CN101592601A - 高效小体积红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿井安全的防爆气体探测设备范围的一种高效小体积红外气体传感器。所述红外气体传感器的吸收腔由上下两个球面反射镜凹面相对组成，光源和探测器的放置在互为共轭位置上，下球面反射镜、光源和探测器固定在内支架上，内支架固定在内底座上，上球面反射镜固定在传感器外壳上。本发明采用了准光学谐振腔设计，使光源与探测器经多次光路折叠后符合成像关系，使成像在探测器上的光束是弥散像，使探测器上的光束分布均匀，从而到达接收器的光束基本满足等光程的要求，提高了光信号的信噪比。既缩小了吸收腔的体积，还提高了被测气体对光的吸收效果，实现了高效小体积红外气体传感器的要求。

Description

高效小体积红外气体传感器

技术领域

本发明属于矿井安全的防爆气体探测设备范围，特别涉及一种高效小体积红外气体传感器。

背景技术

利用待测气体对红外光谱的吸收特性，来检测目标气体浓度的技术近年来有很大的发展。红外气体检测技术通常应用在需要实时、高精度监控目标气体浓度的场合。如上述煤矿井下各点瓦斯浓度的监测，石化行业的炼油厂，输油管道的监控，天然气生产与输送管道等需要监控泄漏的场合。但随着技术的发展，成本的降低以及人们对日常生活环境质量要求的提高，会逐渐进入家庭监测房间有害气体的存在及其浓度，还有交通工具上空气环境质量的监测等。

当前中国国内的煤矿采用的绝大多数的探头是催化燃烧式的。其缺点是因中毒现象造成误报或是失效，其可靠性差，标定时间周期短，标定成本高，工作中需在有氧环境下工作，世界先进国家多采用红外检测类的报警器，但所采用的某些技术对中国的国情不适合，有的产品体积大，如generalmonitor’s的报警器，有些产品光能利用率不高，响应时间偏长等如City的CH4红外传感器。这些产品中几乎无一例外的是高成本，导致报警器价格昂贵，难以普及。

一般探测器通过带通滤光片选择两个不同波长的光构可以成差分探测，目标气体对一个波长的光吸收较大，光信号随目标气体浓度增加而减小，目标气体对另一个波长的光基本没吸收，可用来监视红外光强度变化的参考信号。对于这类气体传感器的关键是提高高灵敏度，提高探测精确度，从而具有探测更低浓度的能力。同时对传感器的便携化，微功耗，微体积及低成本也提出更高的要求。对于提高检测灵敏度，可以增加光源与探测器间的物理距离，也就是增加有效吸收光程，可以提高气室的采样精度提高灵敏度。但增加物理空间尺寸会带来体积增大、需要的光能量加大的弊端。

其次是利用多个探测器提高灵敏度，例如，US，7,132,657 B2，通过多个探测器累加信号提高灵敏度，但各探测器的差异会对灵敏度的提高有影响，最主要的关键是增加了成本与体积。

第三是利用反射使光在吸收室内多次通过气体，增加有效光学吸收长度。例如，在US，6,469,303 B1中，将吸收气室设计成非聚焦***，利用光学积分球概念，使吸收腔内光密度趋于一致，光强均匀，信号稳定性好，不受光路偏移的影响，温度工作范围宽，生产工艺简单。但其缺点为光能利用率低，光信号中信噪比低。或设计成聚焦类光学吸收腔，通常以光源为物通过光学***成像于接收器上，但此类吸收腔有效光程不易做长，由于选择了成像，一是光学调整复杂，二是对光路偏移影响较大，随工作环境的变化，其稳定性有所牺牲，但光能利用率很高。

