CN205656119U - 气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种气体传感器，其包括由光学腔室和反射顶盖组成的光路结构，反射顶盖上设有多个通气孔；红外光源和红外热释电探测器，设置在光学腔室的远离反射顶盖的一侧，红外光源和红外热释电探测器的至少一部分伸入光学腔室，红外热释电探测器集成有温度传感器、红外热释电敏感元件和数字量化模块，数字量化模块用于将温度传感器和红外热释电敏感元件感测到的模拟信号数字化；嵌入式最小系统，用于控制并调制红外光源，读取来自红外热释电探测器的数字信号，并通过自带的串行数据接口发送数据。由此，通过采用集成化、数字化的红外热释电探测器和嵌入式最小系统，有利于气体传传感器的低功耗和小型化设计。
Description
技术领域
本实用新型涉及气体检测仪领域，具体涉及一种气体传感器。
背景技术
现有气体传感器仍以催化燃烧原理和电化学原理为主，这两种气体传感器都存在原理性不可克服的缺点，如寿命短，容易中毒等。采用激光原理的激光气体传感器由于其价格成本高昂，难以进行大规模使用。
红外气体传感器与上述传感器相比，恰好能在性能与价格之间找到一个更好的平衡点，可有效克服上述传感器存在的缺点。
在光探测器方面，现有红外气体传感器基本采用双通道模拟输出红外热电堆或热释电元件，后端需要采用至少两个运算放大器进行模拟信号的前置处理，采用一个数模转换模块进行模拟信号的数字量化。为实现温度补偿功能，还需要采用一个热敏电阻或温度传感器进行温度检测。上述因素非常不利于传感器的低功耗和小型化设计，这是目前制约此类传感器广泛应用的主要因素。
实用新型内容
针对背景技术中提到的问题，本实用新型的目的在于提供一种能够降低功耗和体积的气体传感器。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种气体传感器，该气体传感器包括：由光学腔室和反射顶盖组成的光路结构，反射顶盖上设有多个通气孔；红外光源和红外热释电探测器，设置在光学腔室的远离反射顶盖的一侧，红外光源和红外热释电探测器的至少一部分伸入光学腔室，红外热释电探测器集成有温度传感器、红外热释电敏感元件和数字量化模块，数字量化模块用于将温度传感器和红外热释电敏感元件感测到的模拟信号数字化；嵌入式最小系统，用于控制并调制红外光源，读取来自红外热释电探测器的数字信号，并通过自带的串行数据接口发送数据。
优选地，红外光源、红外热释电探测器以及分别为红外光源和红外热释电探测器供电的供电模块设置在第一功能板上，嵌入式最小系统和为嵌入式最小系统供电的供电模块设置在第二功能板上，第二功能板与第一功能板背对光学腔室的一侧相邻。
优选地，第一功能板的为红外光源供电的供电模块具有3.6V输出电压、150mA输出电流的负载能力，第一功能板的为红外热释电探测器供电的供电模块为高精度电压源芯片。
优选地，该气体传感器还可以包括：具有防爆功能的不锈钢外壳，适于将光学腔室包裹在内。
优选地，光学腔室的内表面镀金。
优选地，该气体传感器还可以包括不锈钢网，设置在靠近反射顶盖的一侧。
优选地，在第二功能板上还设置有多个安装孔，该气体传感器还可以包括：用于对外进行电气连接的插针，插针通过多个安装孔固定在第二功能板上。
优选地，通过环氧树脂灌封的方式完成气体传感器的装配。
优选地，红外光源采用MEMS工艺制成。
本实用新型的有益技术效果在于，本实用新型的气体传感器中的红外热释电探测器采用集成化的设计方法，集成有温度传感器、红外热释电敏感元件和数字量化模块，可以降低系统的复杂度。由于该探测器集成了温度传感器，因此能够降低以往设计中采用独立温度传感器带来的温度梯度问题，有利于传感器的低功耗和小型化设计，并且具有更好的温度补偿特性，可以减少由于温度梯度带来的温度补偿超前和滞后问题。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本实用新型一实施例的气体传感器可以包括的各个部件的结构示意图。
图2示出了将本实用新型的气体传感器装配后的示意图。
图3示出了第一功能板的电路原理图。
图4示出了第二功能板的电路原理图。
附图标记说明：1、光学腔室，2、反射顶盖，3、第一功能板，4、第二功能板，31、红外光源，32、红外热释电探测器，41、插针，5、不锈钢外壳，6、灌封底板，7、不锈钢网。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
如前所述，为了实现气体传感器的低功耗和小型化设计，本实用新型提供了一种新的结构的气体传感器。本实用新型的气体传感器包括由光学腔室和反射顶盖组成的光路结构、红外光源、红外热释电探测器以及嵌入式最小系统。
其中，红外光源和红外热释电探测器设置在光学腔室的远离反射顶盖的一侧，红外光源和红外热释电探测器的至少一部分伸入光学腔室。红外热释电探测器集成有温度传感器、红外热释电敏感元件和数字量化模块，可替代传统的模拟式探测器，并降低系统的复杂度。由于该探测器集成了温度传感器，因此能够降低以往设计中采用独立温度传感器代理的温度梯度问题，使得该探测器能够具有更好的温度补偿特性，减少由于温度梯度带来的温度补偿超前和滞后问题。
嵌入式最小系统可以控制并调制红外光源，读取来自红外热释电探测器中的数字量化模块的数字信号，并通过自带的串行数据接口发送数据。
由此，通过采用集成化、数字化的红外热释电探测器和嵌入式最小系统，可以实现气体传传感器的低功耗和小型化设计。
下面结合附图对本实用新型的气体传感器的具体结构做进一步详细说明。
图1示出了本实用新型一实施例的气体传感器可以包括的各个部件的结构示意图。
如图1所示，本实用新型的气体传感器包括由光学腔室1、反射顶盖2、第一功能板3、第二功能板4。
光学腔室1的内表面可以镀金，反射顶盖2上设置有多个通气孔，第一功能板3上安装有红外光源31和红外热释电探测器32。
红外光源31可以是采用MEMS工艺制成的红外光源，具有效率高、调制深度大、红外谱带宽等特点，这样使得性能方面远胜过传统镍镉红外光源。特别是在响应速度方面，具有良好的阶跃响应特性。红外光源31可以进行10Hz以上的频率调制，以降低低频调制带来的1/f噪声。
