CN216350326U

CN216350326U - 一种四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器

Info

Publication number: CN216350326U
Application number: CN202122681543.2U
Authority: CN
Inventors: 魏浩宇; 顾芳; 葛书豪; 杨文慧
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2031-11-04

Abstract

本实用新型公开了一种四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器，包括光路部分和电路部分，其中光路部分包括红外光源、四花瓣光学气室、热释电红外探测器；电路部分包括滤波放大电路、A/D转换器、STM32单片机、通讯模块、温度传感器、半导体式加热制冷膜和驱动模块。四花瓣光学气室顶部设有球冠状反射面，底部设有空心圆台，使得红外光线能汇聚在底部探测器处，能大幅增加探测器面的红外辐射照度，增强传感器的探测和识别能力，提高传感器的灵敏度。光学气室进气口和出气口处设有滤网，外壁有温度传感器，同时外壁包裹半导体式加热制冷膜，能够对气体进行恒温降湿处理；避免了水分、微小颗粒和温度等因素对探测过程的影响，确保了探测结果的准确性。

Description

一种四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器

技术领域

本实用新型涉及一种四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器，属于红外气体传感器设计技术领域。

背景技术

在中国经济飞速发展的大环境下，我国的化工业也得到了很好的发展，而化工业的生产离不开石油和煤炭等能源。在石油化工和煤化工等行业的生产过程中会产生多种有毒有害气体。这些气体一旦发生泄露并积聚在周围环境中，不仅严重污染大气环境，而且会引发火灾、爆炸及人身中毒等恶性事故，造成极大的生命财产损失。因此，做好有毒有害气体的实时检测及报警，防患于未然，是十分必要的。

目前，化工业常用的测量气体浓度的方法主要有催化燃烧法、电化学法和红外吸收法。催化燃烧法只能检测可燃性气体，对非可燃性气体却无能为力，有很大的局限性。电化学法气体传感器具有体积小、稳定性好及选择性好的优点，但该装置易老化、寿命较短且易受外界环境因素干扰，性价比较低。而红外吸收法是采用不同气体对红外光有不同吸收光谱的原理实现的，且红外光的吸收强度与气体浓度直接相关。红外吸收法具有选择性好、精度高、使用寿命长、检测速度快和适于在线测量等优点，被广泛用于测量各类气体浓度。传统的红外气体传感器一般只能测量单一气体浓度，不能满足日益增长的多气体浓度同时测量的需求。当采用多个单气体传感器时，可实现对多种气体的检测，然而，这种检测方式将大大增加成本的投入，且使用多个传感器会降低装置的便携性。此外，红外气体传感器受环境温湿度影响较大，当装置安装地点的温湿度发生明显变化时，会影响到检测装置的测量精度。

因此，需要设计一种能够同时测量多种气体浓度的高精度红外气体传感器。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器，解决了目前红外气体传感器测量气体种类局限，系统灵敏度低的问题，有效消除了温度和湿度对于装置检测的影响，能够适应复杂化工厂环境的现场使用，实时监测当地环境中的污染气体浓度，给环境治理提供准确实时的信息。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器，所述红外气体传感器包括带有顶部和底部的四花瓣光学气室，所述红外气体传感器还包括球冠状反射面、空心圆台、红外光源、热释电红外探测器、滤波放大电路、A/D转换器、单片机、进气口和出气口；

所述四花瓣光学气室为反射式光学结构，所述球冠状反射面安装于所述四花瓣光学气室顶部下表面，所述红外光源安装于所述四花瓣光学气室底部上表面中心；所述空心圆台垂直放置于所述四花瓣光学气室底部上表面，且所述空心圆台的中心与所述四花瓣光学气室底部上表面中心重合；所述热释电红外探测器共有四个，呈中心对称设置于所述四花瓣光学气室底部上表面四周；所述热释电红外探测器的输出端连接所述滤波放大电路的输入端，所述滤波放大电路的输出端连接所述A/D转换器的输入端，所述A/D转换器的输出端连接所述单片机的输入端；

所述四花瓣光学气室内壁、球冠状反射面以及空心圆台的内外壁均涂覆有反光镀层；所述进气口设置于所述四花瓣光学气室外壁靠近顶部的位置，所述出气口设置于所述四花瓣光学气室外壁靠近底部的位置。

作为本实用新型的一种优选方案，所述红外气体传感器还包括滤网，所述滤网安装于所述进气口和所述出气口。

作为本实用新型的一种优选方案，所述红外气体传感器还包括温度传感器、驱动模块以及半导体式加热制冷膜，所述温度传感器设置于所述四花瓣光学气室外壁上，所述半导体式加热制冷膜包裹于所述四花瓣光学气室外壁，所述温度传感器、驱动模块分别与所述单片机连接，所述半导体式加热制冷膜连接所述驱动模块；

