CN115389442A - 气室及气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气室及基于该气室的气体传感器。气室包括上盖和底座，底座上表面为镜面，设置有发射孔和接收孔，上盖上设置有凹槽，凹槽的内壁是镜面，包括有反射弧面和聚光弧面，且反射弧面和聚光弧面不在同一平面上，上盖上还设置有透气孔，使用时，发射灯固定于发射孔中，接收管固定于接收孔中，上盖以凹槽开口朝向底座的方式覆盖于底座上，以和底座共同构成检测腔体，待检测气体经透气孔扩散进入检测腔体，其中，接收管位于聚光弧面的焦点上，发射灯发出的光经反射弧面反射到聚光弧面，经聚光弧面汇聚后被接收管接收。本发明有助于提高气体检测精度，降低器件成本。

Description

气室及气体传感器
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种气室及气体传感器。
背景技术
红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，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。它与其它类别的气体传感器，如电化学式、催化燃烧式、半导体式气体传感器等相比，具有应用广泛、使用寿命长、灵敏度高、稳定性好、适合气体多、性价比高、维护成本低、可在线检测等一系列优点，被广泛应用于石油化工、冶金工业、工矿开采、大气污染检测、农业、医疗卫生等领域。根据朗伯-比尔定律，检测过程中，光的传播路径越长，气体浓度检测精度越高。故而为提高检测精度，现有的气体传感器经常通过增大气室体积或通过设置复杂的光路(利用各种透镜结构)以增大光的传播路径(即光程)，但这不仅导致气体传感器的体积庞大，结构复杂，成本上升，且较大的气室体积容易导致气体和光的泄露，导致检测精度下降。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种气室及气体传感器，用于解决现有技术中的气体传感器通过增大气室体积或通过设置复杂的光路以增大光的传播路径(即光程)来提高检测精度，导致气体传感器的体积庞大，结构复杂，且较大的气室体积容易导致气体和光的泄露，导致检测精度下降等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种气室，用于检测气体浓度的气体传感器，包括上盖和底座，所述底座上设置有发射孔和接收孔，所述上盖上设置有凹槽，所述凹槽的内壁是镜面，表面包括有反射弧面和聚光弧面，且反射弧面和聚光弧面不在同一平面上，所述上盖上还设置有透气孔，使用时，发射灯固定于所述发射孔中，接收管固定于所述接收孔中，所述上盖以凹槽开口朝向所述底座的方式覆盖于所述底座上，以和所述底座共同构成检测腔体，待检测气体经所述透气孔扩散进入检测腔体，其中，所述接收管位于所述聚光弧面的焦点上，发射灯发出的光经所述反射弧面反射到所述聚光弧面，经所述聚光弧面汇聚后被所述接收管接收。
可选地，所述底座上表面和上盖凹槽均为镜面，底座和上盖通过多个螺丝固定，所述底座和上盖的周向上对应设置有多个螺丝孔。
可选地，所述上盖和底座均为矩形结构，所述螺丝孔位于所述上盖和所述底座的四个顶角上。
可选地，所述底座上设置有若干个第一定位柱和第二定位柱，所述上盖上设置有若干个第一定位孔，当所述上盖覆盖于所述底座上时，所述若干个第一定位柱一一对应固定于所述第一定位孔内；所述第二定位柱用于将所述底座与电路板的预设位置相固定。
可选地，所述透气孔为多个，多个透气孔在所述凹槽的底面上均匀间隔分布。
可选地，所述气室还包括透气膜，所述透气膜位于所述凹槽外部，且覆盖于所述透气孔的表面，所述透气膜为亲水性薄膜。
可选地，所述底座上设置有凸筋，所述上盖的周向上对应设置有卡槽，当上盖覆盖于所述底座上时，所述凸筋对应嵌设于所述卡槽内。
可选地，所述底座与上盖暴露于检测腔体中的内表面均为镜面，所述反射弧面和聚光弧面均通过镀膜工艺形成。
