CN218212637U - 一种点式激光气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种点式激光气体传感器，包括激光发射单元、气室、光电探测单元和保护壳，所述传感器还包括电路基板，所述电路基板的正面与气室配合形成中空腔体，背面集成有控制电路；所述激光发射单元与光电探测单元设置于所述气室一侧或分别设置于气室两侧，并分别与所述电路基板电性连接；所述激光发射单元所发射的激光经过至多一次反射后被所述光电探测单元接收。本实用新型提供的点式激光气体传感器，简化了光路和结构，免去发射端激光准直与接收端激光会聚或者降低精度要求，同时降低了对于装配精度的要求，免去了复杂耗时的校准和调校，电路基板集成度高，适用于自动化装配和生产，有效降低成本，便于激光气体传感器的推广。

Description

一种点式激光气体传感器

技术领域

本实用新型涉及气体传感器领域，尤其涉及一种点式激光气体传感器。

背景技术

激光光谱气体检测技术相比传统气体检测方法(例如燃烧催化法、电化学检测、气敏半导体检测)优势明显，具有更高性能和高可靠性优点，且检测过程安全、抗干扰能力强、仅对唯一气体敏感，在天然气场站、管网和天然气用户开始使用，尤其是在恶劣环境下应用更为广泛。

目前激光光谱型气体传感器多采用TO封装DFB激光发射单元和PIN光电探测单元分立器件集成而成，激光光谱型气体传感器系统框图为，采用TO封装激光发射单元、TO封装PIN光电探测单元、多次反射吸收气室，TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)信号处理电路、激光发射单元驱动与控制电路及机械结构等共同组成；激光发射单元发射的激光经精密准直光学扩束准直(一般激光发散角控制在数毫弧度以内)后，激光接收光电探测单元前经精密会聚透镜将经过气室后的激光会聚在光敏面上，多次反射吸收气室有面反射镜需要手工调校粘接，激光收发也需要手工调校精密对准，对准精度要求高，否则失配后会导致传感器失效。

当前普遍使用的激光气体传感还存在结构复杂、集成度低、成本高昂的缺陷，不利于批量化生产和激光气体传感器的广泛推广使用。

实用新型内容

鉴于目前激光气体传感器存在的上述不足，本实用新型提供一种点式激光气体传感器，能够达到简化传感器光路结构、提高传感器集成度、降低装配难度和生产成本、便于批量自动化生产。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

一种点式激光气体传感器，包括激光发射单元、控制电路、光电探测单元、保护壳、电路基板和罩设于电路基板正面的罩壳，所述罩壳与电路基板固接形成具有中空腔体的气室；所述控制电路集成于电路基板背面；所述激光发射单元和光电探测单元与罩壳连接，并分别与所述电路基板电性连接。

所述气室为单次反射式气室，还包括反射镜和激光收发隔挡件；所述激光发射单元与光电探测单元设置于罩壳一侧，所述反射镜设置于罩壳另一侧，激光收发隔挡件设置在激光发射单元与光电探测单元之间；激光发射单元所发射的激光穿过中空腔体经反射镜反射一次后被所述光电探测单元接收；在单次反射式气室中，针对发射激光的散射角准直要求降低，可采用低成本低精度要求的非球准直放大平凹透镜将激光发散角压缩至0.5°～5°，具体的限定范围可根据实际情况进行调整。

所述气室为对射式气室；所述激光发射单元与光电探测单元分别设置于罩壳两侧；激光发射单元所发射的激光穿过气室被所述光电探测单元接收；激光发射单元与光电探测单元相对设置，激光发射单元可直接以大发散角发射激光，免去了准直步骤，简化了气室结构和光路；由于对射式气室的光路更为简单，也进一步降低了装配难度，激光发射单元和光电探测单元可以实现免调校对准安装。

在单次反射式气室和对射式气室中，光电探测单元一侧的光学设计可以进一步简化，在光电探测单元之前可以不再使用会聚透镜对激光进行会聚，或者可以采用低精度、低成本的会聚透镜。

