CN217931345U - 一种激光甲烷气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光甲烷气体传感器，包括：壳体、依次设置于壳体内的电路板、激光发射器、激光接收器、光路座和反光座，激光发射器和激光接收器间隔设立于电路板上，光路座包括底座和设置在底座上的柱体，底座设有两个安装孔以容置激光发射器和激光接收器，激光发射器与反光座以及激光接收器构成“V”型光路。本实用新型通过仅采用一个带倾角的非镜面反光座，与激光发射器及激光接收器形成“V”型光路，保证了甲烷气体检测精度，避免了复杂的平面反射镜装配工艺，成本更低；此外，在高湿环境下，由于反光座的反射面呈一定角度的斜面，使得测试环境中的水汽难以在其表面凝结水珠附着，降低了传感器在检测过程中的水分干扰影响。

Description

一种激光甲烷气体传感器

技术领域

本实用新型涉及气体传感器技术领域。更具体地说，本实用新型涉及一种激光甲烷气体传感器。

背景技术

甲烷是可燃气的主要成分，在煤矿、油气开采、天然气输送、冶金、能源化工等领域都有可能产生甲烷的泄露，有很大的安全隐患，因此对这些场景中甲烷的监测预警很有必要。现市场上使用的的甲烷传感器分为催化型、半导型和红外型，催化型传感器灵敏度高、响应时间快、受湿度和温度影响小、方便使用，但其量程小，易受高浓度甲烷及硫化物影响产生中毒现象，且存在零点漂移和灵敏度漂移等，使得其需要频繁校准；半导型体积小、不易中毒、寿命长，但选择性差，尤其是受水蒸气影响严重，准确度较差、较高浓度下几乎饱和；红外型传感器准确度高、选择性好、不易受有害气体影响而中毒老化、响应速度快及稳定性好，但红外甲烷传感器存在着需要定期校准，易受其他气体交叉干扰等缺点。

可调谐半导体激光吸收光谱技术为利用半导体激光器的波长调谐特性和待测气体对激光的选择性吸收进行气体浓度检测的一种技术，原理为可调谐半导体激光器在驱动电流的调制下，发射出特定波长的激光，随着注入周期性电流的调制，波长产生周期性变化，通过波长扫描使激光器输出中心波长为待测气体的吸收谱线，利用经过气体吸收得到的光谱强度信号等信息反演出待测气体的浓度。基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的激光甲烷传感器具有实时测量、准确度高、选择性好、无需经常标定等优点，非常适合用于燃气检测报警。

目前，在采用激光技术进行气体检测时，为了保证测量精度，通常通过设置多个平面镜或者凹面镜组合形成反射结构来进行光路设计，如CN107991238A公开的一种激光甲烷传感器，通过在内腔气室设置了多组反光镜构成“M”型检测光路，然而在实际制造过程中，多组反光镜需要经过金属镀膜和多次粘接，使得工艺流程复杂且成本高。此外，传感器在使用过程中，由于环境温差容易造成反射镜面出现冷凝水聚集，导致光在多次折返过程中路径发生偏移，实际光程发生变化，影响测量精度。

本申请的目的是针对现有技术的不足，提出了一种测量精度高，工艺简单且成本低的激光甲烷气体传感器。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种激光甲烷气体传感器，包括：壳体、依次设置于所述壳体内的电路板、激光发射器、激光接收器、光路座和反光座，所述激光发射器和所述激光接收器间隔设立于所述电路板上，所述光路座包括底座和设置在所述底座上的柱体，所述底座设有两个安装孔以容置所述激光发射器和所述激光接收器，所述激光发射器与所述反光座以及所述激光接收器构成“V”型光路。

优选的是，所述反光座包含固定部和设置在所述固定部上的倾斜部，所述倾斜部的反射面相对于所述固定部呈一定角度设置用来反射所述激光发射器的发射光。

优选的是，所述反光座为不锈钢或铝合金材料中的至少一种，所述倾斜部的反射面为抛光面。

优选的是，所述“V”型光路光程满足L＝A/tanα，其中L为所述“V”型光路的光程，α为所述反光座倾斜部的倾角，A为所述激光发射器和所述激光接收器之间的距离。

优选的是，所述激光发射器和所述激光接收器之间的距离A为10～20cm。

优选的是，所述反光座倾斜部的倾角α为10～45度。

优选的是，所述光路座的柱体与所述反光座可为螺丝连接或一体成型。

优选的是，所述壳体包括后罩板、腔体罩和前端盖，所述腔体罩的两端分别与所述后罩板和所述前端盖螺接。

优选的是，所述腔体罩的侧壁上设有至少一个透气孔，所述透气孔上覆盖有第一滤网。

优选的是，所述腔体罩与所述前端盖之间依次设有第二滤网和防水透气膜。

与现有技术相比，本实用新型至少包括以下有益效果：

通过仅采用一个带倾角的非镜面反光座，与激光发射器及激光接收器形成“V”型光路，相比于现有的多组反射镜的光路，不仅能够提供较长的光程来满足高精度的甲烷气体检测需求，还避免了复杂反射镜装配工艺，成本更低；

