CN202994654U - 一种双光源四探测器红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出双光源四探测器红外气体传感器，该传感器的光路模型是在工作探测器的位置同时添加了一个起参比作用的探测器，即增加两个参比探测器，前面放置参比滤光片。经过这个模型处理后，只有待测气体的透射比，其余因素均能被消除掉。本实用新型能够消除气室光学元器件、粉尘等因素的影响，并且产生一个只与待测气体透射比的平方成正比的信号，这种设计提高了抗干扰能力和测量精度。

Description

一种双光源四探测器红外气体传感器

技术领域

本实用新型涉及分析仪器领域，具体涉及一种双光源四探测器红外气体传感器。

背景技术

出于保护人员和财产的安全的考虑，需要对煤矿井内的气体（特别是一氧化碳）进行监控分析。由于井下其环境复杂，存在易燃、易爆、腐蚀性气体，温度高、湿度大、粉尘多、电磁干扰强，此外光源的稳定性、探测器响应的灵敏度、干扰气体、传感器光学元件本身对红外光的散射都会对一氧化碳气体浓度测量产生较大影响。

红外吸收式气体检测原理是基于Lambert-Beer定律，不同气体对红外光有着不同的吸收光谱，某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相关，通过分析红外光被气体吸收频率和能量多少就可以确定它的成分和浓度。而红外光谱吸收过程中，光路结构是红外气体吸收的重要组成部分，直接影响到红外气体传感器检测精度和检测灵敏度，目前常用的光路结构有双光源双气室光路结构、单光源单气室光路结构、单光源双气室光路结构等，对于每种光路都有其优点和不足，双光源双气室光路避免了温度、压力、其他气体及光源不稳定因素影响，但无法解决气室不匹配带来的影响，并且双气室在结构上也比较复杂；单光源单气室光路结构虽结构简单，扩展性较好，但光源不稳定性影响、可靠性、抗干扰性、选择性方面存在不足，单光源双气室光路结构结合了前两种优缺点，但分光路器的分光比不对称仍然造成误差，此外上述光路结构均未考虑到气室等光学元件吸收红外光而造成的能量损失，为消除气室等光学元件吸收红外光影响，本实用新型提出了一种双光源四探测器红外气体传感器。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种抗干扰能力强、测量精度高的双光源四探测器红外气体传感器。

根据本实用新型实施例的一种双光源四探测器红外气体传感器，包括：气室（0），所述气室（0）内充满待测气体；第一光源（1）与第二光源（2），其中所述第一光源（1）位于所述气室（0）左侧上方，所述第二光源（2）位于所述气室（0）右侧下方，所述第一光源（1）与第二光源（2）交替地发出第一脉冲光线和第二脉冲光线；第一探测器（3）与第二探测器（4），其中所述第一探测器（3）与第二探测器（4）位于所述气室（0）左侧下方，所述第一探测器（3）前置有测量波长的第一滤光片（7），所述第二探测器（4）前置有参比波长的第二滤光片（8）；第三探测器（5）与第四探测器（6），其中所述第三探测器（5）与第四探测器（6）位于所述气室（0）右侧上方，所述第三探测器（5）前置有所述测量波长的第三滤光片（9），所述第四探测器（6）前置有所述参比波长的第四滤光片（10）；以及第一分光镜（11）、第二分光镜（12）、第一反光镜（13）与第二反光镜（14），其中，所述第一脉冲光线经过所述第一分光镜（11）分成两束，其中一束光线穿过所述气室（0）发送到第三探测器（5）和第四探测器（6）,另一束光线经过第一反光镜（13）发送到第一探测器（3）和第二探测器（4），其中，所述第二脉冲光线经过所述第二分光镜（12）分成两束，其中一束光线穿过所述气室（0）发送到第一探测器（3）和第二探测器（4）,另一束光线经过第二反光镜（14）发送到第三探测器（5）和第四探测器（6）。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述第一光源（1）与第二光源（2）为发光二极管。

在本实用新型的一个优选实施例中，探测器和对应的滤光片集成在一起。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例的一种双光源四探测器红外气体传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示，根据本实用新型实施例的一种双光源四探测器红外气体传感器，包括：气室0，气室0内充满待测气体；第一光源1与第二光源2，其中第一光源1位于气室0左侧上方，第二光源2位于气室0右侧下方，第一光源1与第二光源2交替地发出第一脉冲光线和第二脉冲光线；第一探测器3与第二探测器4，其中第一探测器3与第二探测器4位于气室0左侧下方，第一探测器3前置有测量波长的第一滤光片7，第二探测器4前置有参比波长的第二滤光片8；第三探测器5与第四探测器6，其中第三探测器5与第四探测器6位于气室0右侧上方，第三探测器5前置有测量波长的第三滤光片9，第四探测器6前置有参比波长的第四滤光片10；以及第一分光镜11、第二分光镜12、第一反光镜13与第二反光镜14，其中，第一脉冲光线经过第一分光镜11分成两束，其中一束光线穿过气室0发送到第三探测器5和第四探测器6,另一束光线经过第一反光镜13发送到第一探测器3和第二探测器4，其中，第二脉冲光线经过第二分光镜12分成两束，其中一束光线穿过气室0发送到第一探测器3和第二探测器4,另一束光线经过第二反光镜14发送到第三探测器5和第四探测器6。

在本实用新型的一个优选实施例中，第一光源（1）与第二光源（2）为发光二极管。发光二极管具有热功率小的优点，单位面积发光强度高的优点。

在本实用新型的一个优选实施例中，探测器和对应的滤光片集成在一起。集成元件有利于传感器的小型化和稳定性。

本实用新型的双光源四探测器红外气体传感器的光路模型是在工作探测器的位置同时添加了一个起参比作用的探测器，即增加两个参比探测器，前面放置参比滤光片。经过这个模型处理后，只有待测气体的透射比，其余因素均能被消除掉。这种结构消除了气室光学元器件、粉尘等因素的影响，并且产生一个只与待测气体透射比的平方成正比的信号，提高了抗干扰能力和测量精度。

