KR20090105757A - Optical gas sensor and optical cavity for the gas sensor - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An optical gas sensor and an optical cavity are provided to maximize the length of an optical path and remove the necessity of accurate alignment of the optical path. CONSTITUTION: An optical gas sensor(1) includes a light source, a light receiving element, a frame, and a partition. The light source(11) generates the light of a specific wavelength band. The light receiving element(20) can light receive the light of the specific wavelength band. The frame(30) performs a function of guiding the light generated in the light source up to the light receiving element. The inner surface of the frame is made of the mirror(31).

Description

광학적 가스 센서 및 광 공동{Optical gas sensor and optical cavity for the gas sensor}Optical gas sensor and optical cavity for the gas sensor

본 발명은 광학적 가스 센서와 이에 사용되는 광 공동에 관한 것이다. 보다 상세하게는 비분산 적외선(Non-Dispersive Infra-Red, NDIR) 가스 센서와 이에 사용되는 광 공동에 관한 것이다.The present invention relates to optical gas sensors and optical cavities used therein. More specifically, it relates to a non-dispersive infra-red (NDIR) gas sensor and an optical cavity used therein.

기체 분자들은 각기 진동에너지 양자에 해당하는 에너지만을 선택적으로 흡수하는 성질이 있는데, 대체로 적외선 영역의 빛을 진동에너지로 흡수한다. 이와 같은 이유로 CO2, CO, CH4, C3H8 등은 각각 독특한 적외선에 대한 흡수 스펙트럼을 갖는 데, 예를 들어 CO2는 4.25㎛, CO는 4.7㎛, CH4는 3.3㎛의 파장을 흡수하며, 빛을 흡수하는 정도는 해당 기체의 농도에 따라 달라진다. 이때, 어떤 파장에서 빛이 흡수되는 정도인 흡광도 A(λ)는 다음의 Beer-Lambert 식에 의해 정해진다.The gas molecules selectively absorb only energy corresponding to both vibration energies, and generally absorb light in the infrared region as vibration energies. For this reason, CO 2 , CO, CH 4 , and C 3 H 8 each have a unique absorption spectrum for infrared rays, for example, CO 2 is 4.25 μm, CO is 4.7 μm, and CH 4 is 3.3 μm. The extent to which light is absorbed depends on the concentration of the gas. At this time, the absorbance A (λ), which is the level at which light is absorbed at a certain wavelength, is determined by the following Beer-Lambert equation.

Figure 112008024412207-PAT00001
·······수식 (1)
Figure 112008024412207-PAT00001
Equation (1)

여기서 A(λ)는 흡광도, E(λ)는 흡수계수, b는 투과거리, C는 가스농도를 나타낸다. 흡수계수 E(λ)는 파장(λ)의 함수이므로 흡수계수 E(λ)가 크게 되는 파장을 선택함으로써 흡광도 A(λ)를 크게 할 수 있다. 한편, 흡광도 A(λ)는 빛의 투과 거리 b와 가스농도 C에 비례하는 데, 흡광도 A(λ)가 가스농도 C에 비례하는 정도를 크게 하려면, 투과거리 b가 큰 값을 가지는 것이 좋다. 그리고 흡광도 A(λ)는 아래 수식(2)의 관계를 가진다.      Where A (λ) is absorbance, E (λ) is absorption coefficient, b is transmission distance, and C is gas concentration. Since the absorption coefficient E (λ) is a function of the wavelength λ, the absorbance A (λ) can be increased by selecting the wavelength at which the absorption coefficient E (λ) becomes large. On the other hand, the absorbance A (λ) is proportional to the light transmission distance b and the gas concentration C. However, to increase the extent that the absorbance A (λ) is proportional to the gas concentration C, it is preferable that the transmission distance b has a large value. And the absorbance A (λ) has the relationship of the following formula (2).

Figure 112008024412207-PAT00002
····수식(2)
Figure 112008024412207-PAT00002
Equation (2)

I0(λ)는 기준광의 세기, I(λ)는 측정광의 세기를 각각 나타낸다. 기준광의 세기 I0(λ), 흡수계수 E(λ), 및 투과거리 b를 알 고 있는 상태에서 광의 세기[I(λ)]를 측정함으로써 가스의 농도를 알 수 있는 것이다. 그리고 흡수계수 E(λ)는 파장(λ)의 함수이므로, 흡수계수 E(λ)가 충분히 큰 단색광을 측정 가스에 통과시켜 투과된 빛의 세기 감소를 측정함으로써 다른 가스의 간섭이 없이 측정 대상 가스만의 농도를 알 수 있다.I 0 (λ) represents the intensity of the reference light and I (λ) represents the intensity of the measurement light, respectively. The gas concentration can be known by measuring the intensity [I (λ)] of the light with the reference intensity I 0 (λ), absorption coefficient E (λ), and transmission distance b being known. Since the absorption coefficient E (λ) is a function of the wavelength λ, the monochromatic light having a large absorption coefficient E (λ) is passed through the measurement gas to measure the decrease in the intensity of the transmitted light, thereby avoiding the interference of other gases. Know the concentration of the bay.

