CN217542849U - 双光路红外热导气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种双光路红外热导气体传感器，包括参比组件、检测组件和控制检测电路，所述参比组件、所述检测组件与所述控制检测电路连接，所述参比组件包括参比通道、设于所述参比通道两端的第一光源组件和第一红外探测器，所述检测组件包括测量通道、设于所述测量通道两端的第二光源组件和第二红外探测器，所述参比通道与所述测量通道相互独立。如此设置，提高气体检测的精度和稳定性。

Description

双光路红外热导气体传感器

技术领域

本实用新型涉及红外气体检测技术领域，尤其涉及一种双光路红外热导气体传感器。

背景技术

特定气体浓度的检测在工业安全、环保、化工、电力、汽车等领域有着十分关键的作用，目前常用的气体检测方式包括非色散红外气体传感器(NDIR)、催化燃烧气体传感器(LEL)、电化学气体传感器(EC)、金属氧化物半导体气体传感器(MOS)、热导气体传感器(TC)等等。其中，NDIR气体传感器具有选择性好、灵敏度高、长期稳定性好的优点，但由于非极性分子，如氢气，对红外光没有吸收作用，因此无法用NDIR方法进行检测；而EC气体传感器、MOS气体传感器、LEL气体传感器，无法测量高浓度的氢气，因此，对于量程较大的氢气传感器，往往只能用TC气体传感器进行检测。

传统的TC气体传感器，主要利用微热板和温度传感器实现对目标气体的检测，先将微热板加热到一定的温度，然后通入待测气体，通过温度传感器检测微热板上温度的变化，计算出待测气体的浓度。但是这种传感器测试精度不高、稳定性差。

鉴于此，有必要提供一种双光路红外热导气体传感器以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种测试精度高、稳定性好的双光路红外热导气体传感器以解决上述技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种双光路红外热导气体传感器，包括参比组件、检测组件和控制检测电路，所述参比组件、所述检测组件与所述控制检测电路连接，所述参比组件包括参比通道、设于所述参比通道两端的第一光源组件和第一红外探测器，所述检测组件包括测量通道、设于所述测量通道两端的第二光源组件和第二红外探测器，所述参比通道与所述测量通道相互独立。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述参比组件、所述检测组件并联或串联后所述控制检测电路连接。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述参比组件包括第一外壳和位于所述第一外壳内的第一气体腔室，所述参比通道贯穿所述第一外壳并与所述第一气体腔室连通。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述第一气体腔室一端为第一光源收容部，另一端为第一探测收容部，所述第一光源收容部、所述第一探测收容部与所述参比通道连通，所述第一光源组件安装在所述第一光源收容部，所述第一红外探测器安装在所述第一探测收容部。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述第一光源组件包括第一红外辐射源和三个第一滤光片，两个所述第一滤光片设置于所述第一红外辐射源内侧，一个所述第一滤光片设置在所述第一红外探测器内侧。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述第一红外辐射源、所述第一红外探测器内侧的第一滤光片之间的空间为参比通道。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述检测组件包括第二外壳、位于所述第二外壳内的第二气体腔室，所述测量通道贯穿所述第二外壳并与所述第二气体腔室连通。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述第二气体腔室一端为第二光源收容部，另一端为第二探测收容部，所述第二光源收容部、所述第二探测收容部与所述测量通道连通，所述第二光源组件安装在所述第二光源收容部，所述第二红外探测器安装在所述第二探测收容部。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述第二光源组件包括第二红外辐射源和两个第二滤光片，一个所述第二滤光片设置于所述第二红外辐射源内侧，一个所述第二滤光片设置在所述第二红外探测器内侧。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述第二红外辐射源、所述第二红外探测器内侧的第二滤光片之间的空间为所述测量通道。

相较于现有技术，本实用新型的有益效果在于：

(1)在红外热导气体传感器传统单光路的基础上增加一个光路结构，如此可将参比通道和测量通道彻底分开，参比通道、第一红外辐射源和第一红外探测器与待测气体是不直接接触的，参比通道不会受到水汽、粉尘等外界因素的影响，而只有测量通道会受到影响，这样长期使用情况下比以前单光路结构的红外传感器时漂更小，长期稳定性好，且维护频次可降低，节约维修成本；

