CN115266625A - 基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其中所述的气体传感器包括激光器、反射镜和探测器，所述的激光器、反射镜和探测器形成一条单光路，所述的激光器发出激光光束，所述的反射镜反射和聚焦激光光束，并将激光光束聚焦后发散投射到所述的探测器上。采用了本发明的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，由于其中通过特殊设计的光路结构，实现单次反射，且装调简单。特殊处理的反射面采用氧化发黑处理，减少了反射面落灰等对光信号的干扰，同时采用的传感器信号计算算法简单，能够降低数据处理负担，节省成本。

Description

基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器

技术领域

本发明涉及一种气体传感器，具体涉及一种基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器。

背景技术

甲烷在自然界中分布广泛且具有较高的燃烧热，因此是使用最为广泛的燃气，同时也是重要的化工原料。但同时甲烷具有较低的爆炸下限(5％vol)，遇火容易发生爆炸事故。据统计每年瓦斯(甲烷)爆炸约占特大事故总数的70％左右，因此瓦斯又被称为煤矿灾害之王。另外甲烷也是一种温室气体，同量甲烷的温室效应是二氧化碳的二十多倍。所以不管是从减少安全事故的角度还是控制温室效应的角度考虑，我们都应该严格监控甲烷浓度。目前，新修订后的《安全生产法》第36条已明确规定：“餐饮等行业的生产经营单位使用燃气的，应当安装可燃气体报警装置，并保障其正常使用。”可见全社会已经越来越重视甲烷的检测。而传统的电化学及半导体甲烷传感器虽然有价格低廉的优势但也具有气体选择性差易受干扰的缺点。近年来基于NDIR原理的红外甲烷传感器和基于TDLAS技术的激光甲烷传感器越来越收到重视。相较于红外甲烷传感器，激光甲烷传感器具有更好气体选择性好，对空气湿度不敏感的优势，但其较高的价格阻碍了市场普及程度。

专利CN 107991238 A《一种激光甲烷传感器》经过3次光路反射形成了M形的光路结构，但该结构存在实际光路调教过于困难的情况。由于光路反射中存在两倍关系(反射面倾斜1度则反射光线改变2度)，光路经过多次反射后，比较容易造成光线无法覆盖探测器的情况。这就要求零件加工及装配过程保持很高的精度，否则很难保持较好的良率，这样也就带来了加工成本过高的特点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采用特殊设计的光路结构，特殊处理的反射面，提供了一种基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器。

本发明的该基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，所述的气体传感器包括激光器、反射镜和探测器，所述的激光器、反射镜和探测器形成一条单光路，所述的激光器发出激光光束，所述的反射镜反射和聚焦激光光束，并将激光光束聚焦后发散投射到所述的探测器上。

较佳地，所述的反射镜的反射面为具有球面特征的凹面镜，且所述的反射面经过氧化发黑处理。

较佳地，所述的反射镜为铝合金反射镜。

较佳地，所述的反射镜的反射面的球心处于特定位置，该特定位置为入射光线-反射光线的角平分线和激光器-探测器的中垂线的交点。

较佳地，所述的激光器为使用球透镜的TO真空封装形式，该封装的优势为可以将激光器芯片原始的高发散角的光束进行扩束和准直，使得经过激光器透镜出射的光为准平行光。

较佳地，所述的激光器内部封装有TEC芯片和热敏电阻，所述的激光器芯片为DFB芯片，TEC芯片为半导体制冷/制热器件，热敏电阻和激光器裸芯片贴装在TEC芯片表面，在外部电路控制下，实现TEC芯片表面恒温。

较佳地，所述的激光器在工作温度为25℃，工作电流为30mA时，激光波长范围为1651～1654nm，光功率范围为5～10mW。

较佳地，所述的探测器为InGaAs芯片，同样使用了球透镜的TO管帽封装形式，可以为真空封装，或者管帽内封装有已知浓度的甲烷气体(例如10％～20％LEL),且该探测器的响应光谱范围为900～1700nm。

