CN202676593U - 一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，其吸收腔内反射光路方向与气体扩散方向互相垂直，并且保证气体扩散方向的长度远小于光路反射方向的长度，从而同时实现气体的快速扩散与提高有效吸收光程，即同时实现红外气体传感器的快速响应与高分辨率，解决了传统红外气体传感器技术中响应速度与分辨率互为矛盾的问题。

Description

一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器

技术领域：

本实用新型属于红外气体传感器的技术领域，特别是涉及一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器。

背景技术：

利用待测气体对红外光谱的吸收特性，来检测目标气体浓度的技术近年来有很大的发展。红外气体检测技术通常应用在需要实时、高精度监控目标气体浓度的场合，如上述煤矿井下各点瓦斯浓度的监测，石化行业的炼油厂，输油管道的监控，天然气生产与输送管道等需要监控泄漏的场合。但随着技术的发展，成本的降低以及人们对日常生活环境质量要求的提高，会逐渐进入家庭监测房间有害气体的存在及其浓度，还有交通工具上空气环境质量的监测等。

当前中国国内的煤矿采用的绝大多数的探头是催化燃烧式的，其缺点是因中毒现象造成误报或是失效，其可靠性差，标定时间周期短，标定成本高，工作中需在有氧环境下工作，不能检测100％LEL(最低爆炸极限)浓度。目前世界上先进的技术为采用红外检测类的报警器，但所采用的某些技术对中国的国情不适合：有的产品体积大，如general monitor′s的报警器；有些产品光能利用率不高，响应时间偏长等，如City的CH4红外传感器。这些产品中几乎无一例外的是高成本，导致报警器价格昂贵，难以普及。

红外气体传感器至少包括一个红外辐射源、一个采样吸收气室和一个探测器。通过探测器的带通滤光片选择两个不同波长的光可以构成差分探测，目标气体对一个波长的光吸收较大，光信号随目标气体浓度增加而减小，目标气体对另一个波长的光基本没吸收，可用作监视红外光强度变化的参考信号。对于这类气体传感器，其关键是提高灵敏度，提高探测精确度，从而具有探测更低浓度的能力。同时对传感器的便携化，微功耗，微体积及低成本也提出更高的要求。首先，对于提高检测灵敏度，可以增加光源与探测器间的物理距离，也就是增加有效吸收光程，可以提高气室的采样精度提高灵敏度。但增加物理空间尺寸会带来体积增大、需要的光能量加大的弊端。其次是利用多个探测器提高灵敏度，例如US7132657B2通过多个探测器累加信号提高灵敏度，但各探测器的差异会对灵敏度的提高有影响，最主要的关键是增加了成本与体积。第三是利用反射使光在吸收室内多次通过气体，增加有效光学吸收长度。例如在US6469303B1中，将吸收气室设计成非聚焦系统，利用光学积分球概念，使吸收腔内光密度趋于一致，光强均匀，信号稳定性好，不受光路偏移的影响，温度工作范围宽，生产工艺简单。但其缺点为光能利用率低，光信号中信噪比低。或设计成聚焦类光学吸收腔，通常以光源为物通过光学系统成像于接收器上，但此类吸收腔有效光程不易做长，由于选择了成像，一是光学调整复杂，二是对光路偏移影响较大，随工作环境的变化，其稳定性有所牺牲，但光能利用率很高。

目前，利用非分光色散光谱吸收原理进行红外气体浓度检测的技术已经较为成熟，该类传感器性能的优劣主要取决于气体吸收腔的设计。吸收腔对气体浓度检测的作用，类似于电子学中AD转换器的作用。气体浓度分辨率对应AD信号采样分辨率：AD位数越高，转换的精度就越高；传感器吸收腔的等效光程越长，可以检测的气体浓度精度越高。气体传感器的响应速度对应AD信号转换频率：AD转换时间越快，能转换的信号频率也就越高；在传感器吸收腔方面，传感器的响应速度越快，可以检测浓度变化的时间也就越短。

吸收腔的设计一般均采用多次折叠光路，靠光路的多次反射延长有效吸收长度，这样做可以减少实际的物理长度。尽管如此，由于吸收腔占有一定的空间，所以气体靠扩散充满吸收腔需要一定的时间。因此，在传统的红外气体传感器中为了提高有效吸收光程，其吸收腔的空间体积通常都设计得较大，导致其传感头的响应时间一般较长。例如City的传感头，其气体扩散方向与光路传输方向占有相同的空间，结果是光路长而气体扩散路径也长。所以就会出现传感头的分辨率高而响应时间也长的现象。

传统红外气体传感器技术中响应速度与分辨率互为矛盾，如何同时实现快速响应与高分辨率成为一个急需解决的问题。本实用新型通过一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，同时实现气体的快速扩散与提高有效吸收光程，即同时实现了快速响应与高分辨率。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，可以同时实现气体的快速扩散与提高有效吸收光程，即同时实现气体传感器的快速响应与高分辨率。

