CN212391391U - 一种短距离三次反射高分辨率红外吸收气体探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种短距离三次反射高分辨率红外吸收气体探测器，其包括：底座，设有用于容纳气体的检测槽，检测槽具有第一端部和第二端部，从第一端部到第二端部，检测槽经过至少三次转折，依次形成第一转折部、第二转折部和第三转折部；光源，安装于第一端部且发射出红外光线；多通道检测器，安装于第二端部，包括参考通道和检测通道；参考滤光片，覆盖参考通道的进光口；检测滤光片，覆盖检测通道的进光口；反射镜组，包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，均安装于底座，且分别设置于第一转折部、第二转折部和第三转折部。光源发射出的红外光线在检测槽内，经多次反射能够延长气室的工作长度，有利于减小探测器的体积。

Description

一种短距离三次反射高分辨率红外吸收气体探测器

技术领域

本实用新型涉及气体浓度检测技术领域，尤其涉及的是一种短距离三次反射高分辨率红外吸收气体探测器。

背景技术

工业气体产品是现代工业的重要基础原料，广泛应用于石油、化工、农业、医疗、食品、清洁能源、城市居民等领域。例如，甲烷、一氧化碳等可燃气体为现代工业生产和生活提供新一代清洁能源，适当浓度的二氧化碳可以提高农业产量。但是，工业气体也往往具有燃烧性、毒害性、窒息性、爆炸性等危害。工业气体的浓度超出安全许可范围是安全事故发生的直接原因，对工业气体浓度的有效监测是保障气体安全的重要手段。近年来，随着我国经济的高速发展，工业气体在国民经济中的比重越来越高，工业气体浓度传感器作为气体安全的重要保障，具有巨大的市场需求。

气体传感器根据工作原理可分为电学气体传感器、化学气体传感器、光学气体传感器。其中，光学气体传感器的红外光谱传感器因具有浓度检测范围大、灵敏度高、选择性强、防爆性好、抗中毒、寿命长等优点受到了国内外研究人员和企业的重视。国际上，美国Honeywell公司、Spectrex公司；德国Drager公司；日本Tohoku大学、东京气体股份有限公司；芬兰Turku大学均已经开展了红外气体传感器的研究，并推出了传感器产品。在国内方面，天津大学、西安光机所、中国矿业大学、哈尔滨工业大学等单位在红外气体传感器领域也做出了大量的研究成果。但是，目前国内在这个领域多处于实验室研究阶段，未见成熟产品面市。因此，开展具有自主知识产权的高端红外气体传感器产品研制，打破国外对此类产品的技术垄断，具有迫切需求和现实意义。

现阶段国内外红外气体传感器选择的气体吸收光谱大多处于2μm 以下的近红外波段。但是工业气体在3μm以上的中红外波段往往具有更强的吸收特性。例如甲烷在3.31μm中红外波长的吸收强度是1.67 μm波长的200倍以上。因此，中红外气体传感器是未来发展趋势之一。另一方面，红外气体传感器的基本原理遵循朗伯比尔定律，因此提高传感器精度的有效方法是增大气室长度。然而，随着传感器技术集成化的发展趋势，大气室往往导致传感器体积巨大，安装维护难度大，不便于携带。

因此，还需要提供一种新的一种短距离三次反射高分辨率红外吸收气体探测器以解决上述问题。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了一种体积较小的、短距离三次反射高分辨率红外吸收气体探测器。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种短距离三次反射高分辨率红外吸收气体探测器，其包括：底座，设有用于容纳气体的检测槽，所述检测槽具有第一端部和第二端部，从所述第一端部到所述第二端部，所述检测槽经过至少三次转折，依次形成第一转折部、第二转折部和第三转折部；光源，安装于所述底座，所述光源设置于所述第一端部且用于发射出红外光线；多通道检测器，安装于所述底座且设置于所述第二端部，所述多通道检测器包括并排设置的参考通道和检测通道；参考滤光片，覆盖所述参考通道的进光口；检测滤光片，覆盖所述检测通道的进光口；反射镜组，包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜均安装于所述底座，且分别设置于所述第一转折部、所述第二转折部和所述第三转折部，所述光源发出的光线在所述检测槽内依次经过所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜反射而被所述多通道检测器接收。

