CN103512857A - 带有反射扩散器的非分散红外线传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有反射扩散器的非分散红外线传感器。本申请提供了一种非分散红外线气体传感器。非分散红外线气体传感器可包括红外线源、红外线探测器以及在红外线源和红外线探测器周围延伸的波导。波导可包括位于其上的反射扩散器。

Description

带有反射扩散器的非分散红外线传感器
技术领域
本公开大致涉及一种非分散红外线气体传感器，并且更具体地涉及其中带有反射扩散器以促进散射以便降低总体机械敏感度的非分散红外线气体传感器。
背景技术
气体传感器如非分散红外线("NDIR")气体传感器可基于红外线吸收来测量气体浓度。具体而言，NDIR气体传感器基于各种气体特有的某些波长下的独特吸收特征来测量气体浓度。换言之，不同的气体具有清楚地限定的吸收特征。NDIR气体传感器可包括红外线源和红外线探测器。红外线源可进行调制，且测量信号可与气体浓度相关。波导(waveguide)可用作源与探测器之间的气体样品室。波导的内表面通常为光滑且反射性的，以便最大限度地减小其中的红外光的散射。因此，波导表面可提供接近镜面反射，以便最大限度地增大探测器处接收到的信号。
尽管提供接近镜面反射的光滑表面可最大限度地减小散射并最大限度地增大信号，但使用如此的表面的气体传感器还可能对机械变化敏感。例如，温度变化可对构件具有影响，且因此对信号的可靠性具有影响。结果，为了提高总体气体传感器稳定性的已知尝试已涉及使用精密构件和/或调整周期(burn in periods)，以便稳定其中的电子装置。然而，这些技术通常可能昂贵且/或耗时。
因此，期望一种改进的气体传感器，如NDIR气体传感器。如此的改进的NDIR气体传感器可向更均匀的信号提供总体机械稳定性，而不需要使用昂贵的构件或修改。
发明内容
因此，本申请和作为结果的专利提供了一种非分散红外线气体传感器。非分散红外线气体传感器可包括红外线源、红外线探测器以及在红外线源和红外线探测器周围延伸的波导。波导可包括位于其上的反射扩散器。
本申请和作为结果的专利还提供了一种测量室中的气体的浓度的方法。该方法可包括以下步骤：将红外线脉冲发射到室中、使红外线信号散射离开反射扩散器、在红外线探测器处接收散射的红外线信号、以及确定散射的红外线信号的强度。
本申请和作为结果的专利还提供了一种非分散红外线气体传感器。非分散红外线气体传感器可包括红外线源、红外线探测器以及在红外线源和红外线探测器周围延伸的波导。波导可包括反射扩散器，反射扩散器带有纹理表面和位于其上的反射涂层。
一种非分散红外线气体传感器，包括： 
红外线源；
红外线探测器；以及
在红外线源和红外线探测器周围延伸的波导；
波导包括位于其上的反射扩散器。
优选地，波导限定室。
优选地，反射扩散器包括纹理表面。
优选地，纹理表面包括不规则图案。
优选地，纹理表面包括精密图案。
优选地，反射扩散器包括位于其上的反射涂层。
优选地，波导包括纹理热塑性塑料构件，纹理热塑性塑料构件带有位于其上的反射金属涂层。
优选地，反射扩散器包括探测器反射表面。
优选地，反射扩散器包括源反射表面。
优选地，反射扩散器包括印刷电路板反射表面。
优选地，印刷电路板反射表面包括无电镀镍浸金表面。
优选地，还包括多个红外线探测器。
优选地，还包括彼此分开的多个红外线探测器。
优选地，还包括与红外线源和红外线探测器连通的微处理器。
一种测量室中的气体的浓度的方法，包括：
将红外线信号脉冲发射到室中；
使红外线信号散射离开反射扩散器；
在红外线探测器处接收散射的红外线信号；以及
确定散射的红外线信号的强度。
一种非分散红外线气体传感器，包括：
红外线源；
红外线探测器；以及
在红外线源和红外线探测器周围延伸的波导；
波导包括反射扩散器，反射扩散器带有纹理表面和位于其上的反射涂层。
优选地，纹理表面包括不规则图案或精密图案。
优选地，反射扩散器包括探测器反射表面。
优选地，反射扩散器包括源反射表面。
优选地，反射扩散器包括带有无电镀镍浸金表面的印刷电路板反射表面。
本领域的普通技术人员在连同若干附图和所附权利要求时，基于以下详细描述的综述，本申请和作为结果的专利的这些和其它的特征和改进将变得清楚。