本发明还提供一种气体传感器，所述气体传感器包括如上述任一方案中所述的气室。
可选地，所述气体传感器为二氧化碳、一氧化碳、甲烷等红外气体传感器。
如上所述，本发明的气室及气体传感器，具有以下有益效果：本发明经改善的结构设计，在气室内的凹槽侧壁设置反射弧面和聚光弧面，在有限的空间内使光程最大化，反射弧面和聚光弧面采用镜面工艺制备，利用弧面反射，反射能量衰减少，有助于提高传感器精度；气室仅有上盖和底座两个零件，结构简单，装配方便，可提高产品良率，降低器件成本。
附图说明
图1显示为本发明提供的气室的俯视结构示意图。
图2显示为本发明提供的气室的侧视图。
图3显示为图1中的底座的仰视图。
图4显示为图1中的上盖的仰视图。
图5显示本发明提供的气室在使用过程中的光路示意图。
元件标号说明
1 上盖
11 凹槽
12 反射弧面
13 聚光弧面
14 透气孔
15 螺丝孔
16 第一定位孔
17 发射灯限位结构
18 卡槽
2 底座
21 发射孔
22 接收孔
23 螺丝孔
25 第二定位孔
3 透气膜
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
NDIR(非分红外)技术检测气体浓度的依据是Lambert-Beer(朗伯-比尔)定律。被测气体，比如二氧化碳气体通过气室透气孔扩散进入气室，使气室内外浓度一致时，当红外发射灯发光穿过被测气体时，气体分子对特定波长的红外光进行吸收，其吸收关系可用关系式1表示:
I1＝I0e-KCL 式1
式1中，I1为接收光强度，I0为发射光强度，K为吸收系数，C为被测气体浓度，L为光程。
从式1可以看到，气室的外形尺寸一定的情况下，光程(光的传输路径)越长，同一浓度情况下光的差值变大，则气体传感器测量差值越大，有利于提高传感器精度。现有技术中为提高光程的常用方法为增大气室体积及利用各种透镜设置复杂的光路，这不仅导致气体传感器的体积庞大，结构复杂，成本上升，且较大的气室体积容易导致气体和光的泄露，导致检测精度下降。为此，本申请的发明人在长期工作中，经大量研究提出了一种改善方案。
具体地，如图1至5所示，本发明提供一种用于气体传感器的气室，以用于检测气体浓度，所述气室包括上盖1和底座2，所述底座2上设置有发射孔21和接收孔22，所述上盖1上设置有凹槽11，所述凹槽11优选类似矩形槽，所述凹槽11的内壁是镜面，表面包括反射弧面12和聚光弧面13，且反射弧面12和聚光弧面13不在同一平面上，通常位于两个相对的侧壁表面，所述上盖1上还设置有透气孔14，透气孔14的孔径和数量可以根据需要设置，具体不做限制；使用时，发射灯固定于所述发射孔21中，接收管固定于所述接收孔22中，以使发射灯与接收管能紧密接触气室，通过精密设计防止漏光；所述上盖1以凹槽11开口朝向所述底座2的方式覆盖于所述底座2上，或者说底座2将上盖1的凹槽11封闭，以和所述底座2共同构成密闭的检测腔体，待检测气体经所述透气孔14扩散进入检测腔体，其中，所述接收管位于所述聚光弧面13的焦点上，发射灯发出的光经所述反射弧面12反射到所述聚光弧面13，经所述聚光弧面13汇聚后被所述接收管接收(参考图5所示)。本发明经改善的结构设计，在气室内的凹槽侧壁设置反射弧面和聚光弧面，在有限的空间内使光程最大化，反射弧面和聚光弧面采用镜面工艺制备，利用弧面反射，反射能量衰减少，发射光被尽量聚焦接收，可提高光的能量等级，使光信号尽量大，有助于提高传感器精度；气室仅有上盖和底座两个零件，结构简单，装配方便，可提高产品良率，降低器件成本。