所述罩壳表面设置有与中空腔体连通的开口，所述开口处设置有防水透气膜，可以防止水汽和灰尘进入中空腔体中，对检测结果造成干扰。

由于光路简化，对装配精度的要求也相应降低，可以免去复杂耗时的对气室结构同轴度手动对准和调校测试，便于使用自动化装配工艺，

所述罩壳为一体成型设计，其主体结构可以采用工程塑料或者其他轻质、高强度的材料，有利于降低成本，所述中空腔体内壁设置有可吸光结构或者涂有吸光涂料，可以减少光在中空腔体内壁上的反射，避免对探测结果造成干扰。

所述激光发射单元包括激光器和激光单元引线板；所述光电探测单元包括光电探测头和光电探测引线板；所述电路基板的正面设置有与所述激光单元引线板和光电探测引线板相配合的引线槽，激光发射单元和光电探测单元可以通过激光单元引线板和光电探测引线板与电路基板建立电性连接，是的电路基板可以向激光发射单元和光电探测单元供电并读取后两者的数据。

所述电路基板的背面集成的控制电路包括驱动控制电路、信号处理电路、前置放大电路、TEC温度控制电路、MCU控制芯片、电源芯片、温度传感器和通信接口电路；上述电路可以采用分立的贴片器件，经自动贴片机贴装于所述电路基板背面，进一步地，也可采用集成的TDLAS专用芯片替代上述分立器件，进一步缩减电路基板体积和整体的功耗；在不影响气室中光路的前提下，可将体积较小的电容、电阻器件放置于电路基板的正面，为电路基板的电路走线提供便利；

中空腔体中设置有气压传感器，所述气压传感器固定于电路基板表面并在不影响气室中光路的前提下凸出并深入至中空腔体内部，用于测量气室内气压；所述温度传感器与气压传感器用于辅助在不同温度条件和压力条件下对气体检测结果进行校正输出。

由于采用了新的气室设计，简化了光路和结构，对于激光的准直和收发配准要求降低后，考虑到激光器长期工作后能量衰减，以及可能出现的光路污染等情况，光电探测单元接收到的信号范围加大，所述前置放大电路采用AGC两级自动增益控制，以此来适应激光信号较大的动态范围起伏变化，保证传感器输出信号的稳定。

所述电路基板背面设置有对外引脚，包含供电引脚和数据传输接口。

电路基板与罩壳装配为一个整体，在良好环境条件下也可以无需保护壳，可以直接应用于检测仪表或者气体报警器等设备；在恶劣环境下，有严格防护等级要求的情况下，可在传感器上加装保护壳。

所述保护壳包括主壳体和可拆卸式窗口；所述可拆卸式窗口包括框架和设置于所述框架中的保护片；保护壳一侧开口，一侧为可拆卸式窗口，该窗口可以是透明材质，便于操作人员从外界观察到传感器的情况；电路基板与罩壳构成了传感器的主体结构，保护壳罩设在该主体结构上，与电路基板固定连接。

本实用新型实施的优点：

通过单次反射式气室或者对射式气室，简化了光路，降低了对于传感器装配精度的要求，可以适用于自动化装配生产线；同时控制电路、信号处理、激光器驱动电路等电子器件与线路集成于一块电路基板上，提高了传感器的集成度，便于使用贴片机等自动化生产设备大批量生产，有效降低成本，便于激光气体传感器广泛推广与普及。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为现有激光光谱型气体传感器的原理示意图；

图2为本实用新型实施例一所述的单次反射式气室的结构示意图；

图3为本实用新型实施例一所述的一种点式激光气体传感器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例二所述的对射式气室的结构示意图；

