CN218584650U - 一种基于全反射涡状光路的红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于全反射涡状光路的红外气体传感器，其包括硬件电路板，以及分别与硬件电路板连接的红外光源和红外探测器，还包括第一腔体组件和第二腔体组件，第一腔体组件开设有半球形涡状凹槽Ⅰ，半球形涡状凹槽Ⅰ的侧壁开设有透气孔，半球形涡状凹槽Ⅰ的其中一端部设有半球形反射面Ⅰ，半球形涡状凹槽Ⅰ的另一端部设有半球形反射面Ⅱ；第二腔体组件开设有半球形涡状凹槽Ⅱ，半球形涡状凹槽Ⅱ的其中一端部开设有光源安装孔，半球形涡状凹槽Ⅱ的另一端部开设有探测器安装孔；半球形涡状凹槽Ⅰ与半球形涡状凹槽Ⅱ上下设置，形成全反射涡状光学气室，从而提供一种长光程红外气体传感器，提高了空间利用率，并有效提升光能的利用率。

Description

一种基于全反射涡状光路的红外气体传感器

技术领域

本实用新型涉及气体检测及分析技术领域，具体的说，涉及了一种基于全反射涡状光路的红外气体传感器。

背景技术

近年来，随着工业化进程的进一步发展，各种废气的排放以及化石燃料的大量燃烧，环境污染及特殊场所作业人员的人身安全问题始终是人们关注的热点。由于检测范围广、选择性好、不会中毒、使用寿命长等优点，红外气体传感器正逐步替代电化学以及催化燃烧等传统传感器，在煤矿、石油化工、冶金、天然气管道等场所得到广泛的应用。

红外气体传感器主要包含光源、光学气室和探测器，光源发出的红外线，通过光学气室后，被探测器接收，基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔Lambert-Beer定律）鉴别气体组分并确定其浓度；

在红外气体传感器中，光学气室结构的设计通常关系着整个红外气体传感器的性能，因此光学气室结构是红外气体传感器的关键部件之一；现有的红外气体传感器主要采用直射式气室结构，这种气室结构虽然简单，但是体积小的红外气体传感器光程短，光效低、从而影响了传感器整体的灵敏度、分辨率和测量精度；为提高传感器的综合性能，通常需要增加体积来增加光程，这种结构导致传感器体积增大，却不能充分利用内部空间，光能损失也较高。

为满足小型化、高性能的需求，传感器工程师主要采用反射型光学气室，通过光线多次反射来增加光程。例如，文献CN208432533U中采用反射镜多次反射技术，同时实现小体积和长光程；文献CN211236426U利用嵌套的两个正棱柱面，通过改变棱边数，利用光线在反射腔内表面多次反射增加光程；

然而，不管是文献CN208432533U还是文献CN211236426U提出的气室结构，均未充分利用有限的空间，且光线在这些反射型的光学气室中反射会导致光线反射产生衰减，影响探测信号的准确性。

另外，文献CN210376128U提出一种螺旋形气体浓度检测装置，反射室开设有螺旋形槽，使中红外光源发出的光线在螺旋形槽中传播，有效优化空间结构；但是，文献CN210376128U中的螺旋形气体浓度检测装置整体结构不便于生产及组装，且螺旋形槽的侧壁为竖直状，不便于反射面抛光成镜面效果，影响光效，导致光能损失高，制约了红外气体传感器的进一步应用和发展。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种基于全反射涡状光路的红外气体传感器。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于全反射涡状光路的红外气体传感器，包括硬件电路板，以及分别与所述硬件电路板连接的红外光源和红外探测器，还包括第一腔体组件和第二腔体组件，其中，

所述第一腔体组件开设有半球形涡状凹槽Ⅰ，所述半球形涡状凹槽Ⅰ的侧壁开设有透气孔，所述半球形涡状凹槽Ⅰ的其中一端部设有半球形反射面Ⅰ，所述半球形涡状凹槽Ⅰ的另一端部设有半球形反射面Ⅱ；

