CN116297202A - 非分光红外气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体探测技术领域，公开了非分光红外气体传感器，包括光学气室、红外光源和探测器，光学气室设有光源入口、光源出口、反射面一、反射面二、反射面三，所述红外光源位于光源入口处，探测器位于光源出口处，所述反射面一为U型且位于红外光源的外侧，反射面二为弧形，反射面三为斜坡状且位于光源出口处，反射面一和反射面二位于光学气室的同一侧，反射面二位于与反射面一和反射面三相对的一侧。本发明利用红外光源、探测器、光学气室内壁的相互配合，使得光路延长，从而提高了精度，并且整体尺寸紧凑，成本低廉，适合大规模生产、使用。
Description
技术领域
本发明涉及气体探测技术领域，尤其涉及一种非分光红外气体传感器。
背景技术
随着现代工业的不断进步，人们的安全意识逐渐增强，对爆炸性气体、可燃性气体、有毒及有害气体等的检测报警方向的研究也引起了社会广泛关注。现有的气体传感器按照其原理大致可分为催化燃烧式、红外式、半导体式、电化学式等。其中，红外传感器是基于气体分子在特定红外光谱波段吸收的原理而设计的气体传感器，被广泛应用于矿井安全、石油勘探、污染源监测、大气物理等领域。同其他传感器相比，红外气体传感器克服了传统催化、电化学传感器易中毒老化、寿命短的缺点，同时红外传感器具有气体选择性较好、高稳定性等特点。
红外传感器一般由红外光源发射出红外光束，然后光束经过光学气室内壁反射，最后被探测器接收。光路长度是影响气体检测质量关键参数，一般光路越长，探测器吸收辐射量越大，产生的电信号也越强，精度也越高，为了获得较长的光路、提高精度，现有的红外传感器往往具有较大的体积，因此亟待一种体积小且精度高的红外气体传感器。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种非分光红外气体传感器。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：非分光红外气体传感器，包括光学气室、设于光学气室内的红外光源和探测器，光学气室设有光源入口、光源出口、反射面一、反射面二、反射面三，所述红外光源位于光源入口处，所述探测器位于光源出口处，所述反射面一为U型且位于红外光源的外侧，反射面二为弧形，反射面三为斜坡状且位于光源出口处，反射面一和反射面二位于光学气室的同一侧，反射面二位于与反射面一和反射面三相对的一侧。
工作原理：红外光源在发射出光束后，一部分光束直接由反射面二反射，之后由反射面三反射至探测器接收；另一部分光束先由光源入口处的反射面一反射，再经由反射面二反射，之后由反射面三反射至探测器接收。
优选的，所述光学气室为长方体，包括两个窄侧壁、两个宽侧壁和两个底面，反射面一和反射面三位于同一窄侧壁上，反射面二位于另一窄侧壁上。这种设置能使反射面一反射至反射面二的光束、反射面二反射至反射面三的光束沿着光学气室的宽侧壁反射，从而获得较长的光学路径。
优选的，反射面三的法线与底面的夹角为45°。
优选的，所述红外光源的中心与两个宽侧壁的距离之比为0.17～0.19，红外光源的中心与两个窄侧壁的距离之比为9；所述反射面二包括位于中间的平面部和分别位于平面部两侧的聚光弧形部；反射面三为部分内锥面，反射面三的轴线与两个宽侧壁的距离之比为2.3～2.4，反射面三的轴线与两个窄侧壁的距离之比为1.1～1.3。
优选的，所述光学气室包括气室壳体和气室上盖，所述气室壳体上设有铆接凸块，所述气室上盖上设有与铆接凸块相匹配的铆接凹口。
采用榫卯式结构设计，将气室壳体和气室上盖组装在一起，不仅能保证光学气室的封闭性，还便于安装，不易分离。
优选的，所述气室壳体和气室上盖采用金属材质。由于红外光源的灯丝、探测器的镜片、敏感元件等容易随温度变化而发生形变，因此，选择用金属材质，具有良好的导热性，相比较于塑料材质的外壳，温度性能可以改善很多。
优选的，气室壳体上设有气孔。这种设置便于气体进入光学气室内，有利于气体交换。
优选的，光学气室外依次设有防水透气膜、防尘过滤棉和防护布。这种设置保证了光学气室的密封完整性，防止起雾和凝结，可以延长产品寿命。
优选的，所述红外光源和探测器集成于电路板上且位于光学气室的同一侧。电路板设于气室上盖的外侧，电路板和气室壳体上对应设有连接孔，电路板和气室壳体通过连接孔内的螺丝实现连接，电路板连接后，气室上盖位于电路板和气室壳体之间并实现固定，气室上盖和电路板之间设有塑料垫。
本发明还包括能够使非分光红外气体传感器正常使用的其它组件，均为本领域的常规技术手段。另外，本发明中未加限定的装置或组件均采用本领域中的常规技术手段。
本发明提供了一种单光源、单探测器的双通道非分光红外气体传感器，具有体积小、精度高、无氧气依赖性等特点。
本发明利用红外光源、探测器、光学气室内壁的相互配合，使得光路延长，使被测气体对红外光能够进行充分的吸收，从而提高了精度，并且整体尺寸紧凑，成本低廉，适合大规模生产、使用。
附图说明
图1是本实施例的结构示意图。
图2是本实施例的爆炸示意图。
图3是图2中气室壳体的仰视图。
图4是图2中气室壳体的结构示意图。