图5为本实用新型实施例二所述的一种点式激光气体传感器的结构示意图；

图6为本实用新型所述的一种点式激光气体传感器的正面视图；

图7为本实用新型所述的一种点式激光气体传感器的侧面视图；

图8为本实用新型实施例所述电路基板的电路结构框图一；

图9为本实用新型实施例所述电路基板的电路结构框图二。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

如图2、图3、图6、图7、图8和图9所示，一种点式激光气体传感器，包括激光发射单元1、控制电路、光电探测单元3、保护壳5、电路基板4和罩设于电路基板正面的罩壳23，所述罩壳23与电路基板4固接形成具有中空腔体的气室；所述控制电路集成于电路基板4背面；所述激光发射单元1和光电探测单元3与罩壳23连接，并分别与所述电路基板4电性连接。

所述气室为单次反射式气室21，还包括反射镜24、激光收发隔挡件25；所述激光发射单元1与光电探测单元3设置于罩壳23同一侧，激光收发隔挡件25设置在激光发射单元1与光电探测单元3之间；所述反射镜24设置在罩壳23上，与激光发射单元1和光电探测单元3相对的一侧；激光发射单元1所发射的激光穿过中空腔体经反射镜24反射一次后被所述光电探测单元3接收；反射镜24安装角度可调整，经调整后发射激光反射到光电探测单元3，角度对准后将反射镜24点胶固化；在单次反射式气室21中，针对发射激光的散射角准直要求降低，可采用低成本低精度要求的非球准直放大平凹透镜将激光发散角压缩至0.5°～5°，具体的限定范围可根据实际情况确定。

在单次反射式气室21中，光电探测单元3一侧的光学设计可以进一步简化，在光电探测单元3之前可以不再使用会聚透镜对激光进行会聚，或者可以采用低精度、低成本的会聚透镜；

由于光路简化，对装配精度的要求也相应降低，可以免去复杂耗时的对气室结构同轴度手动对准和调校测试，便于使用自动化装配工艺进行快速、大批量生产，反射镜24和光电探测单元3免调校，只需要通过手工或机器自动调校激光发射单元1就可以实现收发光路的对准。

所述罩壳23表面设置有与所述中空腔体连通的开口，所述开口处设置有防水透气膜231，可以防止水汽和灰尘进入中空腔体中，对检测结果造成干扰；所述防水透气膜231是一种具有选择透过性的薄膜，常用e-PTFE,是一种由聚四氟乙烯经特殊工艺生产的薄膜材料，其表面分布有大量孔径在0.1-10μm的滤孔，又因为该种材料天然具有一定的疏水性和疏油性，能够让小于滤孔孔径的气体分子透过，而能阻止大于滤孔孔径的其他物质如水滴灰尘等透过防水透气膜231。

所述罩壳23为一体成型设计，强度高、热稳定性好，其主体结构可以采用工程塑料或者其他轻质、高强度的材料，通过冲压一次成型，有利于降低成本，所述中空腔体内壁设置有可吸光结构，或者涂有吸光涂料，实际应用中，所述可吸光结构可以为罩壳内侧(属于中空腔体内壁的部分)不规则细微凸起，散射到中空腔体内壁上的的激光在所述不规则凸起之间经过多次反射后被吸收，可以减少光的反射，避免对探测结果造成干扰；所述吸光涂料也可替换为深色涂料。

所述激光发射单元1包括激光器11和激光单元引线板12，激光器11由DFB芯片和光学组件构成；所述光电探测单元3包括光电探测头31和光电探测引线板32，；所述电路基板4的正面设置有与所述激光单元引线板12和光电探测引线板32相配合的引线槽41，激光发射单元1和光电探测单元3可以通过激光单元引线板12和光电探测引线板32与电路基板4建立电性连接，使得电路基板4可以向激光发射单元1和光电探测单元3供电并读取后两者的数据。

可选的，在单次反射式气室21中，激光发射单元1与所述光电探测单元3可以集成在同一块引线板上构成激光收发单元6，同样通过引线板与引线槽41的配合与电路基板4建立电性连接，从电路基板4获取供电，并向电路基板4建立数据联系。

