一種ndir氣體傳感器的製造方法
2023-10-10 06:30:59 2
一種ndir氣體傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明提供一種NDIR氣體傳感器，包括：紅外光源、圓柱形光學腔、紅外探測器和電路部件，其中，所述圓柱形光學腔用於容納待檢測氣體，所述圓柱形光學腔的上端面和/或下端面設置有通氣口，所述通氣口用於待檢測氣體進出所述圓柱形光學腔，所述圓柱形光學腔內設置有：所述紅外光源、反射鏡和所述紅外探測器，其中，所述反射鏡用於接收並反射所述紅外光源發出的紅外光，所述紅外探測器用於探測在所述圓柱形光學腔內由所述反射鏡反射的紅外光；所述電路部件與所述紅外探測器連接，用於根據所述紅外探測器探測的紅外光獲得所述待檢測氣體的濃度，以實現體積減小，成本降低，並實現光程增加，從而提高傳感器性能。
【專利說明】一種NDIR氣體傳感器
【技術領域】
[0001]本發明實施例涉及氣體檢測技術，尤其涉及一種NDIR氣體傳感器。
【背景技術】
[0002]隨著人類社會的進步和科學技術的發展，人類生活環境中的二氧化碳(CO2)等氣體含量發生了很大變化，並對人們的健康有一定威脅；同時，工業生產中，對甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)等氣體的濃度進行檢測控制有了更高的要求，因此，用於檢測氣體濃度的氣體傳感器應運而生。
[0003]目前用於氣體濃度檢測的氣體傳感器主要有電化學式、半導體式、固體電解質式、光學式、高分子式等幾大類。其中，光學式中的非分光紅外(Non-dispersive infra-red,NDIR)氣體傳感器綜合性能較好，隨著紅外光源及電子技術的發展，NDIR氣體傳感器作為一種快速準確的氣體檢測儀器在實際應用中十分普遍。其檢測原理為:具有非對稱雙原子或多原子分子結構的氣體(如CH4、C0、C02、S02等)在中紅外波段均有特徵吸收光譜，該氣體的特徵吸收光譜強度與氣體的濃度有關，利用這一原理即可檢測氣體濃度，可以用下述朗伯-比爾定律描述:
[0004]I = 10.exp (- α.c.L)
[0005]其中，Itl為紅外光源輻射的光強，即參考光強，I為紅外光源輻射的紅外光通過待檢測氣體吸收後的光強，c為待檢測氣體的濃度，L為紅外光通過待檢測氣體的光程，α為待檢測氣體對紅外光的吸收率。
[0006]現有的NDIR氣體傳感器一般包括一個由紅外光源、光學腔和紅外探測器組成的氣室，還包括電路部件，紅外光源輻射出紅外光，經過氣室中待檢測氣體的吸收，到達紅外探測器的紅外光的光強會減小，通過紅外探測器探測其光強減小程度，由朗伯-比爾定律即可獲得待檢測氣體的濃度。
[0007]由上述檢測原理可知，為了獲得高性能的NDIR氣體傳感器，需要增加氣室內的光程，從而增加紅外光在氣室內的紅外光的吸收量。但是，現有的NDIR氣體傳感器的光學腔一般採用直腔，通過增加直腔的整體尺寸實現光程的增加導致體積增大、製造成本增加。
【發明內容】
[0008]本發明提供一種NDIR氣體傳感器，以實現體積減小，成本降低，並實現光程增加，從而提高傳感器性能。
[0009]本發明提供一種NDIR氣體傳感器，包括:紅外光源、圓柱形光學腔、紅外探測器和電路部件，其中，所述圓柱形光學腔用於容納待檢測氣體，所述圓柱形光學腔的上端面和/或下端面設置有通氣口，所述通氣口用於待檢測氣體進出所述圓柱形光學腔，所述圓柱形光學腔內設置有:所述紅外光源、反射鏡和所述紅外探測器，其中，所述反射鏡用於接收並反射所述紅外光源發出的紅外光，所述紅外探測器用於探測在所述圓柱形光學腔內由所述反射鏡反射的紅外光；所述電路部件與所述紅外探測器連接，用於根據所述紅外探測器探測的紅外光獲得所述待檢測氣體的濃度。
[0010]其中，所述紅外探測器用於探測在所述圓柱形光學腔內由所述反射鏡直接反射進入所述紅外探測器的紅外光；或
[0011]所述紅外探測器用於探測在所述圓柱形光學腔內由所述反射鏡反射，並接著由所述圓柱側壁至少反射一次進入所述紅外探測器的紅外光。
[0012]其中，所述反射鏡為具有第一焦點的拋物面反射鏡，其中，當所述紅外探測器用於探測在所述圓柱形光學腔內由所述拋物面反射鏡直接反射進入所述紅外探測器的紅外光時，所述第一焦點位於所述拋物面反射鏡中心與所述紅外探測器中心連線的中點；或
