CN218098856U - 一种微型低损耗红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了气体传感器技术领域中的一种微型低损耗红外气体传感器，包括光学气室和信号采集电路模块，信号采集电路模块上的红外光源、红外探测器均伸入光学气室的腔体内，光学气室包括圆柱反射面、第一抛物反射面、第二抛物反射面及斜面反射板，红外光源位于圆柱反射面的与圆心处，红外探测器位于斜面反射板的下侧，圆柱反射面的圆心与第一抛物反射面的焦点重合，第二抛物反射面与第一抛物反射面相对，且斜面反射板的中心与第二抛物反射面的焦点重合。本实用新型解决了现有气体探测器成本高、体积大、光程短的缺陷，其在增加气体探测光程的基础上尽可能减小探测器尺寸，具有微型化、装配工艺简单、低成本、稳定性高、准确性好的优点。

Description

一种微型低损耗红外气体传感器

技术领域

本实用新型涉及气体传感器技术领域，具体的说，是涉及一种微型低损耗红外气体传感器。

背景技术

红外气体传感器具有响应速度快、测量精度高、抗干扰能力强、使用寿命长等优点，且不会出现有害气体中毒、老化等现象，在气体传感器领域具有广泛的市场应用前景。红外气体传感器的检测原理是：非对称双原子或多原子结构的气体（如CO₂（二氧化碳）等）在中红外有特征吸收光谱，利用气体浓度与吸收强度的关系（朗伯-比尔定律）可以确定气体浓度。

随着红外气体传感器的光程增长，其检测结果越精确，但目前的长光程气体检测设备由于体积大、成本高、需要经常校准，很难满足人们在日常生活对环境中气体检测掌控的需求。现有的小体积、长光程的传感器光路复杂、反射次数较多，光路复杂导致光路加工的工艺要求越高、工艺成本增高，反射次数较多导致光功率损耗增加、光损耗增大。

所以低成本、微型化、工艺简便、免维护的光学探测器是红外气体传感器发展的趋势。

实用新型内容

为了克服现有的技术的不足，本实用新型提供一种微型低损耗红外气体传感器，其解决了现有气体探测器成本高、体积大、光程短的缺陷，其在增加气体探测光程的基础上尽可能减小探测器尺寸，具有微型化、装配工艺简单、低成本、稳定性高、准确性好的优点。

