CN116539554A - 一种多气体传感器及其检测方法和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多气体传感器及其检测方法和制备方法，该气体传感器包括两个腔室，第一腔室设置有扫描振镜，第二腔室设置有光源和若干个光电探测器组，光源发出的光通过扫描振镜改变光路，依次达到不同的光电探测器组，以探测不同的气体成分；通过扫描振镜将光源发出的光集中照射在若干个光电探测器组上，光强的可变范围大，可探测的气体浓度范围大；采用光电探测器组的方式进行探测，探测的精度更高，灵敏度好；通过透明板将将待检测气体与光源以及光电探测器组分隔开，减少了气体对光源以及光电探测器组等电子元件的影响，延长了多气体传感器的使用寿命。本发明实施例可广泛应用于气体传感器技术领域。

Description

一种多气体传感器及其检测方法和制备方法

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种多气体传感器及其检测方法和制备方法。

背景技术

气体传感器是一种将气体成分、气体浓度等信息转换成人员、计算机等可以利用的信息的装置。气体传感器在有毒、有害、可燃、易爆等气体探测领域有着广泛的应用，是环境保护和监测不可缺少的一部分。

其中，光学气体传感器主要利用不同气体具有不同的吸收光谱的特性来检测气体成分，利用气体对光强的吸收程度来检测气体浓度，这种吸收服从朗伯比尔定律，常用的光谱范围一般为红外光。目前，用于多种气体检测的气体传感器往往灵敏度低，测量范围小。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种多气体传感器及其检测方法和制备方法，能够同时检测多种气体，灵敏度高，测量范围大。

第一方面，本发明实施例提供了一种多气体传感器，包括第一腔室、第二腔室、透明板、扫描振镜、若干个光电探测器组以及光源；其中，所述第一腔室设置有气孔，所述扫描振镜设置在所述第一腔室，若干个所述光电探测器组以及所述光源设置在所述第二腔室，所述透明板设置在所述第一腔室与所述第二腔室之间；待检测气体通过气孔进入所述第一腔室，所述光源发出的光，通过透明板进入所述第一腔室，到达所述扫描振镜，经过所述扫描振镜折射或反射后，到达若干个所述光电探测器组。

进一步，所述多气体传感器还包括不透光隔板，所述不透光隔板设置在第二腔室，并且所述不透光隔板设置在所述光源与若干个所述光电探测器组之间。

进一步，所述多气体传感器还包括防尘透气膜，所述防尘透气膜涂覆在所述气孔上。

进一步，所述光源包括在红外激光器或者红外发散光源。

进一步，当所述光源为红外发散光源，在所述红外发散光源上设置有平凸镜，所述平凸镜用于汇聚所述红外发散光源发出的光。

进一步，若干个所述光电探测器组的排列方式包括横向排列、纵向排列、阵列排列或者圆形排列中的任意一种。

进一步，每个所述光电探测器组包括一个测量光电探测器和一个参考光电探测器，其中：

所述测量光电探测器，用于测量被待测气体吸收的光的光强；

所述参考光电探测器，用于测量除被待测气体吸收的光之外的光的光强。

进一步，每个所述光电探测器组还包括一个测量滤光片和一个参考滤光片，其中：

所述测量滤光片，用于覆盖在所述测量光电探测器的表面，以使被待测气体吸收波段的光通过；

所述参考滤光片，用于覆盖在所述参考光电探测器的表面，以使除被待测气体吸收波段以外的光通过。

第二方面，本发明实施例提供了一种多气体传感器的检测方法，包括以下步骤：

将待测气体通过气孔进入第一腔室；

控制光源发出光束，以使光束到达扫描振镜；

扫描振镜接收光束，依次改变光束光路，以使经待测气体吸收后的光束照射在若干个光电探测器组表面；

若干个光电探测器组分别接收经待测气体吸收后的若干个光信号，并将若干个光信号对应转换成若干个电信号；

根据若干个电信号和预设的计算公式，计算得到多气体浓度。

第三方面，本发明实施例提供一种多气体传感器的制备方法，包括如下步骤：

获取第一基板和第二基板；

将扫描振镜安装在第一基板上，将光源和若干个光电探测器组安装在第二基板上；

将第一基板进行外部封装，开设气孔，得到第一腔室；将第二基板进行外部封装，得到第二腔室；

在第一腔室和第二腔室之间设置透明板，以使第一腔室和第二腔室之间封闭隔绝；

将第一基板和第二基板进行电路连接。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例提供了一种多气体传感器，多气体传感器包括两个腔室，第一腔室设置有扫描振镜，第二腔室设置有光源以及若干个光电探测器组，光源发出的光通过扫描振镜改变光路，依次到达不同的光电探测器组，以探测不同气体的成分；通过扫描振镜将光源发出的光集中照射在光电探测器组上，光强的可变范围大，因此可以探测气体的浓度范围大；采用光电探测器组的方式进行探测，探测精度更高，灵敏度好；采用透明板将光源以及光电探测器组与待测气体分隔开，减少了待测气体对光源以及光电探测器组的影响，提高了使用寿命；装置通过分离式方法进行制备，简化了制备过程，实现设备的小型化。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种多气体传感器的结构图；