[0013]當所述紅外探測器用於探測在所述圓柱形光學腔內由所述拋物面反射鏡反射，並接著由所述圓柱側壁至少反射一次進入所述紅外探測器的紅外光時，所述第一焦點位於所述拋物面反射鏡中心與所述圓柱側壁上第一位置連線的中點，其中所述第一位置為由所述拋物面反射鏡反射的紅外光第一次入射到所述圓柱側壁的位置。
[0014]其中，所述圓柱形光學腔的圓柱側壁上鍍有對所述紅外光源發出的紅外光反射的反射膜。
[0015]其中，所述紅外光源發出的紅外光的直徑範圍為l_3mm，發散角範圍為28-32°。
[0016]其中，所述紅外探測器為雙通道紅外探測器。
[0017]其中，所述通氣口為氣孔。
[0018]其中，所述氣孔數量為多個。
[0019]其中，所述氣孔呈周向均勻分布。
[0020]其中，還包括拋物面聚焦鏡，用於聚焦在所述圓柱形光學腔內由所述反射鏡反射的紅外光，使所述紅外光聚焦後進入所述紅外探測器。
[0021]本發明提供一種NDIR氣體傳感器，通過採用圓柱形光學腔，並通過在該圓柱形光學腔內設置反射鏡對紅外光進行反射，避免了現有技術中通過增加光學腔的尺寸實現光程的增加，以及由此帶來的體積增大、製造成本增加的問題，本發明使得氣體傳感器體積減小、成本降低，並實現光程增加，從而提高傳感器性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本發明，下面將對本發明中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1為本發明實施例提供的一種NDIR氣體傳感器的結構示意圖；
[0024]圖2為本發明實施例提供的一種NDIR氣體傳感器中的氣孔的不意圖；
[0025]圖3為本發明實施例提供的拋物面反射鏡的示意圖；
[0026]圖4為本發明實施例提供的一種圓柱形光學腔內的光路仿真圖。
【具體實施方式】
[0027]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施例中的技術方案作進一步詳細描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅用於解釋本發明，而非對本發明的限定，基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。另外還需要說明的是，為了便於描述，附圖中僅示出了與本發明相關的部分而非全部內容。
[0028]請參閱圖1、圖2，圖1為本發明實施例提供的一種NDIR氣體傳感器的結構示意圖，圖2為本發明實施例提供的一種NDIR氣體傳感器中的氣孔的示意圖。如圖1和圖2所示，所述氣體傳感器包括:紅外光源11、圓柱形光學腔14、紅外探測器13和電路部件(圖未示)。
[0029]其中，所述圓柱形光學腔14用於容納待檢測氣體，例如C02、C0或CH4，所述圓柱形光學腔14的上端面和/或下端面設置有通氣口，所述通氣口用於待檢測氣體進出所述圓柱形光學腔14，所述圓柱形光學腔14內設置有:所述紅外光源11、反射鏡12和所述紅外探測器13，其中，所述反射鏡12用於接收並反射所述紅外光源11發出的紅外光，所述紅外探測器13用於探測在所述圓柱形光學腔14內由所述反射鏡12反射的紅外光；所述電路部件與所述紅外探測器13連接，用於根據所述紅外探測器13探測的紅外光獲得所述待檢測氣體的濃度，具體地，即根據所述紅外探測器13探測的紅外光，並根據朗伯-比爾定律，獲得所述待檢測氣體的濃度。
[0030]其中，所述紅外探測器13可以為雙通道紅外探測器。
[0031]所述雙通道紅外探測器包括第一通道和第二通道，其中所述第一通道內設置有第一濾波片，第二通道內設置有第二濾波片，所述第一濾波片用於透射所述待檢測氣體對應的特徵吸收波長的紅外光，還用於透射所述特徵吸收波長附近的紅外光，從而第一通道探測的紅外光的光強為參考光強；所述第二濾波片用於吸收所述待檢測氣體對應的特徵吸收波長的紅外光，還用於透射所述特徵吸收波長附近的紅外光，從而第二通道探測的紅外光的光強為紅外光源輻射的紅外光通過待檢測氣體吸收後的光強，根據朗伯-比爾定律，獲得所述待檢測氣體的濃度。
[0032]例如，紅外光源發出的紅外光的波長範圍為3.9-4.26um,待檢測氣體為CO2,該氣體對應的特徵吸收波長為4.26um,則所述第一濾波片透射波長為3.9-4.26um的紅外光；所述第二濾波片吸收波長為4.26um的紅外光，透射所述特徵吸收波長附近的紅外光，例如波長為3.9um的紅外光。
