CN103822893A - 一种ndir气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种NDIR气体传感器，包括：红外光源、圆柱形光学腔、红外探测器和电路部件，其中，所述圆柱形光学腔用于容纳待检测气体，所述圆柱形光学腔的上端面和/或下端面设置有通气口，所述通气口用于待检测气体进出所述圆柱形光学腔，所述圆柱形光学腔内设置有：所述红外光源、反射镜和所述红外探测器，其中，所述反射镜用于接收并反射所述红外光源发出的红外光，所述红外探测器用于探测在所述圆柱形光学腔内由所述反射镜反射的红外光；所述电路部件与所述红外探测器连接，用于根据所述红外探测器探测的红外光获得所述待检测气体的浓度，以实现体积减小，成本降低，并实现光程增加，从而提高传感器性能。

Description

一种NDIR气体传感器
技术领域
本发明实施例涉及气体检测技术，尤其涉及一种NDIR气体传感器。
背景技术
随着人类社会的进步和科学技术的发展，人类生活环境中的二氧化碳（CO2）等气体含量发生了很大变化，并对人们的健康有一定威胁；同时，工业生产中，对甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）等气体的浓度进行检测控制有了更高的要求，因此，用于检测气体浓度的气体传感器应运而生。
目前用于气体浓度检测的气体传感器主要有电化学式、半导体式、固体电解质式、光学式、高分子式等几大类。其中，光学式中的非分光红外（Non-dispersive infra-red，NDIR）气体传感器综合性能较好，随着红外光源及电子技术的发展，NDIR气体传感器作为一种快速准确的气体检测仪器在实际应用中十分普遍。其检测原理为：具有非对称双原子或多原子分子结构的气体（如CH4、CO、CO2、SO2等）在中红外波段均有特征吸收光谱，该气体的特征吸收光谱强度与气体的浓度有关，利用这一原理即可检测气体浓度，可以用下述朗伯-比尔定律描述：
I＝I0·exp(-α·c·L)
其中，I0为红外光源辐射的光强，即参考光强，I为红外光源辐射的红外光通过待检测气体吸收后的光强，c为待检测气体的浓度，L为红外光通过待检测气体的光程，α为待检测气体对红外光的吸收率。
现有的NDIR气体传感器一般包括一个由红外光源、光学腔和红外探测器组成的气室，还包括电路部件，红外光源辐射出红外光，经过气室中待检测气体的吸收，到达红外探测器的红外光的光强会减小，通过红外探测器探测其光强减小程度，由朗伯-比尔定律即可获得待检测气体的浓度。
由上述检测原理可知，为了获得高性能的NDIR气体传感器，需要增加气室内的光程，从而增加红外光在气室内的红外光的吸收量。但是，现有的NDIR气体传感器的光学腔一般采用直腔，通过增加直腔的整体尺寸实现光程的增加导致体积增大、制造成本增加。
发明内容
本发明提供一种NDIR气体传感器，以实现体积减小，成本降低，并实现光程增加，从而提高传感器性能。
本发明提供一种NDIR气体传感器，包括：红外光源、圆柱形光学腔、红外探测器和电路部件，其中，所述圆柱形光学腔用于容纳待检测气体，所述圆柱形光学腔的上端面和/或下端面设置有通气口，所述通气口用于待检测气体进出所述圆柱形光学腔，所述圆柱形光学腔内设置有：所述红外光源、反射镜和所述红外探测器，其中，所述反射镜用于接收并反射所述红外光源发出的红外光，所述红外探测器用于探测在所述圆柱形光学腔内由所述反射镜反射的红外光；所述电路部件与所述红外探测器连接，用于根据所述红外探测器探测的红外光获得所述待检测气体的浓度。
其中，所述红外探测器用于探测在所述圆柱形光学腔内由所述反射镜直接反射进入所述红外探测器的红外光；或
所述红外探测器用于探测在所述圆柱形光学腔内由所述反射镜反射，并接着由所述圆柱侧壁至少反射一次进入所述红外探测器的红外光。
其中，所述反射镜为具有第一焦点的抛物面反射镜，其中，当所述红外探测器用于探测在所述圆柱形光学腔内由所述抛物面反射镜直接反射进入所述红外探测器的红外光时，所述第一焦点位于所述抛物面反射镜中心与所述红外探测器中心连线的中点；或