本实用新型技术方案如下所述：

一种微型低损耗红外气体传感器，包括光学气室和信号采集电路模块，所述信号采集电路模块上的红外光源、红外探测器均伸入所述光学气室的腔体内，其特征在于，

所述光学气室包括圆柱反射面、第一抛物反射面、第二抛物反射面以及斜面反射板，所述红外光源位于所述圆柱反射面的与圆心处，所述红外探测器位于所述斜面反射板的下侧；

所述圆柱反射面的圆心与所述第一抛物反射面的焦点重合；

所述第二抛物反射面与所述第一抛物反射面相对设置，且所述斜面反射板的中心与所述第二抛物反射面的焦点重合。

根据上述方案的本实用新型，其特征在于，所述光学气室内设有分隔侧壁，所述分隔侧壁位于所述红外光源安装位置、所述红外探测器安装位置之间。

进一步的，所述分隔侧壁呈弧形，其弧形内侧形成容纳所述红外光源的光源容置槽，所述光源容置槽与所述红外光源的安装位置对应。

进一步的，所述光学气室上开设有透气孔，所述透气孔位于所述分隔侧壁的一侧，且所述透气孔与所述红外光源的安装位置对应。

更进一步的，所述光学气室的顶部设有防水透气膜，所述防水透气膜位于所述透气孔的上侧。

更进一步的，所述光学气室的顶部设有向下凹陷的内凹槽，所述防水透气膜内嵌于所述内凹槽内。

根据上述方案的本实用新型，其特征在于，所述光学气室的底部设有隔板，所述红外光源与所述红外探测器穿过所述隔板后伸入所述光学气室内。

进一步的，所述隔板上设有光源避空孔、探测器避空孔，所述红外光源穿过所述光源避空孔后伸入所述光学气室内，所述红外探测器穿过所述探测器避空孔伸入所述光学气室内。

进一步的，所述光学气室的下侧设有向上凹陷的支撑台，所述隔板嵌入所述支撑台内。

根据上述方案的本实用新型，其特征在于，所述信号采集电路模块包括电路板，所述红外光源、所述红外探测器均设于所述电路板上；所述电路板上设有螺丝过孔，所述光学气室上设有螺丝孔，螺丝穿过所述螺丝过孔后与所述螺丝孔螺旋连接，使得所述电路板与所述光学气室固定连接。

根据上述方案的本实用新型，其有益效果在于，本实用新型通过圆柱反射面对红外光源发出的部分光线进行反射，使其入射到第一抛物反射面处，提高了光能利用率；同时，本实用新型通过第一抛物反射面和第二抛物反射面的相互配合，实现了两次抛物面的光路反射，使得微型腔体体积下能够具有较长的光程，增加气体探测的精度。

另外，本实用新型中红外光源、红外探测器以及信号处理的电路集成于电路板上，提高了产品的集成度，增加了产品的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本申请的结构分解图；

图3为本实用新型中光学气室的结构示意图；

图4为本实用新型中光学气室的仰视图；

图5为本实用新型中隔板的结构示意图；

图6为本实用新型中光学气室仰视状态时的光路图；

图7为本实用新型半剖状态的光路图。

在图中，各个附图标号为：

10、光学气室；

111、圆柱反射面；112、第一抛物反射面；113、第二抛物反射面；114、斜面反射板；115、连接侧壁；

120、支撑台；

131、光源容置槽；132、透气孔；133、分隔侧壁；

140、螺丝孔；

150、内凹槽；

20、隔板；

21、光源避空孔；22、探测器避空孔；

30、信号采集电路模块；

31、红外光源；32、红外探测器；33、电路板；34、螺丝过孔；35、连接端子；

40、防水透气膜。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本实用新型进行进一步的描述：

如图1至图5所示，本实用新型为了克服现有气体传感器检测精准度低、成本高、体积大的缺陷，提出了一种微型低损耗红外气体传感器，其包括光学气室10和信号采集电路模块30，其中，信号采集模块用于实现数据处理和信号传输，光学气室10用于实现红外光线的传输，并提供待测气体对红外光线吸收的空间。

本实用新型中的信号采集电路模块30包括电路板33，电路板33上设有红外光源31、红外探测器32，红外光源31、红外探测器32均伸入光学气室10的腔体内。具体的，电路板33上设有集成电路，用于实现数据的处理和传输；红外光源31用于发出红外光，使其能够被待测气体吸收；红外探测器32用于接收被待测气体吸收后的红外光线，并将光信号转换为电信号。优选的，电路板33上还设有连接端子35，可以通过连接端子35与外界探测系统进行电连接，用于传输检测结果的信号。

在具体连接过程中，红外光源31和红外探测器32直接焊接于电路板33上，使得整个信号采集电路模块30形成一完整模块，便于后续进行装配。

在实现信号采集电路模块30与光学气室10的连接结构中，电路板33上设有螺丝过孔34，光学气室10上设有螺丝孔140，螺丝穿过螺丝过孔34后与螺丝孔140螺旋连接，使得电路板33与光学气室10固定连接，使得整个微型低损耗红外气体传感器连成一体。

在该微型低损耗红外气体传感器中，为了实现待测气体对红外光线的充分吸收，并且体积有限的情况下充分增加红外光线的光程，本实用新型的光学气室10包括圆柱反射面111、第一抛物反射面112、第二抛物反射面113以及斜面反射板114。该光学气室10的内部镀有金属反射膜，以实现充分反光效果。