在高湿环境下，由于反光座的反射面为呈一定角度的斜面，使得测试环境中的水汽难以在其表面凝结水珠附着，降低了传感器在检测过程中的水分干扰影响。

本实用新型的其它优点将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型实施例的激光甲烷气体传感器的爆炸结构示意图；

图2为本实用新型实施例的激光甲烷气体传感器的组合结构示意图；

图3为本实用新型实施例的激光甲烷气体传感器内部部分部件的放大结构示意图；

图4为本实用新型实施例的激光甲烷气体传感器的“V”型光路示意图。

附图标记：壳体1、后罩板101、腔体罩102、前端盖103、电路板2、激光发射器3、激光接收器4、光路座5、底座501、柱体502、反光座6、固定部601、倾斜部602、安装孔7、透气孔8、第一滤网9、第二滤网10、防水透气膜11、密封圈12、线缆保护套13。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“依次设置”、“间隔设立”、“容置”、“之间”、“两端”、“前端”、“侧壁”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1-3所示，本实用新型实施例提供一种激光甲烷气体传感器，包括：壳体1、依次设置于所述壳体1内的电路板2、激光发射器3、激光接收器4、光路座5和反光座6，所述激光发射器3和所述激光接收器4间隔设立于所述电路板2上，所述光路座5包括底座501和设置在所述底座501上的柱体502，所述底座501设有两个安装孔7以容置所述激光发射器3和所述激光接收器4，所述激光发射器3与所述反光座6以及所述激光接收器4构成“V”型光路。

需要说明的是，壳体1具有容纳激光甲烷气体传感器部件的作用，壳体1外观可为圆柱形或者方柱形等结构，且壳体1材料需要有防静电的效果。在本实施例的实施方式中，壳体1的外观为圆柱形结构，该圆柱形结构的内部具有容纳传感器部件的空腔。

激光发射器3和激光接收器4间隔设立于所述电路板2上。在其它实施方式中，激光发射器3和激光接收器4可在满足形成“V”型光路要求的情况下按照任一方式固定在电路板2上。在本实施例的实施方式中，方便电路板2的设计与安装，激光发射器3和激光接收器4均垂直设置，且为便于设备维护采用单层电路板2设计。同时为避免激光发射器3和激光接收器4在受到外力的情况下，发生位置移动，导致与电路板2的连接产生断裂或者激光发射器3的发光方向产生改变，在反光座6的底座501上设置两个安装孔7容纳激光发射器3和激光接收器4，用于对激光发射器3和激光接收器4的位置进行固定，使激光发射器3和激光接收器4能够稳定在某一个设定的位置，降低激光发射器3和激光接收器4损坏的概率，起到延长使用寿命的效果。

反光座6与光路座5的柱体502可通过螺丝或一体成型固定连接，反光座6与光路座5形成“V”型光路的传播空间，该传播空间使光在传播过程中不受外界及其他部件设置的干扰。还需要说明的是，反光座6和柱体502的设置位置不作具体限定，其设置位置不应影响“V”型光路的传播，也不能影响反光座6和光路座5的连接固定。

所述“V”型光路光程满足L＝A/tanα，其中L为所述“V”型光路的光程，α为所述反光座6倾斜部602的倾角，A为所述激光发射器3和所述激光接收器4之间的距离。具体为参考图4，根据简单几何关系列出等式，L1＝A/tan2α，L2＝A/sin2α，L＝L1+L2，即L＝A/tan2α+A/sin2α，即L＝A/tanα。在“V”型光路光程计算公式中，激光器发射器和激光接收器4垂直于电路板2设置，电路板2的安装也需要垂直于壳体1的轴线方向。为使传感器的光程长度能够满足要求，所述激光发射器3和所述激光接收器4之间的距离A为10～20cm，所述反光座6倾斜部602的倾角α为10～45度。

在上述实施例中，激光发射器3为可调谐半导体激光发射器，通过在驱动电流的调制下，发射出特定波长激光，随着周期性电流的调制，波长亦产生周期性变化，激光发射器3输出中心波长为甲烷气体的吸收谱线，依据Beer-Lambert定律，光吸收的强度与甲烷气体浓度成正比，利用经过气体吸收得到的光谱强度信号等信息反演出甲烷气体的浓度。