本实用新型的具体技术方案如下：

一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，所述红外气体传感器包括吸收腔、光源、红外探测器以及至少两个反射镜，从光源发射的光经所述反射镜之间的多次反射进入红外探测器；所述吸收腔上具有进气孔；其特征在于，吸收腔内反射光路方向与气体通过进气孔进入吸收腔的扩散方向互相垂直。

进一步地，上述具有正交型吸收腔的红外气体传感器，其吸收腔在气体扩散方向的长度小于吸收腔在反射光路方向的长度；优选地，吸收腔在气体扩散方向的长度远小于吸收腔在反射光路方向的长度；进一步优选地，吸收腔在气体扩散方向的长度与吸收腔在反射光路方向的长度的比例小于1∶3，例如：吸收腔在气体扩散方向的长度与吸收腔在反射光路方向的长度的比例为1∶5、或者1∶10、或者1∶20、或者1∶30、或者1∶40、或者1∶50。本实用新型不限于上述长度比例，设计者可以根据实际气体检测的需要选择合适的长度比例关系，比如需要保证检测的高分别率，只要实际检测场地空间允许，可以将吸收腔在反射光路方向的长度设计得尽可能长些。总体上，吸收腔的外形基本上为扁平状，所述进气孔均匀分布在吸收腔扁平状的侧壁上。

进一步地，上述具有正交型吸收腔的红外气体传感器，还包括光电器件室，光电器件室外部封闭，其与吸收腔邻接一起并且内部相通，光源和红外探测器都容置在光电器件室内，光源和红外探测器都对准吸收腔的反射光路方向。更进一步地，上述光电器件室内还包括支架，光源和红外探测器都固定安装在支架上并且通过支架另一面的引脚与外部电连接。上述光电器件室的设计，可以使得光源和红外探测器不占据吸收腔的空间，这不仅有利于保证吸收腔反射光路方向较长的长度，而且可以保证吸收腔形状设计的自由度，例如吸收腔在气体扩散方向的长度便可以设计成小于光源和红外探测器的尺寸。

进一步地，上述具有正交型吸收腔的红外气体传感器，其中光电器件室的外形为圆柱体，吸收腔为扁平的立方体，吸收腔在垂直于光电器件室上表面的方向为反射光路方向。

进一步地，上述具有正交型吸收腔的红外气体传感器，所述吸收腔为由平面反射镜和凹面反射镜构成一个准光学谐振腔，所述平面镜和光源及红外探测器一同固定在支架上，凹面反射镜布置在吸收腔内远离光电器件室的一端并且与平面反射镜相对，所述光源发出的光在平面反射镜和凹面反射镜之间经过多次反射后进入红外探测器，使得光源与红外探测器经多次光路折叠后符合成像关系。采用上述准光学谐振腔，使光源与红外探测器经多次光路折叠后符合成像关系，提高了光信号的信噪比；在吸收腔内光路折叠多次，光被充分吸收，既缩小了吸收腔的体积，还提高了被测气体对光的吸收效果，实现了高效小体积红外气体传感器的要求。

进一步地，上述具有正交型吸收腔的红外气体传感器，所述平面反射镜上有两个通光孔，光源安装在一个通光孔内，红外探测器的光敏面对准另一个通光孔。

进一步地，上述具有正交型吸收腔的红外气体传感器，所述红外气体传感器采用单光源双探测器结构，在一个红外探测器的前面放置一个目标气体对应波长的带通滤波片，在另一个红外探测器的前面放置一个对应参考波长的带通滤波片。

进一步地，上述具有正交型吸收腔的红外气体传感器，在光源的出光方向设置聚光镜。

本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型公开的一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，其吸收腔内的光路反射方向与气体扩散方向互相垂直，并且保证气体扩散方向的长度小于光路反射方向的长度，从而同时实现气体的快速扩散与提高有效吸收光程，即同时实现快速响应与高分辨率。

2.采用光电器件室的设计，可以使得光源和红外探测器不占据吸收腔的空间，这不仅有利于保证吸收腔反射光路方向较长的长度，而且可以保证吸收腔形状设计的自由度。

3.采用准光学谐振腔，使光源与探测器经多次光路折叠后符合成像关系，提高了光信号的信噪比，实现了高效小体积红外气体传感器的要求。

附图说明：

图1为本实用新型具有正交型吸收腔的红外气体传感器的侧视图(沿气体扩散方向)，图中：1.吸收腔；2.进气孔；3.光源；4.聚光镜；5.红外探测器；6.光电器件室；7.引脚。