优选地，所述红外吸收气体探测器还包括盖体，所述盖体与所述底座连接并覆盖所述检测槽，所述盖体设有多个与所述检测槽连通的通气孔，所述通气孔用于供气体进入所述检测槽内。

优选地，多个所述通气孔沿着所述检测槽的从所述第一端部到所述第二端部的路径排布。

优选地，所述红外吸收气体探测器还包括红外滤光片，所述红外滤光片设置于所述光源和所述第一反射镜之间且靠近所述光源。

优选地，所述红外吸收气体探测器还包括凸透镜，所述凸透镜设置于所述红外滤光片和所述第一反射镜之间且靠近所述红外滤光片。

优选地，所述红外吸收气体探测器还包括凹面反光罩，所述凹面反光罩围绕所述光源设置，所述光源位于所述凹面反光罩的底部中心。

优选地，所述凸透镜为平凸透镜，且所述平凸透镜的凸面朝向所述第一反射镜。

优选地，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜均为红外反射镜，所述红外反射镜的反光面镀有用于反射红外光的膜。

优选地，所述底座设有三个分别用于容纳所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜的镜安装孔，所述镜安装孔沿轴向方向设有台阶面，所述台阶面用于与所述第一反射镜、所述第二反射镜或所述第三反射镜抵接。

优选地，所述检测槽包括从所述第一端部到所述第一转折部的第一段、从所述第一转折部到所述第二转折部的第二段、从所述第二转折部到所述第三转折部的第三段、从所述第三转折部到所述第二端部的第四段，所述第一段、所述第二段、所述第三段和所述第四段的槽宽相同。

与现有技术相比，本实用新型主要有以下有益效果：

所述光源发射出的红外光线在所述检测槽内，经过所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜反射，能够延长检测的气室的工作长度，有利于减小所述红外吸收气体探测器的体积和提高气体浓度检测的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型中所涉及的红外吸收气体探测器的结构示意图；

图2是本实用新型中所涉及的红外吸收气体探测器的爆炸图；

图3是本实用新型中所涉及的红外吸收气体探测器的另一视角的爆炸图；

图4是本实用新型中所涉及的红外吸收气体探测器的原理示意图。

附图标记：

100-红外吸收气体探测器，11-底座，110-检测槽，101-第一端部，102-第二端部，111-第一转折部，112-第二转折部，113-第三转折部，114-光源安装孔，115-检测器安装孔，116-镜安装孔，1161-台阶面，12-盖体，121-通气孔，20-光源，21-凹面反光罩，31-第一反射镜，32-第二反射镜，33-第三反射镜，40-多通道检测器，41-参考滤光片，42-检测滤光片，51-红外滤光片，52-凸透镜。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

图1是本实用新型中所涉及的红外吸收气体探测器100的结构示意图；图2是本实用新型中所涉及的红外吸收气体探测器100的爆炸图；图3是本实用新型中所涉及的红外吸收气体探测器100的另一视角的爆炸图；图4是本实用新型中所涉及的红外吸收气体探测器100的原理示意图。

如图1至图4所示，本实用新型较佳实施例提供的一种短距离三次反射高分辨率红外吸收气体探测器100，其包括:底座11、盖体12、光源20、红外滤光片51、凸透镜52、反射镜组、多通道检测器40、参考滤光片41和检测滤光片42。