Beer-Lambert의 법칙에 의하면 광의 흡수도(상기 수식(1) 및 수식(2)에서 흡광도 A(λ)를 나타낸다)는 가스농도 C와 광의 투과거리 b에 비례함을 알 수 있는 데, 광의 흡수도를 높이기 위해 그 길이 b를 증가시켜야 한다. 그러나 이 경우 장치의 길이가 길어지게 되므로 기구의 물리적인 외형의 길이를 증대시키지 않고 광경로만을 증가시키려는 연구가 계속되어 지고 있다.Beer-Lambert's law shows that the absorbance of light (the absorbance A (λ) in Equations (1) and (2) above) is proportional to the gas concentration C and the transmission distance b of light. The length b must be increased to increase the degree. However, in this case, since the length of the device is increased, researches to increase only the optical path without increasing the length of the physical appearance of the apparatus are continuously conducted.

도 1은 종래 기술에 따른 광학적 가스 센서의 일 예를 개념적으로 도시한 것이다. 종래 기술에 따르면, 제한된 크기의 광 공동(챔버) 내에서 상대적으로 긴 광 경로를 제공하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 세개의 타원형 반사면을 배치한 형 태를 가진다. 광 도입구(5)로부터 광이 도입되고 난 후 광선(50)은 반사 경면(12A)에서 반사되어 광선(51)이 되며, 광선(51)은 반사 경면(10A)에서 반사되어 광선(52)가 되며, 광선(52)는 반사 경면(13A)에 반사되어 광선(53)이 되며, 광선(53)은 다시 경면(10A)에 반사되어 광선(54)가 되며 광선(54)는 반사 경면(12A)에 반사되어 광선(55)가 된다. 광선(55)는 광 사출구(6)을 통하여 적외선 센서(미도시)에 도달한다. 종래 기술의 일 예에 따른 광학적 가스 센서는 유효 광 경로를 증대시킬 수는 있으나, 이러한 가스센서의 공동은 세 개의 반사면으로 구성되어 있어 그 구조가 복잡한 문제점이 있으며, 광 도입구(5)로부터 도입되는 광의 입사각에 미소한 변화가 있어도 광 사출구(6)의 정확한 위치에 큰 변화를 가져 오므로, 광 도입구(5)에 광을 도입하는 입사각을 정확히 얼라인 시켜야 하는 문제점이 있다.1 conceptually illustrates an example of an optical gas sensor according to the prior art. According to the prior art, three elliptical reflecting surfaces are arranged as shown in FIG. 1 to provide a relatively long light path within a limited sized optical cavity (chamber). After the light is introduced from the light inlet 5, the light beam 50 is reflected by the reflecting mirror surface 12A to become the light beam 51, and the light beam 51 is reflected by the reflecting mirror surface 10A to reflect the light beam 52. The light beam 52 is reflected by the reflective mirror surface 13A and becomes the light beam 53, and the light beam 53 is reflected by the mirror surface 10A again to be the light beam 54, and the light beam 54 is the reflective mirror surface ( Reflected by 12A), it becomes light ray 55. Light ray 55 reaches an infrared sensor (not shown) through the light exit opening 6. Optical gas sensor according to an example of the prior art can increase the effective optical path, but the cavity of the gas sensor is composed of three reflecting surface has a complicated structure, there is a problem from the light inlet (5) Even if there is a slight change in the incident angle of the light to be introduced, there is a big change in the exact position of the light exit port 6, there is a problem that the angle of incidence to introduce the light into the light introduction port 5 must be accurately aligned.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 광 경로의 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 그 구조가 간단한 광학적 가스 센서를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to solve the above problems of the prior art, an object of the present invention is to provide an optical gas sensor that can not only maximize the length of the optical path, but also its structure is simple.

본 발명의 다른 목적은 광 경로의 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 그 구조가 간단한 광학적 가스 센서를 위한 공동(챔버)을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a cavity (chamber) for an optical gas sensor that is not only able to maximize the length of the optical path but also has a simple structure.

본 발명의 다른 목적은 광 경로의 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 광 경로의 정확한 얼라인이 필요 없는 광학적 가스 센서를 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide an optical gas sensor capable of maximizing the length of the optical path as well as eliminating the need for accurate alignment of the optical path.

본 발명의 다른 목적은 광 경로의 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 광 경로의 정확한 얼라인이 필요 없는 광학적 가스 센서를 위한 공동(챔버)을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a cavity (chamber) for an optical gas sensor that not only maximizes the length of the optical path but also does not require precise alignment of the optical path.

본 발명은 특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 관한 것으로서, 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광원(11); 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 수광할 수 있는 수광소자(20); 상기 광원(11)에서 발생된 빛을 상기 수광소자(20)까지 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30); 상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고, 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 그 양 측 표면 중에서 적어도 일 측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사시키는 반투과성 표면으로 되어 있으며, 하나 또는 둘 이상으로 된 격벽(41,42,43);을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an optical gas sensor for measuring the concentration of a gas by using a property of absorbing light of a specific wavelength band, the light source 11 for generating light of a wavelength band including at least the specific wavelength band; A light receiving element 20 capable of receiving light in a wavelength band including at least the specific wavelength band; A frame 30 for guiding the light generated by the light source 11 to guide the light receiving element 20 and having an inner surface thereof as a mirror surface 31; The light generated by the light source 11 is positioned on the optical path until reaching the light receiving element 20, is received in the frame 30, and at least one surface of the two surfaces is incident. It is characterized in that it comprises a semi-transparent surface of which some of the light is transmitted and partially reflects, one or more partitions (41, 42, 43).