(2)由于温度和湿度对测量信号有影响，利用参比通道，能够减小温度和湿度变化对待测气体的影响，改善传感器的温漂性能，可以在较宽温度和湿度范围内提高测试精度；

(3)在第二红外辐射源内侧设置一个第二滤光片，可以减小测量通道内的气体直接对第二红外辐射源的冲击，对测试信号起到补偿作用，以提高测试过程中的稳定性；在第一红外辐射源内侧增加一个第一滤光片，可以减小参比通道内的气体直接对第一红外辐射源的冲击。

附图说明

图1是本实用新型洗双光路红外热导气体传感器的结构示意图；

图2是图1中参比组件的结构示意图；

图3是图1中检测组件的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细地对本实用新型示例性具体实施方式进行说明。如果存在若干具体实施方式，在不冲突的情况下，这些实施方式中的特征可以相互组合。当描述涉及附图时，除非另有说明，不同附图中相同的数字表示相同或相似的要素。以下示例性具体实施方式中所描述的内容并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式；相反，它们仅是与本实用新型的权利要求书中所记载的、与本实用新型的一些方面相一致的装置、产品和/或方法的例子。

在本实用新型中使用的术语是仅仅出于描述具体实施方式的目的，而非旨在限制本实用新型的保护范围。在本实用新型的说明书和权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”或“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本实用新型的说明书以及权利要求书中所使用的，例如“第一”、“第二”以及类似的词语，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分特征的命名。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，本实用新型中出现的“前”、“后”、“上”、“下”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于某一特定位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语是一种开放式的表述方式，意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面的元件及其等同物，这并不排除出现在“包括”或者“包含”前面的元件还可以包含其他元件。本实用新型中如果出现“若干”，其含义是指两个以及两个以上。

参见图1至图3，本实施例揭示了一种双光路红外热导气体传感器，用于精准检测气体浓度，包括检测组件2、参比组件1和控制检测电路，参比组件1、检测组件2与控制检测电路连接。

具体的，参比组件1、检测组件2并联后与控制检测电路连接，也可以采用参比组件1、检测组件2串联后与控制检测电路连接。

参见图1，参比组件1包括第一外壳11、位于第一外壳11内的第一气体腔室12、贯穿第一外壳11并与第一气体腔室12连通的参比通道13、设于第一气体腔室12内且位于参比通道13两端的第一光源组件14和第一红外探测器15。

参见图2，第一外壳11上设有第一进气嘴111、第一出气嘴112及连接第一进气嘴111和第一出气嘴112的管道113，第一进气嘴111和第一出气嘴112均与参比通道13连通。第一进气嘴111靠近第一红外探测器15设置，第一出气嘴112靠近第一光源组件14设置。使用时，参比气体通过第一进气嘴111通入参比通道13，第一进气嘴111和第一出气嘴112通过管道113封闭，参比气体在封闭的参比通道13不会受到水汽、粉尘等外界因素的影响。

参比气体采用N2、空气或者其他不会干扰第一红外探测器15探测结果的其他干燥气体，单一气体或者混合气体均可。

参见图2，第一气体腔室12一端为第一光源收容部121，另一端为第一探测收容部122，第一光源收容部121、第一探测收容部122与参比通道13连通。第一光源收容部121、第一探测收容部122与参比通道13连通处均形成有第一台阶部123，第一光源组件14安装在第一光源收容部121，第一红外探测器15安装在第一探测收容部122。

继续参见图2，第一光源组件14包括第一红外辐射源141和至少三个第一滤光片142，至少两个第一滤光片142设置于第一红外辐射源141内侧，至少一个第一滤光片142设置在第一红外探测器15内侧。所述第一红外辐射源141、所述第一红外探测器15内侧的第一滤光片142与对应的第一台阶部123卡持。

具体的，第一光源组件14包括三个滤光片142，第一红外辐射源141内侧设置两个第一滤光片142，第一红外探测器15内侧设置一个第一滤光片142。

第一红外辐射源141、第一红外探测器15内侧的第一滤光片142之间的空间为参比通道13。

参见图3，检测组件2包括第二外壳21、位于第二外壳21内的第二气体腔室22、贯穿第二外壳21并与第二气体腔室22连通的测量通道23、设于第二气体腔室22内且位于测量通道23两端的第二光源组件24和第二红外探测器25。