[0033]進一步具體地，所述紅外探測器13用於探測在所述圓柱形光學腔14內由所述反射鏡12直接反射進入所述紅外探測器13的紅外光；或
[0034]所述紅外探測器13用於探測在所述圓柱形光學腔14內由所述反射鏡12反射，並接著由所述圓柱側壁至少反射一次進入所述紅外探測器13的紅外光。
[0035]也就是說，當所述紅外探測器13用於探測在所述圓柱形光學腔14內由所述反射鏡12直接反射進入所述紅外探測器13的紅外光時，通過所述反射鏡12的反射，實現所述紅外光源11發出的紅外光在所述圓柱形光學腔14內的光程的增加。
[0036]當所述紅外探測器13用於探測在所述圓柱形光學腔14內由所述反射鏡12反射，並接著由所述圓柱側壁至少反射一次進入所述紅外探測器13的紅外光時，通過所述反射鏡12的反射以及通過所述圓柱側壁的至少一次的反射，實現所述紅外光源11發出的紅外光在所述圓柱形光學腔14內的光程的增加。
[0037]優選地，所述圓柱形光學腔14的圓柱側壁上鍍有對所述紅外光源11發出的紅外光反射的反射膜，所述反射膜可以為光學膜或金屬膜。
[0038]本實施例提供一種NDIR氣體傳感器，通過採用圓柱形光學腔，並通過在該圓柱形光學腔內設置反射鏡對紅外光進行反射，避免了現有技術中通過增加光學腔的尺寸實現光程的增加，以及由此帶來的體積增大、製造成本增加的問題，本實施例使得氣體傳感器體積減小、成本降低，並實現光程增加，從而提高傳感器性能。
[0039]請參閱圖2，進一步可選地，所述通氣口為氣孔15。具體地，所述氣孔15可以如圖2所示。
[0040]優選地，所述氣孔15數量可以為多個。
[0041]進一步可選地，所述氣孔15可以呈周向均勻分布。
[0042]對於給定的圓柱形光學腔，通過增加所述氣孔的數量，以增加用於待檢測氣體進出所述圓柱形光學腔的通氣口的空間，以加快待檢測氣體進出所述圓柱形光學腔，從而提高檢測速度。
[0043]優選地，所述氣體傳感器還包括:拋物面聚焦鏡16，用於聚焦在所述圓柱形光學腔14內由所述反射鏡12反射的紅外光，使所述紅外光聚焦後進入所述紅外探測器13。
[0044]請參閱圖3、圖4，作為上述實施例的一種優選的實施方式，進一步優選地，所述反射鏡12為具有第一焦點的拋物面反射鏡121。
[0045]其中，當所述紅外探測器13用於探測在所述圓柱形光學腔14內由所述拋物面反射鏡121直接反射進入所述紅外探測器13的紅外光時，所述第一焦點位於所述拋物面反射鏡121中心與所述紅外探測器13中心連線的中點；或
[0046]當所述紅外探測器13用於探測在所述圓柱形光學腔14內由所述拋物面反射鏡121反射，並接著由所述圓柱側壁至少反射一次進入所述紅外探測器13的紅外光時，所述第一焦點位於所述拋物面反射鏡121中心與所述圓柱側壁上第一位置連線的中點，其中所述第一位置為由所述拋物面反射鏡121反射的紅外光第一次入射到所述圓柱側壁的位置。
[0047]優選地，所述圓柱形光學腔14的圓柱側壁上鍍有對所述紅外光源11發出的紅外光反射的反射膜，所述反射膜可以為光學膜或金屬膜。
[0048]其中，所述紅外光源11發出的紅外光的直徑範圍為l_3mm，發散角範圍為28-32。。
[0049]本實施方式通過採用圓柱形光學腔，並通過在該圓柱形光學腔內設置拋物面反射鏡對紅外光進行反射，以實現體積減小、成本降低，並實現光程增加；並通過選取合適焦點的拋物面反射鏡，以實現紅外光源發出的紅外光在圓柱形光學腔內反射過程中的發散角不再增大，從而使紅外探測器探測到更多的紅外光，使光學損失減少、光學效率提高。
[0050]示例性地，以一個具體實例進行說明。請參閱圖4，其中，所述紅外探測器13具體用於探測在所述圓柱形光學腔14內由所述拋物面反射鏡121反射，並由所述圓柱側壁反射三次進入所述紅外探測器13的紅外光。其中，由所述拋物面反射鏡121反射的紅外光第一次入射到所述圓柱側壁的位置為第一位置(圖中以A示出)，由所述拋物面反射鏡121反射的紅外光第二次入射到所述圓柱側壁的位置為第二位置(圖中以B示出)，由所述拋物面反射鏡121反射的紅外光第三次入射到所述圓柱側壁的位置為第三位置(圖中以C示出)。也就是說，所述紅外光源11發出的紅外光經過所述拋物面反射鏡121反射、並依次經過所述第一、第二及第三位置的反射，然後進入所述紅外探測器13，具體模擬光路如圖4中17所/Jn ο
