CN101105449B - 双光源双敏感元件红外多气体检测传感器 - Google Patents

Abstract

一种双光源双敏感元件红外多气体检测传感器，它包括两个红外发光二极管、红外探测器、气室、反射镜、金属过滤网；所述的气室为筒状，该气室的底部成凹球面，该气室的中部为圆柱面，在气室的顶端口处连接有金属过滤网，在金属过滤网后部设置有反射镜，该反射镜的内表面呈抛物面，所述的红外发光二极管与红外探测器位于气室底端同一平面且以气室中心线为轴对称放置；上述的红外探测器由筒状外壳、红外敏感元件、隔光板、滤光片和透窗组成；本发明与现有红外气体传感器相比，其突出的实质性特点是设计了非隔离式反射气室及采用了双光源双敏感元件的探测原理，解决了现有红外双探测器气体传感器探测元件失配的弊病，减小了体积、使探测精度大大提高。

Description

双光源双敏感元件红外多气体检测传感器

技术领域

本发明涉及气体浓度检测传感器技术领域，是一种双光源双敏感元件红外多气体检测传感器。

背景技术

一束红外光的强度在通过一个气体容器时将会减少，强度损失是一定体积内活动气体分子数量的函数，它是表示气体浓度的函数。气体与红外光的相互作用只在红外光的特定波长发生，与这一事实结合，可以设计一种仪器用来测量特定气体的浓度。红外线分析器是根据气体对红外线吸收原理制成的一种物理式分析仪器。通常看来，红外线分析器能连续测量，且测量范围宽，精度高，灵敏度高，并有良好的选择性。以往的红外气体分析仪体积大，重量大，不便携带，而且价格高。早期由于器件的限制，例如为了达到较高的精度，传感器本身需要大的气室，无法实现小型化，目前随着光学MEMS技术的发展，特别是新型半导体器件(红外LED、红外探测器)和微光学器件(MEMS光栅，MEMS红外热敏探测器)的出现，红外光学气体检测***的小型化已成为可能。

德国法兰克福哈特曼·希劳恩股份公司申请的“能同时测量气体样品中多种成分浓度的非色散红外气体分析器”专利(专利号：ZL90109218.5)，包括两个相邻放置的样品池，它们分别通入样品气体和参比气体，红外辐射源发出的辐射光经调制后通过样品池。一个结构相同的第二个气体辐射接收器被设置在第一辐射接收器的后面，并盛有样品气体的第二种成分。在第一和第二辐射接收器之间，设置一个辐射滤波器，该滤波器能透过样品气体中的第二种成分的较弱辐射吸收的辐射光。该仪器使用两个隔离样品池，体积较大。实用新型专利“双探测器红外气体分析仪”(专利号：ZL02274241.7)，采用了单光源双探测器原理结构和反射式气室，两个探测器很难加工得完全一样，存在探测器失配的问题。其气室同样互相隔离，体积较大。实用新型专利“红外光多种气体分析仪光学装置”(专利号：ZL94242250.3)，使用斩光器隔离光源，调制复杂，体积较大。

江苏常州市科能电器有限公司于2006年申请了一种红外六氟化硫检测仪专利(申请号200620069040.2)。该仪器采用电可调红外光源和光学接收单元相对设置在检测气室两侧，电可调红外光源发射红外光穿过检测气室由光学接收单元接收，温度补偿单元与光学接收单元连接，脉冲调节单元与电可调红外光源连接，光学接收单元与信号放大单元连接，信号放大单元与滤波单元连接，滤波单元与光电转换单元连接，光电转换单元与A/D转换单元连接，逻辑控制CPU与脉冲调节单元、温度补偿单元及A/D转换单元连接。

该仪器采用单通道技术，无法克服红外光源输出功率变化、探测器偏置等带来的问题，检测精度较低；另外，该仪器由于采用电可调红外光源和光学接收单元相对设置的直线式气室结构同时又要在兼顾足够信噪比的前提下保留一定的气室长度，故传感器体积相对较大。

发明内容

本发明的目的是解决现有的红外气体传感器精度低，体积大等问题，提供一种双光源、双敏感元件和开放式气室结构的高精度双光源双敏感元件红外多气体检测传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种双光源双敏感元件红外多气体检测传感器，它包括两个红外发光二极管、红外探测器、气室、反射镜、金属过滤网；

所述的气室为筒状，该气室的底部成凹球面，该气室的中部为圆柱面，在气室的顶端口处连接有金属过滤网，在金属过滤网后部设置有反射镜，该反射镜的内表面呈抛物面，所述的红外发光二极管与红外探测器位于气室底端同一平面且以气室中心线为轴对称放置；红外发光二极管尽可能置于凹球面气室底的焦点处，作用是将散射的红外光反射到反射镜；