所述温度传感器将实时监测到的气室温度传输给所述单片机；所述单片机根据气室温度控制所述驱动模块输送给所述半导体式加热制冷膜的功率大小。

作为本实用新型的一种优选方案，所述红外气体传感器还包括通讯模块，所述通讯模块与所述单片机连接。

作为本实用新型的一种优选方案，所述红外光源的型号为高频红外光源EMIRS200，出射红外光波长为2-14μm。

作为本实用新型的一种优选方案，所述热释电红外探测器为双通道热释电红外探测器，包括参考通道和探测通道。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型采用了反射式光学气室，能够有效缩减腔体长度，增加光程，具有小型化特点。

2、本实用新型使用了四花瓣光学气室，顶部设有球冠状反射面，底部设有空心圆台，使得红外光线能汇聚在底部探测器处，能大幅增加探测器面的红外辐射照度，增强传感器的探测和识别能力，提高传感器的灵敏度。

3、本实用新型光学气室进气口和出气口处设有滤网，外壁有温度传感器，同时外壁包裹半导体式加热制冷膜，能够对气体进行恒温降湿处理；避免了水分、微小颗粒和温度等因素对探测过程的影响，确保了探测结果的准确性。

4、本实用新型传感器光路部分采用了单光路八通道设计，共设置了四个双通道热释电探测器，每个探测器包含一个探测通道和一个参考通道，能够同时测量CO、NH₃、SO₂和H₂S四种气体。降低检测成本的同时还能消除器件漂移，光源波动等因素的影响。

附图说明

图1是本实用新型四花瓣腔体气室结构的三维示意图；

图2是本实用新型四花瓣腔体剖面图；

图3是本实用新型四花瓣腔体气室顶部及球冠状反射面示意图；

图4是本实用新型四花瓣腔体气室底座俯视图；

图5是不同腔内结构时探测面红外辐射照度正视分布图；其中，(a)是气室内部无球冠状反射面和空心圆台；(b)是气室内部设有球冠状反射面，无空心圆台；(c)是气室内部设有球冠状反射面和空心圆台；

图6是本实用新型提供的多气体非分光红外气体传感器流程简图。

附图标记如下：1为四花瓣光学气室顶部，2为球冠状反射面，3为四花瓣光学气室，4为空心圆台，5为出气口，6为热释电红外探测器，7为红外光源，8为进气口，9为滤网，10为温度传感器，11为半导体式加热制冷膜，12为四花瓣光学气室底部。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

如图1和图2所示，本实用新型公开了一种四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器，该红外气体传感器包括光路部分和电路部分。其中，光路部分包括红外光源7、四花瓣光学气室3和热释电红外探测器6；红外光源7安装在四花瓣光学气室底部12中心的红外光源安装孔内，红外光源7的型号为高频红外光源EMIRS200，出射红外光波长为2-14μm，视场角为30°，包含CO、NH₃、SO₂和H₂S中红外波段吸收峰；其发射的红外光，先由内置空心圆台4内壁反射至球冠状反射面2，然后经过四花瓣光学气室3内壁的反射后，最终照射到位于气室底部四周的热释电红外探测器6上。

四花瓣光学气室3为反射式光学结构，高度30mm，宽度31.56mm：其顶部设有圆面半径10mm，高度5mm的球冠状反射面2，其底面四周为四枚半径8.71mm的半圆花瓣，且花瓣中心设有红外探测器安装孔，其还包括位于气室底面中心位置并垂直于底面放置的空心圆台4；空心圆台4下底面圆半径4.5mm，上底面圆半径2.93mm，高度18mm，母线倾角为5°，用于笼罩红外光源7，具有聚拢光线并防止光线反射回光源位置，增强探测面红外辐射照度的作用。四花瓣光学气室3内部、球冠状反射面2以及空心圆台4内外面均有反光镀层，能够增强反射效果，减少红外光能量的损失。

四花瓣光学气室3设有进气口8和出气口5，用于通入和排出待测气体；进气口8与出气口5均安装有滤网9，用于过滤待测气体中的水分和微小颗粒，防止水汽和微小颗粒进入气室影响探测效果，消除湿度对于探测的影响；并且其腔外壁设有温度传感器10，能够实时监测气室腔体温度并传输给STM32单片机；外壁还包裹了一层半导体式加热制冷膜11，STM32单片机根据温度传感器检测到的气室温度，通过脉宽调制方法控制驱动模块输送给半导体式加热制冷膜的功率大小，来对气室进行加热或制冷达到恒温控制的目的，消除温度变化对测量的影响，保证探测结果的准确性。

