低能耗紅外瓦斯傳感器的製作方法
2024-03-21 19:19:05
專利名稱：低能耗紅外瓦斯傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於礦井安全的防爆氣體探測設備範圍，特別涉及一種低
能耗紅外瓦斯傳感器，具體說該傳感器的整個傳感頭功耗小於90mw。
背景技術：
利用待測氣體對紅外光譜的吸收特性，來檢測目標氣體濃度的技 術近年來有很大的發展。紅外氣體檢測技術通常應用在需要實時、高 精度監控目標氣體濃度的場合。如上述煤礦井下各點瓦斯濃度的監 測，石化行業的煉油廠，輸油管道的監控，天然氣生產與輸送管道等 需要監控洩漏的場合。但隨著技術的發展，成本的降低以及人們對日 常生活環境質量要求的提高，會逐漸進入家庭監測房間有害氣體的存 在及其濃度，還有交通工具上空氣環境質量的監測等。
當前中國國內的煤礦採用的絕大多數的探頭是催化燃燒式的。
其缺點是因中毒現象造成誤報或是失效，其可靠性差，標定時間周期 短，標定成本高，工作中需在有氧環境下工作，不能檢測100%LELCS 低爆炸極限)濃度。
世界先進國家多採用紅外檢測類的報警器，但所採用的某些技 術對中國的國情不適合，有的產品體積大，如general monitor's的報 警器，有些產品光能利用率不高，響應時間偏長等如City的CH4紅 外傳感器。這些產品中幾乎無一例外的是高成本，導致報警器價格昂 貴，難以普及。紅外氣體傳感器至少包括一個紅外輻射源、 一個採樣吸收氣室和 一個探測器。通過探測器的帶通濾光片選擇兩個不同波長的光可以 構成差分探測，目標氣體對一個波長的光吸收較大，光信號隨目標氣 體濃度
增加而減小，目標氣體對另一個波長的光基本沒吸收，可用作監視紅 外光強度變化的參考信號。對於這類氣體傳感器，其關鍵是提高靈敏 度，提高探測精確度，從而具有探測更低濃度的能力。同時對傳感器 的便攜化，微功耗，微體積及低成本也提出更高的要求。
對於提高檢測靈敏度，可以增加光源與探測器間的物理距離，也 就是增加有效吸收光程，可以提高氣室的採樣精度提高靈敏度。但增 加物理空間尺寸會帶來體積增大、需要的光能量加大的弊端。其次是
利用多個探測器提高靈敏度，例如，US,7， 132， 657 B2，通過多個 探測器累加信號提高靈敏度，但各探測器的差異會對靈敏度的提高有 影響，最主要的關鍵是增加了成本與體積。第三是利用反射使光在吸 收室內多次通過氣體，增加有效光學吸收長度。例如，在US，6， 469， 303 Bl中，將吸收氣室設計成非聚焦系統，利用光學積分球概念， 使吸收腔內光密度趨於一致，光強均勻，信號穩定性好，不受光路偏 移的影響，溫度工作範圍寬，生產工藝簡單。但其缺點為光能利用率 低，光信號中信噪比低。或設計成聚焦類光學吸收腔，通常以光源為 物通過光學系統成像於接收器上，但此類吸收腔有效光程不易做長， 由於選擇了成像， 一是光學調整複雜，二是對光路偏移影響較大，隨 工作環境的變化，其穩定性有所犧牲，但光能利用率很高。本發明兼顧上述兩類吸收腔的優點，選用兩片球面鏡，採用特殊 的光路設計，使光源與接收器在光路摺疊後符合成像關係，此舉提高 了光信號的信噪比。光能利用率也有提高，成像在接收器上的光是彌 散像，使接收器上的光分布均勻，減小了光路偏移對系統穩定性的影 響。對光路調整與生產工藝沒有特殊要求。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的吸收腔探測靈敏度和光能利用 率低的不足而提供一種低能耗紅外瓦斯傳感器，所述紅外瓦斯傳感器 主要由吸收腔、光源和紅外探測器組成，其特徵在於，所述吸收腔由 大小兩個球面反射鏡組成，將大球面反射鏡固定在小球面反射鏡上方 的支架上，光源放置在兩個球面反射鏡之間的小球面反射鏡的凹面中 心，此時光源下半部發出的光束出射到小球面反射鏡的凹反射面，該 反射面將光束反射到大球面反射鏡的凹反射面，大球面反射鏡將光束 會聚反射進入探測器，光源上半部發出的光束出射到大球面反射鏡的 凹反射面，大球面反射鏡將光束會聚反射進入探測器，這些經過一次
或兩次反射的光束經大球面反射鏡的凹反射面反射進入紅外探測器； 使光源與探測器在光路上在光路上經一次或兩次反射後符合成像關 系，探測器放置在與光源共軛的位置上，使成像在探測器上的光束分 布均勻，從而使整個光源有用孔徑角大於180度，充分利用光的能量。
所述探測器的位置設置在光路上的離焦位置，使光源像的明暗 分布不至影響光束在紅外探測器上的均勻性。
所述上下兩個球面反射鏡凹面相對，並選擇為高反射率的反射鏡。