图2是本发明实施例提供的一种多气体传感器的另一种结构图；

图3是本发明实施例提供的一种多气体传感器在不同模式下将光束照射到不同光电探测器组的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种多气体传感器检测多种气体的流程图；

图5是本发明实施例提供的一种多气体传感器对于不同气体进行探测的示意图；

图6是本发明实施例提供的一种多气体传感器的制备方法流程图；

图7是本发明实施例提供的一种多气体传感器的制备方法示意图。

其中，1：光源；21、22、23：用于3种气体探测的光电探测器组；3：扫描振镜；41：第一腔室；42：第二腔室；5：气孔；6：透明板；7、平凸镜；8：不透光隔板；9：外部封装；10：防尘透气膜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。

在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

除非另有定义，本发明实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明实施例中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的，不是旨在限制本发明。

对本发明实施例进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。

如图1所示，本发明实施例提供了一种多气体传感器，其包括第一腔室41、第二腔室42、透明板6、扫描振镜3、若干个光电探测器组21、22、23以及光源1；其中，所述第一腔室41设置有气孔5，所述扫描振镜3设置在所述第一腔室41，所述光源1以及若干个所述光电探测器组21、22、23设置在所述第二腔室42，所述透明板6设置在所述第一腔室41与所述第二腔室52之间；所述光源1发出的光，通过所述透明板6进入所述第一腔室41，到达所述扫描振镜3，经所述扫描振镜3折射或反射后，到达若干个所述光电探测器组21、22、23。

具体地，所述透明板6设置在所述第一腔室41与所述第二腔室42之间，将所述第一腔室41与所述第二腔室42封闭隔绝，所述透明板6的材质包括玻璃、亚克力等；所述多气体传感器还包括与所述扫描振镜3、所述光源1以及若干个所述光电探测器组连接的控制电路和处理电路；所述控制电路与所述扫描振镜3连接，所述控制电路用于控制所述扫描振镜3的角度；所述处理电路与所述光源1以及若干个所述光电探测组连接，所述处理电路用于给所述光源1供电并控制光源1发出光束，所述处理电路还用于接收若干个所述光电探测组输出的若干个电信号，并根据若干个所述电信号与预设计算公式计算多气体浓度；所述控制电路和处理电路包括常用的DSP、MCU芯片。

可选地，如图2所示，本发明实施例提供的一种多气体传感器还包括不透光隔板8，所述不透光隔板8设置在所述第二腔室42，并设置在所述光源1和若干个所述光电探测器组之间。

具体地，某些光源发出的光较为分散，分散的光被所述光电探测器组吸收后，影响所述光电探测器组的测量结果，设置所述不透光隔板用于隔绝所述光源和若干个所述光电探测器组，避免所述光源发散的光被所述光电探测器组吸收，影响检测，所述不透光隔板的材质包括POM、ABS等。

可选地，如图1所示，所述多气体传感器还包括防尘透气膜，所述防尘透气膜涂覆在所述气孔上。

具体地，如图1所述，第一腔室内设置有所述扫描透镜3，当灰尘进入第一腔室，会对所述扫描振镜的工作以及使用寿命造成影响，进而影响多气体传感器的工作性能，所述防尘透气膜涂覆在气孔上，过滤待测气体中的灰尘，保护第一腔室内的电子器件。

可选地，所述光源包括红外激光器或者红外发散光源。

具体地，本发明申请的多气体传感器中采用的是红外气体探测器，红外气体探测器利用气体对特定频率的红外光谱的吸收作用制成，所以光源选择发出红外光的红外光源，可选红外激光器或者其他红外发散光源，所述红外激光器包括可调谐激光二极管、宽谱连续可调谐激光器等；所述红外发散光源包括MEMS红外光源、黑体光源等。

可选地，如图2所示，当所述光源为红外发散光源，在所述红外发散光源上设置有平凸镜7，所述平凸镜7用于汇聚所述红外发散光源发出的光。

具体地，选择如MEMS红外光源或者黑体光源作为光源时，其发出的光是发散向各个方向的；平凸镜是一面为平面的凸透镜，选择合适的曲率半径的平凸镜设置在红外发散光源上，将红外发散光源发出的大部分光汇聚到一个方向上。