底座11和盖体12通过螺丝相互连接，可以作为红外吸收气体探测器100的壳体。底座11设有用于容纳气体的检测槽110，检测槽110具有第一端部101和第二端部102，从第一端部101到第二端部102，检测槽 110经过至少三次转折，依次形成第一转折部111、第二转折部112和第三转折部113。检测槽110可以呈“M”形。第一转折部111、第二转折部112和第三转折部113可以将检测槽110分成四段，且四段检测槽110 的槽宽一致。检测槽110可以包括从第一端部101到第一转折部的第一段、从第一转折部到第二转折部的第二段、从第二转折部到第三转折部的第三段、从第三转折部到第二端部102的第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的槽宽相同，可以均为12毫米。由此，能够提高光线在检测槽110中传输的均匀性和一致性。盖体12与底座11连接并覆盖检测槽110，盖体12设有多个与检测槽110连通的通气孔121，通气孔 121用于供气体进入检测槽110内。待检测的气体可以从通气孔121进入和离开检测槽110。多个通气孔121沿着检测槽110的从第一端部101到第二端部102的路径排布。多个通气孔121可以排列成与检测槽110一致的“M”形。由此，能够提高气体在检测槽110内的一致性，有利于提高气体浓度检测精度。沿着检测槽110的长度方向，相邻的通气孔121的距离相同。通气孔121的直径为0.5毫米至3毫米。将通气孔121设置为较小，有利于防止灰尘进入检测槽110内；将通气孔121设置为较大，有利于提高气体进入检测槽110的效率。优选地，通气孔121的直径为2毫米。在另一些示例中，待检测的气体也可以从检测槽110的侧壁进入检测槽110内，或者从盖体12与底座11之间的间隙进入检测槽 110内。底座11和盖体12可以均由不锈钢制成。检测槽110的侧壁可以经过抛光处理，可以是经过机械抛光或者电解抛光。检测槽110的侧壁还可以经过镀膜处理，以提高侧壁的反光率。检测槽110的侧壁可以具有较低的粗糙度，以减少光线在传输过程中的损耗。底座11可以设置有光源安装孔114、检测器安装孔115和三个镜安装孔116。光源安装孔 114、检测器安装孔115和镜安装孔116可以均为台阶孔，以便于器件的定位。

光源20安装于底座11，光源20设置于第一端部101且用于发射出红外光线。底座11可以在第一端部101设置有用于容纳光源20的光源安装孔114。光源20可以是红外光源，用于发射出红外光线。光源20可以是具有灯珠的LED灯，与灯座连接，灯座设有与外部电路连接的针脚。在光源20的靠近第一反射镜31的一端可以设置有凹面反光罩21，凹面反光罩21围绕光源20设置，光源20位于凹面反光罩21的底部中心。凹面反光罩21可以将光源20例如灯珠发出的光线聚集照射出去，有利于提高光线的强度。凹面反光罩21可以是独立于光源20的零件，也可以是光源20的一部分。

红外滤光片51设置于光源20和第一反射镜31之间且靠近光源 20。在一些示例中，光源20发出的光线不纯，包含了干扰的杂光。红外滤光片51能够屏除杂光，仅供检测用的红外光线通过，有利于提高气体浓度的检测精度。

凸透镜52设置于红外滤光片51和第一反射镜31之间且靠近红外滤光片51。凸透镜52能够将光源20发出的光线聚集，有利于提高光线的强度。优选地，凸透镜52为平凸透镜，且平凸透镜的凸面朝向第一反射镜31。平凸透镜具有聚集平行光的功能，有利于提高光线的强度。平凸透镜的平面可以用于与底座11的定位安装。红外滤光片51和凸透镜52可以作为红外吸收气体探测器100的优选配置，可以提高气体浓度的检测精度。

反射镜组包括第一反射镜31、第二反射镜32和第三反射镜33，第一反射镜31、第二反射镜32和第三反射镜33均安装于底座11，且分别设置于第一转折部111、第二转折部112和第三转折部113，光源20发出的光线在检测槽110内依次经过第一反射镜31、第二反射镜32和第三反射镜33反射而被多通道检测器40接收。第一反射镜31将光源20发出的光线反射至第二反射镜32，第二反射镜32将光线反射至第三反射镜 33，第三反射镜33将光线反射至多通道检测器40。光线在检测槽110内经过了多次反射转折，能够延长检测的气室的工作长度，有利于减小红外吸收气体探测器100的体积和提高气体浓度检测的精度。第一反射镜31、第二反射镜32和第三反射镜33可以均为红外反射镜，红外反射镜的反光面镀有用于反射红外光的膜。红外反射镜可以选择光学玻璃、耐热玻璃、石英、蓝宝石、零膨胀微晶玻璃、铜或金属材质作为基板的底材，再经由精密研磨抛光使表面达到光学级的粗糙度、规则度、光洁度，再于基板的表面镀制金属膜或多层的介电质薄膜，使其具有反射红外光的功能。所述金属膜可以是镀金、镀银或镀铝而形成的膜。底座11设有三个分别用于容纳第一反射镜31、第二反射镜32和第三反射镜33的镜安装孔116，镜安装孔116沿轴向方向设有台阶面1161，台阶面1161用于与第一反射镜31、第二反射镜32或第三反射镜 33抵接。将第一反射镜31、第二反射镜32或第三反射镜33安装至底座 11时，将第一反射镜31、第二反射镜32或第三反射镜33抵接于台阶面 1161，从而能够提高第一反射镜31、第二反射镜32或第三反射镜33的定位精度，有利于提高光线的光路的准确性，从而提高气体浓度的检测精度。