假设某红外气体传感器用于检测一氧化碳气体，而根据一氧化碳的红外吸收光谱特征，其对3.93μm的红外辐射不吸收，对4.65μm的红外辐射有较强的吸收。故可以设置参比滤光片为3.93μm的滤光片，测量滤光片为4.65μm的滤光片。具体地：第一探测器3和第三探测器5前均放置波长为4.65μm的测量滤光片，使得照射到这两个探测器上的红外辐射仅为4.65μm的辐射；第二探测器4和第四探测器6前均放置波长为3.93μm的参比滤光片，使得照射到这两个探测器上的红外辐射仅为3.93μm的辐射。第一光源1和第二光源2的两个发光二极管交替地以脉冲方式发射，当第一光源1发出脉冲光时，第一探测器3、第二探测器4接受到的是直接来自于第一光源1的辐射，第三探测器5、第四探测器6接受到的时穿过气室0的红外辐射，由于一氧化碳对3.93μm的红外辐射不吸收，所以第四探测器6的输出仅与气室0的透射比有关，一氧化碳对4.65μm的红外辐射有较强的吸收，所以第三探测器5的输出不仅与气室0的透射比有关，还与吸收气体的透射比有关。设第一光源1和第二光源2的辐射强度分别为I1和I2，第一探测器3、第二探测器4、第三探测器5、第四探测器6的响应度分别为R1、R2、R3、R4，被测气体的透射比为τ_a，气室0的透射比为τ₀。则当第一光源1发出脉冲光时，第一探测器3、第二探测器4、第三探测器5、第四探测器6产生的电压输出信号分别为：

v₁=I₁×R₁（测量滤光片波长4.65μm）             （1）

v₂=I₁×R₂（参比滤光片波长3.93μm）             （2）

v₃=I₁×R₃×τ_a×τ₀（测量滤光片波长4.65μm）   （3）

v₄=I₁×R₄×τ₀（参比滤光片波长3.93μm）        （4）

当第二光源2发出脉冲光时，第三探测器5、第四探测器6接受到的是直接来自于第二光源2的辐射，第一探测器3、第二探测器4接受到的是穿过气室0的红外辐射。与上述原理相同，第一探测器3、第二探测器4、第三探测器5、第四探测器6产生的电压输出信号分别为：

v₅=I₂×R₁×τ_a×τ₀（测量滤光片波长4.65μm）   （5）

v₆=I₂×R₂×τ₀（参比滤光片波长3.93μm）        （6）

v₇=I₂×R₃（测量滤光片波长4.65μm）             （7）

v₈=I₂×R₄（参比滤光片波长3.93μm）             （8）

结合关系式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）有

$s=\frac{v_2{v}_3{v}_5{v}_8}{v_1{v}_4{v}_6{v}_7}={{\mathrm{\τ}}_a}^2---\left(9\right)$

由此可见本实用新型的光路系统的透射率（s）与探测器响应度(R)和发光二极管辐射强度（I）无关、与τ₀(光学元件本身、粉尘、干扰气体)无关，而只与τ_a ²成正比。

本实用新型的技术方案不仅补偿了由于温度变化所带来的影响,而且也补偿了由于发光二极管输出功率的变化、探测器响应度的变化产生的信号波动、探测器的失配、由灰尘或光学元件的磨损而引起的气室透射比的变化带来的影响,实现了光源和探测器光谱特性与被测气体特征吸收带的匹配。同时,在保证灵敏度的前提下,实际气室长度可以是其它方案的一半。本实用新型能够较好地对外部干扰补偿，具有很强的实用性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种双光源四探测器红外气体传感器，包括：

气室（0），所述气室（0）内充满待测气体；

第一光源（1）与第二光源（2），其中所述第一光源（1）位于所述气室（0）左侧上方，所述第二光源（2）位于所述气室（0）右侧下方，所述第一光源（1）与第二光源（2）交替地发出第一脉冲光线和第二脉冲光线；

第一探测器（3）与第二探测器（4），其中所述第一探测器（3）与第二探测器（4）位于所述气室（0）左侧下方，所述第一探测器（3）前置有测量波长的第一滤光片（7），所述第二探测器（4）前置有参比波长的第二滤光片（8）；

第三探测器（5）与第四探测器（6），其中所述第三探测器（5）与第四探测器（6）位于所述气室（0）右侧上方，所述第三探测器（5）前置有所述测量波长的第三滤光片（9），所述第四探测器（6）前置有所述参比波长的第四滤光片（10）；以及

第一分光镜（11）、第二分光镜（12）、第一反光镜（13）与第二反光镜（14），

其中，所述第一脉冲光线经过所述第一分光镜（11）分成两束，其中一束光线穿过所述气室（0）发送到第三探测器（5）和第四探测器（6）,另一束光线经过第一反光镜（13）发送到第一探测器（3）和第二探测器（4），

其中，所述第二脉冲光线经过所述第二分光镜（12）分成两束，其中一束光线穿过所述气室（0）发送到第一探测器（3）和第二探测器（4）,另一束光线经过第二反光镜（14）发送到第三探测器（5）和第四探测器（6）。

2.如权利要求1所述的双光源四探测器红外气体传感器，其特征在于，所述第一光源（1）与第二光源（2）为发光二极管。

3.如权利要求1所述的双光源四探测器红外气体传感器，其特征在于，探测器和对应的滤光片集成在一起。

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