所述第二腔体组件开设有半球形涡状凹槽Ⅱ，所述半球形涡状凹槽Ⅱ的其中一端部开设有光源安装孔，所述半球形涡状凹槽Ⅱ的另一端部开设有探测器安装孔；

所述半球形涡状凹槽Ⅰ与所述半球形涡状凹槽Ⅱ上下设置，形成全反射涡状光学气室；

所述红外光源穿过所述光源安装孔，并与所述半球形反射面Ⅰ相对设置；

所述红外探测器穿过所述探测器安装孔，并与所述半球形反射面Ⅱ相对设置。

本实用新型的有益效果为：

1）本实用新型提出了一种基于全反射涡状光路的红外气体传感器，包括第一腔体组件和第二腔体组件，所述第一腔体组件的半球形涡状凹槽Ⅰ与所述第二腔体组件半球形涡状凹槽Ⅱ上下设置形成全反射涡状光学气室，所述红外光源位于全反射涡状光学气室的一端，所述红外探测器位于全反射涡状光学气室的另一端，从而提供一种长光程、小型化且便于产品集成化使用的红外气体传感器，极大地利用了有限的空间，并有效提升光能的利用率；

2）所述第一腔体组件的环形凸起嵌套在所述第二腔体组件的环状凹槽内形成环形密封结构，从而有效防止漏光，提高检测精度；

3）所述第一腔体组件的定位凸起嵌设在所述第二腔体组件的定位孔中，形成所述第一腔体组件和所述第二腔体组件的定心结构，从而有效防止第一腔体组件和第二腔体组件发生位置移动，避免因位置的移动从而影响全反射涡状光路的性能，进而提高整个红外气体传感器的稳定性；

4）所述第一腔体组件上方设有防水透气膜，所述第二腔体组件下方设有加热电阻，从而形成多重防水汽干扰结构，有效减少全反射涡状光学气室内的水汽，进而提高传感器的检测性能，确保产品在复杂环境条件下能够正常工作；

5）所述半球形涡状凹槽Ⅰ和所述半球形涡状凹槽Ⅱ均设有金属反光层，且所述全反射涡状光学气室的截面为跑道形截面，便于反射面抛光成镜面效果，从而有效提升光能的利用率；

6）所述第一腔体组件外壁还开设有密封圈安装槽，便于将本实用新型与其他设备组装。

附图说明

图1和图2是本实用新型的基于全反射涡状光路的红外气体传感器的爆炸结构示意图；

图3和图4是本实用新型的基于全反射涡状光路的红外气体传感器的立体结构示意图；

图5是本实用新型的局部剖视结构示意图；

图6是本实用新型的第一腔体组件的顶部结构示意图；

图7是本实用新型的第一腔体组件的底部结构示意图；

图8是本实用新型的第二腔体组件的顶部结构示意图；

图9是本实用新型的第二腔体组件的底部结构示意图；

图中：1.防水透气膜；

2.第一腔体组件；201.半球形涡状凹槽Ⅰ；202.环形凸起；203.透气孔；204.定位凸起；205.半球形反射面Ⅰ；206.半球形反射面Ⅱ；207.支撑凸块；208.密封圈安装槽；209.螺纹孔；

3.第二腔体组件；301.半球形涡状凹槽Ⅱ；302.环状凹槽；303.电阻避让槽；304.定位孔；305.螺纹过孔；306.光源安装孔；307.探测器安装孔；

4.背胶垫片；401.探测器避让孔；402.电阻避让孔；403.光源避让孔；

5.硬件电路板；6.红外光源；7.红外探测器；8.加热电阻；9.固定螺钉；10.引脚。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

如附图1至附图4所示，一种基于全反射涡状光路的红外气体传感器，包括硬件电路板5，以及分别与所述硬件电路板5连接的红外光源6和红外探测器7，还包括第一腔体组件2和第二腔体组件3，其中，