图5是图2中气室壳体另一视角的结构示意图。
图6是图2中气室上盖的结构示意图。
图7是本实施例的工作原理示意图。
图中：1、防护布；2、防尘过滤棉；3、防水透气膜；4、气室壳体；5、气室上盖；6、电路板；7、红外光源；8、探测器；9、反射面一；10、反射面二；11、反射面三；12、铆接凸块；13、气孔；14、连接孔；15、塑料垫。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
参见图1-7，非分光红外气体传感器，包括光学气室、设于光学气室内的红外光源7和探测器8，光学气室设有光源入口、光源出口、反射面一9、反射面二10、反射面三11，所述红外光源7位于光源入口处，所述探测器8位于光源出口处，所述反射面一9为U型且位于红外光源7的外侧，反射面二10为弧形，反射面三为斜坡状且位于光源出口处，反射面一9和反射面二10位于光学气室的同一侧，反射面二10位于与反射面一9和反射面三相对的一侧。
光学气室的内壁需要对红外光源7发射出的光束进行反射，因此在光学气室内壁表层进行镀铝，这样可以形成反射面。
反射面一在靠近光源入口的位置，反射面二发射的光束入射至反射面三，并经反射面三反射至探测器8接收。
红外光源7选用波长为1～5μm的光源。
探测器8选用双通道的热释电/热电堆探测器，该探测器包含两个独立的敏感单元，两个敏感单元具有独立的滤光片通道(分别为滤光片一和滤光片二)，且内部集成了两个独立的温度补偿元件，使其能在更宽的温度范围正常工作。滤光片一是一个参考通道，其中心波长为3.95um，大部分气体在此波长处无吸收峰；滤光片二是一个工作通道，输出信号为测量信号。使用这种双通道的探测器8可以实时检测红外光源7所发射出的光束的信息。
工作原理：红外光源7在发射出光束后，一部分光束直接由反射面二反射，之后由反射面三反射至探测器8接收；另一部分光束先由光源入口处的反射面一反射，再经由反射面二反射，之后由反射面三反射至探测器8接收。
所述光学气室为长方体，包括两个窄侧壁、两个宽侧壁和两个底面，反射面一和反射面三位于同一窄侧壁上，反射面二位于另一窄侧壁上。
反射面三的法线与底面的夹角为45°。
这种设置能使反射面一反射至反射面二的光束、反射面二反射至反射面三的光束沿着光学气室的宽侧壁反射，从而获得较长的光学路径。
所述红外光源的中心与两个宽侧壁的距离之比为0.17～0.19，红外光源的中心与两个窄侧壁的距离之比为9；所述反射面二包括位于中间的平面部和分别位于平面部两侧的聚光弧形部；反射面三为部分内锥面，反射面三的轴线与两个宽侧壁的距离之比为2.3～2.4，反射面三的轴线与两个窄侧壁的距离之比为1.1～1.3。
参见图3，本实施例中，红外光源的中心与两个宽侧壁的距离之比即L1：L2＝2.8：15.5≈0.18；红外光源的中心与两个窄侧壁的距离之比即L3：L4＝27：3＝9；反射面三的轴线与两个宽侧壁的距离之比即L5：L6＝12.65:5.65≈2.239；反射面三的轴线与两个窄侧壁的距离之比即L7：L8＝16.5:13.5≈1.222。
本实施例的特定的红外光源与探测器位置，能在较小的体积下获得较长的光路。
反射面二上的两个聚光弧形部能起到聚光的作用，使反射面二上的大部分光束反射至反射面三；反射面三从靠近探测器的端部开始逐渐收缩，能进一步起到聚光作用，使较多的光束被探测器吸收，两者相配合能够大大降低光束损失，提高探测器吸收的辐射量。
相较于现有技术中同等体积的红外气体传感器，本实施例具有较长的光路、较高的探测器吸收辐射量，因此具有精度高的优点。
所述光学气室包括气室壳体4和气室上盖5，所述气室壳体4上设有铆接凸块12，所述气室上盖5上设有与铆接凸块12相匹配的铆接凹口。
反射面一9、反射面二10、反射面三均位于气室壳体4上，光源入口和光源出口均位于气室上盖5上。
采用榫卯式结构设计，将气室壳体4和气室上盖5组装在一起，不仅能保证光学气室的封闭性，还便于安装，不易分离。
所述气室壳体4和气室上盖5采用金属材质。由于红外光源7的灯丝、探测器8的镜片、敏感元件等容易随温度变化而发生形变，因此，选择用金属材质，具有良好的导热性，相比较于塑料材质的外壳，温度性能可以改善很多。
所述反射面三的倾斜度为45°。
气室壳体4上设有气孔13。这种设置便于气体进入光学气室内，有利于气体交换。
光学气室外依次设有防水透气膜3、防尘过滤棉2和防护布1。这种设置保证了光学气室的密封完整性，防止起雾和凝结，可以延长产品寿命，防护布1采用黑色防护布1。
所述红外光源7和探测器8集成于电路板6上且位于光学气室的同一侧。
电路板6设于气室上盖5的外侧，电路板6和气室壳体4上对应设有连接孔14，电路板6和气室壳体4通过连接孔内的螺丝实现连接，电路板6连接后，气室上盖位于电路板6和气室壳体4之间并实现固定，气室上盖和电路板之间设有塑料垫15。
电路板6上还设有微处理器、信号处理电路、光源驱动电路；微处理器IO口PB1连接有LED驱动模块，LED驱动模块连接红外光源7，可以对红外光源7进行控制；信号处理电路主要由运算放大器和一些电阻电容构成；运算放大器采用双通道运放，其具有低输入失调电压、低温漂、高可靠的特性，相比同类产品，成本更低，是气体探测器等测量设备中模拟小信号调理的优秀选择。