本發明的有意效果是為解決吸收腔內光能利用率低而設計了一 種新的獨特的吸收腔，使光源與探測器在光路上經一次或兩次反射後 符合成像關係，成像在探測器上的光是彌散像，使探測器上的光分布 均勻，此舉提高了光信號的信噪比。光能充分利用，有效的降低光源 能耗，在能耗降低後對探測器輸出的信號基本沒有影響；減小了光路 偏移對系統穩定性的影響。對光路調整與生產工藝沒有特殊要求。
圖1為傳感器結構示意圖。 圖2為傳感頭外殼示意圖。 圖3為吸收腔光路原理圖。
具體實施例方式
本發明提供一種低能耗紅外瓦斯傳感器。下面結合附圖對本發明 予以說明。圖l、圖2所示的傳感器結構示意圖中，所述紅外瓦斯傳 感器主要由吸收腔、光源和紅外探測器組成，由大小兩個球面反射鏡 組成吸收腔10，將大球面反射鏡4固定在小球面反射鏡2上方的支 架7上，光源1放置在兩個球面反射鏡之間的小球面反射鏡2的凹面 中心，上下兩個球面反射鏡凹面相對，小球面反射鏡2、光源l和探 測器3同固定在支座8上，調節光源1相對於小球面反射鏡2凹面的 安裝位置，或大球面反射鏡4背面支座8上設置的調整螺釘6，調節 大球面反射鏡4的角度，使小球面反射鏡2凹面反射的光束再通過大 球面反射鏡4反射在探測器3的表面，使光源1與探測器3在光路上經一次或兩次反射後符合成像關係，。上述探測器3放置在與光源1
共軛的位置上，為使光源像的明暗分布不至影響光束在紅外探測器3 上的均勻性，或將紅外探測器3的位置設置在光路上的離焦位置。成 像在探測器3上的光是彌散像，使探測器3上的光分布均勻，此舉提 高了光信號的信噪比。支架7的底端與支座8固定，將上述各部件組 成傳感器模塊，殼體5套在內支架7上並固定。殼體5中部吸收氣室 的周圍排列有氣孔9，使吸收腔內外的氣體能實時交換。大球面反射 鏡4反射光源1上半部分能量，小球面反射鏡2反射光源1下半部分 能量，所述大小兩個球面反射鏡凹面的弦長，以弦長端面反射的光束 在光路上經一次或兩次反射後符合成像關係而能進入紅外探測器來 決定。使整個光源有用孔徑角大於180度，充分利用光源發出的能量
(如圖3所示)使傳感器的功耗小於90mw。 所述紅外傳感器的結構還可以採用單光源，雙探測器結構、採用雙光 源，雙探測器結構或雙光源、單探測器結構。在一個探測器的前面放 置一個目標氣體對應波長的帶通濾波片，在另一個探測器的前面放置 一個對應參考波長的帶通濾波片。所述紅外氣體傳感器帶通濾波片可 以放在探測器的前面，也可以放在光源的前面。
權利要求
1.一種低能耗紅外瓦斯傳感器，其特徵在於，所述紅外瓦斯傳感器主要由吸收腔、光源和紅外探測器組成，由大小兩個球面反射鏡組成吸收腔，將大球面反射鏡固定在小球面反射鏡上方的支架上，光源放置在兩個球面反射鏡之間的小球面反射鏡的凹面中心，此時光源下半部發出的光束出射到小球面反射鏡的凹反射面，該反射面將光束反射到大球面反射鏡的凹反射面，大球面反射鏡將光束會聚反射進入探測器，光源上半部發出的光束出射到大球面反射鏡的凹反射面，大球面反射鏡將光束會聚反射進入探測器，使光源與探測器在光路上經一次或兩次反射後符合成像關係，使成像在探測器上的光束分布均勻，整個光源有用孔徑角大於180度，充分利用光的能量。
2. 根據權利要求1所述低能耗紅外瓦斯傳感器，其特徵在於，所 述探測器放置在與光源共軛的位置上。
3. 根據權利要求1所述低能耗紅外瓦斯傳感器，其特徵在於，所 述將紅外探測器的位置設置在光路上的離焦位置，使光源像的明暗分 布不至影響光束在紅外探測器上的均勻性。
4. 根據權利要求1所述低能耗紅外瓦斯傳感器，其特徵在於，所 述上下兩個球面反射鏡凹面相對，並選擇為高反射率的反射鏡。
5. 根據權利要求1所述低能耗紅外瓦斯傳感器，其特徵在於，所 述紅外瓦斯傳感器採用單光源，雙探測器結構，在一個探測器的前面 放置一個目標氣體對應波長的帶通濾波片，在另一個探測器的前面放 置一個對應參考波長的帶通濾波片。
6.根據權利要求1所述高靈敏度快速響應紅外瓦斯傳感器，其 特徵在於，所述紅外瓦斯傳感器採用雙光源，雙探測器結構，或單探 測器結構，帶通濾波片可以放在探測器的前面，也可以放在光源的 前面。
全文摘要
本發明屬於礦井安全的防爆氣體探測設備範圍的一種低能耗紅外瓦斯傳感器。紅外瓦斯傳感器主要由吸收腔、光源和紅外探測器組成，由大小兩個球面反射鏡組成吸收腔，將大球面反射鏡固定在小球面反射鏡上方的支架上，光源放置在兩個球面反射鏡之間的小球面反射鏡的凹面中心，小球面反射鏡、光源和探測器固定在支座上，將上述各部件組成傳感器模塊。本發明使光源與探測器在光路摺疊後符合成像關係，成像在探測器上的光是彌散像，使探測器上的光分布均勻，此舉提高了光信號的信噪比。光能充分利用，有效的降低光源能耗，使傳感器的功耗小於90mw。
文檔編號G01N21/31GK101592603SQ20081011338
公開日2009年12月2日 申請日期2008年5月29日 優先權日2008年5月29日
發明者陳明徹 申請人:北京市加華博來科技有限公司