所述第一腔体组件2开设有半球形涡状凹槽Ⅰ201，所述半球形涡状凹槽Ⅰ201的侧壁开设有透气孔203，所述半球形涡状凹槽Ⅰ201的其中一端部设有汇聚光线的半球形反射面Ⅰ205，所述半球形涡状凹槽Ⅰ201的另一端部设有汇聚光线的半球形反射面Ⅱ206；

所述第二腔体组件3开设有半球形涡状凹槽Ⅱ301，所述半球形涡状凹槽Ⅱ301的其中一端部开设有光源安装孔306，所述半球形涡状凹槽Ⅱ301的另一端部开设有探测器安装孔307，如附图9所示；

所述半球形涡状凹槽Ⅰ201与所述半球形涡状凹槽Ⅱ301上下设置，形成全反射涡状光学气室；其中，所述半球形涡状凹槽Ⅰ201的结构如附图2、附图5和附图7所示，所述半球形涡状凹槽Ⅱ301的结构如附图1、附图5和附图8所示；

所述红外光源6穿过所述光源安装孔306，并与所述半球形反射面Ⅰ205相对设置；

所述红外探测器7穿过所述探测器安装孔307，并与所述半球形反射面Ⅱ206相对设置。

可以理解，所述半球形涡状凹槽Ⅰ201的侧壁开设多个圆柱形的透气孔203，可以方便传感器迅速地进行气体置换，使待测气体快速扩散至所述全反射涡状光学气室内，提升传感器的响应时间。

进一步的，所述半球形涡状凹槽Ⅰ201和所述半球形涡状凹槽Ⅱ301均设有金属反光层，所述半球形涡状凹槽Ⅰ201与所述半球形涡状凹槽Ⅱ301的内侧壁为半球形，因此所述全反射涡状光学气室的截面为如附图5所示的跑道形截面，跑道形截面的全反射涡状光学气室便于反射面抛光成镜面效果，且能够有效提升光能的利用率。

需要说明的是，待测气体经所述第一腔体组件2上的透气孔203进入所述全反射涡状光学气室内，位于所述全反射涡状光学气室起始端的红外光源6发出红外光线，经所述半球形反射面Ⅰ205进行反射后，进入所述全反射涡状光学气室；被所述全反射涡状光学气室的内侧壁反射，再经所述半球形反射面Ⅱ206汇聚到红外探测器7的接收面，形成全反射涡状光路；跑道形截面的全反射涡状光学气室可以有效地增加光路的光程，让待测气体对红外光源6发出的红外光进行充分吸收，从而有效提升光能的利用率，进而提升传感器的检测精度和灵敏度。

可以理解，利用红外探测器7接收红外光线，通过硬件电路板5下方的引脚10输出待测气体的浓度信息，为本领域技术人员知晓的常规技术，在此不再赘述。

具体的，所述第一腔体组件2和所述第二腔体组件3采用铜材质制成，所述金属反光层为采用金、银等材质制成；可以理解，所述第一腔体组件2和所述第二腔体组件3经高精度的数控加工后，对全反射涡状光路表面进行镀金形成反光层，从而保证光面学的耐腐蚀性和长期稳定性。

为了提高结构稳定性及密封性能，所述第一腔体组件2还设置有环形凸起202，所述第二腔体组件3还设置有环状凹槽302，所述环形凸起202嵌套在所述环状凹槽302内形成环形密封结构；

可以理解，所述第一腔体组件2上的环形凸起202与所述第二腔体组件3上的环状凹槽302特征相匹配，可以起到良好的密封作用，从而大幅提升传感器的防尘能力。

为了避免组装时或者检测过程中，第一腔体组件2或者第二腔体组件3发生位置移动，所述第一腔体组件2还设置有定位凸起204，所述第二腔体组件3还开设有定位孔304，所述第一腔体组件2的定位凸起204嵌设在所述第二腔体组件3的定位孔304中，形成定心结构，从而有效防止两个腔体组件发生位置移动，避免影响全反射涡状光路的性能；