光源20发射出的红外光线在检测槽110内，经过第一反射镜31、第二反射镜32和第三反射镜33反射，能够延长检测的气室的工作长度，有利于减小红外吸收气体探测器100的体积和提高气体浓度检测的精度。

多通道检测器40安装于底座11且设置于第二端部102，多通道检测器40包括并排设置的参考通道和检测通道。参考滤光片41覆盖参考通道的进光口；检测滤光片42覆盖检测通道的进光口。参考滤光片41和检测滤光片42可以是窄带滤光片。多通道检测器40包括位于同一水平面上的参考通道和检测通道，参考滤光片41覆盖参考通道的进光口，检测光滤光片覆盖检测通道的进光口，从而同步得到参考波长光的参考光强度和检测波长光的检测光强度，通过参考光强度和检测光强度的差分运算得到待检测气体的浓度。多通道检测器40探测经气体吸收后的特定波长的光线的光强度，并将该光强度信号转化为对应的电信号；最后，根据朗伯比尔定律，在固定的光程长度下，特定波长的光线被吸收后的光强度与对应种类的气体的浓度具有线性对应关系，通过探测特定波长的光强度的变化量，换算出对应种类的气体的浓度。

在本实施例中，在相同光与气体作用距离下，随着气体浓度的增大，多通道检测器40探测的光强度差分信号变化增大，因而，建立气体浓度与探测器光强度差分信号一一对应的数学关系曲线，实现气体浓度传感测量，构成多通道检测器40。红外吸收气体探测器100采用集成的多通道检测器40同时探测参考光和检测波长光，使参考光和检测波长光具有完全相同的来源和传播路径，由外界环境、反射散射等造成的光强度扰动与光损耗完全相同，因此利用参考光和检测波长光的差分信号、可有效消除中红外光源的强度波动、传播损耗引起的光强度动干扰，进而提升红外吸收气体探测器100的检测稳定性和精度。

其中，光源20可以是中红外光源，中红外光源发出3000纳米至 7000纳米之间波段的光，这一波段的光更容易被待测气体吸收。例如甲烷对波长为3310纳米的光的吸收强度是波长为1670纳米的光的200 倍，从而提高了多通道检测器40的探测精度。中心波长为4200纳米至 4300纳米的光更容易被二氧化碳吸收。中心波长为4600纳米至4700纳米的光更容易被一氧化碳吸收。参考波长光的中心波长可以设置为 3930纳米至3950纳米，这一波段的光不容易被气体吸收。其中，多通道检测器40可以采用热释电可燃气检测器，包括光敏电阻和与光敏电阻电连接的电路板，光敏电阻在光线的照射下，阻值会发生变化，进而改变流过其的电流的大小，电路板接收电流的大小，并将其转换成周期性的电信号，电信号经电路放大调理后，由A/D转换器转换成数字信号。通过运算则可获得气体的浓度参数。

红外吸收气体探测器100的设计原理是基于测量穿过一定量气体的红外线强度的变化。红外吸收气体探测器100使用双光束、双波长的测量原理，并且使用独立的光学传感器来最大程度的保证测量的稳定性和可靠性。

因为不同的气体具有独特的吸收光谱，通过选择具有适当波长的红外线—不同气体对于特定波长红外线的吸收率已经预先被测得—就能很容易的将不同气体辨别出来。而另一波长的红外线则被用于测量所有流过光学系统气体的总体透射比及总气体体积。将两个波长的红外线所测得的气体透射比进行比较，我们就能得出需测气体的浓度。预先选择只对某一种气体有吸收效应的特定波长的红外线，则其他的气体就不会造成误报。

红外吸收气体探测器100可以使用固态半导体红外线光源代替灯管光源，保证了高可靠性和长时间的稳定性，这使得该设备在整个工作周期内都不需要进行日常维护。

从红外光源发出的红外线通过两个窄带滤光片选择出一束测量光和一束比对光。红外线光源经过电子灭弧处理。红外线经过分光片被分为内光路和外光路。内光路由补偿传感器接收而外光路则由测量 (主)传感器接收。补偿传感器监测并且补偿由光源20或传感器引起的偏移。主传感器监测外光路并且检测是否有选定的气体出现。