作为示例，所述反射弧面12和聚光弧面13均通过镀膜工艺形成，反射弧面12和聚光弧面13顾名思义均具有一定的弧度，可分别实现反射和汇聚作用。比如如图5所示，所述反射弧面12为中间部分向上凸出的弧面，所述聚光弧面13为中间部分向下凸出的弧面，发射灯发出的光入射至所述反射弧面12，然后反射至所述聚光弧面13进行汇聚，最终被位于聚光弧面13焦点上的接收管接收。所述反射弧面12的镀膜材质可以为金、铝等金属材质和/或交替层叠的SiO2薄膜层与Si薄膜层、交替层叠的SiO2薄膜层与TiO2薄膜层、或交替层叠的SiO2薄膜层与Ta2O5薄膜层，根据不同的材质可以选择物理气相沉积或化学气相沉积工艺形成；所述聚光弧面13的镀膜材质可以为二氧化硅。两个弧面的具体弧度和接收管的位置相关，具体可根据气室体积而定，具体不做限制，比如反射弧面的弧度可为90度以上，而聚光弧面可小于90度，两者位于凹槽内壁两个相对的表面上以尽量扩大光程。通过本发明的设置，可在气室体积一定的情况下实现光程最大化。
作为示例，所述底座2和上盖1通过多个螺丝固定，所述底座2和上盖1的周向上对应设置有多个螺丝孔15/23。比如所述上盖1和底座2均为类似矩形结构(即两者的轮廓均为矩形)，所述螺丝孔15/23位于所述上盖1和所述底座2的四个顶角上，以通过螺丝将上盖1和底座2严实密封，确保气室气密性。
如图3所示，作为示例，所述底座2上设置有若干个第一定位柱和第二定位柱25，所述上盖1上设置有若干个第一定位孔16，当所述上盖1覆盖于所述底座2上时，所述若干个第一定位柱一一对应固定于所述第一定位孔16内；所述第二定位柱25用于将所述底座2与电路板的预设位置相固定。本示例中，第一定位柱为一个，第一定位柱与发射孔21相邻设置；第二定位柱25为2个，分别位于发射孔21和接收孔22附近，以确保电路板与底座2相对固定，保障发射灯与接收管相对位置固定，确保发射与接收光路一致，提高产品一致性。
如图4所示，作为示例，所述透气孔14为多个，比如为3个及以上，多个透气孔14在所述凹槽11的底面上(或者说透气孔14连通至凹槽11)均匀间隔分布，可使环境中的待测气体快速扩散至检测腔体内，使环境中被测气体与气室中被测气体达到平衡，能精准反映环境中被测气体浓度，且透气孔通常位于光程路径上，或者说光的传播路径至少部分对应位于透气孔的正下方。在进一步的示例中，透气孔14上设置有透气膜3(即所述透气膜3位于所述凹槽11外部，且覆盖于所述透气孔14的表面)，透气膜3为亲水性薄膜，能保障气室内部湿度的稳定，且透气膜3能隔绝大部分颗粒污染物，保证气室内部的洁净度，提高检测精度。透气膜3可包括但不限于聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚砜酰胺、磺化聚砜、交链的聚乙烯醇、改性丙烯酸聚合物等材质的过滤膜。
在一示例中，所述上盖1上还设置有发射灯限位结构17，所述发射灯限位结构17对应位于所述发射孔21的上方，所述发射灯限位结构可以为向上盖1上表面凸出的球形凸起，以在安装时通过所述发射灯限位结构17确认所述发射灯的安装位置。
在一示例中，所述底座2上设置有凸筋，所述上盖1的周向上对应设置有卡槽18，当上盖1覆盖于所述底座2上时，所述凸筋对应嵌设于所述卡槽18内。通过卡槽18和凸筋的紧密配合，保证上盖1与底座2安装到位后，气室内腔气密。当然，在其他示例中，也可以在上盖上设置凸筋而在底座上设置卡槽以将上盖和底座密封，对此不做严格限制。
作为示例，所述底座2与上盖1暴露于检测腔体中的内表面，包括所述底座上表面和上盖凹槽均为镜面，可减少漫反射，能使光以光束形式传播，尽量减少光的损失。该镜面可通过选择合适的底座2与上盖1的材质，对两者的内表面进行镜面研磨工艺制备而成，还可以通过贴膜或镀膜形成。
本发明的气室可以广泛应用于多种气体传感器中，通过巧妙的设计，在有限的空间内将光程最大化，有助于提高检测精度。故而本发明还提供一种气体传感器，所述气体传感器包括上述任一方案中所述的气室。所述气体传感器还包括发射灯、接收管和电路板，所述发射灯设置于所述发射孔21内，所述接收管设置于所述接收孔22内，而所述电路板设置于所述底座2背离上盖1的表面，并通过第二定位柱25和底座2定位固定。所述气体传感器较优地为二氧化碳红外气体传感器、一氧化碳红外气体传感器和甲烷红外气体传感器中的任意一种，故而所述发射灯为可发出红外光的灯管，所述气体传感器可用于检测二氧化碳、一氧化碳和甲烷气体浓度。对所述气室的更多介绍还请参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。