较佳地，所述的气体传感器还包括反射镜支架和加热器，所述的反射镜支架内部为中空结构，且表面经过喷砂和氧化发黑处理，这有利于增加该支架的表面积，提高对传感器的加热效率；所述的反射镜支架用于固定所述的反射镜，所述的加热器位于所述的反射镜的中空位置处，可以对反射镜支架7进行加热，当环境湿度较大时(例如相对湿度＞80％时)，加热器开启加热功能，防止反射镜面上凝结水雾，提高高湿环境下的适应性。

较佳地，所述的气体传感器还包括传感器底座，所述的传感器底座布置有PCB电路板，主要为激光器驱动及控温电路，探测器、压强及温度传感器电路，以及加热控制电路等，整个PCB板部分使用灌封胶密封；所述的PCB电路板尾部设置有通讯线缆，用于数据通讯。

较佳地，所述的气体传感器还包括壳体，所述的壳体的内侧附有高密度的席型网，用于防止灰尘进入传感器内部。

较佳地，所述的气体传感器通过处理数据得到静默信号C、吸收峰信号A和拟合非吸收信号B，并通过计算比例系数K进而确定甲烷浓度，具体为：

根据以下公式计算比例系数K：

K＝(B-C)/(A-C)

其中，A为工作时段信号的吸收峰位置的信号值，B为到达A点时刻拟合曲线对应的取值，C为静默时段的平均信号值。

采用了本发明的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，由于其中通过特殊设计的光路结构，实现单次反射，且装调简单。特殊处理的反射面采用氧化发黑处理，减少了反射面落灰等对光信号的干扰。(通常用的镀金反射面反射率较高，对落灰比较敏感)，同时采用的传感器信号计算算法简单，能够降低数据处理负担，节省成本。

附图说明

图1为本发明的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器的光路仿真图。

图2为本发明的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器的传感器剖面图。

图3为本发明的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器的传感器剖面侧视图。

图4为本发明的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器的光路示意图。

图5为本发明的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器的传感器信号图。

图6为本发明的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器的灰色粉尘污染下50％LEL甲烷测试图。

附图标记：

1 激光器

2 入射光束

3 反射镜

4 反射光束

5 探测器

6 压强及湿度传感器

7 反射镜支架

8 壳体

9 传感器底座

10 PCB电路板

11 通讯线缆

12 第一球透镜

13 第二球透镜

14 球面反射镜

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

在详细说明根据本发明的实施例前，应该注意到的是，在下文中，第一和第二之类的关系术语仅仅用来区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不一定要求或暗示这种实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包含”或任何其他变体旨在涵盖非排他性的包含，由此使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包含这些要素，而且还包含没有明确列出的其他要素，或者为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如图1、2所示，本发明的该基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，所述的气体传感器包括激光器1、反射镜3和探测器5，所述的激光器1、反射镜3和探测器5形成一条单光路，所述的激光器1发出激光光束，所述的反射镜3反射和聚焦激光光束，并将激光光束聚焦后发散投射到所述的探测器5上。图1中激光器前有第一球透镜，探测器前有第二球透镜，球透镜粘接在管帽上，激光器芯片贴装在底座上，管帽在真空环境下封装在底座上。

本发明并未强调小型化，而是直接使用了单次反射的光路结构，有利于提高装调的可控性。假如每个镜片安装时发生1°的偏差，对于单次反射系统会有2°的反射误差，而对于3次反射系统则是8°的误差。同时3个反射镜的联调难度远大于1个反射镜。两种不同设计会体现在产品装调良率上，单次反射系统会明显提高装调良率。

在一种较佳的实施方式中，所述的激光器1为使用球透镜的TO真空封装形式，该封装的优势为可以将激光器芯片原始的高发散角的光束进行扩束和准直，使得经过激光器1透镜出射的光为准平行光。

在一种较佳的实施方式中，所述的激光器1内部封装有TEC芯片和热敏电阻，所述的激光器芯片为DFB芯片，所述的热敏电阻和激光器内部芯片贴装在TEC芯片表面，所述的TEC芯片为半导体制冷或制热器件，保证激光器在恒温模式下工作。

