CN116879215B - 一种非色散红外气体传感器 - Google Patents

一种非色散红外气体传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种非色散红外气体传感器。该传感器具有：环形波导腔，允许被测气体进入其中；至少一个红外线接收器，设置在环形波导腔的终点处；至少一个红外线发射器，设置在环形波导腔的起点处，所述至少一个红外线发射器输出的红外线在环形波导腔内发生多次反射后被所述至少一个红外线接收器所接收；至少一个驱动电路，电性连接于所述至少一个红外线发射器；至少一个信号处理电路，用于根据所述至少一个红外线接收器输出的与其接收的红外线相关的电信号获取被测气体中的目标气体的浓度。根据本发明，能够在一定程度上解决在传感器本体体积尺寸受限的情况下，现有的非色散红外气体传感器因采用直通波导腔设计而导致自身检测结果误差大的问题。

Description

一种非色散红外气体传感器
技术领域
本发明属于传感器领域，更具体地，涉及一种具有环形波导腔的非色散红外气体传感器。
背景技术
非色散红外(Non-Dispersive InfraRed，NDIR)气体传感器是一种基于不同气体分子的红外光谱选择吸收特性，并利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯-比尔定律)鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。近年来，非色散红外气体传感器因具有灵敏度高、选择性好和响应速度快等诸多优点而越来越多地应用于例如CH4、CO2、N2O、CO、CO2、SO2、NH3、乙醇和苯等气体的检测场景。
非色散红外气体传感器具有一个光学腔体，即波导腔。在该波导腔内通常设置有一个红外线发射器和一个红外线接收器，红外线发射器的中心波长与被测气体中的目标气体的红外特征吸收峰相匹配，红外线接收器配置有与目标气体的红外特征吸收峰相匹配的窄带滤光片。在红外线发射器输出的红外线传输至红外线接收器的过程中，若波导腔内存在目标气体，部分红外线将被目标气体所吸收，进而导致红外线发射器输出的红外线与红外线接收器接收到的红外线在光强上的差异。在获取输出红外线光强与接收红外线光强的情况下，根据朗伯-比尔定律即可确定被测气体中目标气体的浓度。当然，这部分计算过程是由相应的外围处理电路实现的。
根据以上内容可知，红外线发射器输出的红外线在波导腔内的传输路径的长度对目标气体的浓度检测结果具有至关重要的影响，这是由于在红外线传输速度一定的情况下，传输路径越长，红外线与目标气体的接触时间越长，目标气体对红外线的吸收更加充分，相应地，计算获得的目标气体的浓度更加趋近于目标气体的真实浓度。然而，现有的非色散红外气体传感器通常采用直通波导腔，红外线发射器输出的红外线的传输路径长度约等于直通波导腔的长度。而在传感器本体体积尺寸受限的情况下，这种直通波导腔将对红外线的传输路径长度造成限制，导致目标气体对红外线的吸收不充分，进而导致非色散红外气体传感器的检测结果不理想，误差较大。
发明内容
本发明的目的在于在一定程度上解决在传感器本体体积尺寸受限的情况下，现有的非色散红外气体传感器因采用直通波导腔设计而导致自身检测结果误差大的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种非色散红外气体传感器，该非色散红外气体传感器具有：
环形波导腔，所述环形波导腔允许被测气体进入其中；
至少一个红外线接收器，设置在所述环形波导腔的终点处；
至少一个红外线发射器，设置在所述环形波导腔的起点处，所述至少一个红外线发射器输出的红外线在所述环形波导腔内发生多次反射后被所述至少一个红外线接收器所接收；
至少一个驱动电路，电性连接于所述至少一个红外线发射器；
至少一个信号处理电路，用于根据所述至少一个红外线接收器输出的与其接收的红外线相关的电信号获取所述被测气体中的目标气体的浓度。
作为可选的是，所述非色散红外气体传感器包括：
壳体，所述壳体的前端开放设置，在所述壳体内设置有将其内部空间划分为前后两部分的隔板，在所述隔板上同轴设置有气体扩散结构；
封盖，在所述封盖上形成有与所述封盖同轴设置的气体导入结构，在所述封盖设置在所述壳体的前端上时，同轴且抵接的所述气体导入结构和所述气体扩散结构连同所述壳体、所述隔板和所述封盖限定出所述环形波导腔。