综上所述，本发明提供一种气室及基于该气室的气体传感器。本发明提供一种用于气体传感器的气室，包括上盖和底座，所述底座上设置有发射孔和接收孔，所述上盖上设置有凹槽，所述凹槽的内壁是镜面，表面包括反射弧面和聚光弧面，且反射弧面和聚光弧面不在同一平面上，所述上盖上还设置有透气孔，使用时，发射灯固定于所述发射孔中，接收管固定于所述接收孔中，所述上盖以凹槽开口朝向所述底座的方式覆盖于所述底座上，以和所述底座共同构成检测腔体，待检测气体经所述透气孔扩散进入检测腔体，其中，所述接收管位于所述聚光弧面的焦点上，发射灯发出的光经所述反射弧面反射到所述聚光弧面，经所述聚光弧面汇聚后被所述接收管接收。本发明经改善的结构设计，在气室内的凹槽侧壁设置反射弧面和聚光弧面，在有限的空间内使光程最大化，反射弧面和聚光弧面采用镜面工艺制备，利用弧面反射，反射能量衰减少，有助于提高传感器精度；气室仅有上盖和底座两个零件，结构简单，装配方便，可提高产品良率，降低器件成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种气室，用于检测气体浓度的气体传感器，其特征在于，包括上盖和底座，所述底座上设置有发射孔和接收孔，所述上盖上设置有凹槽，所述凹槽的内壁是镜面，表面包括有反射弧面和聚光弧面，且反射弧面和聚光弧面不在同一平面上，所述上盖上还设置有透气孔，使用时，发射灯固定于所述发射孔中，接收管固定于所述接收孔中，所述上盖以凹槽开口朝向所述底座的方式覆盖于所述底座上，以和所述底座共同构成检测腔体，待检测气体经所述透气孔扩散进入检测腔体，其中，所述接收管位于所述聚光弧面的焦点上，发射灯发出的光经所述反射弧面反射到所述聚光弧面，经所述聚光弧面汇聚后被所述接收管接收。
2.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述底座上表面和上盖凹槽均为镜面，底座和上盖通过多个螺丝固定，所述底座和上盖的周向上对应设置有多个螺丝孔。
3.根据权利要求2所述的气室，其特征在于，所述上盖和底座均为矩形结构，所述螺丝孔位于所述上盖和所述底座的四个顶角上。
4.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述底座上设置有若干个第一定位柱和第二定位柱，所述上盖上设置有若干个第一定位孔，当所述上盖覆盖于所述底座上时，所述若干个第一定位柱一一对应固定于所述第一定位孔内；所述第二定位柱用于将所述底座与电路板的预设位置相固定。
5.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述透气孔为多个，多个透气孔在所述凹槽的底面上均匀间隔分布。
6.根据权利要求5所述的气室，其特征在于，所述气室还包括透气膜，所述透气膜位于所述凹槽外部，且覆盖于所述透气孔的表面，所述透气膜为亲水性薄膜。
7.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述底座上设置有凸筋，所述上盖的周向上对应设置有卡槽，当上盖覆盖于所述底座上时，所述凸筋对应嵌设于所述卡槽内。
8.根据权利要求1-7任一项所述的气室，其特在于，所述反射弧面和聚光弧面均通过镀膜工艺形成。
9.一种气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括如权利要求1-8任一项所述的气室。
10.根据权利要求9所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括二氧化碳红外气体传感器、一氧化碳红外气体传感器和甲烷红外气体传感器中的任意一种。
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