본 발명은 특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 사용되기 위한 광 공동에 관한 것으로서, 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광원(11)으로부터 상기 빛을 수광하는 수광소자(20)까지 빛이 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30); 상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고, 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 그 양 측 표면 중에서 적어도 일 측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사시키는 반투과성 표면으로 되어 있으며, 하나 또는 둘 이상으로 된 격벽(41,42,43);을 포함하는 것을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical cavity for use in an optical gas sensor for measuring a gas concentration using a property of absorbing light in a specific wavelength band, wherein the light source generates light in a wavelength band including at least the specific wavelength band. A frame 30 which guides the light from the 11 to the light receiving element 20 for receiving the light so as to guide the light, the inner surface of which is a mirror surface 31; The light generated by the light source 11 is positioned on the optical path until reaching the light receiving element 20, is received in the frame 30, and at least one surface of the two surfaces is incident. It is characterized in that it comprises a semi-transparent surface of which some of the light is transmitted and partially reflects, one or more partitions (41, 42, 43).

본 발명의 일 양상에 따르면, 광학적 가스 센서 또는 광 공동에 있어서 광 경로의 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 그 구조를 간단히 할 수 있게 된다.According to one aspect of the present invention, the optical gas sensor or the optical cavity can not only maximize the length of the optical path but also simplify the structure thereof.