所述电路基板4的背面集成的控制电路包括激光驱动、TEC温控电路、MCU控制芯片、信号处理电路、前置放大电路、自动增益放大电路、AD采集电路、电源芯片、温度传感器和通信接口电路；上述电路可以采用分立的贴片器件，经自动贴片机贴装于所述电路基板4背面；如图8所示，为采用分立器件的电路基板4的电路结构框图，其中MCU控制芯片与信号处理电路集成在同一块芯片中。

优选地，也可采用TDLAS专用芯片替代上述分立器件，所述TDLAS专用芯片内部集成有激光驱动、TEC温控电路、MCU控制芯片、信号处理电路、前置放大电路、自动增益放大电路和AD采集电路，进一步缩减电路基板4体积和整体的功耗，同时成本也更低；在不影响气室中光路的前提下，可将体积较小的电容、电阻器件放置于电路基板4的正面，为电路基板4的电路走线提供便利；如图9所示，为采用TDLAS专用芯片的电路基板4的电路结构框图。

所述电路基板的正面设置有气压传感器43，所述气压传感器43在不影响气室中光路的前提下尽可能凸出并深入至中空腔体内部，用于测量气室内部气压；所述温度传感器与气压传感器43用于辅助在对应不同温度条件和压力条件下对气体检测结果进行校正输出。

由于采用了新的气室设计，简化了光路和结构，对于激光的准直和收发配准要求降低后，考虑到激光器11长期工作后能量衰减，以及可能出现的光路污染等情况，光电探测单元3接收到的信号范围加大，所述前置放大电路采用AGC两级自动增益控制，以此来适应激光信号较大的动态范围起伏变化，由此保证不同传感器的一致性和免去对传感器电子线路进行参数调整。

所述电路基板4背面设置有对外引脚42，包含供电引脚和数据传输接口，配合与该对外引脚42的专用插接母座，可以实现传感器的快速安装。

电路基板4与罩壳23上设置有若干位置对应的安装定位孔7，可以通过螺栓固定装配为一个整体，两者的接缝设置封胶提高密闭性。防止灰尘水汽从接缝处进入气室内部，在良好环境条件下也可以无需保护壳5，可以直接应用于检测仪表或者气体报警器等设备；在恶劣环境下，有严格防护等级要求的情况下，可在传感器上加装保护壳5，对传感器内部的电子线路等进行防护，降低外部环境对传感器的影响。

所述保护壳5包括主壳体51和可拆卸式窗口；所述可拆卸式窗口包括框架52和设置于所述框架52中的保护片53；保护壳5一侧开口，一侧为可拆卸式窗口，该保护片53可以是透明材质(如高强度玻璃或者透明有机玻璃)，便于操作人员从外界观察到传感器的情况；主壳体51可采用冲压或浇注的方式一体成型生产制造，框架52与保护片53之间采用胶接方式固定，框架52与主壳体51之间采用螺钉或者卡扣方式固定连接，二者接缝处设置有密封条；电路基板4与罩壳23构成了传感器的主体结构，保护壳5罩设在该主体结构上，与电路基板固定连接。

实施例二

如图4、图5、图6、图7、图8和图9所示，一种点式激光气体传感器，包括激光发射单元1、控制电路、光电探测单元3、保护壳5、电路基板4和罩设于电路基板正面的罩壳23，所述罩壳23与电路基板4固接形成具有中空腔体的气室；所述控制电路集成于电路基板4背面；所述激光发射单元1和光电探测单元3与罩壳23连接，并分别与所述电路基板4电性连接。

所述气室为对射式气室22，包括罩壳23；所述激光发射单元1设置于罩壳23一侧，所述光电探测单元3设置于罩壳23的另一侧；激光发射单元1与光电探测单元3相对设置，激光发射单元1可直接以大发散角发射激光，免去了准直步骤，在光电探测单元3之前可以不再使用会聚透镜对激光进行会聚，简化了气室结构和光路；由于对射式气室22的光路简单，也进一步降低了装配难度，激光发射单元1和光电探测单元3可以实现免调校对准安装，便于使用自动化装配工艺进行快速、大批量生产，反射镜24和光电探测单元3免调校，只需要通过手工或机器自动调校激光发射单元1就可以实现收发光路的对准。