作为可选的是，所述气体导入结构具有在圆周方向上均匀分布且依次倾斜的多个侧向导气通道，在所述气体导入结构的底板上还设置有将部分被测气体导入所述气体扩散结构的导气口。
作为可选的是，所述气体扩散结构为两端开放的圆筒状结构，在所述气体扩散结构的侧壁上设置有多个气体扩散通道，所述多个气体扩散通道在圆周方向上均匀分布且依次倾斜。
作为可选的是，所述封盖为内塞式盖体，在所述封盖的外表面上设置有覆盖于所述气体导入结构的进气侧的防尘透气膜。
作为可选的是，在所述环形波导腔的腔壁上设置有反射增强层。
作为可选的是，所述非色散红外气体传感器具有一个红外线发射器和一个红外线接收器，所述红外线接收器配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片。
作为可选的是，所述非色散红外气体传感器具有一个红外线发射器和两个红外线接收器；
所述两个红外线接收器分别配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片；
或者，
其中一个红外线接收器配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片，另一个红外线接收器配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰具有预定偏离值的窄带滤光片。
作为可选的是，所述非色散红外气体传感器具有两个红外线发射器和两个红外线接收器；
所述两个红外线发射器具有相同的中心波长，所述两个红外线接收器分别配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片，或者其中一个红外线接收器配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片，另一个红外线接收器配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰具有预定偏离值的窄带滤光片；
或者，
所述两个红外线发射器具有不同的中心波长，其中一个红外线接收器配置有与第一目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片，另一个红外线接收器配置有与第二目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片。
作为可选的是，所述至少一个红外线发射器与所述至少一个红外线接收器相背设置，所述至少一个红外线发射器发出的红外线垂直于所述至少一个红外线发射器的发射端面。
本发明的有益效果在于：
本发明的非色散红外气体传感器，具有允许被测气体进入其中的环形波导腔、设置在环形波导腔的终点处的至少一个红外线接收器、设置在环形波导腔的起点处的至少一个红外线发射器、电性连接于至少一个红外线发射器的至少一个驱动电路以及用于根据至少一个红外线接收器输出的与其接收的红外线相关的电信号获取被测气体中的目标气体的浓度；其中，至少一个红外线发射器输出的红外线在环形波导腔内发生多次反射后被至少一个红外线接收器所接收。
与现有非色散红外气体传感器所采用的直通波导腔相比，本发明的非色散红外气体传感器因采用环形波导腔而使得红外线发射器输出的红外线在波导腔内的传输路径更长，其原因有二：
一、在直通波导腔的长度与环形波导腔的直径相当的情况下，红外线在直通波导腔内以直线路径进行传输，假设红外线在环形波导腔内以圆周路径进行传输，那么圆周路径的长度肯定是大于直线路径的长度的。
二、进一步地，实际情况下，红外线发射器输出的红外线在环形波导腔内的传输路径并不是精准地沿着圆周方向的，而是整体上沿着圆周方向并在这一过程中不断反射向前的，因此环形波导腔内的红外线实际传输路径长度是大于上述圆周路径的长度的。
由此可知，在直通波导腔的长度与环形波导腔的直径相当的情况下，环形波导腔内的红外线传输路径长度明显大于直通波导腔内的红外线传输路径长度。与现有采用直通波导腔的非色散红外气体传感器相比，本发明的非色散红外气体传感器中，红外线发射器输出的红外线的传输路径更长，红外线与目标气体的接触时间更长，目标气体对红外线的吸收更加充分，相应地，信号处理电路计算获得的目标气体的浓度更加趋近于目标气体的真实浓度。