본 발명의 일 양상에 따르면, 광학적 가스 센서 또는 광 공동에 있어서 광 경로의 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 광 경로의 정확한 얼라인이 필요 없게 된다.According to one aspect of the present invention, not only can the optical path length be maximized in the optical gas sensor or optical cavity, but also accurate alignment of the optical path is unnecessary.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학적 가스 센서의 구조를 개념적으로 도시한 단면도이다. 도 2는 개념적 이해를 위한 도면일 뿐이므로, 광학적 가스 센서를 이루는 각 구성 요소의 구체적 크기 비는 도 2의 도시 내용과 상이하여도 되며, 각 구성 요소의 상대적 위치도 정확히 도 2와 같이 구성될 필요는 없다.2 is a cross-sectional view conceptually illustrating a structure of an optical gas sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention. 2 is only for conceptual understanding, the specific size ratio of each component constituting the optical gas sensor may be different from that shown in FIG. 2, and the relative position of each component may be configured exactly as shown in FIG. 2. There is no need.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학적 가스 센서(1)는 빛을 공급하는 광원(11)과 빛을 수광하는 수광소자(20)을 구비한다. 광원(11)은 특정의 파장 대역을 포함하는 빛을 발생시킨다. 광원(11)이 방사하는 특정의 파장 대역은 측정 대상이 되는 가스와 관련되며, 측정 대상이 되는 가스의 파장별 흡수 계수를 참고하여 빛의 파장 대역이 결정될 수 있다. 측정 대상이 되는 가스는 예를 들면, CO2, CO, CH4, C3H8 가 될 수 있다. 광원(11)은 상기 특정의 파장 대역만을 가진 빛을 발생시킬 수도 있고 상기 특정의 파장 대역과 다른 대역을 모두 가진 빛을 발생시킬 수도 있다. 광원(11)은 예를 들면, LED(Light Emitting Diode) 및 LD(Laser Diode)와 같은 것과, 텅스텐, 글로버, 네른스트글로버, 원적외선용 고압수은등과 같은 것이다. 수광소자(20)는 수광부(21)을 포함하며, 수광부(21)를 통하여 상기 특정 파장 대역의 빛을 수광할 수 있는 소자이다. 수광소자(20)가 수광할 수 있는 빛의 파장 대역은 적어도 상기 특정의 파장 대역을 포함한다. 수광소자(20)로서는 예를 들면, PD(Photo Diode), 초전센서 또는 써모파일(thermopile)을 사용할 수 있다. 그리고 수광소자(20)와 인접하여 대역통과필터(23)를 구비할 수도 있다. 대역통과필터(23)는 상기 특정 파장 대역의 빛을 통과시키며 그 외 파장 대역의 빛은 차단한다. 광원(11) 자체가 특정 대역의 파장만을 발생시키는 것이라면, 대역통과필터(23)는 필수적인 아닐 수도 있으며, 도2에서는 대역통과필터(23)를 수광소자(20)에 인접하는 것으로 도시하였으나, 대역통과필터(23)를 광원(11)과 인접하여 배치시키는 것도 가능하다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학적 가스 센서(1)는 프레임(30)을 가지며, 프레임(30)은 광원(11)에서 발생된 빛을 수광소자(20)까지 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 프레임(30)의 내면은 경면(31)을 형성하고 있어서 빛을 반사하도록 한다. 빛이 반사할 때 빛의 손실과 난반사를 최소화하기 위하여, 경면(31)은 프레임(30)이 금속인 경우 금속을 표면 연마하여 경면 처리할 수도 있고, 프레임(30)의 재료와는 별도로 높은 반사도를 지닌 금, 니켈, 은, 구리 혹은 금/크롬의 이중층을 프레임(30)의 벽면에 코팅하여 형성할 수도 있다. 그리고 도 2의 프레임(30)을 지면 방향으로 절단하였을 때, 프레임(30)의 단면은 원형일 수도 있고 다각형 모양일 수도 있다. 그 단면의 모양은 중요하지 않다. 한편, 프레임(30)에는 측정 대상이 되는 가스가 프레임(30)으로 형성되는 공간의 내부에 들어올 수 있도록 흡배기구(미도시)가 별도로 형성되어 있음은 자명하다.The optical gas sensor 1 according to the first embodiment of the present invention includes a light source 11 for supplying light and a light receiving element 20 for receiving light. The light source 11 generates light including a specific wavelength band. The specific wavelength band emitted by the light source 11 is related to the gas to be measured, and the wavelength band of the light may be determined by referring to the absorption coefficient for each wavelength of the gas to be measured. The gas to be measured can be, for example, CO 2 , CO, CH 4 , C 3 H 8 . The light source 11 may generate light having only the specific wavelength band or may generate light having both a band different from the specific wavelength band. The light source 11 is, for example, such as a light emitting diode (LED) and a laser diode (LD), and a tungsten, glover, nernst-glover, or high-pressure mercury lamp for far infrared rays. The light receiving element 20 includes a light receiving unit 21, and is a device capable of receiving light of the specific wavelength band through the light receiving unit 21. The wavelength band of light that can be received by the light receiving element 20 includes at least the specific wavelength band. As the light receiving element 20, for example, a PD (photo diode), a pyroelectric sensor, or a thermopile can be used. The band pass filter 23 may be provided adjacent to the light receiving element 20. The bandpass filter 23 passes light of the specific wavelength band and blocks light of the other wavelength band. If the light source 11 itself generates only a wavelength of a specific band, the band pass filter 23 may not be necessary. In FIG. 2, the band pass filter 23 is illustrated as being adjacent to the light receiving element 20. It is also possible to arrange the pass filter 23 adjacent to the light source 11. The optical gas sensor 1 according to the first embodiment of the present invention has a frame 30, and the frame 30 guides the light generated by the light source 11 to guide the light receiving element 20. The inner surface of the frame 30 forms a mirror surface 31 to reflect light. In order to minimize the loss of light and diffuse reflection when light is reflected, the mirror surface 31 may be mirror-polished by surface polishing the metal when the frame 30 is a metal, and has a high reflectivity separately from the material of the frame 30. A double layer of gold, nickel, silver, copper, or gold / chromium may be formed by coating the wall surface of the frame 30. When the frame 30 of FIG. 2 is cut in the ground direction, the cross section of the frame 30 may be circular or polygonal. The shape of the cross section is not important. On the other hand, it is apparent that the intake and exhaust mechanism (not shown) is separately formed in the frame 30 so that the gas to be measured can enter the space formed by the frame 30.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학적 가스 센서(1)는 제 1 격벽(41) 및 제 2 격벽(42)을 지닌 점이 가장 큰 특징이다. 제 2 격벽(42)의 적어도 좌측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 반사하고 일부는 투과할 수 있도록 구성된다. 제 2 격벽(42)에 입사되는 광선(51) 중에서 일부는 투과하여 광선(52)이 되고 일부는 반사하여 광선(53)이 된다. 이하, 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사하는 표면을 '반투과성 표면'이라 정의하도록 한다. 그리고 제 1 격벽(41)에 입사하는 광선(53)이 제 1 격벽(41)의 우측 표면에서 전반사하도록 하거나 일부 빛은 반사하고 일부 빛은 투과하도록 제 1 격벽(41)의 우측 표면을 구성할 수 있다. 이러한 경우 광원(11)으로부터 제 1 격벽(41)을 투과한 빛은 제 1 격벽(41) 과 제 2 격벽(42)의 사이에서 왕복 주파하게 되며, 광원(11)에서 동일 시점에 출발한 같은 빛이라도 수광부(21)에는 다양한 시간차를 두고 도달할 수 있게 된다. 그렇다면, 광원(11)에서 출발하여 수광부(21)에 빛이 도달하기 까지 평균적 경로 길이는 광 원(11)에서 수광부(21)까지의 직선 길이에 비하여 현저히 증가하게 된다.The optical gas sensor 1 according to the first embodiment of the present invention is characterized by having a first partition 41 and a second partition 42. At least the left surface of the second partition 42 is configured to reflect some of the incident light and transmit some of it. Some of the light rays 51 incident on the second partition wall 42 are transmitted to be the light rays 52, and some are reflected to be the light rays 53. Hereinafter, a part of transmitted light and part of a reflected light will be defined as a semi-transmissive surface. In addition, the right surface of the first partition wall 41 may be configured to allow the light beam 53 incident on the first partition wall 41 to totally reflect at the right surface of the first partition wall 41 or to reflect some light and transmit some light. Can be. In this case, the light transmitted from the light source 11 to the first partition wall 41 is reciprocated between the first partition wall 41 and the second partition wall 42. Even light can reach the light receiving unit 21 at various times. If so, the average path length starting from the light source 11 and reaching the light receiving portion 21 is significantly increased compared to the straight line length from the light source 11 to the light receiving portion 21.