在一种较佳的实施方式中，所述的激光器1在工作温度为25℃，工作电流为30mA时，激光波长在1651～1654nm范围内，光功率在5～10mW范围内。

在一种较佳的实施方式中，所述的反射镜3为反射面具有球面特征的凹面镜，其具有使反射光束在到达探测器前先聚焦后发散的特点。

如图4所示，发明申请使用了球面特征的凹面镜，且该球面反射镜具有图4所示的特殊设计：反射镜面的球心设置在特定位置，该特定位置为入射光线-反射光线的角平分线和激光器-探测器的中垂线的交点。

在一种较佳的实施方式中，所述的反射镜3为金属材质，优先选为铝合金，加工后的反射面具有镜面效果。

在一种较佳的实施方式中，所述的反射镜3表面经过氧化发黑处理，传统的镀金或镀铝的反射镜面在1654nm波段具有很高的反射率(＞92％)，可以使探测器5具有很高的信号强度。如图6所示，在使用中也存在这样一个缺点：当传感器使用环境较差时，空气中的粉尘颗粒吸附在镜面上会导致反射率急剧下降，同时由于使用多个反射镜会使这种影响加大，这将使探测器信号快速下降。这与传感器出厂标定时的情况(无灰尘)差距较大，容易导致测试结果偏差较大甚至会报错。

而本发明申请反射镜面采用氧化发黑处理，有如下几个优点：

1)由于反射镜反射率较低，且只有一个反射镜，所以存在灰尘吸附的情况下，反射率变化不大，传感器仍能正常工作(测量误差＜±3％)；

2)氧化发黑工艺成本更低，化学稳定性更好。

这将使得该反射镜具有良好的稳定性(主要指化学稳定性、疏水性和反射率稳定性)，从而使得本发明申请传感器更能胜任环境恶劣的工作环境。

在一种较佳的实施方式中，所述的探测器5为InGaAs芯片，同样使用了球透镜的TO管帽封装形式，可以为真空封装，或者管帽内封装有已知浓度的甲烷气体(例如10％～20％LEL，其中LEL指爆炸下限)，且该探测器的响应光谱范围为900～1700nm。其中，球透镜的TO管帽封装形式使得入射光线具有准平行光的效果。

在一种较佳的实施方式中，如图2、3所示，所述的气体传感器还包括反射镜支架7和加热器，所述的反射镜支架7内部为中空结构，且表面经过喷砂和氧化发黑处理，这有利于增加该支架的表面积，提高对传感器的加热效率；所述的反射镜支架7用于固定所述的反射镜，所述的加热器位于所述的反射镜3的中空位置处，可以对反射镜支架7进行加热，当环境湿度较大时(例如相对湿度＞80％时)，加热器开启加热功能，防止反射镜面上凝结水雾，提高高湿环境下的适应性。

在一种较佳的实施方式中，如图2、3所示，所述的气体传感器还包括传感器底座9，所述的传感器底座9布置有PCB电路板10，主要为激光器驱动及控温电路，探测器、压强及温度传感器电路，以及加热控制电路等，整个PCB电路板10部分使用灌封胶密封；所述的PCB电路板10尾部设置有通讯线缆，用于数据通讯。

在一种较佳的实施方式中，所述的气体传感器还包括壳体8，所述的壳体8的内侧附有高密度的席型网，用于防止灰尘进入传感器内部。

如图5所示，为本发明的传感器信号图，同时提供了一种传感器的信号计算方法，在传感器一个探测周期内分为工作时段和静默时段两个阶段，工作时段激光器出光，探测信号包含甲烷吸收信号。静默时段激光器不出光，探测信号代表环境光底噪。