这四个信号，其中2个来自补偿传感器，2个来自主传感器，经过放大、数字化后被送至微处理器。微处理器使用这些信号来计算气体的浓度。气体的响应信号接着被进行线性化处理，然后可以用电压、电流或数字信号的形式输出。探测器会将内部电子信号与电子原件和光学部件的测试极限进行比较，如果发现电子信号值超过了测试极限，那么将会给出特定的故障信息。

参考滤光片41和检测滤光片42等光学滤光片的特性是固定的，而其他原件的性能偏移被双波长、双光路的设计理念所监测和补偿。这意味着尽管某些原件的性能在使用过程中可能发生偏移，但是出厂时进行的零点和量程校准将保持稳定精确。所以在进行过出厂标定后，该气体探测器在使用过程中将无需再进行手工标定校准。

本申请还提供了一种报警装置，其包括报警器和红外吸收气体探测器100，报警器与红外吸收气体探测器100电连接，报警器用于在红外吸收气体探测器100检测到的气体浓度大于预设值时发出警示音。报警器可以包括蜂鸣器和警示灯。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种短距离三次反射高分辨率红外吸收气体探测器，其特征在于，包括：

底座，设有用于容纳气体的检测槽，所述检测槽具有第一端部和第二端部，从所述第一端部到所述第二端部，所述检测槽经过至少三次转折，依次形成第一转折部、第二转折部和第三转折部；

光源，安装于所述底座，所述光源设置于所述第一端部且用于发射出红外光线；

多通道检测器，安装于所述底座且设置于所述第二端部，所述多通道检测器包括并排设置的参考通道和检测通道；

参考滤光片，覆盖所述参考通道的进光口；

检测滤光片，覆盖所述检测通道的进光口；

反射镜组，包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜均安装于所述底座，且分别设置于所述第一转折部、所述第二转折部和所述第三转折部，所述光源发出的光线在所述检测槽内依次经过所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜反射而被所述多通道检测器接收。

2.根据权利要求1所述的红外吸收气体探测器，其特征在于，

还包括盖体，所述盖体与所述底座连接并覆盖所述检测槽，所述盖体设有多个与所述检测槽连通的通气孔，所述通气孔用于供气体进入所述检测槽内。

3.根据权利要求2所述的红外吸收气体探测器，其特征在于，

多个所述通气孔沿着所述检测槽的从所述第一端部到所述第二端部的路径排布。

4.根据权利要求1所述的红外吸收气体探测器，其特征在于，

还包括红外滤光片，所述红外滤光片设置于所述光源和所述第一反射镜之间且靠近所述光源。

5.根据权利要求4所述的红外吸收气体探测器，其特征在于，

还包括凸透镜，所述凸透镜设置于所述红外滤光片和所述第一反射镜之间且靠近所述红外滤光片。

6.根据权利要求4所述的红外吸收气体探测器，其特征在于，

还包括凹面反光罩，所述凹面反光罩围绕所述光源设置，所述光源位于所述凹面反光罩的底部中心。

7.根据权利要求5所述的红外吸收气体探测器，其特征在于，

所述凸透镜为平凸透镜，且所述平凸透镜的凸面朝向所述第一反射镜。

8.根据权利要求1所述的红外吸收气体探测器，其特征在于，

所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜均为红外反射镜，所述红外反射镜的反光面镀有用于反射红外光的膜。

9.根据权利要求1所述的红外吸收气体探测器，其特征在于，

所述底座设有三个分别用于容纳所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜的镜安装孔，所述镜安装孔沿轴向方向设有台阶面，所述台阶面用于与所述第一反射镜、所述第二反射镜或所述第三反射镜抵接。

10.根据权利要求1所述的红外吸收气体探测器，其特征在于，

所述检测槽包括从所述第一端部到所述第一转折部的第一段、从所述第一转折部到所述第二转折部的第二段、从所述第二转折部到所述第三转折部的第三段、从所述第三转折部到所述第二端部的第四段，所述第一段、所述第二段、所述第三段和所述第四段的槽宽相同。

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