由红外光源发射出红外光束，然后光束经过光学气室内壁反射，最后被探测器接收。光路长度是影响气体检测质量关键参数，一般光路越长，探测器吸收辐射量越大，产生的电信号也越强，因此，相比于红外光源和探测器放置在光学气室相对的两侧，本实施例中的光束会经过光学气室内壁多次反射使得光路延长，从而保证了被测气体对红外光进行了充分的吸收。
由于各种物质分子内部结构的不同，就决定了它们对不同波长光线的选择吸收，即物质只能吸收一定波长的光，吸收关系服从朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律。本实施例的非分光红外气体传感器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，即：
I＝I0*10-kpL
吸收光强i可表示为：
i＝I0-I＝I0(1-10-kpL)
式中，I0为入射光强；I为透过光强，L为气体介质厚度，p为气体浓度，k为介质对红外光的吸收系数。
由上式可以推算出检测气体的气体浓度p：
k*p*L＝-lg(I/I0)
由此可见，已知检测气体对红外光的吸收系数和光路长度，即可得出检测气体的气体浓度。其中，光路长度是影响气体检测质量关键参数，一般光路越长，被测气体能够对红外光进行充分吸收，探测器吸收辐射量越大，产生的电信号也越强，测量结果更精确。
本实施例中，气体从气室壳体表面的气孔进入光学气室；红外光源由LED驱动模块控制发射出红外光束；然后红外光束由光学气室内壁进行至少2次或3次反射，最后被探测器接收；探测器输出的电压信号经过信号处理电路传输到微处理器；微处理器对电压信号进行AD转换处理，温度补偿后得到最终的浓度值；之后对浓度值进行判定，当浓度过高时，传感器进行声光报警。
本发明利用红外光源、探测器、光学气室内壁的相互配合，一方面使得光路延长，使被测气体对红外光能够进行充分的吸收，另一方面降低光束损失，提高探测器吸收的辐射量，从而提高了精度，并且整体尺寸紧凑，成本低廉，适合大规模生产、使用。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (9)
1.非分光红外气体传感器，包括光学气室、设于光学气室内的红外光源和探测器，其特征在于：光学气室设有光源入口、光源出口、反射面一、反射面二、反射面三，所述红外光源位于光源入口处，所述探测器位于光源出口处，所述反射面一为U型且位于红外光源的外侧，反射面二为弧形，反射面三为斜坡状且位于光源出口处，反射面一和反射面二位于光学气室的同一侧，反射面二位于与反射面一和反射面三相对的一侧。
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：所述光学气室为长方体，包括两个窄侧壁、两个宽侧壁和两个底面，反射面一和反射面三位于同一窄侧壁上，反射面二位于另一窄侧壁上。
3.根据权利要求2所述的非分光红外气体传感器，其特征在于：反射面三的法线与底面的夹角为45°。
4.根据权利要求2所述的非分光红外气体传感器，其特征在于：所述红外光源的中心与两个宽侧壁的距离之比为0.17～0.19，红外光源的中心与两个窄侧壁的距离之比为9；所述反射面二包括位于中间的平面部和分别位于平面部两侧的聚光弧形部；反射面三为部分内锥面，反射面三的轴线与两个宽侧壁的距离之比为2.3～2.4，反射面三的轴线与两个窄侧壁的距离之比为1.1～1.3。
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：所述光学气室包括气室壳体和气室上盖，所述气室壳体上设有铆接凸块，所述气室上盖上设有与铆接凸块相匹配的铆接凹口。
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：所述气室壳体和气室上盖采用金属材质。
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：气室壳体上设有气孔。
8.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：光学气室外依次设有防水透气膜、防尘过滤棉和防护布。
9.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：所述红外光源和探测器集成于电路板上且位于光学气室的同一侧。
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| CN116879215A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-10-13 | 上海苏萨电子科技有限公司 | 一种非色散红外气体传感器 |
| CN116879215B (zh) * | 2023-07-18 | 2024-04-09 | 上海苏萨电子科技有限公司 | 一种非色散红外气体传感器 |
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