CN205607852U - 一种基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器。所述基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器包括提供红外光的红外光源、接收所述红外光的滤光探测部件、收容所述红外光源和所述滤光探测部件的采样气室以及设于所述采样气室外部的外部电路部件，所述红外光源和所述滤光探测部件均固定于所述采样气室的内侧，所述采样气室在沿所述红外光传播方向设置有用于增加所述红外光的光程长度的角反射器，所述角反射器反射所述红外光源提供的红外光至所述滤光探测部件。本实用新型的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器可以提高甲烷浓度测量的准确性和稳定性。

Description

一种基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器

【技术领域】

本实用新型属于红外传感器领域，具体地涉及一种基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器。

【背景技术】

近年来，煤炭事故频发，给国家造成了巨大的经济损失和人员伤亡，因此气体传感器受到越来越广泛的重视。目前，国内外测量甲烷气体的传感器类型主要有：催化燃烧式气体传感器、电化学式气体传感器、半导体式气体传感器等。与上述各类型气体传感器相比，基于非分光原理(NDIR)的气体传感器具有选择性好、测量范围宽、灵敏度高、可靠性好、检测快速等诸多优点。

NDIR气体传感器是根据红外光谱特征吸收理论来进行定性定量分析的。当红外光源的发射波长与待测甲烷气体的吸收波长相吻合时，则会发生共振吸收，即当红外光通过待测甲烷气体时，这些待测甲烷气体对特定波长的红外光有吸收作用，通过对比吸收前后的红外光的强度，根据朗伯-比尔定律，就可以反演出待测甲烷气体浓度。

NDIR气体传感器结构类型主要有：单光束单波长、单光束双波长、双光束单波长、双光束双波长等，其中单光束双波长结构的应用最为广泛。借助于滤光片将红外光线分为两路信息，一路作为测量通道，携带有被测气体吸收后的信息；另一路作为参考通道，携带有未经被测气体吸收后的信息。由于测量通道和参考通道是严格对称的且处在同一环境下，因此在实际测量中取两者峰-峰值做比值，一方面可以在一定程度上消除光源抖动引起的误差；另一方面对环境因素造成的干扰也起到一定的抑制作用。

目前，为避免采样气室内气体发生泄漏或外界气体窜入采样气室中，现有的NDIR气体传感器的采样气室一般采用直管型一体式结构。这种结构的传感器光程短，气体吸收不充分，测量精度低。为了获得高性能的NDIR气体传感器，需要通过增加气室长度来延长光程，这不仅会导致整个系统体积增大，不便于小型化，而且会带来制造成本的增加。在实际使用中，灰尘和水汽也会不可避免的被带入到气室中从而使红外光发生散色，造成测量结果不准确。

因此，有必要提供一种基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于提供一种基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器。

本实用新型的技术方案如下：一种基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器，包括提供红外光的红外光源、接收所述红外光的滤光探测部件、收容所述红外光源和所述滤光探测部件的采样气室以及设于所述采样气室外部的外部电路部件，所述红外光源和所述滤光探测部件均固定于所述采样气室的内侧，所述采样气室在沿所述红外光传播方向设置有用于增加所述红外光的光程长度的角反射器，所述角反射器反射所述红外光源提供的红外光至所述滤光探测部件。

在本实用新型提供的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器一较佳实施例中，所述红外光源和所述滤光探测部件均固定于所述采样气室的同一侧，所述角反射器分别与所述红外光源和与所述滤光探测部件相对间隔设置。

在本实用新型提供的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器一较佳实施例中，所述角反射器包括相互垂直连接的第一反射面和第二反射面，所述第一反射面与所述红外光源相对间隔设置，所述第二反射面与所述滤光探测部件相对间隔设置。

在本实用新型提供的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器一较佳实施例中，所述采样气室的侧壁还形成有用于待测甲烷气体进出的进气孔和出气孔，所述进气孔和所述出气孔位于所述红外光源和所述角反射器之间。

在本实用新型提供的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器一较佳实施例中，在所述进气孔和所述出气孔处设置有用于去除水汽和灰尘颗粒物的疏水性膜。

在本实用新型提供的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器一较佳实施例中，所述滤光探测部件包括固定于所述采样气室的驱动马达、被所述驱动马达带动的滤光轮、以及分别贴附于所述滤光轮两侧表面的电探测器和滤光片组，所述电探测器与所述外部电路部件电连接。