上述的红外探测器由筒状外壳、红外敏感元件、隔光板、滤光片和透窗组成；所述的隔光板设于筒状外壳的红外探测器中心线处，敏感元件根据气体响应波段的不同选用热释电型、热电偶型或光电导型红外光谱吸收材料。两个红外敏感元件对称分布在隔光板两侧，且置于筒状外壳13的底部，分别作为探测单元和参考单元，红外探测器的筒状外壳的前端设有密封的透窗，在透窗内表面探测器中心线两边分别粘贴对应待测气体特征波段和非特征波段波长的两片透射滤光片。

本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下技术措施来进一步实现。

在气室的底部外端设置有引脚焊接基板，在引脚焊接基板上连接出有两个红外发光二极管的光源调制信号输入引脚引脚、两个红外敏感元件的电源引脚及信号输出引脚。

反射镜及气室内表面材料采用黄铜镀金或钢镀铬，以增大对红外散射光的反射能力。

上述的透窗的材料是氟化锂或氟化钙或蓝宝石单晶体，使透过的光的波长局限在两片透射滤光片的透射范围内。

根据气体特响应波段的不同，上述的红外敏感元件选用相应响应波段的热电偶型或热释电型或光电导型红外光谱吸收材料。

金属过滤网方便气体扩散进入气室，同时起到防尘功能。

本发明采用时间双光路和空间双光路混合探测模式，所述的两个红外发光二极管交替发光，两个红外敏感元件得到四路检测信号。

本发明的光路图为空间双光束和时间双光束混合探测模式(见图1所示)；

光路图中主要参数：两个发光二极管LED1、LED2的光强分别为I_r、I_m，两个敏感元件的响应率分别为R_r、R_m。，被测气体的投射比为τ_a，以及气室的透射比为τ₀，贴在参考单元1的滤光片为中心波长远离被测气体特征吸收峰的窄带透射滤光片，贴在探测单元2上的滤光片为中心波长对应被测气体特征吸收峰的窄带透射滤光片。通过集成对应不同气体特征吸收峰的滤光片和响应波段不同的敏感元件材料，即可以测量不同种类的气体。

红外发光二极管分别由外部频率4Hz、幅值为+5V的脉冲方波交替驱动。两个发光二极管交替发光时间间隔为5ms，探测单元滤光片和参考单元滤光片相应地把光学***变成了两个光路，这样就实现了光路为空间双光束和时间双光束混合探测模式，即探测光路和参考光路。

假设气体的透射比为τ_a。气室的透射比为τ₀，当发光二极管LED1发出脉冲光时，敏感元件1和敏感元件2的输出电压分别为

V_rr＝I_rR_r          (1)

V_rm＝I_rR_mτ_aτ₀    (2)

当驱动发光二极管LED2发出脉冲光时，敏感元件1和敏感元件2的输出电压分别为

V_mr＝I_mR_r          (3)

V_mm＝I_mR_mτ_aτ₀    (4)

则得到与气体浓度值相关的因子K

$K=\frac{V_{\mathrm{rm}}{V}_{\mathrm{mm}}}{V_{\mathrm{rr}}{V}_{\mathrm{mr}}}={\mathrm{\τ}}_a^2{\mathrm{\τ}}_0^2---\left(5\right)$

敏感元件将产生一个与响应率和发射强度无关并且与τ_a ²τ₀ ²成正比的信号。用双敏感元件、双光源，这样可以消除发光二极管发光功率(I_r、I_m)不稳定的影响和敏感元件响应率(R_r、R_m)不稳定的影响。消除了I、R影响后信号只与被测气体的透射比τ_a。气室的透射比τ₀(由于光学器件和灰尘引起的辐射衰减)有关。

通过用后续检测电路接收探测敏感元件和参考敏感元件的信号，直接对抵消后的变量进行处理，它通过软件计算得到式(5)的结果，可减小零漂和消除灰尘与水汽的影响，减少了误差的来源，提高了测量的精度。光路设计成反射式，这种设计的优点是红外辐射能两次穿过被测气体，在较小体积的同时保证了适当的光路距离，也提高了检测精度。由于参考光路和测量光路是在同一环境下工作，取两者的电位差比值进行比较，就避免了因环境变化和敏感元件响应度变化引起的漂移。

本发明与现有红外气体传感器相比，其突出的实质性特点是设计了非隔离式反射气室及采用了双光源双敏感元件的探测原理，解决了现有红外双探测器气体传感器探测元件失配的弊病，减小了体积，在减小体积的同时使探测精度提高了一个数量级以上，使探测精度大大提高。