综上所述，在传感器本体体积尺寸受限的情况下，采用本发明的非色散红外气体传感器能够在一定程度上解决现有的非色散红外气体传感器因采用直通波导腔设计而导致自身检测结果误差大的问题。
本发明的其他特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所做出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。
图1示出了根据本发明的实施例的一种非色散红外气体传感器的剖视图；
图2示出了根据本发明的实施例的壳体的前端布局示意图；
图3示出了根据本发明的实施例的第一视角下的封盖的结构示意图，其中，防尘透气膜未示出；
图4示出了根据本发明的实施例的第二视角下的封盖的结构示意图，其中，防尘透气膜未示出；
图5示出了根据本发明的实施例的第三视角下的封盖的结构示意图，其中，防尘透气膜未示出。
具体实施方式
为了使所属技术领域的技术人员能够更充分地理解本发明的技术方案，在下文中将结合附图对本发明的示例性的实施方式进行更为全面且详细的描述。显然地，以下描述的本发明的一个或者多个实施方式仅仅是能够实现本发明的技术方案的具体方式中的一种或者多种，并非穷举。应当理解的是，可以采用属于一个总的发明构思的其他方式来实现本发明的技术方案，而不应当被示例性描述的实施方式所限制。基于本发明的一个或多个实施方式，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本发明保护的范围。
实施例：图1示出了本发明实施例的一种非色散红外气体传感器的剖视图，图2示出了本发明实施例的壳体的前端布局示意图，图3示出了本发明实施例的第一视角下的封盖的结构示意图，图4示出了本发明实施例的第二视角下的封盖的结构示意图，图5示出了本发明实施例的第三视角下的封盖的结构示意图。
参照图1至图5，本发明实施例的非色散红外气体传感器具有：
环形波导腔100，环形波导腔100允许被测气体进入其中；
红外线接收器200，设置在环形波导腔100的终点处；
红外线发射器300，设置在环形波导腔100的起点处，红外线发射器300输出的红外线在环形波导腔100内发生多次反射后被红外线接收器200所接收；
驱动电路，电性连接于红外线发射器300；
信号处理电路，用于根据红外线接收器200输出的与其接收的红外线的光强相关的电信号获取所述被测气体中的目标气体的浓度。
具体地，本发明实施例中，红外线发射器300采用红外LED，红外线发射器300的中心波长与被测气体中的目标气体的红外特征吸收峰相匹配，红外线接收器200配置有与之一体化的窄带滤光片，该窄带滤光片与目标气体的红外特征吸收峰相匹配，即理论上只允许目标气体的红外特征吸收峰波段的红外线通过。当需要检测其他种类的目标气体的浓度时，选用中心波长与新种类目标气体的红外特征吸收峰相匹配的红外线发射器以及具有与新种类目标气体的红外特征吸收峰相匹配的窄带滤光片的红外线接收器即可。
进一步地，本发明实施例的非色散红外气体传感器包括：
壳体400，壳体400的前端开放设置，在壳体400内设置有将其内部空间划分为前后两部分的隔板500，在隔板500上同轴设置有气体扩散结构510；
封盖600，在封盖600上形成有与封盖600同轴设置的气体导入结构610，在封盖600设置在壳体400的前端上时，同轴且抵接的气体导入结构610和气体扩散结构510连同壳体400、隔板500和封盖600限定出环形波导腔100。
再进一步地，本发明实施例中，气体导入结构610具有在圆周方向上均匀分布且依次倾斜的多个侧向导气通道611，在气体导入结构610的底板上还设置有将部分被测气体导入气体扩散结构510的导气口612。
再进一步地，本发明实施例中，气体扩散结构510为两端开放的圆筒状结构，在气体扩散结构510的侧壁上设置有多个气体扩散通道511，多个气体扩散通道511在圆周方向上均匀分布且依次倾斜。
再进一步地，本发明实施例中，封盖600为内塞式盖体，在封盖600的外表面上设置有覆盖于气体导入结构610的进气侧的防尘透气膜620。