在本实用新型提供的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器一较佳实施例中，所述滤光片组包括允许待测甲烷气体对应的吸收波长通过的测量滤光片和完全阻止待测甲烷气体对应的吸收波长通过且不被其他气体吸收的参考滤光片。

在本实用新型提供的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器一较佳实施例中，所述电探测器是双元热释电探测器。

在本实用新型提供的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器一较佳实施例中，所述外部电路部件包括驱动所述红外光源发出稳定的红外光的光源驱动电路模块、用于接收所述电探测器输出的电信号并进行滤波、放大处理的信号调理电路模块、用于将接收到的模拟电信号转化为数字信号的模/数转换电路模块、用于进行数据处理的微处理器电路模块和提供显示功能的显示模块，所述光源驱动电路模块直接所述微处理器电路模块电连接，所述信号调理电路模块、所述模/数转换电路模块、所述微处理器电路模块和所述显示模块依次电连接。

在本实用新型提供的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器一较佳实施例中，所述光源驱动电路模块还与所述红外光源电连接，所述信号调理电路模块还与所述电探测器电连接，所述微处理器电路模块还与所述驱动马达电连接。

本实用新型的有益效果在于：所述小型化长光程甲烷气体传感器中，在所述采样气室内设置用于增加所述红外光的光程长度的角反射器，由于所述角反射器反射系数高、光能量损失小，能够使所述电探测器获得的信号增强，提高了信噪比，而且通过反射增加了光程长度，提高了甲烷浓度测量的准确性。

而且，所述所述采样气室的的进气孔和出气孔采用了疏水性膜，不仅可以防止除气体中的水汽、灰尘颗粒物进入所述采集气室，而且可以减小气体流速对气体测量的影响，提高了甲烷浓度测量的稳定性。

此外，所述小型化长光程甲烷气体传感器还采用了单光束双波长结构，由于参考通道和测量通道严格对称且处在同一环境下，因此能够有效地消除因光源抖动、环境温度等因素带来的干扰，提高了甲烷浓度测量的精度。

【附图说明】

图1为本实用新型实施例提供的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器的结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

除非上下文另有特定清楚的描述，本实用新型中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本实用新型并不对此进行限定。

请参阅图1，为本实用新型实施例提供的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器的结构示意图。本实用新型提供的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器100包括提供红外光的红外光源10、接收所述红外光的滤光探测部件20、收容所述红外光源10和所述滤光探测部件20的采样气室30以及设于所述采样气室外部30的外部电路部件40。其中，所述红外光源10和所述滤光探测部件20均固定于所述采样气室30的内侧，并均与所述外部电路部件40电连接。

所述滤光探测部件20包括固定于所述采样气室30的驱动马达21、被所述驱动马达21带动的滤光轮22、以及分别贴附于所述滤光轮22两侧表面的电探测器23和滤光片组24，所述电探测器23与所述外部电路部件40电连接。其中，所述滤光片组24包括允许待测甲烷气体对应的吸收波长通过的测量滤光片241和完全阻止待测甲烷气体对应的吸收波长通过且不被其他气体吸收的参考滤光片242，且所述测量滤光片241和所述参考滤光片242的中心波长相近。优选地，所述电探测器23是双元热释电探测器。

在所述滤光探测部件20内，所述驱动马达21以特定频率带动所述滤光轮22转动，所述电探测器23用于接收经过所述测量滤光片241和所述参考滤光片242后的两路红外光信号，并将之转换为电信号。

所述采样气室30整体为长方体结构，其内壁涂有反光材料，能够增加所述采样气室30内部反射效率，减小光能衰减。

在本实施例中，所述采样气室30在沿所述红外光传播方向设置有用于增加所述红外光的光程长度的角反射器31，所述角反射器31反射所述红外光源10提供的红外光至所述滤光探测部件20。而且，在所述采样气室30内部，所述红外光源10和所述滤光探测部件20均固定于所述采样气室30的同一侧，所述角反射器31分别与所述红外光源10和与所述滤光探测部件20相对间隔设置。