附图说明

图1是本发明的光路示意图。

图2是本发明的主视结构示意图。

图3是图2右视气室和红外探测器半剖结构示意图。

图4是红外探测器半剖放大结构示意图。

图5是图4红外探测器左视结构示意图。

图6是图2A-A向结构示意图。

具体实施方式

参见图2～图6所示：一种双光源双敏感元件红外多气体检测传感器，它包括两个红外发光二极管1、2、红外探测器3、气室4、反射镜5、金属过滤网6；

所述的气室4为筒状，该气室4的底部成凹球面15，该气室4的中部为圆柱面，在气室的顶端口处连接有金属过滤网6，在金属过滤网后部设置有反射镜5，该反射镜5的内表面呈抛物面，所述的红外发光二极管1、2与红外探测器3位于气室底端同一平面且以气室中心线为轴对称放置；红外发光二极管尽可能置于凹球面气室底的焦点处，作用是将散射的红外光反射到反射镜。

所述的红外探测器3由筒状外壳13、红外敏感元件9、隔光板10、滤光片11和透12组成；所述的隔光板10设于筒状外壳的红外探测器中心线处，两个红外敏感元件对称分布在隔光板两侧，且置于筒状外壳13的底部，分别作为探测单元和参考单元，红外探测器的筒状外壳13的前端设有密封的透窗12，在透窗内表面探测器中心线两边分别粘贴对应待测气体特征波段和非特征波段波长的两片透射滤光片11。

在气室4的底部外端设置有引脚焊接基板7，在引脚焊接基板7上连接出有两个红外发光二极管1、2的光源调制信号输入引脚16、两个红外敏感元件的电源引脚14及信号输出引脚8。

反射镜及气室内表面材料采用黄铜镀金或钢镀铬。

所述的透窗的材料是氟化锂或氟化钙或蓝宝石单晶体。

所述的红外敏感元件是热电偶型或热释电型或光电导型红外光谱吸收材料。

使用时，气体从金属过滤网扩散进入气室；可将传感器直接焊接于电路板上或置于特制底座中。

该双光源双敏感元件红外多气体检测传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高、稳定性好，易批量生产等优点，通过使用空间双光束和时间双光束混合探测模式，解决了现有单光源双探测红外传感器探测元件失配、体积大等缺点，使检测精度提高一个数量级以上。通过改变对应不同气体特征吸收峰的滤光片和响应波段不同的敏感元件材料，即可以检测不同种类的气体。

Claims (6)

1.一种双光源双敏感元件红外多气体检测传感器，其特征在于：它包括两个红外发光二极管(1、2)、红外探测器(3)、气室(4)、反射镜(5)、金属过滤网(6)；

所述的气室(4)为筒状，该气室(4)的底部成凹球面(15)，该气室(4)的中部为圆柱面，在气室的顶端口处连接有金属过滤网(6)，在金属过滤网后部设置有反射镜(5)，该反射镜(5)的内表面呈抛物面，所述的两个红外发光二极管(1、2)与红外探测器(3)位于气室底端同一平面且以气室中心线为轴对称放置；

所述的红外探测器(3)由筒状外壳(13)、红外敏感元件(9)、隔光板(10)、滤光片(11)和透窗(12)组成；所述的隔光板(10)设于筒状外壳的红外探测器中心线处，两个红外敏感元件对称分布在隔光板两侧，且置于筒状外壳(13)的底部，分别作为探测单元和参考单元，红外探测器的筒状外壳(13)的前端设有密封的透窗(12)，在透窗内表面探测器中心线两边分别粘贴对应待测气体特征波段和非特征波段波长的两片透射滤光片(11)。

2.根据权利要求1所述的双光源双敏感元件红外多气体检测传感器，其特征在于：在气室(4)的底部外端设置有引脚焊接基板(7)，在引脚焊接基板(7)上连接出有两个红外发光二极管(1、2)的光源调制信号输入引脚(16)、两个红外敏感元件的电源引脚(14)及信号输出引脚(8)。

3.根据权利要求1或2所述的双光源双敏感元件红外多气体检测传感器，其特征在于：反射镜及气室内表面材料采用黄铜镀金或钢镀铬。

4.根据权利要求3所述的双光源双敏感元件红外多气体检测传感器，其特征在于：所述的透窗的材料是氟化锂或氟化钙或蓝宝石单晶体。

5.根据权利要求4所述的双光源双敏感元件红外多气体检测传感器，其特征在于：所述的红外敏感元件是热电偶型或热释电型或光电导型红外光谱吸收材料。

6.根据权利要求5所述的双光源双敏感元件红外多气体检测传感器，其特征在于：采用时间双光路和空间双光路混合探测模式，所述的两个红外发光二极管交替发光，两个红外敏感元件得到四路检测信号。

Images