具体地，本发明实施例中，对于通过防尘透气膜620进入气体导入结构610的被测气体，一部分通过设置在侧面上的多个进气口分别进入多个侧向导气通道611，从而进入到环形波导腔100内部；其中需要说明的是，在封盖600的轴向上，侧向导气通道611的高度等于其进气口的高度与气体导入结构610的底板高度之和。被测气体的另一部分通过位于气体导入结构610的底板上的导气口612进入到气体扩散结构510的内部，而进入到气体扩散结构510内部的被测气体又分别通过多个气体扩散通道511进入到环形波导腔100内部。对于本发明实施例的非色散红外气体传感器，气体扩散结构510的设置能够促使进入到气体导入结构610的被测气体在整体上更快地进入到环形波导腔100内部，以达到有效控制传感器内部死体积，加快传感器响应时间的目的。
具体地，本发明实施例中，气体导入结构610和气体扩散结构510既作为进气单元又与壳体400、隔板500和封盖600共同限定环形波导腔100对应的空间。其中，环形波导腔100对应的实体结构可以看作为一个内部具有中心圆柱的圆盘状外壳，壳体400、隔板500和封盖600的相应部分构成圆盘状外壳，气体导入结构610和气体扩散结构510构成中心圆柱，红外线发射器300发出的红外线被限制在圆盘状外壳与中心圆柱之间的环形波导腔100内来回反射向前，最终到达红外线接收器200。
再进一步地，本发明实施例中，在环形波导腔100的腔壁上设置有用于增强反射的镀金层。
再进一步地，本发明实施例中，红外线发射器300与红外线接收器200相背设置，红外线发射器300发出的红外线垂直于红外线发射器300的发射端面。
具体地，本发明实施例的非色散红外气体传感器所采用的环形波导腔设计既能够保证光学吸收池具有足够的长度，即红外线的传输路径长度足够长，又能够确保大部分红外线接近垂直地射入红外线接收器200的表面。
作为一种可选的实施例，本发明实施例的非色散红外气体传感器可以具有一个红外线发射器和两个红外线接收器；
两个红外线接收器分别配置有与目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片；
如此设置，能够实现冗余检测，或者将两个红外线接收器输出的电信号进行叠加，再基于叠加信号进行后续的浓度计算，以提高检测结果的准确度。
作为再一种可选的实施例，本发明实施例的非色散红外气体传感器可以具有一个红外线发射器和两个红外线接收器；
其中一个红外线接收器配置有与目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片，另一个红外线接收器配置有与目标气体的红外特征吸收峰具有预定偏离值的窄带滤光片。
如此设置，可以将一个红外线接收器输出的电信号作为检测信号，将另一个红外线接收器输出的电信号作为参比信号，并基于检测信号和参比信号进行后续的浓度计算，以消除温度湿度等环境参数给检测结果带来的干扰。
作为又一个可选的实施例，本发明实施例的非色散红外气体传感器可以具有两个红外线发射器和两个红外线接收器；
两个红外线发射器具有相同的中心波长，两个红外线接收器分别配置有与目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片，或者其中一个红外线接收器配置有与目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片，另一个红外线接收器配置有与目标气体的红外特征吸收峰具有预定偏离值的窄带滤光片。
如此设置，当两个红外线接收器分别配置有与目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片时，能够在实现冗余检测，或者将两个红外线接收器输出的电信号进行叠加，再基于叠加信号进行后续的浓度计算，以提高检测结果的准确度的同时增加红外线的光强度，以提高传感器的灵敏度。当两个红外线接收器配置有不同的窄带滤光片时，不仅可以将一个红外线接收器输出的电信号作为检测信号，将另一个红外线接收器输出的电信号作为参比信号，并基于检测信号和参比信号进行后续的浓度计算，以消除温度湿度等环境参数给检测结果带来的干扰，还可以增加红外线的光强度，以提高传感器的灵敏度。
作为又一个可选的实施例，本发明实施例的非色散红外气体传感器可以具有两个红外线发射器和两个红外线接收器；
两个红外线发射器具有不同的中心波长，其中一个红外线接收器配置有与第一目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片，另一个红外线接收器配置有与第二目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片。
