平面反射镜Q2的中心，依次类推，光线以同样的方式依次经过第三凹面反射镜P3、第三平面反射镜Q3、第四凹面反射镜P4、第四平面反射镜Q4、第五凹面反射镜P5、第五平面反射镜Q5的反射后射入斜面反射镜，并经由斜面反射镜13的反射后传输到光探测器接收面被光探测器40接收，光探测器40将接收到光信号通过电路转化成可视化气体浓度。
本实施例中，光学气室主体一体成型，即内反射壁20、外反射壁10、底板11、光源聚焦镜30、斜面反射镜13均一体成型。
上述两个实施例中的凹面反射镜、平面反射镜的数量仅做示意，其他数量的凹面反射镜、平面反射镜均可实现本发明所示目的；同时外反射壁的整体形状以及探测器的位置均可以根据具体应用环境的不同进行调整。
本发明通过“梅花形”的外反射壁与“多边形”的内反射壁相互配合，改变了传统单纯反射的气室结构，使得光在气室内折叠向前传输，在有限的空间内有效增大了光程，提高了传感器的检测分辨率，同时减少了光线传播过程中的衰减；另外，本发明结构简单，降低了传感器对光源光束的要求，同时减少了对高精密元器件的要求，降低了从传感器的成本。
以实施例2(平面反射镜和凹面反射镜的数量均为6)和美国专利US7244939B2为例进行对比说明，在业内规范的4系气体传感器的外径尺寸为20cm，美国专利US7244939B2的完整光学气室光程长度约为4cm，本发明实施例2的光学气室光程长度为6.5cm。对比可知本发明的光学气室结构应用于红外气体传感器后，相较于传统的红外气体传感器与待测气体相互作用的光程长度增加1.5倍以上，可以实现在不改变红外气体传感器外形尺寸的前提下，提高有效光程。
上述的光程长度指的是，由光源发出的光线沿着气室内外壁反射镜对沿轴向传播，并到达探测器的光路长度；同时，随着平面反射镜和凹面反射镜的对数的增加，有效光程也会随之增加。
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)

1.一种长光程微型红外气室，其特征在于，包括光学气室主体，所述光学气室主体包括环形的外反射壁和设于所述外反射壁内部的内反射壁；
所述外反射壁包括多个凹面反射镜，多个所述凹面反射镜的侧面依次连接围成环形；
所述内反射壁包括多个平面反射镜，多个所述平面反射镜的侧面依次连接形成正多边形，每个所述凹面反射镜的曲率中心位于所述正多边形中对应的内角中心线上，所述凹面反射镜的各位置的曲率相同，且其曲率半径R满足：
Figure 756420DEST_PATH_IMAGE002
，其中d为所述凹面反射镜的中心到与其相邻的所述正多边形的顶点的距离，a为正多边形的边长，n为正多边形的边数，且n大于等于3；
光源发出的光线以α角度入射到所述平面反射镜，再以相同反射角反射到相邻的所述凹面反射镜，且入射光的焦点与所述平面反射镜的中心点重合；所述凹面反射镜再将光反射聚焦到下一相邻所述平面反射镜的中心位置，光线在所述平面反射镜与所述凹面反射镜之间如此往复反射沿圆周形通道方向以折叠方式向前传播。
2.根据权利要求1所述的长光程微型红外气室，其特征在于，所述光学气室主体的内反射壁与外反射壁之间通过底板连接。
3.根据权利要求1所述的长光程微型红外气室，其特征在于，在所述光学气室主体内，所述平面反射镜与所述凹面反射镜沿圆周方向交错排列，形成反射镜对；光线在反射镜对之间往复反射，并沿着所述内反射壁与所述外反射壁之间的周向通道向前传输。
4.根据权利要求1所述的长光程微型红外气室，其特征在于，所述由内反射壁、外反射壁和底板构成的光学气室主体结构一体成型。
5.一种长光程微型红外气室的红外气体传感器，其特征在于，包括电路板和权利要求1-4任一项所述的长光程微型红外气室，所述电路板上设有光源和光探测器，所述光源和所述光探测器延伸至所述长光程微型红外气室的光学气室主体内部。
6.根据权利要求5所述的长光程微型红外气室的红外气体传感器，其特征在于，光学气室底部中心位置开设用于穿过探测器的探测器通孔，所述探测器穿过所述探测器通孔后位于所述内反射壁的内腔；最后一块内反射壁中心位置开设通光的通孔，光经最后一块外反射壁反射后由所述通孔进入所述内反射壁的内腔，达到探测器处。
7.根据权利要求5所述的长光程微型红外气室的红外气体传感器，其特征在于，光学气室底部偏心位置开设用于穿过探测器的探测器通孔，所述探测器穿过所述探测器通孔后位于所述内反射壁与所述外反射壁之间，所述探测器通孔的正上方设有斜面反射镜，光经过斜面反射镜反射后入射到探测器。
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