如图3所示，为四花瓣气体检测装置气室顶部及球冠状反射面示意图。包括四花瓣光学气室顶1和球冠状反射面2，起到发散反射光线的效果。

如图4所示，热释电红外探测器6共有四个，其分布为中心对称结构，分别位于四花瓣气室底12四周的红外探测器安装孔；热释电红外探测器为双通道热释电红外探测器，包括参考通道和探测通道，探测通道滤光片对应波长分别选取探测气体为CO、NH₃、SO₂和H₂S对应的吸收波峰；其中CO的红外吸收峰为4.65μm、SO₂红外吸收峰为7.27μm、NH₃的红外吸收峰为10.30μm、H₂S的红外吸收峰为2.67μm；参考通道的波长均为3.95μm。该探测方法利用不同种类气体分子吸收红外光波段不同的原理对其种类进行分析。在光学腔体中，当红外线穿过被测气体时会被不同程度的吸收，可以根据朗伯-比尔定律由红外辐射吸收强度确定被测气体的浓度。

如图5所示，为不同腔体结构时探测面的辐射照度正视分布图。通过SolidWorks软件构建不同结构的腔体，然后将其导入到LightTools光学仿真软件中进行仿真模拟，得到探测面的辐射照度分布图。图5中的(a)为四花瓣光学气室3内部无球冠状反射面2和空心圆台4时探测面的红外辐射照度图。可以观察到红外辐射集中分布在四花瓣边缘处，红外辐射照度较低，效果不够理想，不利于探测；图5中的(b)为四花瓣光学气室3内部设有球冠状反射面2，无空心圆台4时探测面的红外辐射照度图。可以看出此时红外辐射强度主要集中在底面中心位置及四枚花瓣的四个顶点位置，且四个光斑面积较小，也不利于探测器的放置；图5中的(c)为四花瓣光学气室3内部设有球冠状反射面2和空心圆台4时探测面的红外辐射照度图。可以看出红外线集中分布在四枚花瓣的位置处，且此处红外辐射照度明显高于其他位置，光斑面积大，有利于双通道探测器的放置，效果最好。因此本实用新型选择四花瓣光学气室内部包含球冠状反射面2和空心圆台4的结构。

如图6所示，电路部分包括滤波放大电路、A/D转换器、STM32单片机和通讯模块。滤波放大电路可以放大探测信号并将信号传递至A/D转换器；A/D转换器能够将放大的模拟信号转化为数字信号，并传递至STM32单片机；STM32单片机能够将得到的数字信号计算得到探测气体的浓度，然后通过通讯模块输出，通讯模块能够将浓度信息通过WIFI传递给终端设备；同时，在浓度超标的情况下进行报警。

通讯模块能够实时地将监测数值通过WIFI传递给移动终端；当化工厂环境的气体浓度在正常范围时，传感器正常工作；一旦检测气体浓度超过危险浓度阈值，便会触发传感器报警功能，及时提醒相关人员做好防范及应对措施，具有实时，快捷，减少人力的优点。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims

1.一种四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器，其特征在于，所述红外气体传感器包括带有顶部和底部的四花瓣光学气室，所述红外气体传感器还包括球冠状反射面、空心圆台、红外光源、热释电红外探测器、滤波放大电路、A/D转换器、单片机、进气口和出气口；

2.根据权利要求1所述的四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器，其特征在于，所述红外气体传感器还包括滤网，所述滤网安装于所述进气口和所述出气口。

3.根据权利要求1所述的四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器，其特征在于，所述红外气体传感器还包括温度传感器、驱动模块以及半导体式加热制冷膜，所述温度传感器设置于所述四花瓣光学气室外壁上，所述半导体式加热制冷膜包裹于所述四花瓣光学气室外壁，所述温度传感器、驱动模块分别与所述单片机连接，所述半导体式加热制冷膜连接所述驱动模块；

4.根据权利要求1所述的四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器，其特征在于，所述红外气体传感器还包括通讯模块，所述通讯模块与所述单片机连接。

5.根据权利要求1所述的四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器，其特征在于，所述红外光源的型号为高频红外光源EMIRS200，出射红外光波长为2-14μm。

6.根据权利要求1所述的四花瓣腔体的多气体非分光红外气体传感器，其特征在于，所述热释电红外探测器为双通道热释电红外探测器，包括参考通道和探测通道。