附图说明
图1为NDIR气体传感器的简图。
图2为可在本文中描述的NDIR气体传感器的简图。
图3为可结合图2中的NDIR传感器使用的反射扩散器的侧部横截面视图。
图4为可结合图2中的NDIR传感器使用的反射扩散器的备选实施例。
图5为NDIR传感器的备选实施例。
图6为NDIR传感器的备选实施例。
图7为NDIR传感器的备选实施例。                     
部件列表
10 NDIR气体传感器
15 红外线源
20 红外线探测器
25 印刷电路板
30 微处理器
35 波导
40 室
45 反射表面
50 镀层
55 接近镜面反射的表面
100 NDIR传感器
110 红外线源
120 红外线探测器
130 印刷电路板
140 微处理器
150 波导
160 室
170 反射表面
180 探测器反射表面
190 反射扩散器
200 纹理表面
210 不规则图案
220 精密图案
230 纹理构件
240 反射涂层
250 源反射表面
260 印刷电路板表面
270 ENIG表面
280 第一红外线探测器
290 第二红外线探测器。
具体实施方式
现在参看附图，其中，相似的数字在若干视图中始终表示相似元件，图1示出了典型的NDIR气体传感器。通常而言，NDIR气体传感器10可包括红外线源15和红外线探测器20。可使用一个以上的红外线探测器20。红外线源15和红外线探测器20可定位在印刷电路板25上。红外线源15和红外线探测器20可经由微处理器30而连通。还可使用各种类型的放大器、滤波器和其它构件。
NDIR传感器10可被波导35包围。波导35可限定室40，室40从红外线源15延伸至红外线探测器20，且部分地包围红外线源15。波导35可包括一个或多个内部反射表面45。反射表面45通常可为光滑的，且可提供接近镜面反射，以便最大限度地减小其中的光的散射。波导35可由热塑性塑料、金属、橡胶、复合材料等制成。例如，如果波导35由热塑性塑料制成，则用于波导35的注射模具可在反射表面45高度抛光。然后，反射表面45可接收镀层或涂层50。镀层或涂层50可为金属表面，以便产生接近镜面反射的表面55。具体而言，如此的接近镜面反射的表面55可通过限制散射来最大限度地增大红外线探测器20处接收到的信号。
如上所述，红外线源115可在室40内脉冲发射红外线束。光束可反射离开波导35的反射表面45，且可被红外线探测器20接收。室40内的气体吸收已知波长的辐射，且该吸收为气体浓度的量度。不同的气体具有清楚地限定的吸收特征。因此，红外线探测器20将与气体浓度成比例的信号输送至微处理器30。然后，这些信号可被平均。可使用其它构件和其它构造。
图2示出了可在本文中描述的NDIR气体传感器100。类似于上述，NDIR气体传感器100可包括红外线源110和红外线探测器120。本文中可使用一个以上的红外线探测器120。红外线源110和红外线探测器120可为常规设计。红外线源110和红外线探测器120可在印刷电路板130或其它类型的机械支承件和/或电子连接件周围定位。红外线源110和红外线探测器120可经由微处理器140而连通。微处理器140可为任何类型的可编程逻辑装置。本文中还可使用各种类型的滤波器、放大器等。本文中可使用其它构件和其它构造。
NDIR气体传感器100也可包括波导150。波导150可在其中限定室160，室160从红外线源110延伸至红外线探测器120。波导150可由热塑性塑料、金属、橡胶、复合材料等制成。波导150可具有任何尺寸、形状或构造。
波导150可具有在其中的一个或多个内部反射表面170。在该示例中，探测器反射表面180可定位在红外线探测器120的上方。反射表面170可替代上述的镜面反射表面55而为反射扩散器190的形式。与如此的光滑表面相反，反射扩散器190可包括非镜面表面或纹理表面200。如图3中以放大形式示出的那样，纹理表面200可包括不规则图案210。此外，纹理表面200还可包括如图4中以扩大形式示出的统一图案或精密图案220。本文中可使用任何类型的纹理表面200。本文中还可使用全息图案。此外，本文中可一起使用不规则图案、精密图案、全息图案等的组合。