可选地，若干个所述光电探测器组的排列方式包括横向排列、纵向排列、阵列排列或者圆形排列中任意一种。

具体地，如图3所示，设置在第二腔室的3组光电探测器组21、22、23，A1、A2、A3分别是光电探测器组21、22、23与扫描振镜距离逐渐增加时光束照射的光斑大小，光束在光电探测器组表面的光斑横向距离逐渐增加，光斑也逐渐变大，这意味着扫描振镜在以较大角度将光束照射到光电探测器组表面，导致光电探测器组接收到的光束光强较弱，影响探测结果；所以存在多组光电探测器组时，选择一定的排列方式，如阵列排列或者圆形排列等，减小光电探测器组与扫描振镜之间的距离。

进一步，每个所述光电探测器组包括一个测量光电探测器和一个参考光电探测器，其中：

所述测量光电探测器，用于测量被待测气体吸收的光的光强；

所述参考光电探测器，用于测量除被待测气体吸收的光之外的光的光强。

具体地，本发明实施例提供的一种多气体传感器是利用待测气体对红外光范围内不同波段的光的吸收作用，对待测气体进行检测，这种吸收作用服从朗伯比尔定律，该定律根据探测器接收的光的光强对待测气体的浓度进行计算，公式为

其中，A表示红外光吸收程度，I₀表示入射光的光强，I表示出射光的光强，K表示摩尔吸光系数，C为吸光物质的浓度，L表示吸收层厚度；光源发出的光在到达光电探测器之前会因一些原因使得光强降低，仅根据光电探测器接收到的光的光强与光源发出的光的光强进行计算会产生较大误差；由图3所示，每个光电探测器组包括一个测量光电探测器与一个参考光电探测器，其中测量光电探测器211、221、231，参考光电探测器212、222、232；将测量光电探测器测得的光强作为I，将参考光电探测器测得的光强作为I₀，测量光电探测器与参考光电探测器接收的光的光强只考虑气体的吸收作用，通过计算得到的结果更精确。

进一步，每个所述光电探测器组还包括一个测量滤光片和一个参考滤光片，其中：

所述测量滤光片，用于覆盖在所述测量光电探测器表面，使被待测气体吸收波段的光通过；

所述参考滤光片，用于覆盖在所述参考光电探测器表面，使除被待测气体吸收波段以外的光通过。

具体地，光电探测器通过待测气体对某一波段的光的吸收作用计算待测气体的浓度，检测多种气体则需要光源发出的光包括多种波段，经待测的多种气体吸收后，由扫描振镜折射或反射到光电探测器组表面，光电探测器组接收的光包括被待测气体吸收波段的光外，还包括除被待测气体吸收波段外的光，除被待测气体吸收波段外的光可能对测量光电探测器的测量产生影响；同理，被待测气体吸收波段的光可能对参考光电探测器的测量产生影响；滤光片可选取需要的波段，将仅允许被待测气体吸收的波段的光通过的测量滤光片覆盖在测量光电探测器表面，测量光电探测器接收的只有被待测气体吸收波段的光；同理，参考光电探测器接收除被待测气体吸收波段外的光。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例提供了一种多气体传感器，多气体传感器包括两个腔室，第一腔室设置有扫描振镜，第二腔室设置有多个光电探测器组和光源，光源发出的光通过扫描振镜改变光路，依次到达不同的光电探测器组，以探测不同气体的成分；通过扫描振镜将光源发出的光束依次折射或者反射到光电探测器组上，光强变化范围大，可探测的气体浓度范围大；采用光电探测器组的方式进行探测，探测精度更高，灵敏度更高，采用透明板将光源以及光电探测器组与待测气体分隔开，减少了待测气体对光源以及光电探测器组的影响，提高了使用寿命。

如图4所示，本发明实施例还提供了一种多气体传感器的检测方法，包括以下步骤：

S110、将待测气体通过气孔进入第一腔室；

S120、控制光源发出光束，使光束到达扫描振镜；

S130、扫描振镜接收光束，依次改变光束光路，将经待测气体吸收后的光束照射在若干个光电探测器组表面；

S140、光电探测器组接收光束，将光信号转换成电信号；

S150、根据若干个电信号和预设的计算公式得到多气体浓度。

具体地，多气体传感器中光电探测器组的数量和位置是已知的，可以通过多气体传感器的控制电路对扫描振镜进行设置，如图5所示，多气体传感器中有3组用于探测不同气体的光电探测器组，扫描振镜将光束折射或反射到第一光电探测器组的角度设置为模式一，将光束折射或反射到第二光电探测器组的角度设置为模式二，将光束折射或反射到第三光电探测器组的角度设置为模式三，将扫描振镜的模式与待测气体对应，可根据气体成分选择扫描振镜模式，不需要依次将光束折射或反射，既提高了多气体传感器的应用范围，又提高了使用效率。