本发明兼顾上述两类吸收腔的优点，通过独特的准光学谐振腔设计，选用两片镀金球面反射镜组成吸收腔，使光源与接收器经多次光路折叠后符合成像关系，并将折叠次数少的光线泄露出吸收腔，而到达接收器的光线基本满足等光程的要求，此举提高了光信号的信噪比。光能利用率也有提高，成像在接收器上的光是弥散像，使接收器上的光分布均匀，减小了光路偏移对***稳定性的影响。对光路调整与生产工艺没有特殊要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的吸收腔探测灵敏度和光能利用率低的不足而提供一种高效小体积红外气体传感器，所述红外气体传感器主要由吸收腔、光源和红外探测器组成，其特征在于，由上下两个球面反射镜组成，吸收腔设计为准光学谐振腔；下球面反射镜、光源和红外探测器固定在支架上，上球面反射镜固定在传感器外壳上，所述光源发出的光束出射到上球面反射镜反射面和下球面反射镜的反射面，该光束在两球面反射镜之间多次反射后，进入红外探测器；使光源与探测器经多次光路折叠后符合成像关系，使成像在探测器上的光束分布均匀，既缩小了吸收腔的体积，还提高了被测气体对光的吸收效果。在传感器外壳上安装有顶盖，支架和传感器外壳安装在底座上。

所述上球面反射镜和下球面反射镜均为凹球面反射镜，并且凹面相对。

所述上球面反射镜和下球面反射镜为高反射率的反射镜。

所述下球面反射镜上有两个左右对称的通光孔，光源安装在一个内光孔，红外探测器的光敏面对准另一个通光孔该，该通光孔上安装红外光窗片，阻隔被测气体通向红外探测器，影响测试精度；光源和红外探测器的电极都连接到电路板上，电路板安装在底座上。

所述红外探测器和光源的放置在互为共轭的位置上。

所述下球面反射镜上有两个通光孔，光源安装在一个通光孔内或固定在该反射镜的反射面附近；红外探测器的光敏面对准另一个通光孔，该通光孔上安装红外光窗片，阻隔被测气体通向红外探测器，影响测试精度；光源和红外探测器的电极都连接到电路板上，电路板安装在底座上。

所述的光源置于上球面反射镜一侧的反射面附近，并且放置在红外探测器的另一个共轭位置上。

本发明的有益效果是为解决吸收腔内光能利用率低而设计了一种新的独特的准光学谐振腔，选用两片镀金球面镜，使光源与探测器经多次光路折叠后符合成像关系，并将折叠次数少的光束泄露出吸收腔，成像在探测器上的光束是弥散像，使探测器上的光束分布均匀，从而到达接收器的光束基本满足等光程的要求，此举提高了光信号的信噪比。在吸收腔内光路折叠多次，光被充分吸收，既缩小了吸收腔的体积，还提高了被测气体对光的吸收效果，实现了高效小体积红外气体传感器的要求。

附图说明

图1为实施例1传感器结构示意图。

图2为吸收腔光路原理图。

图3为实施例2传感器结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种高效小体积红外气体传感器。下面结合附图对本发明予以说明。在图1所示的实施例1传感器结构示意图中，吸收腔由下球面反射镜1和上球面反射镜2组成，光源3与红外探测器4位于下球面反射镜1一侧，从光源3发出的光线，先经上球面反射镜2反射后回到下球面反射镜1，又经下球面反射镜1反射到上球面反射镜2，该光束在两球面反射镜之间多次反射后，进入红外探测器4；使光源3与探测器4经多次光路折叠后符合成像关系，使成像在探测器4上的光束分布均匀，从而到达探测器的光束基本满足等光程的要求，既缩小了吸收腔的体积，还提高了被测气体对光的吸收效果。下球面反射镜1、光源3和探测器4固定在支架8上，内支架8固定在底座10上，上球面反射镜2固定在传感器外壳6上部，顶盖11安装在传感器外壳6上，传感器外壳6安装在底座10上。上球面反射镜2和下球面反射镜1均为凹球面反射镜，并且凹面相对，一般选择为高反射率的球面反射镜，其反射面镀金或不镀金或其他反射膜都可以。下球面反射镜1上有两个左右对称的通光孔，光源3安装在右通光孔，红外探测器4的光敏面对准左通光孔，红外光窗片5安装在左通光孔上，阻隔被测气体通向红外探测器4，光源3和红外探测器4的电极都连接到电路板9上，电路板9安装在底座10上。红外探测器4和光源3的放置位置为互为共轭位置。红外探测器4为两个红外光电元件，红外探测器4为两个红外光电元件，一个输出参考信号，另一个输出目标气体的测量信号。传感器外壳6上部的圆周上、顶盖上或圆周上与顶盖上有均匀分布的通气孔7，使吸收腔内外的气体能实时交换。红外探测器4可以选用型号为Infra LIM122的红外传感器或采用其他高灵敏度红外传感器。光源3选择为脉冲调制的细钨丝灯或其他光源，要求升降温速度快，产生周期性红外光，光源升降温速度快，使检查速度大大提高。均匀分布传感器的通气孔7，使气体能在气体吸收腔内部形成对流，因此提高了传感器的反应速度。