如果波导150为注射模制的热塑性塑料构件等，则注射模具可将纹理表面200提供为模具的一部分。因此，模具产生带有纹理表面200的纹理构件230。表面性能主要可由模具的性质控制。然后，纹理构件230可涂布或涂镀有反射涂层240，以产生反射扩散器190。反射涂层240可为金属等。本文中可使用许多其它制造技术。例如，现有的构件可通过砂纸等产生纹理，并然后进行涂布。
反射扩散器190的纹理表面200通常在大部分红外线能量必须穿过的信号路径中结合到反射表面170上。因此，图2中所示的探测器反射表面180邻近红外线探测器120。作为备选，图5示出了定位在红外线源110上方的源反射表面250。本文中还可使用多个反射表面170。此外，印刷电路板130也可用作反射表面170。在图6中，印刷电路板130可具有印刷电路板反射表面260。印刷电路板反射表面260例如可电镀有无电镀镍浸金("ENIG")表面270。如此的ENIG表面270可有足够的纹理，以便用作反射扩散器190。可使用其它类型的表面270。本文中可使用其它构件和其它构造。
在使用中，带有反射扩散器190的NDIR气体传感器100将散射引至由红外线源110产生的红外线信号脉冲中。由于反射能量被扩散，故反射离开反射扩散器190的纹理表面200的信号可具有更平均且均匀的信号强度分布。因此，发射扩散器190降低了波导50、红外线源110和红外线探测器120中的总体机械敏感度，使得NDIR气体构件100作为整体可具有提高的稳定性。反射扩散器190的纹理表面200的性质可针对不同气体和旨在用途而优化。
具体而言，本文所述的NDIR气体传感器100将反射扩散器190的纹理表面200用作朗伯表面(lambertian surface)以将散射引至信号中。因此，该散射光学地使信号平均。反射离开反射扩散器190的信号由于其中的反射能量扩散而具有更平均且均匀的信号强度分布。因此，更均匀的信号强度分布导致对机械变化的敏感度降低，且因此提高了总体稳定性。与上述的带有旨在减少散射的镜面表面55的传感器相反，本文中的NDIR气体传感器100有意地引起如此的散射用于提高稳定性。稳定性如此的提高可允许更低成本下的更紧密的准确度规格。本文中可使用其它构件和其它构造。
NDIR气体传感器100还可包括多个红外线探测器120。在图7的示例中，可使用第一红外线探测器280和第二红外线探测器290。本文中可使用任何数目的红外线探测器120。红外线探测器280、290可在物理上分开的不同位置。由反射扩散器190反射的信号可导致提供给探测器280、290的类似能量。因此，反射扩散器190使信号平均来允许两个探测器280、290均发现类似强度的能量，使得传感器100可对机械变化更不敏感。
应当清楚，上述仅涉及本申请和作为结果的专利的某些实施例。本领域的普通技术人员可在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的要旨和范围的情况下作出许多变化和修改。

Claims (10)

1.一种非分散红外线气体传感器，包括：
红外线源；
红外线探测器；以及
在所述红外线源和所述红外线探测器周围延伸的波导；
所述波导包括位于其上的反射扩散器。
2.根据权利要求1所述的非分散红外线气体传感器，其特征在于，所述波导限定室。
3.根据权利要求1所述的非分散红外线气体传感器，其特征在于，所述反射扩散器包括纹理表面。
4.根据权利要求3所述的非分散红外线气体传感器，其特征在于，所述纹理表面包括不规则图案。
5.根据权利要求3所述的非分散红外线气体传感器，其特征在于，所述纹理表面包括精密图案。
6.根据权利要求3所述的非分散红外线气体传感器，其特征在于，所述反射扩散器包括位于其上的反射涂层。
7.根据权利要求1所述的非分散红外线气体传感器，其特征在于，所述波导包括纹理热塑性塑料构件，所述纹理热塑性塑料构件带有位于其上的反射金属涂层。
8.根据权利要求1所述的非分散红外线气体传感器，其特征在于，所述反射扩散器包括探测器反射表面。
9.根据权利要求1所述的非分散红外线气体传感器，其特征在于，所述反射扩散器包括源反射表面。
10.根据权利要求1所述的非分散红外线气体传感器，其特征在于，所述反射扩散器包括印刷电路板反射表面。
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