继续参见图3，第二外壳21上设有第二进气嘴211和第二出气嘴212，第二进气嘴211和第二出气嘴212均与测量通道23连通。第二进气嘴111靠近第二红外探测器25，第二出气嘴212靠近第二光源组件24。检测时，待测气体通过第二进气嘴211通入测量通道23，待测气体由第二红外探测器25内端向第二光源组件24扩散，第二光源组件24发射的红外光向第二红外探测器25方向照射，检测后的气体通过第二出气嘴212向外排出。

继续参见图3，第二气体腔室22一端为第二光源收容部221，另一端为第二探测收容部222，第二光源收容部221、第二探测收容部222与测量通道23连通。第二光源收容部221、第二探测收容部222与测量通道23连通处均形成有第二台阶部223，第二光源组件24安装在第二光源收容部121，第二红外探测器25安装在第二探测收容部222。

继续参见图3，第二光源组件24包括第二红外辐射源241和至少两个第二滤光片242，至少一个第二滤光片242设置于第二红外辐射源241内侧，至少一个第二滤光片242设置在第二红外探测器25内侧。第二红外辐射源241、第二红外探测器25内侧的第二滤光片242与对应的第二台阶部223卡持。具体的，第二光源组件24包括两个滤光片242，第二红外辐射源241、第二红外探测器25内侧分别各设置一个第一滤光片242。

第二红外辐射源241、第二红外探测器25内侧的第二滤光片242之间的空间为测量通道23。参比通道13与测量通道23相互独立。

控制检测电路包括电源31、与电源31连接的控制电路32及与控制电路32连接的放大电路33，第一光源组件14、第二光源组件24分别与电源31连接，第一红外探测器15、第二红外探测器25分别与放大电路33连接。

参比组件1的参比通道13连接到前放电路板上，检测组件2的测量通道23也连接到前放电路板上，通过控制电路32进行控制测试。

本实施例下，第一外壳11、第二外壳21均采用相同材质的不锈钢，第一气体腔室12、第二气体腔室22内壁镀金膜对红外线进行反射以增加到达红外探测器的光强。

当参比组件1、检测组件2并联后与控制检测电路连接，第一红外辐射源141、第二红外辐射源241均采用同一型号同一批次的MEMS光源，以并联方式连接在控制检测电路中，从而保证其电压一致。

当参比组件1、检测组件2串联后与控制检测电路连接，第一红外辐射源141、第二红外辐射源241均采用同一型号同一批次的MEMS光源，以串联方式连接在控制检测电路中，从而保证电流一致。

此外，第一红外辐射源141、第二红外辐射源241应由同一个控制电路32控制开通关断，或者用功能、参数均一致的两个相同的控制电路32以同步控制第一红外辐射源141、第二红外辐射源241的开通关断，以此保证第一红外辐射源141、第二红外辐射源241的开关频率、开通关断时间等参数全部一致，如此，可保证第一红外辐射源141、第二红外辐射源241较高的一致性。

本实施例下，第一红外辐射源141内侧的第一滤光片142数量比第二红外辐射源241内侧的第二滤光片242多一个。

本实施例下，第一滤光片142、第二滤光片242采用石英玻璃、蓝宝石、CaF2、BaF2、Ge等材质。

本实施例双光路红外热导气体传感器的工作原理：不同气体的热导率不同，将待测气体通入测量通道23内，通过第二红外辐射源242检测所述测量通道23内的气体，利用不同气体热导率不同，中心辐射温度发生变化，通过光路另一端的第二红外探测器25检测辐射强度的变化量计算得到待测气体的浓度。

本实施例双光路红外热导气体传感器的检测方法：

S1，在向测量通道23通入待检气体前，第二红外探测器25检测第二红外辐射源242发射至测量通道23内的红外光的光强并作为初始光强；

S2，向测量通道23内通入多组已知浓度的待测气体，记录对应的第二红外辐射源242的光强，形成一组气体浓度-红外光强的对应表；

S3，向测量通道23内导入待测气体，记录对应的第二红外辐射源242的光强；

S4，将步骤S3中测得的红外光的光强与S2中的对应表进行比较，用线性插值法计算出对应的待测气体的浓度。

综上，相较于现有技术，本实用新型的双光路红外热导气体传感器具有以下优势：

(1)在红外热导气体传感器传统单光路的基础上增加一个光路结构，如此可将参比通道13和测量通道23彻底分开，参比通道13、第一红外辐射源142和第一红外探测器15与待测气体是不直接接触的，参比通道13不会受到水汽、粉尘等外界因素的影响，而只有测量通道23会受到影响，这样长期使用情况下比以前单光路结构的红外传感器时漂更小，长期稳定性好，且维护频次可降低，节约维修成本；