由于红外气体吸收现象满足朗伯-比尔吸收定律：

I＝I₀·exp(-μCL)；

其中I为经过气体吸收后的光强信号，I₀为无气体吸收的光强信号，μ为气体分子吸收系数，C为气体浓度，L为光程。上式变形后可得

ln(I₀/I)＝μCL；

因此浓度

由于μ和L均为常数，因此浓度C∝(I₀/I)。

如图5所示，比值K＝(B-C)/(A-C)等价于(I₀/I)，因此可以应力拟合实际甲烷浓度。直接吸收法的优势是可以通过直接吸收光谱比较容易的计算出(I₀/I)的值，减少了计算量和硬件电路的成本，同时又能满足实际使用环境的需要。

图5中A点代表工作时段信号的吸收峰位置的信号值，B点为在到达A点时刻拟合曲线对应的取值，C点为静默时段的平均信号值。图5中虚线的拟合直线为使用工作曲线中两侧的较为平直部分拟合出来的。

使用比值K＝(B-C)/(A-C)来拟合甲烷气体浓度，可以满足0-100％LEL甲烷气体的检测。该算法简单实用，减少了硬件电路的成本。

B点在拟合曲线上，与A点的横坐标相同(相同时刻)。B点的意义为：如果传感器中没有甲烷气体，探测器在该时刻获得的信号值。公式中的减法运算即为纵坐标(信号值)的运算。本实施例的具体实现方案可以参见上述实施例中的相关说明，此处不再赘述。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

采用了本发明的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，通过特殊设计的光路结构，实现单次反射，且装调简单。特殊处理的反射面采用氧化发黑处理，减少了反射面落灰等对光信号的干扰。(通常用的镀金反射面反射率较高，对落灰比较敏感)，同时采用的传感器信号计算算法简单，能够降低数据处理负担，节省成本。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述的气体传感器包括激光器、反射镜和探测器，所述的激光器、反射镜和探测器形成一条单光路，所述的激光器发出激光光束，所述的反射镜反射和聚焦激光光束，并将激光光束聚焦后发散投射到所述的探测器上。

2.根据权利要求1所述的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述的反射镜的反射面为具有球面特征的凹面镜，且所述的反射面经过氧化发黑处理。

3.根据权利要求2所述的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述的反射镜为铝合金反射镜。

4.根据权利要求2所述的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述的反射镜的反射面的球心处于特定位置，该特定位置为入射光线-反射光线的角平分线和激光器-探测器的中垂线的交点。

5.根据权利要求1所述的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述的激光器内部封装有TEC芯片和热敏电阻，所述的激光器的激光器芯片为DFB芯片，所述的热敏电阻和激光器芯片贴装在TEC芯片表面，所述的TEC芯片为半导体制冷或制热器件。

6.根据权利要求1所述的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述的激光器在工作温度为25℃，工作电流为30mA时，激光波长的范围为1651～1654nm，光功率的范围为5～10mW。

7.根据权利要求1所述的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述的探测器为InGaAs芯片，所述的InGaAs芯片的响应光谱范围为900～1700nm。

8.根据权利要求7所述的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述的探测器通过真空封装，或通过一定浓度的甲烷气体封装，即在探测器的管帽内封装有10％～20％LEL的甲烷气体。

9.根据权利要求1所述的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述的气体传感器还包括反射镜支架和加热器，所述的反射镜支架内部为中空结构且表面经过喷砂和氧化发黑处理，所述的反射镜支架用于固定所述的反射镜，所述的加热器位于所述的反射镜支架的中空位置处，用于对反射镜支架进行加热。

10.根据权利要求1所述的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述的气体传感器还包括传感器底座，所述的传感器底座布置有PCB电路板，所述的PCB电路板尾部设置有通讯线缆。

11.根据权利要求1所述的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述的气体传感器还包括壳体，所述的壳体内部设置有高密度的席型网。

12.根据权利要求1所述的基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述的气体传感器通过处理数据得到静默信号C、吸收峰信号A和拟合非吸收信号B，并通过计算比例系数K进而确定甲烷浓度，具体为：

根据以下公式计算比例系数K：

K＝(B-C)/(A-C)

其中，A为工作时段信号的吸收峰位置的信号值，B为到达A点时刻拟合曲线对应的取值，C为静默时段的平均信号值。

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