所述罩壳23表面设置有与所述中空腔体连通的开口，所述开口处设置有防水透气膜231，可以防止水汽和灰尘进入中空腔体中，对检测结果造成干扰；所述防水透气膜231是一种具有选择透过性的薄膜，常用e-PTFE,是一种由聚四氟乙烯经特殊工艺生产的薄膜材料，其表面分布有大量孔径在0.1-10μm的滤孔，又因为该种材料天然具有一定的疏水性和疏油性，能够让小于滤孔孔径的气体分子透过，而能阻止大于滤孔孔径的其他物质如水滴灰尘等透过防水透气膜231。

所述罩壳23为一体成型设计，强度高、热稳定性好，其主体结构可以采用工程塑料或者其他轻质、高强度的材料，通过冲压一次成型，有利于降低成本，所述中空腔体内壁设置有可吸光结构，或者涂有吸光涂料，实际应用中，所述可吸光结构可以为罩壳内侧(属于中空腔体内壁的部分)不规则细微凸起，散射到中空腔体内壁上的的激光在所述不规则凸起之间经过多次反射后被吸收，可以减少光的反射，避免对探测结果造成干扰；所述吸光涂料也可替换为深色涂料。

所述激光发射单元1包括激光器11和激光单元引线板12；所述光电探测单元3包括光电探测头31和光电探测引线板32；所述电路基板4的正面设置有与所述激光单元引线板12和光电探测引线板32相配合的引线槽41，激光发射单元1和光电探测单元3可以通过激光单元引线板12和光电探测引线板32与电路基板4建立电性连接，使电路基板4可以向激光发射单元1和光电探测单元3供电并读取后两者的数据。

所述电路基板4的背面集成的控制电路包括激光驱动、TEC温控电路、MCU控制芯片、信号处理电路、前置放大电路、自动增益放大电路、AD采集电路、电源芯片、温度传感器和通信接口电路；上述电路可以采用分立的贴片器件，经自动贴片机贴装于所述电路基板4背面；如图8所示，为采用分立器件的电路基板4的电路结构框图，其中MCU控制芯片与信号处理电路集成在同一块芯片中。

优选地，也可采用TDLAS专用芯片替代上述分立器件，所述TDLAS专用芯片内部集成有激光驱动、TEC温控电路、MCU控制芯片、信号处理电路、前置放大电路、自动增益放大电路和AD采集电路，进一步缩减电路基板4体积和整体的功耗，同时成本也更低；在不影响气室中光路的前提下，可将体积较小的电容、电阻器件放置于电路基板4的正面，为电路基板4的电路走线提供便利；如图9所示，为采用TDLAS专用芯片的电路基板4的电路结构框图。

所述电路基板的正面设置有气压传感器43，所述气压传感器43在不影响气室中光路的前提下凸出并深入至中空腔体内部，用于测量气室内气压；所述温度传感器与气压传感器43用于辅助在对应不同温度条件和压力条件下对气体检测结果进行校正输出。

由于采用了新的气室设计，简化了光路和结构，对于激光的准直和收发配准要求降低后，考虑到激光器11长期工作后能量衰减，以及可能出现的光路污染等情况，光电探测单元3接收到的信号范围加大，所述前置放大电路采用AGC两级自动增益控制，以此来适应激光信号较大的动态范围起伏变化。

所述电路基板4背面设置有对外引脚42，包含供电引脚和数据传输接口，配合与该对外引脚42的专用插接母座，可以实现传感器的快速安装。

电路基板4与罩壳23上设置有若干位置对应的安装定位孔7，可以通过螺栓固定装配为一个整体，在良好环境条件下也可以无需保护壳5，可以直接应用于检测仪表或者气体报警器等设备；在恶劣环境下，有严格防护等级要求的情况下，可在传感器上加装保护壳5，对传感器内部的电子线路等进行防护，降低外部环境对传感器的影响。