(2)由于温度和湿度对测量信号有影响，利用参比通道13，能够减小温度和湿度变化对待测气体的影响，改善传感器的温漂性能，可以在较宽温度和湿度范围内提高测试精度；

(3)在第二红外辐射源242内侧设置一个第二滤光片242，可以减小测量通道23内的气体直接对第二红外辐射源242的冲击，对测试信号起到补偿作用，以提高测试过程中的稳定性；在第一红外辐射源142内侧增加一个第一滤光片142，可以减小参比通道13内的气体直接对第一红外辐射源142的冲击。

以上实施例仅用于说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案，对本说明书的理解应该以所属技术领域的技术人员为基础，例如对“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等方向性的描述，尽管本说明书参照上述的实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种双光路红外热导气体传感器，其特征在于，包括参比组件(1)、检测组件(2)和控制检测电路，所述参比组件(1)、所述检测组件(2)与所述控制检测电路连接，所述参比组件(1)包括参比通道(13)、设于所述参比通道(13)两端的第一光源组件(14)和第一红外探测器(15)，所述检测组件(2)包括测量通道(23)、设于所述测量通道(23)两端的第二光源组件(24)和第二红外探测器(25)，所述参比通道(13)与所述测量通道(23)相互独立。

2.如权利要求1所述的双光路红外热导气体传感器，其特征在于：所述参比组件(1)、所述检测组件(2)并联或串联后所述控制检测电路连接。

3.如权利要求1所述的双光路红外热导气体传感器，其特征在于：所述参比组件(1)包括第一外壳(11)和位于所述第一外壳(11)内的第一气体腔室(12)，所述参比通道(13)贯穿所述第一外壳(11)并与所述第一气体腔室(12)连通。

4.如权利要求3所述的双光路红外热导气体传感器，其特征在于：所述第一气体腔室(12)一端为第一光源收容部(121)，另一端为第一探测收容部(122)，所述第一光源收容部(121)、所述第一探测收容部(122)与所述参比通道(13)连通，所述第一光源组件(14)安装在所述第一光源收容部(121)，所述第一红外探测器(15)安装在所述第一探测收容部(122)。

5.如权利要求4所述的双光路红外热导气体传感器，其特征在于：所述第一光源组件(14)包括第一红外辐射源(141)和三个第一滤光片(142)，两个所述第一滤光片(142)设置于所述第一红外辐射源(141)内侧，一个所述第一滤光片(142)设置在所述第一红外探测器(15)内侧。

6.如权利要求5所述的双光路红外热导气体传感器，其特征在于：所述第一红外辐射源(141)、所述第一红外探测器(15)内侧的第一滤光片(142)之间的空间为参比通道(13)。

7.如权利要求1所述的双光路红外热导气体传感器，其特征在于：所述检测组件(2)包括第二外壳(21)、位于所述第二外壳(21)内的第二气体腔室(22)，所述测量通道(23)贯穿所述第二外壳(21)并与所述第二气体腔室(22)连通。

8.如权利要求7所述的双光路红外热导气体传感器，其特征在于：所述第二气体腔室(22)一端为第二光源收容部(221)，另一端为第二探测收容部(222)，所述第二光源收容部(221)、所述第二探测收容部(222)与所述测量通道(23)连通，所述第二光源组件(24)安装在所述第二光源收容部(221)，所述第二红外探测器(25)安装在所述第二探测收容部(222)。

9.如权利要求8所述的双光路红外热导气体传感器，其特征在于：所述第二光源组件(24)包括第二红外辐射源(241)和两个第二滤光片(242)，一个所述第二滤光片(242)设置于所述第二红外辐射源(241)内侧，一个所述第二滤光片(242)设置在所述第二红外探测器(25)内侧。

10.如权利要求9所述的双光路红外热导气体传感器，其特征在于：所述第二红外辐射源(241)、所述第二红外探测器(25)内侧的第二滤光片(242)之间的空间为所述测量通道(23)。

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