具体地，所述角反射器31包括相互垂直连接的第一反射面311和第二反射面312，所述第一反射面311与所述红外光源10相对间隔设置，所述第二反射面231与所述滤光探测部件20相对间隔设置。所述第一反射面311接收并反射所述红外光源10提供的红外光至所述第二反射面231，所述第二反射面231接收并反射所述红外光至所述滤光探测部件20。

而且，所述采样气室30的侧壁还形成有用于待测甲烷气体进出的进气孔32和出气孔33，所述进气孔32和所述出气孔位33于所述红外光源10和所述角反射器31之间。进一步地，在所述进气孔32和所述出气孔33处设置有用于去除水汽和灰尘颗粒物的疏水性膜34。所述疏水性膜34设计成两层结构，且两层结构之间加入吸潮防尘颗粒物35，可有效去除随待测甲烷气体或者出气孔进入所述待测采样气室30的水汽、灰尘颗粒物。

为了可以使外界气体能够充分的进入整个所述采样气室30，所述进气孔32和所述出气孔33分别设于所述采样气室30的两端，且所述进气孔32靠近所述红外光源10设置，所述出气孔33靠近所述角反射器31设置。而且，所述进气孔32和所述出气孔33均设于所述采样气室30的相同侧。

所述外部电路部件40包括驱动所述红外光源10发出稳定的红外光的光源驱动电路模块41、用于接收所述电探测器23输出的电信号并进行滤波、放大处理的信号调理电路模块42、用于将接收到的模拟电信号转化为数字信号的模/数转换电路模块43、用于进行数据处理的微处理器电路模块44和提供显示功能的显示模块45，所述光源驱动电路模块41直接所述微处理器电路模块44电连接，所述信号调理电路模块42、所述模/数转换电路模块43、所述微处理器电路模块44和所述显示模块45依次电连接。

在所述外部电路部件40中，所述光源驱动电路模块41还与所述红外光源10电连接，所述信号调理电路模块42还与所述电探测器23电连接，所述微处理器电路模块44还与所述驱动马达21电连接。可选择地，所述微处理器电路模块44可以是包括单片机、PLC处理器或CPU的电路模块，所述显示模块45可以是包括LED显示屏、触摸屏、液晶显示屏等具有显示功能的屏幕的电路模块。

所述光源驱动模块41用来驱动所述红外光源10发出稳定的红外光，并进行一定程度的频率调制。所述信号调理电路模块42接收所述电探测器23输出的电信号并进行滤波、放大处理形成模拟电信号，然后将所述模拟电信号传送至所述模/数转换电路模块43，所述模/数转换电路模块43将接收到的所述模拟电信号转化为数字信号，并通过所述微处理器电路模块44处理，最后通过所述显示模块45以数字或图表的形式显示测量结果。

需要说明的是，本实用新型提供的小型化长光程甲烷气体传感器100是根据NDIR型气体传感器的基本原理，即当红外光源发出的红外光通过待测甲烷气体时，这些待测甲烷气体分子会对特定波长的红外光线有吸收作用，其吸收关系服从朗伯-比尔定律：

I＝I₀e^-μcl (1)

其中，I₀为入射光强度；I为出射光强度；μ为待测甲烷气体吸收系数；C为待测甲烷气体浓度，L为光程。

而且，所述小型化长光程甲烷气体传感器100采用单光束双波长结构，所述红外光源10发出单束红外光通过所述采样气室30，在所述滤光探测部件20中，在测量通道上的所述测量滤光片241通过的红外光波长与待测甲烷气体吸收波长一致，并且所述测量滤光片241输出的是测量电压信号；在参考通道上的所述参考滤光片242滤出的红外光则不会被待测甲烷气体吸收，并且所述参考滤光片242输出的是参考电压信号。其中，测量通道和参考通道输出电压表示分别为：

Vgas＝λ_G(T,t)·I_0(T,t)·e^-μcl (2)

式中I₀(T,t)为所述红外光源10的发光强度，它是温度和时间的函数；λ_G(T,t)、λ_R(T,t)分别为所述电探测器23的光电灵敏度。所述电探测器23两个独立探测通道由于制造差异，它们的光电灵敏度不可能完全一致，但在相同的环境和使用合规的情况下，其比值为常数Q,记