具体实施方式：

下面根据图1给出本实用新型一个较好实施例，以便进一步给出本实用新型的技术细节，使能更好地说明本实用新型的结构特征和功能特点，但不是用来限定本实用新型的范围。

一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，所述红外气体传感器包括吸收腔1、光源3、红外探测器5以及至少两个反射镜(未示出)，从光源3发射的光经所述反射镜之间的多次反射进入红外探测器5；所述吸收腔1上具有进气孔2；其特征在于，吸收腔1内反射光路方向与气体通过进气孔2进入吸收腔1的扩散方向互相垂直；吸收腔在气体扩散方向的长度与吸收腔在反射光路方向的长度的比例为1∶10；还包括光电器件室6，光电器件室6外部封闭，其与吸收腔1邻接一起并且内部相通，光源3和红外探测器5都容置在光电器件室6内，光源3和红外探测器5都对准吸收腔1的反射光路方向；上述光电器件室6内还包括支架，光源和红外探测器都固定安装在支架上并且通过支架另一面的引脚7与外部电连接；其中光电器件室6的外形为圆柱体，吸收腔1为扁平的立方体，吸收腔1在垂直于光电器件室6上表面的方向为反射光路方向；所述吸收腔1为由平面反射镜和凹面反射镜构成一个准光学谐振腔，所述平面镜和光源3及红外探测器5一同固定在支架上，所述平面反射镜上有两个通光孔，光源安装在一个通光孔内，红外探测器的光敏面对准另一个通光孔，凹面反射镜布置在吸收腔1内远离光电器件室6的一端并且与平面反射镜相对，所述光源3发出的光在平面反射镜和凹面反射镜之间经过多次反射后进入红外探测器5，使得光源3与红外探测器5经多次光路折叠后符合成像关系；在光源的出光方向设置聚光镜4。

本实用新型一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，其工作过程为：吸收腔为扁平状，且吸收腔在反射光路方向的长度大于吸收腔在气体扩散方向的长度；吸收腔在气体扩散方向的长度较短可以保证吸收腔具有较小的容积，从而实现待测气体快速地充满吸收腔，即可以实现气体传感器的快速响应；吸收腔在反射光路方向的长度较长可以保证足够的有效吸收长度，从而实现气体传感器的高分辨率。当将红外气体传感器放置在气体检测环境时，由光源发出的光首先通过聚光镜聚集，然后在吸收腔内的两个反射镜之间经过多次反射，进入与光源符合成像关系的红外探测器中，红外探测器的前面可以设置滤光片来检测不同的目标气体，红外探测器检测到的光强信号可以通过进一步的信号处理实现对目标气体定性或者定量的检测，并且可以进一步地进行预警。

本实用新型公开的一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，其吸收腔内的光路反射方向与气体扩散方向互相垂直，并且保证气体扩散方向的长度小于光路反射方向的长度，从而同时实现气体的快速扩散与提高有效吸收光程，即同时实现快速响应与高分辨率。其可以应用到各种气体检测的领域、尤其是危险气体预警的环境中，具有很好的应用价值和前景。

Claims (10)

1.一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，所述红外气体传感器包括吸收腔、光源、红外探测器以及至少两个反射镜，从光源发射的光经所述反射镜之间的多次反射进入红外探测器；所述吸收腔上具有进气孔；其特征在于，吸收腔内反射光路方向与气体通过进气孔进入吸收腔的扩散方向互相垂直。

2.根据权利要求1所述的一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，其中吸收腔在气体扩散方向的长度小于吸收腔在反射光路方向的长度。

3.根据权利要求2所述的一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，其中吸收腔在气体扩散方向的长度与吸收腔在反射光路方向的长度的比例小于1∶3。

4.根据权利要求3所述的一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，吸收腔在气体扩散方向的长度与吸收腔在反射光路方向的长度的比例为1∶5、或者1∶10、或者1∶20、或者1∶30、或者1∶40、或者1∶50。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，所述红外气体传感器还包括光电器件室，光电器件室外部封闭，其与吸收腔邻接一起并且内部相通，光源和红外探测器都容置在光电器件室内并且光源和红外探测器都对准吸收腔的反射光路方向。

6.根据权利要求5所述的一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，其中光电器件室的外形为圆柱体，吸收腔为扁平的立方体，吸收腔在垂直于光电器件室上表面的方向为反射光路方向。

7.根据权利要求5所述的一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，所述红外气体传感器采用单光源双探测器结构，在一个红外探测器的前面放置一个目标气体对应波长的带通滤波片，在另一个红外探测器的前面放置一个对应参考波长的带通滤波片。

8.根据权利要求5所述的一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，在光源的出光方向设置聚光镜。

9.根据权利要求5所述的一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，所述光电器件室内还包括支架，光源和红外探测器都固定安装在支架上并且通过支架另一面的引脚与外部电连接。

10.根据权利要求9所述的一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，所述吸收腔为由平面反射镜和凹面反射镜构成一个准光学谐振腔，所述平面镜和光源及红外探测器一同固定在支架上，凹面反射镜布置在吸收腔内远离光电器件室的一端并且与平面反射镜相对，所述光源发出的光在平面反射镜和凹面反射镜之间经过多次反射后进入红外探测器，使得光源与红外探测器经多次光路折叠后符合成像关系。

Images