图2为吸收腔光路原理图。光源3与红外探测器4位于下球面反射镜1一侧，从光源发出的光线，先经上反射镜反射后回到下反射镜面，又经下反射镜面反射到上反射镜面，如此循环光束在两球面反射镜之间多次反射后，进入红外探测器4；红外探测器4将接收到光信号转换为电信号，为此，红外探测器4和光源3为使多次反射的光线准确进入红外探测器4，二者放置在为互为共轭的位置上，使光源3与红外探测器4经多次光路折叠后符合成像关系；并且为使光源像的明暗分布不至影响光束在红外探测器4上的均匀性，所述红外探测器4的位置在光路上设置在适当离焦的位置上，

图3为实施例2传感器结构示意图。光源3置于上球面反射镜2附近红外探测器4的另一个共轭位置，光源入射角几乎达360度，是光能利用率最高的一种设计，同时由于采用凹面镜反射，使得光线具有成像会聚作用，比光学积分腔更好的优点是，光路满足等光程且能量定向集中在接收器上，大大提高了光信号的信噪比和探测器的零点输出信号。

所述红外气体传感器的结构还可以采用单光源，双探测器结构、采用双光源，双探测器结构或双光源、单探测器结构。在一个探测器的前面放置一个目标气体对应波长的带通滤波片，在另一个探测器的前面放置一个对应参考波长的带通滤波片。所述红外气体传感器带通滤波片可以放在探测器的前面，也可以放在光源的前面。

Claims (9)

1.一种高效小体积红外气体传感器，所述红外气体传感器主要由吸收腔、光源和红外探测器组成，其特征在于，所述吸收腔由上下两个球面反射镜组成，吸收腔设计为准光学谐振腔；下球面反射镜、光源和红外探测器固定在支架上，上球面反射镜固定在传感器外壳上，所述光源发出的光束出射到上球面反射镜反射面和下球面反射镜的反射面，该光束在两球面反射镜之间多次反射后，进入红外探测器；使光源与探测器经多次光路折叠后符合成像关系，使成像在探测器上的光束分布均匀，红外探测器和光源的放置在互为共轭的位置上。在传感器外壳上安装有顶盖，支架和传感器外壳安装在底座上。

2.根据权利要求1所述高效小体积红外气体传感器，其特征在于，所述上球面反射镜和下球面反射镜均为凹球面反射镜，并且凹面相对。

3.根据权利要求1所述高效小体积红外气体传感器，其特征在于，所述上球面反射镜和下球面反射镜为高反射率的反射镜。

4.根据权利要求1所述高效小体积红外气体传感器，其特征在于，所述下球面反射镜上有两个通光孔，光源安装在一个内光孔，红外探测器的光敏面对准另一个通光孔，光源和红外探测器的电极都连接到电路板上，电路板安装在底座上。

(权利要求1中已有)。

5.根据权利要求1所述高效小体积红外气体传感器，其特征在于，所述传感器外壳上部有均匀分布的通气孔。

6.根据权利要求1所述高效小体积红外气体传感器，其特征在于，所述的光源置于上球面反射镜一侧的反射面附近，并且放置在红外探测器的另一个共轭位置上。

7.根据权利要求1所述高效小体积红外气体传感器，其特征在于，所述红外探测器的位置设置在光路上的离焦位置，使光源像的明暗分布，不至影响光束在红外探测器上的均匀性。

8.根据权利要求1所述高效小体积红外气体传感器，其特征在于，所述红外气体传感器采用单光源，双探测器结构，在一个探测器的前面放置一个目标气体对应波长的带通滤波片，在另一个探测器的前面放置一个对应参考波长的带通滤波片。

9.根据权利要求1所述高效小体积红外气体传感器，其特征在于，所述红外气体传感器采用双光源，双探测器结构，或单探测器结构，带通滤波片可以放在探测器的前面，也可以放在光源的前面。

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