所述保护壳5包括主壳体51和可拆卸式窗口；所述可拆卸式窗口包括框架52和设置于所述框架52中的保护片53；保护壳5一侧开口，一侧为可拆卸式窗口，该保护片53可以是透明材质(如高强度玻璃或者透明有机玻璃)，便于操作人员从外界观察到传感器的情况；主壳体51可采用冲压或浇注的方式一体成型生产制造，框架52与保护片53之间采用胶接方式固定，框架52与主壳体51之间采用螺钉或者卡扣方式固定连接，二者接缝处设置有密封条；电路基板4与罩壳23构成了传感器的主体结构，保护壳5罩设在该主体结构上，与电路基板固定连接。

本实用新型实施的优点：

通过单次反射式气室或者对射式气室，简化了光路，降低了对于传感器装配精度的要求，可以适用于自动化装配生产线；同时控制电路、信号处理、激光器驱动电路等电子器件与线路集成于一块电路基板上，提高了传感器的集成度，便于使用贴片机等自动化生产设备大批量生产，有效降低成本，便于激光气体传感器广泛推广与普及。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本实用新型公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种点式激光气体传感器，包括激光发射单元(1)、控制电路、光电探测单元(3)和保护壳(5)，其特征在于，还包括电路基板(4)和罩设于电路基板正面的罩壳(23)，所述罩壳(23)与电路基板(4)固接后形成具有中空腔体的气室；所述控制电路集成于电路基板(4)背面；所述激光发射单元(1)和光电探测单元(3)与罩壳(23)连接，并分别与所述电路基板(4)电性连接；所述激光发射单元(1)所发射的激光至少穿过中空腔体一次后被所述光电探测单元(3)接收。

2.根据权利要求1所述的点式激光气体传感器，其特征在于，所述气室为单次反射式气室(21)，还包括反射镜(24)和激光收发隔挡件(25)；所述激光发射单元(1)与光电探测单元(3)设置于罩壳(23)一侧，反射镜(24)设置于罩壳(23)另一侧，激光收发隔挡件(25)设置在激光发射单元(1)与光电探测单元(3)之间；激光发射单元(1)所发射的激光穿过中空腔体经反射镜(24)反射一次后被所述光电探测单元(3)接收。

3.根据权利要求1所述的点式激光气体传感器，其特征在于，所述气室为对射式气室(22)；所述激光发射单元(1)与光电探测单元(3)分别设置于罩壳(23)两侧；激光发射单元(1)所发射的激光穿过中空腔体被所述光电探测单元(3)接收。

4.根据权利要求2或3所述的点式激光气体传感器，其特征在于，所述罩壳(23)表面设置有与所述中空腔体连通的开口，所述开口处设置有防水透气膜(231)。

5.根据权利要求4所述的点式激光气体传感器，其特征在于，所述罩壳(23)为一体成型设计，所述中空腔体内壁涂设置有可吸光结构或涂有吸光涂料。

6.根据权利要求1所述的点式激光气体传感器，其特征在于，所述激光发射单元(1)包括激光器(11)和激光单元引线板(12)；所述光电探测单元(3)包括光电探测头(31)和光电探测引线板(32)；所述电路基板(4)的正面设置有与所述激光单元引线板(12)以及光电探测引线板(32)相配合的引线槽(41)。

7.根据权利要求1所述的点式激光气体传感器，其特征在于，所述控制电路包括驱动控制电路、信号处理电路、前置放大电路、TEC温度控制电路、MCU控制芯片、电源芯片、温度传感器和通信接口电路。

8.根据权利要求7所述的点式激光气体传感器，其特征在于，所述中空腔体中设置有气压传感器(43)；所述气压传感器(43)与电路基板(4)电性连接。

9.根据权利要求7所述的点式激光气体传感器，其特征在于，所述电路基板(4)背面设置有对外引脚(42)。

10.根据权利要求1所述的点式激光气体传感器，其特征在于，所述保护壳(5)包括主壳体(51)和可拆卸式窗口；所述可拆卸式窗口包括框架(52)和设置于所述框架(52)中的保护片(53)。

Images