红外光源31位于圆柱反射面111的与圆心处，且圆柱反射面111的圆心与第一抛物反射面112的焦点重合；第二抛物反射面113与第一抛物反射面112相对设置，且斜面反射板114的中心与第二抛物反射面113的焦点重合；红外探测器32位于斜面反射板114的下侧。本实施例中的光学气室10呈长方体状，为了实现各个侧壁的连接，此处的第一抛物反射面112与第二抛物反射面113之间、第二抛物反射面113与斜面反射板114之间均通过连接侧壁115连接。

优选的，斜面反射板114相对于光学气室10顶部的倾斜角度为35°～55°，可以使得第二抛物反射面113反射的光束入射到斜面反射板114后可以被红外探测器32接收。

在本实用新型中，光学气室10内设有分隔侧壁133，分隔侧壁133位于红外光源31安装位置、红外探测器32安装位置之间，通过分隔侧壁133可以对红外光源31与红外探测器32进行隔离，避免红外光源31发出的光束直接入射到红外探测器32处，而影响信号探测的精准度。优选的，分隔侧壁133呈弧形，其可以与圆柱反射面111形成一体，便于产品的生产加工。该分隔侧壁133的弧形内侧形成容纳红外光源31的光源容置槽131，光源容置槽131与红外光源31的安装位置对应。

为了实现气体的通入，本实用新型中的光学气室10上开设有透气孔132，透气孔132位于分隔侧壁133的一侧，且透气孔132与红外光源31的安装位置对应，可以使得外界气体通过透气孔132进入光学气室10内。优选的，多个透气孔132对称分布于光源容置槽131的上方。

另外，光学气室10的顶部设有防水透气膜40，防水透气膜40位于透气孔132的上侧，可以通过防水透气膜40实现防水、防尘、遮光的效果，增加红外探测器32的稳定性，保证其检测准确性和使用寿命。优选的，光学气室10的顶部设有向下凹陷的内凹槽150，防水透气膜40内嵌于内凹槽150内，使得防水透气膜40的表面与光学气室10的表面平齐，整个产品外形更加整齐，避免外界环境对防水透气膜40的损伤。

如图1、图2、图5所示，本实用新型中的光学气室10的底部设有隔板20，红外光源31与红外探测器32穿过隔板20后伸入光学气室10内，隔板20位于光学气室10的底部，使得光学气室10的腔体形成一完整空间，并且通过隔板20将信号采集电路模块30与待测气体进行隔离，实现了对信号采集电路模块30的保护。

具体的，在本实用新型中，隔板20上设有光源避空孔21、探测器避空孔22，红外光源31穿过光源避空孔21后伸入光学气室10内，红外探测器32穿过探测器避空孔22伸入光学气室10内。为了进一步增加信号采集电路模块30与光学气室10之间的隔离效果，可以使得红外光源31与光源避空孔21密封连接，红外探测器32与探测器避空孔22之间密封连接。

优选的，光学气室10的下侧设有向上凹陷的支撑台120，隔板20嵌入支撑台120内，可以使得光学气室10的下表面与隔板20的下表面平齐，增加了产品连接的稳定性，并且保证产品表面平整，有利于与信号采集电路模块30连接固定；另外，光学气室10与隔板20之间的间隙足够小，两者零配或紧配，减小外界环境光源射入对探测器的影响。

具体的，如图6、图7所示，本实用新型的实现过程中，其光路传输过程为：

在光线传输的过程中，红外光源31发出的光线经由圆柱反射面111反射后入射到第一抛物反射面112，或者红外光源31发出的光线直接入射到第一抛物反射面112；由于红外光源31位于圆柱反射面111的圆心，也位于第一抛物反射面112的焦点，因此光源发出的光线直接入射到第一抛物反射面112后反射形成平行光束，光源发出的光束入射到圆柱反射面111，反射后的光束经由该圆柱反射面111的圆心再入射到第一抛物反射面112后仍为平行光束。