상기에서는 제 1 격벽(41)의 우측 표면 또는 제 2 격벽(42)의 좌측 표면이 반투과성인 경우를 설명하였으나, 예들 들어 제 1 격벽(41)의 좌측 표면이 반투과성 표면인 경우를 생각해 볼 수도 있다. 프레임(30)의 내부면은 경면(31)을 이루고 있으므로 광원(11)에서 출발한 빛은 제 1 격벽(41)의 좌측 표면과 프레임의 경면(31) 사이에서도 여러 회 빛이 왕복 주파를 할 수 있을 것이다.In the above, the case in which the right surface of the first partition wall 41 or the left surface of the second partition wall 42 is translucent has been described. For example, a case in which the left surface of the first partition wall 41 is a semipermeable surface may be considered. . Since the inner surface of the frame 30 forms a mirror surface 31, the light emitted from the light source 11 may reciprocate several times between the left surface of the first partition 41 and the mirror surface 31 of the frame. Could be.

제 1 격벽(41) 및 제 2 격벽(42)의 재료로는 예를 들면, 단결정 실리콘을 생각할 수 있다. 단결정 실리콘은 적외선 대역의 빛에 대하여 감쇠가 적은 것으로 알려져 있다. 따라서 일정 두께의 격벽을 빛이 통과하더라도 빛 에너지의 현저한 감쇠가 없으며, 단결정 실리콘을 폴리싱함으로써 반투과성 표면을 쉽게 형성할 수도 있다. 그러나 제 1 격벽(41) 및 제 2 격벽(42)의 재료로서 꼭 단결정 실리콘에 한정되는 것은 아니며, 일정한 두께를 빛이 통과하더라도 빛의 감쇠가 원하는 수준 이하이면서 그 일측 표면 또는 양측 표면에 반투과성 표면을 형성할 수 있는 재료이면 모두 가능하다. 반투과성 표면은 제 1 격벽(41) 및 제 2 격벽(42)을 구성하는 주된 재료와 동일한 재료로 형성할 수도 있고 별도의 막을 코팅함으로써 형성할 수도 있다.As a material of the 1st partition 41 and the 2nd partition 42, single crystal silicon can be considered, for example. Single crystal silicon is known to have low attenuation for light in the infrared band. Therefore, even if light passes through a barrier of a certain thickness, there is no significant attenuation of light energy, and the semi-permeable surface can be easily formed by polishing single crystal silicon. However, the material of the first and second partition walls 41 and 42 is not limited to monocrystalline silicon, and even though light passes through a certain thickness, the light is attenuated below a desired level and semi-permeable on one or both surfaces thereof. Any material capable of forming a metal is possible. The semi-permeable surface may be formed of the same material as the main material constituting the first partition 41 and the second partition 42 or by coating a separate film.

상기 제 1 실시예에서는 격벽이 제 1 격벽(41) 및 제 2 격벽(42)으로 해서, 2 개의 격벽이 있는 것으로 하였으나, 3개 이상의 격벽을 가질 수도 있음은 자명하다.In the first embodiment, it is assumed that the partitions include two partitions as the first partition 41 and the second partition 42, but it is obvious that the partitions may have three or more partitions.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학적 가스 센서의 구조를 개념적으 로 도시한 단면도이다. 도 3은 개념적 이해를 위한 도면일 뿐이므로, 광학적 가스 센서를 이루는 각 구성 요소의 구체적 크기 비는 도 3의 도시 내용과 상이하여도 되며, 각 구성 요소의 상대적 위치도 정확히 도 3과 같이 구성될 필요는 없다.3 is a cross-sectional view conceptually illustrating a structure of an optical gas sensor according to a second exemplary embodiment of the present invention. 3 is only for conceptual understanding, the specific size ratio of each component constituting the optical gas sensor may be different from that shown in FIG. 3, and the relative position of each component may be configured exactly as shown in FIG. 3. There is no need.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학적 가스 센서(2)에서는 제 1 실시예의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.In the optical gas sensor 2 according to the second embodiment of the present invention, the same reference numerals are used for the same components as those of the first embodiment.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학적 가스 센서(2)는 제 3 격벽(43)을 지닌 점이 가장 큰 특징이다. 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 센서(2)는 제 1 실시예에 따른 가스 센서(1)와 비교하여 격벽이 하나인 점이 서로 상이하다.The optical gas sensor 2 according to the second embodiment of the present invention is characterized by having the third partition 43. The gas sensor 2 according to the second embodiment of the present invention differs from the gas sensor 1 according to the first embodiment in that one partition wall is one.