[0051]其中，所述圓柱形光學腔14的半徑為10mm，以所述圓柱形光學腔14的圓心作為坐標原點，以坐標原點垂直向下作為坐標X軸，以坐標原點水平向右作為坐標I軸，以坐標原點垂直紙面向外作為坐標Z軸。在該坐標系下，以Z=O的平面進行說明，所述紅外光源11中心位置為(8，2，O)，所述紅外光源11發出的紅外光的直徑範圍為1_，X方向發散角範圍為30°，所述紅外探測器13中心位置為(6，-5，O)。
[0052]其中，經過仿真可知，所述拋物面反射鏡121的中心位置應為(-6.5，6，O)。所述第一焦點位於所述拋物面反射鏡121中心與所述圓柱側壁上第一位置連線的中點，其中所述第一位置為(O, -10,0),如圖4中A點所示；所述第二位置為(6,8,0),如圖4中B點所示；所述第三位置為(-10，-3，O)，如圖4中C點所示。
[0053]本實例通過選取合適焦點的拋物面反射鏡，以實現紅外光源發出的紅外光在圓柱形光學腔內四次反射過程中的發散角不再增大，從而使紅外探測器探測到更多的紅外光，使光學損失減少、光學效率提高。
[0054]最後應說明的是:以上各實施例僅用於說明本發明的技術方案，而非對其進行限制；實施例中優選的實施方式，並非對其進行限制，對於本領域技術人員而言，本發明可以有各種改動和變化。凡在本發明的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種NDIR氣體傳感器，其特徵在於，包括:紅外光源、圓柱形光學腔、紅外探測器和電路部件，其中，所述圓柱形光學腔用於容納待檢測氣體，所述圓柱形光學腔的上端面和/或下端面設置有通氣口，所述通氣口用於待檢測氣體進出所述圓柱形光學腔，所述圓柱形光學腔內設置有:所述紅外光源、反射鏡和所述紅外探測器，其中，所述反射鏡用於接收並反射所述紅外光源發出的紅外光，所述紅外探測器用於探測在所述圓柱形光學腔內由所述反射鏡反射的紅外光；所述電路部件與所述紅外探測器連接，用於根據所述紅外探測器探測的紅外光獲得所述待檢測氣體的濃度。
2.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特徵在於，所述紅外探測器用於探測在所述圓柱形光學腔內由所述反射鏡直接反射進入所述紅外探測器的紅外光；或 所述紅外探測器用於探測在所述圓柱形光學腔內由所述反射鏡反射，並接著由所述圓柱側壁至少反射一次進入所述紅外探測器的紅外光。
3.根據權利要求2所述的氣體傳感器，其特徵在於，所述反射鏡為具有第一焦點的拋物面反射鏡，其中，當所述紅外探測器用於探測在所述圓柱形光學腔內由所述拋物面反射鏡直接反射進入所述紅外探測器的紅外光時，所述第一焦點位於所述拋物面反射鏡中心與所述紅外探測器中心連線的中點；或 當所述紅外探測器用於探測在所述圓柱形光學腔內由所述拋物面反射鏡反射，並接著由所述圓柱側壁至少反射一次進入所述紅外探測器的紅外光時，所述第一焦點位於所述拋物面反射鏡中心與所述圓柱側壁上第一位置連線的中點，其中所述第一位置為由所述拋物面反射鏡反射的紅外光第一次入射到所述圓柱側壁的位置。
4.根據權利要求1-3任一項所述的氣體傳感器，其特徵在於，所述圓柱形光學腔的圓柱側壁上鍍有對所述紅外光源發出的紅外光反射的反射膜。
5.根據權利要求4所述的氣體傳感器，其特徵在於，所述紅外光源發出的紅外光的直徑範圍為1_3_，發散角範圍為28-32°。
6.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特徵在於，所述紅外探測器為雙通道紅外探測器。
7.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特徵在於，所述通氣口為氣孔。
8.根據權利要求7所述的氣體傳感器，其特徵在於，所述氣孔數量為多個。
9.根據權利要求8所述的氣體傳感器，其特徵在於，所述氣孔呈周向均勻分布。
10.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特徵在於，還包括拋物面聚焦鏡，用於聚焦在所述圓柱形光學腔內由所述反射鏡反射的紅外光，使所述紅外光聚焦後進入所述紅外探測器。
【文檔編號】G01N21/3504GK103822893SQ201410074027
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2014年2月28日
【發明者】張文博, 歐文, 明安傑, 張海苗, 張宇, 張樂 申請人:江蘇物聯網研究發展中心