第一抛物反射面112反射的平行光束入射到第二抛物反射面113，经由第二抛物反射面113反射的光束聚焦至第二抛物反射面113的焦点处，因此反射的光线聚焦于斜面反射板114，斜面反射板114反射的光束再入射到红外探测器32处。当所需检测气体进入光学气室10内腔时，所检测气体吸收红外光谱，通过红外探测器32检测光功率的变化，利用气体浓度与吸收强度的关系（朗伯-比尔定律）确定气体浓度。

本实用新型相对于传统的传感器，其可以通过圆柱反射面111提高光源的利用率，并且通过第一抛物反射面112和第二抛物反射面113的相互配合，增加光束传播的光程，并且不会增加产品尺寸。相对于其他的小体积、长光程的传感器，本实用新型的微型低损耗红外气体传感器在尽量少的光反射次数、尽可能简化的反射面的条件下，提高了光功率的利用率，减小其在光路中传播的损耗；同时本实用新型采用光源上方做换气孔的方式，尽可能的减小了外界红外光对传感器的干扰。

另外，本实用新型可以实现产品的遮光、过滤处理，保证产品检测准确性、稳定性，确保使用寿命。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

上面结合附图对本实用新型专利进行了示例性的描述，显然本实用新型专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微型低损耗红外气体传感器，包括光学气室和信号采集电路模块，所述信号采集电路模块上的红外光源、红外探测器均伸入所述光学气室的腔体内，其特征在于，

所述光学气室包括圆柱反射面、第一抛物反射面、第二抛物反射面以及斜面反射板，所述红外光源位于所述圆柱反射面的与圆心处，所述红外探测器位于所述斜面反射板的下侧；

所述圆柱反射面的圆心与所述第一抛物反射面的焦点重合；

所述第二抛物反射面与所述第一抛物反射面相对设置，且所述斜面反射板的中心与所述第二抛物反射面的焦点重合。

2.根据权利要求1所述的微型低损耗红外气体传感器，其特征在于，所述光学气室内设有分隔侧壁，所述分隔侧壁位于所述红外光源安装位置、所述红外探测器安装位置之间。

3.根据权利要求2所述的微型低损耗红外气体传感器，其特征在于，所述分隔侧壁呈弧形，其弧形内侧形成容纳所述红外光源的光源容置槽，所述光源容置槽与所述红外光源的安装位置对应。

4.根据权利要求2所述的微型低损耗红外气体传感器，其特征在于，所述光学气室上开设有透气孔，所述透气孔位于所述分隔侧壁的一侧，且所述透气孔与所述红外光源的安装位置对应。

5.根据权利要求4所述的微型低损耗红外气体传感器，其特征在于，所述光学气室的顶部设有防水透气膜，所述防水透气膜位于所述透气孔的上侧。

6.根据权利要求5所述的微型低损耗红外气体传感器，其特征在于，所述光学气室的顶部设有向下凹陷的内凹槽，所述防水透气膜内嵌于所述内凹槽内。

7.根据权利要求1所述的微型低损耗红外气体传感器，其特征在于，所述光学气室的底部设有隔板，所述红外光源与所述红外探测器穿过所述隔板后伸入所述光学气室内。

8.根据权利要求7所述的微型低损耗红外气体传感器，其特征在于，所述隔板上设有光源避空孔、探测器避空孔，所述红外光源穿过所述光源避空孔后伸入所述光学气室内，所述红外探测器穿过所述探测器避空孔伸入所述光学气室内。

9.根据权利要求7所述的微型低损耗红外气体传感器，其特征在于，所述光学气室的下侧设有向上凹陷的支撑台，所述隔板嵌入所述支撑台内。

10.根据权利要求1所述的微型低损耗红外气体传感器，其特征在于，所述信号采集电路模块包括电路板，所述红外光源、所述红外探测器均设于所述电路板上；所述电路板上设有螺丝过孔，所述光学气室上设有螺丝孔，螺丝穿过所述螺丝过孔后与所述螺丝孔螺旋连接，使得所述电路板与所述光学气室固定连接。

Images