由式(2)、(3)有：

$\frac{V_{gas}}{V_{ref}Q}=e^{-\mathrm{\μ}cl}---\left(4\right)$

$C=\frac{1}{\mathrm{\μ}l}ln\frac{V_{ref}Q}{V_{gas}}---\left(5\right)$

其中，测量通道和参考通道理想对称，光源的抖动和环境影响因素对两路信息的影响一致，从而消除了它们对甲烷气体浓度测量的影响。

而且，不限于上述实施例，在其他可替代实施例中，本实用新型提供的小型化长光程甲烷气体传感器100还可以用作除甲烷外其他气体浓度的测量。而且，由于不同气体对红外光的特征吸收波段不同，因此只要更换所述电探测器23和所述滤光片组24就可以实现对其它气体浓度的测量。

相较于现有技术，在本实用新型提供的小型化长光程甲烷气体传感器100中，在所述采样气室30内设置用于增加所述红外光的光程长度的角反射器31，由于所述角反射器31反射系数高、光能量损失小，能够使所述电探测器23获得的信号增强，提高了信噪比，而且通过反射增加了光程长度，提高了甲烷浓度测量的准确性。

而且，所述所述采样气室30的的进气孔32和出气孔33采用了疏水性膜34，不仅可以防止除气体中的水汽、灰尘颗粒物进入所述采集气室30，而且可以减小气体流速对气体测量的影响，提高了甲烷浓度测量的稳定性。

此外，所述小型化长光程甲烷气体传感器100还采用了单光束双波长结构，由于参考通道和测量通道严格对称且处在同一环境下，因此能够有效地消除因光源抖动、环境温度等因素带来的干扰，提高了甲烷浓度测量的精度。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器，其特征在于：包括提供红外光的红外光源、接收所述红外光的滤光探测部件、收容所述红外光源和所述滤光探测部件的采样气室以及设于所述采样气室外部的外部电路部件，所述红外光源和所述滤光探测部件均固定于所述采样气室的内侧，所述采样气室在沿所述红外光传播方向设置有用于增加所述红外光的光程长度的角反射器，所述角反射器反射所述红外光源提供的红外光至所述滤光探测部件。

2.根据权利要求1所述的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器，其特征在于：所述红外光源和所述滤光探测部件均固定于所述采样气室的同一侧，所述角反射器分别与所述红外光源和与所述滤光探测部件相对间隔设置。

3.根据权利要求2所述的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器，其特征在于：所述角反射器包括相互垂直连接的第一反射面和第二反射面，所述第一反射面与所述红外光源相对间隔设置，所述第二反射面与所述滤光探测部件相对间隔设置。

4.根据权利要求1所述的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器，其特征在于：所述采样气室的侧壁还形成有用于待测甲烷气体进出的进气孔和出气孔，所述进气孔和所述出气孔位于所述红外光源和所述角反射器之间。

5.根据权利要求4所述的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器，其特征在于：在所述进气孔和所述出气孔处设置有用于去除水汽和灰尘颗粒物的疏水性膜。

6.根据权利要求1所述的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器，其特征在于：所述滤光探测部件包括固定于所述采样气室的驱动马达、被所述驱动马达带动的滤光轮、以及分别贴附于所述滤光轮两侧表面的电探测器和滤光片组，所述电探测器与所述外部电路部件电连接。

7.根据权利要求6所述的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器，其特征在于：所述滤光片组包括允许待测甲烷气体对应的吸收波长通过的测量滤光片和完全阻止待测甲烷气体对应的吸收波长通过且不被其他气体吸收的参考滤光片。

8.根据权利要求6所述的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器，其特征在于：所述电探测器是双元热释电探测器。

9.根据权利要求6所述的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器，其特征在于：所述外部电路部件包括驱动所述红外光源发出稳定的红外光的光源驱动电路模块、用于接收所述电探测器输出的电信号并进行滤波、放大处理的信号调理电路模块、用于将接收到的模拟电信号转化为数字信号的模/数转换电路模块、用于进行数据处理的微处理器电路模块和提供显示功能的显示模块，所述光源驱动电路模块直接所述微处理器电路模块电连接，所述信号调理电路模块、所述模/数转换电路模块、所述微处理器电路模块和所述显示模块依次电连接。

10.根据权利要求9所述的基于红外吸收原理的小型化长光程甲烷气体传感器，其特征在于：所述光源驱动电路模块还与所述红外光源电连接，所述信号调理电路模块还与所述电探测器电连接，所述微处理器电路模块还与所述驱动马达电连接。