所述定位凸起204位于所述半球形涡状凹槽Ⅰ201与所述环形凸起202之间，所述定位孔304为所述半球形涡状凹槽Ⅱ301与所述环状凹槽302之间。

具体的，所述定位凸起204为圆柱状凸起，所述定位孔304为圆柱孔。

进一步的，所述基于全反射涡状光路的红外气体传感器还包括位于所述第二腔体组件3与所述硬件电路板5之间的背胶垫片4，所述背胶垫片4开设有探测器避让孔401和光源避让孔403。

可以理解，所述硬件电路板5可以为PCB板，所述背胶垫片4具有绝缘功能，对所述全反射涡状光学气室和所述硬件电路板5进行绝缘；所述硬件电路板5上的红外探测器7穿过所述探测器避让孔401和所述探测器安装孔307，使所述红外探测器7的接收面处于所述全反射涡状光学气室的末端；所述硬件电路板5上的红外光源6穿过光源避让孔403和光源安装孔306，使所述红外光源6的发光面处于所述全反射涡状光学气室的起始端。

进一步的，所述第一腔体组件2、所述第二腔体组件3、所述背胶垫片4和所述硬件电路板5的相应位置均开设有安装孔，紧固件穿过安装孔，形成传感器的固定结构，对传感器进行可靠的固定，保证结构的稳定性；

硬件电路板5通过红外光源6和红外探测器7进行定位，通过固定结构进行可靠的固定，解决了因核心器件相对位置发生变化带来了稳定差的问题，提升了传感器的输出稳定性。

具体的，固定结构采用螺钉压紧的固定方式，所述紧固件为固定螺钉9，所述第一腔体组件2上的安装孔为螺纹孔209，所述第二腔体组件3上的安装孔为螺纹过孔305；可以理解，固定螺钉9依次穿过所述第一腔体组件2、所述第二腔体组件3、所述背胶垫片4和所述硬件电路板5开设的螺纹孔，结构可靠，安装方便，便于自动化产线批量生产，进而提高了产品的产能，并降低了产品的生产成本。

可以理解，本实用新型具有光程长（105mm），光效利用率高（1.5%）较同类型的光效提升一倍，体积小（φ32mmx20mm）满足工业应用要求，检测精度高、灵敏度好、结构可靠、稳定性好、装配方便、工艺性好、便于大批量生产的特点，可广泛应用在石油化工、煤矿及天然气管道等工业气体检测场所及复杂环境条件下的气体检测。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例给出了另一种基于全反射涡状光路的红外气体传感器的具体实施方式；

所述基于全反射涡状光路的红外气体传感器，还包括防水透气膜1，所述防水透气膜1位于所述第一腔体组件2上方；所述第一腔体组件2还设置有支撑凸块207，所述支撑凸块207用于对所述防水透气膜1进行支撑，如附图6所示。

具体的，所述支撑凸块207沿圆周分布在所述第一腔体组件2的顶部，通过对所述防水透气膜1进行支撑，来增加所述防水透气膜1与所述透气孔203之间的间距，避免防水透气膜1直接贴在透气孔203上而影响全反射涡状光学气室的进气和出气。

为了进一步提升红外气体传感器的抗水汽性能，所述基于全反射涡状光路的红外气体传感器还包括与所述硬件电路板5连接的加热电阻8，所述加热电阻8位于所述第二腔体组件3开设的电阻避让槽303下方，所述加热电阻8延伸至所述第二腔体组件3开设的电阻避让槽303中，形成防水汽结构。

需要说明的是，所述背胶垫片4开设有电阻避让孔402，所述硬件电路板5上的加热电阻8穿过所述电阻避让孔402，延伸至所述第二腔体组件3开设的电阻避让槽303中，对所述全反射涡状光学气室进行加热，从而有效避免恶劣条件下光学气室内部水汽的凝结，从而提升了传感器在复杂环境下工作的可靠性。