제 3 격벽(43)의 좌측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 반사하고 일부는 투과할 수 있도록 구성된다. 제 3 격벽(43)에서 입사되는 광선(55) 중에서 일부는 투과하여 광선(56)이 되고 일부는 반사하여 광선(57)이 된다. 이하, 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사하는 표면을 '반투과성 표면'이라 정의하도록 한다. 그리고 프레임(30)의 내벽은 경면(31)을 형성하고 있으므로 입사되는 빛을 반사한다. 이러한 경우 광원(11)으로부터 발생된 빛은 제 3 격벽(43) 과 경면(31)의 사이에서 왕복 주파하게 되며, 광원(11)에서 동일 시점에 출발한 같은 빛이라도 수광부(21)에는 다양한 시간차를 두고 도달할 수 있게 된다. 그렇다면, 광원(11)에서 출발하여 수광부(21)에 빛이 도달하기 까지 평균적 경로 길이는 광원(11)에서 수광부(21)까지의 직선 길이에 비하여 현저히 증가하게 된다. 도 3에서는 제 3 격벽(43)이 프레임(30)의 길이 방향에 대하여 그 중간 정도에 있는 경우를 도시하고 있으나 꼭 제 3 격벽(43)이 프레임(30)의 중간 정도에 위치하고 있을 필요는 없으 며, 제 3 격벽(43)이 대역 통과 필터(23)에 치우쳐 있거나 대역 통과 필터(23)와 접하고 있어도 상기한 기능을 수행하는 데는 아무런 문제가 없다. The left surface of the third partition 43 is configured to reflect some of the incident light and transmit some thereof. Some of the light rays 55 incident from the third partition 43 are transmitted to be the light rays 56, and some of the light rays are reflected to become the light rays 57. Hereinafter, a part of transmitted light and part of a reflected light will be defined as a semi-transmissive surface. Since the inner wall of the frame 30 forms the mirror surface 31, it reflects the incident light. In this case, the light generated from the light source 11 is reciprocated between the third partition 43 and the mirror surface 31, and various time differences exist in the light receiving unit 21 even with the same light starting at the same time in the light source 11. Can be reached. If so, the average path length starting from the light source 11 and reaching the light receiving unit 21 is significantly increased compared to the straight line length from the light source 11 to the light receiving unit 21. 3 illustrates a case in which the third partition 43 is about halfway in the longitudinal direction of the frame 30, but the third partition 43 does not necessarily need to be positioned about halfway between the frames 30. Also, even if the third partition 43 is biased to the band pass filter 23 or is in contact with the band pass filter 23, there is no problem in performing the above function.

제 3 격벽(43)의 재료로는 예를 들면, 단결정 실리콘을 생각할 수 있다. 단결정 실리콘은 적외선 대역의 빛에 대하여 감쇠가 적은 것으로 알려져 있다. 따라서 일정 두께의 격벽을 빛이 통과하더라고 빛 에너지의 현저한 감쇠가 없다. 그리고 단결정 실리콘을 폴리싱함으로써 반투과성 표면을 쉽게 형성할 수도 있다. 그러나 제 3 격벽(43)의 재료로서 꼭 단결정 실리콘에 한정되는 것은 아니며, 일정한 두께를 빛이 통과하더라도 빛의 감쇠가 원하는 수준 이하이면서 그 일측면에 반투과성 표면을 형성할 수 있는 재료이면 모두 가능하다. 반투과성 표면은 제 3 격벽(43)을 구성하는 주된 재료와 동일한 재료로 형성할 수도 있고 별도의 막을 코팅함으로써 형성할 수도 있다.As the material of the third partition 43, for example, single crystal silicon can be considered. Single crystal silicon is known to have low attenuation for light in the infrared band. Therefore, there is no significant attenuation of light energy even though light passes through a partition wall of a certain thickness. In addition, the semi-permeable surface may be easily formed by polishing single crystal silicon. However, the material of the third partition wall 43 is not necessarily limited to single crystal silicon, and any material can form any semi-permeable surface on one side while light attenuation is less than a desired level even if light passes through a certain thickness. . The semipermeable surface may be formed of the same material as the main material constituting the third partition 43 or may be formed by coating a separate film.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 광학적 가스 센서의 구조를 개념적으로 도시한 단면도이다. 도 4는 개념적 이해를 위한 도면일 뿐이므로, 광학적 가스 센서를 이루는 각 구성 요소의 구체적 크기 비는 도 4의 도시 내용과 상이하여도 되며, 각 구성 요소의 상대적 위치도 정확히 도 4와 같이 구성될 필요는 없다.4 is a cross-sectional view conceptually illustrating a structure of an optical gas sensor according to a third exemplary embodiment of the present invention. 4 is only for conceptual understanding, the specific size ratio of each component constituting the optical gas sensor may be different from that shown in FIG. 4, and the relative position of each component may be exactly as shown in FIG. 4. There is no need.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학적 가스 센서(3)에서는 제 1 실시예의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.In the optical gas sensor 3 according to the third embodiment of the present invention, the same reference numerals are used for the same components as those of the first embodiment.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학적 가스 센서(3)는 대역 통과 필터(44)가 제 2 실시예에서 제 3 격벽(43)의 기능을 함께 하는 점이 가장 큰 특징이다.The optical gas sensor 3 according to the third embodiment of the present invention is characterized in that the bandpass filter 44 functions as the third partition 43 in the second embodiment.