如此设置，能够同时检测两种目标气体的浓度。
虽然以上对本发明的一个或者多个实施方式进行了描述，但是本领域的普通技术人员应当知晓，本发明能够在不偏离其主旨与范围的基础上通过任意的其他的形式得以实施。因此，以上描述的实施方式属于示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，对于本技术领域的普通技术人员而言许多修改和替换均具有显而易见性。

Claims (6)

1.一种非色散红外气体传感器，其特征在于，具有：
环形波导腔，所述环形波导腔允许被测气体进入其中；
至少一个红外线接收器，设置在所述环形波导腔的终点处；
至少一个红外线发射器，设置在所述环形波导腔的起点处，所述至少一个红外线发射器输出的红外线在所述环形波导腔内发生多次反射后被所述至少一个红外线接收器所接收；
至少一个驱动电路，电性连接于所述至少一个红外线发射器；
至少一个信号处理电路，用于根据所述至少一个红外线接收器输出的与其接收的红外线相关的电信号获取所述被测气体中的目标气体的浓度；
所述非色散红外气体传感器包括：
壳体，所述壳体的前端开放设置，在所述壳体内设置有将其内部空间划分为前后两部分的隔板，在所述隔板上同轴设置有气体扩散结构；
封盖，在所述封盖上形成有与所述封盖同轴设置的气体导入结构，在所述封盖设置在所述壳体的前端上时，同轴且抵接的所述气体导入结构和所述气体扩散结构连同所述壳体、所述隔板和所述封盖限定出所述环形波导腔；
所述气体导入结构具有在圆周方向上均匀分布且依次倾斜的多个侧向导气通道，在所述气体导入结构的底板上还设置有将部分被测气体导入所述气体扩散结构的导气口；
所述气体扩散结构为两端开放的圆筒状结构，在所述气体扩散结构的侧壁上设置有多个气体扩散通道，所述多个气体扩散通道在圆周方向上均匀分布且依次倾斜；
所述至少一个红外线发射器与所述至少一个红外线接收器相背设置，所述至少一个红外线发射器发出的红外线垂直于所述至少一个红外线发射器的发射端面。
2.根据权利要求1所述的非色散红外气体传感器，其特征在于，所述封盖为内塞式盖体，在所述封盖的外表面上设置有覆盖于所述气体导入结构的进气侧的防尘透气膜。
3.根据权利要求1所述的非色散红外气体传感器，其特征在于，在所述环形波导腔的腔壁上设置有反射增强层。
4.根据权利要求1所述的非色散红外气体传感器，其特征在于，具有一个红外线发射器和一个红外线接收器，所述红外线接收器配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片。
5.根据权利要求1所述的非色散红外气体传感器，其特征在于，具有一个红外线发射器和两个红外线接收器；
所述两个红外线接收器分别配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片；
或者，
其中一个红外线接收器配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片，另一个红外线接收器配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰具有预定偏离值的窄带滤光片。
6.根据权利要求1所述的非色散红外气体传感器，其特征在于，具有两个红外线发射器和两个红外线接收器；
所述两个红外线发射器具有相同的中心波长，所述两个红外线接收器分别配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片，或者其中一个红外线接收器配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片，另一个红外线接收器配置有与所述目标气体的红外特征吸收峰具有预定偏离值的窄带滤光片；
或者，
所述两个红外线发射器具有不同的中心波长，其中一个红外线接收器配置有与第一目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片，另一个红外线接收器配置有与第二目标气体的红外特征吸收峰相对应的窄带滤光片。
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