该激光甲烷气体传感器中激光发射器3与反光座6以及激光接收器4构成“V”型光路，相比于现有的多组反射镜的光路，不仅能够提供较长的光程来满足高精度的甲烷气体检测需求，还避免了复杂反射镜装配工艺，成本更低。

在另外一个实施例中，为方便光路座5和反光座6的结合安装，所述反光座6包含固定部601和设置在所述固定部601上的倾斜部602。该固定部601与柱体502采用螺丝进行螺接，固定部601和倾斜部602一体成型，可以减少热变形对光路的影响。倾斜部602设置在固定部601的中间位置，固定部601上设置的螺孔在固定部601的两侧位置，所述倾斜部602的反射面相对于所述固定部601呈一定角度设置用来反射所述激光发射器3的发射光。在高湿环境下，倾斜部602的反射面呈一定角度的斜面，使得测试环境中的水汽难以在其表面凝结水珠附着，降低了对“V”型光路的影响，使传感器测量结果更加准确。

在另外一个实施例中，所述反光座6采用不锈钢或铝合金材料制作，其中倾斜部602的反射面进行精密加工抛光后形成镜面反光效果，再进行氧化或发蓝钝化处理使反光座6的反射面固化不易变形及腐蚀，表面极难腐蚀及划伤，相较于反射镜片或镀膜处理的反射面，更方便污染的清理。

在另外一个实施例中，为方便壳体1的拆卸与安装，参照图1和图2，所述壳体1包括后罩板101、腔体罩102和前端盖103，所述腔体罩102的两端分别与所述后罩板101和所述前端盖103螺接。壳体1的大小只要能够满足容纳传感器内部的部件即可。光路座5的底座501、电路板2开设有对应的通孔采用螺丝一体固定在后罩板101上，后罩板101的中心设有通孔供连接电路板2的线缆通过，且在通孔处设置有线缆保护套13，线缆保护套13套设在线缆上，避免线缆在通孔处与后罩板101接触，造成线缆的磨损。前端盖103为中心开有较大孔位的盖子，作为甲烷气体进入的主要通道。在后罩板101与腔体罩102螺接的接触处以及在前端盖103与腔体罩102螺接的接触处均设置有密封圈12。

在另外一个实施例中，所述腔体罩102的侧壁上设有至少一个透气孔8，所述透气孔8上覆盖有第一滤网9。第一滤网9采用粘接的方式固定在腔体罩102上设计的透气孔8处，主要起气体流动通气作用及防止粉尘进入腔体罩102内。

在另外一个实施例中，所述腔体罩102与所述前端盖103之间依次设有第二滤网10和防水透气膜11。第二滤网10粘接在前端盖103上，主要防止粉尘及颗粒物进入腔体罩102内部。防水透气膜11采用自粘接的方式粘接到腔体罩102螺接前端盖103的一端，主要防止凝结态水进入腔体罩102内部。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种激光甲烷气体传感器，其特征在于，包括：壳体、依次设置于所述壳体内的电路板、激光发射器、激光接收器、光路座和反光座，所述激光发射器和所述激光接收器间隔设立于所述电路板上，所述光路座包括底座和设置在所述底座上的柱体，所述底座设有两个安装孔以容置所述激光发射器和所述激光接收器，所述激光发射器与所述反光座以及所述激光接收器构成“V”型光路。

2.如权利要求1所述的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述反光座包含固定部和设置在所述固定部上的倾斜部，所述倾斜部的反射面相对于所述固定部呈一定角度设置用来反射所述激光发射器的发射光。

3.如权利要求2所述的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述反光座为不锈钢或铝合金材料中的至少一种，所述倾斜部的反射面为抛光面。

4.如权利要求1所述的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述“V”型光路光程满足L＝A/tanα，其中L为所述“V”型光路的光程，α为所述反光座倾斜部的倾角，A为所述激光发射器和所述激光接收器之间的距离。

5.如权利要求4所述的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述激光发射器和所述激光接收器之间的距离A为10～20cm。

6.如权利要求4所述的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述反光座倾斜部的倾角α为10～45度。

7.如权利要求1所述的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述光路座的柱体与所述反光座可为螺丝连接或一体成型。

8.如权利要求1所述的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述壳体包括后罩板、腔体罩和前端盖，所述腔体罩的两端分别与所述后罩板和所述前端盖螺接。

9.如权利要求8所述的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述腔体罩的侧壁上设有至少一个透气孔，所述透气孔上覆盖有第一滤网。

10.如权利要求8所述的激光甲烷气体传感器，其特征在于，所述腔体罩与所述前端盖之间依次设有第二滤网和防水透气膜。

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