대역 통과 필터(44)의 좌측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 반사하고 일 부는 투과할 수 있도록 구성된다. 대역 통과 필터(44)로 입사되는 광선(71) 중에서 일부는 투과하여 광선(72)이 되어 수광부(21)에 도달하고 일부는 반사하여 광선(73)이 된다. 이하, 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사하는 표면을 '반투과성 표면'이라 정의하도록 한다. 그리고 프레임(30)의 내벽은 경면(31)을 형성하고 있으므로 입사되는 빛을 반사한다. 이러한 경우 광원(11)으로부터 발생된 빛은 대역 통과 필터(44)와 경면(31)의 사이에서 왕복 주파하게 되며, 광원(11)에서 동일 시점에 출발한 같은 빛이라도 수광부(21)에는 다양한 시간차를 두고 도달할 수 있게 된다. 그렇다면, 광원(11)에서 출발하여 수광부(21)에 빛이 도달하기 까지 평균적 경로 길이는 광원(11)에서 수광부(21)까지의 직선 길이에 비하여 현저히 증가하게 된다. 도 4에서는 대역통과필터(44)가 수광부(21)와 접하고 있는 경우를 예시하고 있으나, 꼭 대역통과필터(44)가 수광부(21)와 접하고 있을 필요는 없으며, 광원(11)과 수광부(21) 사이에 있는 임의의 위치에 있더라도 상기한 기능을 수행하는 데는 아무런 문제가 없다. The left surface of the band pass filter 44 is configured to reflect some of the incident light and transmit some thereof. Some of the light rays 71 incident on the band pass filter 44 are transmitted to become the light rays 72 to reach the light receiving portion 21, and some of them are reflected to become the light rays 73. Hereinafter, a part of transmitted light and part of a reflected light will be defined as a semi-transmissive surface. Since the inner wall of the frame 30 forms the mirror surface 31, it reflects the incident light. In this case, the light generated from the light source 11 is reciprocated between the band pass filter 44 and the mirror surface 31, and even if the same light started at the same time in the light source 11, the light receiving portion 21 has various time differences. Can be reached. If so, the average path length starting from the light source 11 and reaching the light receiving unit 21 is significantly increased compared to the straight line length from the light source 11 to the light receiving unit 21. In FIG. 4, the band pass filter 44 is in contact with the light receiver 21, but the band pass filter 44 does not necessarily need to be in contact with the light receiver 21, and the light source 11 and the light receiver 21 are not necessarily in contact with the light receiver 21. There is no problem in performing the above function even if it is in any position between).

도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학적 가스 센서에 대하여 셀 길이별 센서의 출력값 변화를 측정한 결과를 도시한 것이다. 셀 길이란 빛이 진행하는 방향에서의 프레임(30)의 길이를 의미한다. 도 5의 도표에서 가로 축은 CO2 가스의 농도를 나타내며, 각각 350 ppm 및 2000 ppm으로 달리 하였다. 도 5의 도표에서 세로 축은 센서의 출력 값을 나타내며 그 상대적인 크기를 임의로 표시하였다. 도 5의 도표에서 CO2 가스 농도의 변화에 대하여 그 센서의 출력 값 변화가 급격할수록 성 능이 좋은 가스 센서라고 할 수 있을 것이다. 그런데, 도 5의 도표를 살펴보면, 셀 길이가 2cm인 것에 비하여 8cm인 것이 센서의 출력값 변화가 더 커서 보다 성능이 좋은 가스 센서라고 할 수 있으나, 그 기울기의 차이는 별로 크지 않고 셀 길이가 짧은 2cm의 경우에도 좋은 특성을 보이고 있는 점을 알 수 있다. 본 발명에 따르면, 반투과성 표면을 가진 격벽을 사용함으로써 센서의 출력값 변화가 큰, 즉 감도 특성이 좋은 광학적 가스 센서를 얻을 수 있다고 할 것이다.5 illustrates a result of measuring a change in output value of a sensor for each cell length with respect to an optical gas sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention. The cell length means the length of the frame 30 in the direction in which light travels. In the diagram of FIG. 5, the horizontal axis represents the concentration of CO 2 gas, which was varied to 350 ppm and 2000 ppm, respectively. In the diagram of Fig. 5, the vertical axis represents the output value of the sensor and the relative magnitude thereof is arbitrarily indicated. In the diagram of FIG. 5, the faster the change in the output value of the sensor with respect to the change in the CO 2 gas concentration, the better the gas sensor. By the way, looking at the diagram of Figure 5, the cell length is 8cm compared to the 2cm cell output value of the sensor is larger than the 2cm, the performance is better than the gas sensor, but the difference in the slope is not very large, the cell length is short 2cm It can be seen that even in the case of a good characteristic. According to the present invention, an optical gas sensor having a large change in the output value of the sensor, that is, having good sensitivity characteristics can be obtained by using a partition having a semi-permeable surface.

도 1은 종래 기술에 따른 광학적 가스 센서의 일 예를 개념적으로 도시한 도면이다.1 is a view conceptually illustrating an example of an optical gas sensor according to the prior art.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광학적 가스 센서의 구조를 개념적으로 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view conceptually illustrating a structure of an optical gas sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 광학적 가스 센서의 구조를 개념적으로 도시한 단면도이다.3 is a cross-sectional view conceptually illustrating a structure of an optical gas sensor according to a second exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 광학적 가스 센서의 구조를 개념적으로 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view conceptually illustrating a structure of an optical gas sensor according to a third exemplary embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학적 가스 센서에 대하여 셀 길이별 센서의 출력값 변화를 측정한 결과를 도시한 것이다.5 illustrates a result of measuring a change in output value of a sensor for each cell length with respect to an optical gas sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention.