进一步的，所述电阻避让槽303与所述加热电阻8之间设置有导热层，加热电阻8和电阻避让槽303之间通过导热层紧密连接，提升了对全反射涡状光学气室的加热效率。

具体的，所述加热电阻8为贴片厚膜电阻，所述导热层为导热硅脂层，所述电阻避让槽303为与所述贴片厚膜电阻形状尺寸相匹配的矩形凹槽。

因此，所述基于全反射涡状光路的红外气体传感器可以应用于恶劣环境条件下气体检测，且传感器的性能稳定可靠。

实施例3

在上述实施例的基础上，本实施例给出了另一种基于全反射涡状光路的红外气体传感器的具体实施方式；

具体的，所述第一腔体组件2外壁还开设有密封圈安装槽208，所述密封圈安装槽208为矩形O型密封圈安装结构，用于放置O型密封圈，方便将所述基于全反射涡状光路的红外气体传感器安装到其他设备的壳体里使用。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种基于全反射涡状光路的红外气体传感器，包括硬件电路板，以及分别与所述硬件电路板连接的红外光源和红外探测器，其特征在于：还包括第一腔体组件和第二腔体组件，其中，

所述第一腔体组件开设有半球形涡状凹槽Ⅰ，所述半球形涡状凹槽Ⅰ的侧壁开设有透气孔，所述半球形涡状凹槽Ⅰ的其中一端部设有半球形反射面Ⅰ，所述半球形涡状凹槽Ⅰ的另一端部设有半球形反射面Ⅱ；

所述第二腔体组件开设有半球形涡状凹槽Ⅱ，所述半球形涡状凹槽Ⅱ的其中一端部开设有光源安装孔，所述半球形涡状凹槽Ⅱ的另一端部开设有探测器安装孔；

所述半球形涡状凹槽Ⅰ与所述半球形涡状凹槽Ⅱ上下设置，形成全反射涡状光学气室；

所述红外光源穿过所述光源安装孔，并与所述半球形反射面Ⅰ相对设置；

所述红外探测器穿过所述探测器安装孔，并与所述半球形反射面Ⅱ相对设置。

2.根据权利要求1所述的基于全反射涡状光路的红外气体传感器，其特征在于：所述第一腔体组件还设置有环形凸起，所述第二腔体组件还设置有环状凹槽，所述环形凸起嵌套在所述环状凹槽内形成环形密封结构。

3.根据权利要求2所述的基于全反射涡状光路的红外气体传感器，其特征在于：所述第一腔体组件还设置有定位凸起，所述第二腔体组件还开设有定位孔，所述第一腔体组件的定位凸起嵌设在所述第二腔体组件的定位孔中；

所述定位凸起位于所述半球形涡状凹槽Ⅰ与所述环形凸起之间，所述定位孔为所述半球形涡状凹槽Ⅱ与所述环状凹槽之间。

4.根据权利要求1所述的基于全反射涡状光路的红外气体传感器，其特征在于：还包括防水透气膜，所述防水透气膜位于所述第一腔体组件上方；

所述第一腔体组件还设置有支撑凸块，所述支撑凸块用于对所述防水透气膜进行支撑。

5.根据权利要求1所述的基于全反射涡状光路的红外气体传感器，其特征在于：还包括位于所述第二腔体组件与所述硬件电路板之间的背胶垫片，所述背胶垫片开设有探测器避让孔和光源避让孔。

6.根据权利要求1所述的基于全反射涡状光路的红外气体传感器，其特征在于：还包括与所述硬件电路板连接的加热电阻，所述加热电阻位于所述第二腔体组件开设的电阻避让槽下方。

7.根据权利要求6所述的基于全反射涡状光路的红外气体传感器，其特征在于：所述电阻避让槽与所述加热电阻之间设置有导热层。

8.根据权利要求1所述的基于全反射涡状光路的红外气体传感器，其特征在于：所述半球形涡状凹槽Ⅰ和所述半球形涡状凹槽Ⅱ均设有金属反光层。

9.根据权利要求1至8任一项所述的基于全反射涡状光路的红外气体传感器，其特征在于：所述全反射涡状光学气室的截面为跑道形截面。

10.根据权利要求1所述的基于全反射涡状光路的红外气体传感器，其特征在于：所述第一腔体组件外壁还开设有密封圈安装槽。

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