可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本方法实施例所具体实现的功能与上述实施例相同，并且达到的有益效果与上述实施例所达到的有益效果也相同。

如图6所示，本发明实施例还提供了一种多气体传感器的制备方法，包括以下步骤：

S210、获取第一基板和第二基板；

S220、将扫描振镜安装在第一基板上，将光源和若干个光电探测器组安装在第二基板上；

S230、将第一基板进行外部封装，开设气孔，得到第一腔室；将第二基板进行外部封装，得到第二腔室；

S240、在第一腔室和第二腔室之间设置透明板，是第一腔室和第二腔室封闭隔绝；

S250、将第一基板和第二基板进行电路连接。

其中，制备方法采用的是分离式制作方法，将整个多气体传感器划分为几个部分，通过制作部件再组装，简化了整个制备过程；如图7所示，首先获取用于安装电子器件的基板，如第一基板和第二基板，然后将光源、光电探测器、扫描振镜、控制电路、处理电路等元件分别安装在基板上，之后对两个基板进行外部的封装设计，在安装扫描振镜的基板上开设气孔并涂覆防尘透气膜，将安装光源和探测器的基板的外部封装上方安装透明板，之后将上下封装的基板合起来，并将元件如控制电路和处理电路连接起来；采用分离式制作方法，多气体传感器需要的电子元器件可以选择尺寸微小的器件，提高多气体传感器的集成化和实现多气体传感器的小型化。

可见，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种多气体传感器，其特征在于，该传感器包括第一腔室、第二腔室、透明板、扫描振镜、若干个光电探测器组以及光源；其中，所述第一腔室设置有气孔，所述扫描透镜设置在所述第一腔室，若干个所述光电探测器组和所述光源设置在所述第二腔室，所述透明板设置在所述第一腔室与所述第二腔室之间；待检测气体通过气孔进入所述第一腔室，所述光源发出的光，通过所述透明板进入所述第一腔室，到达所述扫描振镜，经过所述扫描振镜折射或反射后，到达若干个所述光电探测器组。

2.根据权利要求1所述的多气体传感器，其特征在于，所述多气体传感器还包括不透光隔板，所述不透光隔板设置在所述第二腔室，并且所述不透光隔板设置在所述光源和若干个所述光电探测器组之间。

3.根据权利要求1所述的多气体传感器，其特征在于，所述多气体传感器还包括防尘透气膜，所述防尘透气膜涂覆在所述气孔上。

4.根据权利要求1所述的多气体传感器，其特征在于，所述光源包括红外激光器或者红外发散光源。

5.根据权利要求4所述的多气体传感器，其特征在于，当所述光源为红外发散光源，在所述红外发散光源上设置有平凸镜，所述平凸镜用于汇聚所述红外发散光源发出的光。

6.根据权利要求1所述的多气体传感器，其特征在于，若干个所述光电探测器组的排列方式包括横向排列、纵向排列、阵列排列或者圆形排列中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的多气体传感器，其特征在于，每个所述光电探测器组包括一个测量光电探测器和一个参考光电探测器，其中：

所述测量光电探测器，用于测量被待测气体吸收的光的光强；

所述参考光电探测器，用于测量除被待测气体吸收的光之外的光的光强。

8.根据权利要求7所述的多气体传感器，其特征在于，每个所述光电探测器组还包括一个测量滤光片和一个参考滤光片，其中：

所述测量滤光片，用于覆盖在所述测量光电探测器的表面，以使被待测气体吸收波段的光通过；

所述参考滤光片，用于覆盖在所述参考光电探测器的表面，以使除被待测气体吸收波段以外的光通过。

9.一种多气体传感器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤，

将待测气体通过气孔进入第一腔室；

控制光源发出光束，以使光束到达扫描振镜；

扫描振镜接收光束，依次改变光束光路，以使经待测气体吸收后的光束照射在若干个光电探测器组表面；

若干个光电探测器组分别接收经待测气体吸收后的若干个光信号，并将若干个光信号对应转换成若干个电信号；

根据若干个电信号和预设的计算公式，计算得到多气体浓度。

10.一种多气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

获取第一基板和第二基板；

将扫描振镜安装在第一基板上，将光源和若干个光电探测器组安装在第二基板上；

将第一基板进行外部封装，开设气孔，得到第一腔室；将第二基板进行外部封装，得到第二腔室；

在第一腔室和第二腔室之间设置透明板，以使第一腔室和第二腔室之间封闭隔绝；

将第一基板和第二基板进行电路连接。