红外热释电探测器32如上文所述，集成有温度传感器、红外热释电敏感元件和数字量化模块，数字量化模块可以将温度传感器和红外热释电敏感元件感测到的模拟信号数字化。
第二功能板4上设置有嵌入式最小系统，如上文所述，嵌入式最小系统可以控制并调制红外光源，读取来自红外热释电探测器中的数字量化模块的数字信号，并通过自带的串行数据接口发送数据。由此，嵌入式最小系统可以集成有智能化光源驱动和红外信号解算算法的微控制器。
此外，第一功能板3上还可以设有分别为红外光源和红外热释电探测器供电的供电模块，其中，为红外光源供电的供电模块具有3.6V输出电压、150mA输出电流的负载能力，为红外热释电探测器供电的供电模块为高精度电压源芯片，这样可以较好地保证红外热释电探测器的稳定工作。作为示例，图3示出了第一功能板的一种电路原理图。
第二功能板4上可以设有为嵌入式最小系统供电的供电模块，另外，第二功能板4上还可以设置多个安装孔，本实用新型的气体传感器还包括用于对外进行电气连接的插针41，插针41通过多个安装孔固定在第二功能板上。作为示例，图4示出了第二功能板的一种电路原理图。
第二功能板4与第一功能板3背对光学腔室1的一侧相邻，其中，设置在第一功能板3上的红外光源31和红外热释电探测器32可以部分伸入光学腔室1，第二功能板4和第一功能板3可以设置在光学腔室1外。此外，本实用新型的气体传感器还可以包括具有防爆功能的不锈钢外壳5，不锈钢外壳5适于将全部光学结构和电子元件通过环氧树脂进行封装。
另外，本实用新型的气体传感器还可以包括不锈钢网7(图中5左侧)，设置在靠近反射顶盖的一侧。
为了便于将光学腔室1、第一功能板3、第二功能板4等部件固定在不锈钢外壳5内，本实用新型的气体传感器还可以包括灌封底板6。灌封底板6上可以设有与插针41的数量和排列方式相配合的多个插孔，使得插针41可以穿过插孔。其中，灌封底板6仅用于灌封工艺，与其他机械装配无关。
图2示出了将本实用新型各部件装配后的示意图。其中，作为一种优选，可以通过环氧树脂灌封的方式完成所述气体传感器的装配。
本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体地说，该红外气体传感器能在直径20mm、高度22mm的微小空间内实现红外气体探测的功能，并且将此类型的传感器的平均功率降低至50mW以下。该传感器采用数字输出，能够存储传感器的标定信息，因此不需要用户做后续的处理工作，可直接读取数字信号获得气体浓度。
上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的气体传感器。综上，本实用新型采用基于MEMS的工艺红外光源和微型的双通道数字型红外热释电探测器分别作为传感器的光源和红外探测器件进行小型化的红外气体传感器设计，有效提高了能量的利用效率和信号的调制深度；采用微控制器对光源和红外探测器进行控制，通过同步触发采集功能，实现光源的低功耗驱动以及红外信号的可靠采集；通过嵌入式集成设计，实现微型传感器信号的数字化输出，便于集成应用。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (9)
1.一种气体传感器，其特征在于，包括：
由光学腔室和反射顶盖组成的光路结构，所述反射顶盖上设有多个通气孔；
红外光源和红外热释电探测器，设置在所述光学腔室的远离所述反射顶盖的一侧，所述红外光源和所述红外热释电探测器的至少一部分伸入所述光学腔室，所述红外热释电探测器集成有温度传感器、红外热释电敏感元件和数字量化模块，所述数字量化模块用于将所述温度传感器和所述红外热释电敏感元件感测到的模拟信号数字化；
嵌入式最小系统，用于控制并调制所述红外光源，读取来自所述红外热释电探测器的数字信号，并通过自带的串行数据接口发送数据。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述红外光源、所述红外热释电探测器以及分别为所述红外光源和所述红外热释电探测器供电的供电模块设置在第一功能板上，
所述嵌入式最小系统和为所述嵌入式最小系统供电的供电模块设置在第二功能板上，
所述第二功能板与所述第一功能板背对所述光学腔室的一侧相邻。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，
为所述红外光源供电的供电模块具有3.6V输出电压、150mA输出电流的负载能力，
为所述红外热释电探测器供电的供电模块为高精度电压源芯片。
4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，还包括：
具有防爆功能的不锈钢外壳，适于将所述光学腔室包裹在内。
5.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述光学腔室的内表面镀金。
6.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，还包括：
不锈钢网，设置在靠近所述反射顶盖的一侧。
7.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，在所述第二功能板上还设置有多个安装孔，该气体传感器还包括：
用于对外进行电气连接的插针，所述插针通过所述多个安装孔固定在所述第二功能板上。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的气体传感器，其特征在于，
通过环氧树脂灌封的方式完成所述气体传感器的装配。
9.根据权利要求8所述的气体传感器，其特征在于，
所述红外光源采用MEMS工艺制成。
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|---|---|---|---|---|
| CN106680234A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-05-17 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | 一种光学气体传感器芯体、传感器及芯体制备方法 |
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