Claims (10)

특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 있어서,In the optical gas sensor for measuring the concentration of the gas using a property of absorbing light of a specific wavelength band, 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광원(11);A light source 11 generating light of a wavelength band including at least the specific wavelength band; 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 수광할 수 있는 수광소자(20);A light receiving element 20 capable of receiving light in a wavelength band including at least the specific wavelength band; 상기 광원(11)에서 발생된 빛을 상기 수광소자(20)까지 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30);A frame 30 for guiding the light generated by the light source 11 to guide the light receiving element 20 and having an inner surface thereof as a mirror surface 31; 상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고, 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 그 양 측 표면 중에서 적어도 일 측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사시키는 반투과성 표면으로 되어 있으며, 하나 또는 둘 이상으로 된 격벽(41,42,43);The light generated by the light source 11 is positioned on the optical path until reaching the light receiving element 20, is received in the frame 30, and at least one surface of the two surfaces is incident. One or more partition walls (41, 42, 43) having a semi-transmissive surface that transmits some and reflects some of the light; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 가스 센서.Optical gas sensor comprising a. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 필터링하는 대역통과필터(23)를 상기 광 경로 상에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 가스 센서.And a band pass filter (23) on the optical path for selectively filtering the light of the specific wavelength band. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 격벽(41,42,43)은 단결정 실리콘으로 된 것을 특징으로 하는 광학적 가스 센서.And the partition walls (41, 42, 43) are made of single crystal silicon. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 격벽은 하나로 되어 있으며, 상기 격벽의 양 측 표면 중에서 적어도 광원(11)에 가까운 쪽의 표면이 반투과성 표면인 것을 특징으로 하는 광학적 가스 센서.The partition wall is one, and at least the surface of the side surface of the partition wall close to the light source (11) is a semi-transmissive surface, characterized in that. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 격벽은 둘 이상으로 되어 있으며, 상기 둘 이상의 격벽(41,42) 중에서 상기 수광소자(20)에 가장 가까운 격벽의 양 측 표면 중에서 광원(11)에 가까운 쪽의 표면이 반투과성 표면인 것을 특징으로 하는 광학적 가스 센서.The barrier rib is formed in two or more, and the surface of the two or more barrier ribs 41 and 42 close to the light source 11 from both side surfaces of the barrier rib closest to the light receiving element 20 is a semi-transparent surface. Optical gas sensor. 특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 사용되기 위한 광 공동에 있어서,In an optical cavity for use in an optical gas sensor that measures the concentration of a gas using a property of absorbing light in a specific wavelength band, 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광원(11)으로부터 상기 빛을 수광하는 수광소자(20)까지 빛이 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30);And guides the light to guide the light from the light source 11 for generating light in the wavelength band including at least the specific wavelength band to the light receiving element 20 for receiving the light. A frame 30 of 31; 상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경 로상에 위치하고, 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 그 양 측 표면 중에서 적어도 일 측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사시키는 반투과성 표면으로 되어 있으며, 하나 또는 둘 이상으로 된 격벽(41,42,43);The light generated by the light source 11 is positioned on the optical path until reaching the light receiving element 20, is received in the frame 30, and at least one surface of the two surfaces is incident. One or more partition walls (41, 42, 43) having a semi-transmissive surface that transmits some and reflects some of the light; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 공동.Optical cavity comprising a. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 격벽(41,42,43)은 단결정 실리콘으로 된 것을 특징으로 하는 광 공동.And the partition walls (41, 42, 43) are made of single crystal silicon. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 격벽은 하나로 되어 있으며, 상기 격벽의 양 측 표면 중에서 적어도 광원(11)에 가까운 쪽의 표면이 반투과성 표면인 것을 특징으로 하는 광 공동.The barrier ribs are one, and at least one of the surfaces on both sides of the barrier ribs close to the light source is a semi-transmissive surface. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 격벽은 둘 이상으로 되어 있으며, 상기 둘 이상의 격벽(41,42) 중에서 상기 수광소자(20)에 가장 가까운 격벽의 양 측 표면 중에서 광원(11)에 가까운 쪽의 표면이 반투과성 표면인 것을 특징으로 하는 광 공동.The barrier rib is formed in two or more, and the surface of the two or more barrier ribs 41 and 42 close to the light source 11 from both side surfaces of the barrier rib closest to the light receiving element 20 is a semi-transparent surface. Optical co. 특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 있어서,In the optical gas sensor for measuring the concentration of the gas using a property of absorbing light of a specific wavelength band, 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광 원(11);A light source 11 for generating light in a wavelength band including at least the specific wavelength band; 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 수광할 수 있는 수광소자(20);A light receiving element 20 capable of receiving light in a wavelength band including at least the specific wavelength band; 상기 광원(11)에서 발생된 빛을 상기 수광소자(20)까지 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30);A frame 30 for guiding the light generated by the light source 11 to guide the light receiving element 20 and having an inner surface thereof as a mirror surface 31; 상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고, 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 상기 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 필터링하는 대역통과필터(23);를 포함하며,The band generated from the light source 11 is located on the optical path to reach the light receiving element 20, is received in the frame 30, and selectively filters the light of the specific wavelength band It includes; pass filter 23, 상기 대역 통과필터(23)의 양 측 표면 중에서 상기 광원(11)에 가까운 측의 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사시키는 반투과성 표면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 광학적 가스 센서.The surface of the side of the band pass filter (23) close to the light source (11) is a semi-transmissive surface which transmits part of the incident light and reflects part of the optical gas sensor.
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