当所述红外探测器用于探测在所述圆柱形光学腔内由所述抛物面反射镜反射，并接着由所述圆柱侧壁至少反射一次进入所述红外探测器的红外光时，所述第一焦点位于所述抛物面反射镜中心与所述圆柱侧壁上第一位置连线的中点，其中所述第一位置为由所述抛物面反射镜反射的红外光第一次入射到所述圆柱侧壁的位置。
其中，所述圆柱形光学腔的圆柱侧壁上镀有对所述红外光源发出的红外光反射的反射膜。
其中，所述红外光源发出的红外光的直径范围为1-3mm，发散角范围为28-32°。
其中，所述红外探测器为双通道红外探测器。
其中，所述通气口为气孔。
其中，所述气孔数量为多个。
其中，所述气孔呈周向均匀分布。
其中，还包括抛物面聚焦镜，用于聚焦在所述圆柱形光学腔内由所述反射镜反射的红外光，使所述红外光聚焦后进入所述红外探测器。
本发明提供一种NDIR气体传感器，通过采用圆柱形光学腔，并通过在该圆柱形光学腔内设置反射镜对红外光进行反射，避免了现有技术中通过增加光学腔的尺寸实现光程的增加，以及由此带来的体积增大、制造成本增加的问题，本发明使得气体传感器体积减小、成本降低，并实现光程增加，从而提高传感器性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明，下面将对本发明中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种NDIR气体传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种NDIR气体传感器中的气孔的示意图；
图3为本发明实施例提供的抛物面反射镜的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种圆柱形光学腔内的光路仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
请参阅图1、图2，图1为本发明实施例提供的一种NDIR气体传感器的结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种NDIR气体传感器中的气孔的示意图。如图1和图2所示，所述气体传感器包括：红外光源11、圆柱形光学腔14、红外探测器13和电路部件（图未示）。
其中，所述圆柱形光学腔14用于容纳待检测气体，例如CO2、CO或CH4，所述圆柱形光学腔14的上端面和/或下端面设置有通气口，所述通气口用于待检测气体进出所述圆柱形光学腔14，所述圆柱形光学腔14内设置有：所述红外光源11、反射镜12和所述红外探测器13，其中，所述反射镜12用于接收并反射所述红外光源11发出的红外光，所述红外探测器13用于探测在所述圆柱形光学腔14内由所述反射镜12反射的红外光；所述电路部件与所述红外探测器13连接，用于根据所述红外探测器13探测的红外光获得所述待检测气体的浓度，具体地，即根据所述红外探测器13探测的红外光，并根据朗伯-比尔定律，获得所述待检测气体的浓度。
其中，所述红外探测器13可以为双通道红外探测器。
所述双通道红外探测器包括第一通道和第二通道，其中所述第一通道内设置有第一滤波片，第二通道内设置有第二滤波片，所述第一滤波片用于透射所述待检测气体对应的特征吸收波长的红外光，还用于透射所述特征吸收波长附近的红外光，从而第一通道探测的红外光的光强为参考光强；所述第二滤波片用于吸收所述待检测气体对应的特征吸收波长的红外光，还用于透射所述特征吸收波长附近的红外光，从而第二通道探测的红外光的光强为红外光源辐射的红外光通过待检测气体吸收后的光强，根据朗伯-比尔定律，获得所述待检测气体的浓度。
例如，红外光源发出的红外光的波长范围为3.9-4.26um，待检测气体为CO2，该气体对应的特征吸收波长为4.26um，则所述第一滤波片透射波长为3.9-4.26um的红外光；所述第二滤波片吸收波长为4.26um的红外光，透射所述特征吸收波长附近的红外光，例如波长为3.9um的红外光。
进一步具体地，所述红外探测器13用于探测在所述圆柱形光学腔14内由所述反射镜12直接反射进入所述红外探测器13的红外光；或
所述红外探测器13用于探测在所述圆柱形光学腔14内由所述反射镜12反射，并接着由所述圆柱侧壁至少反射一次进入所述红外探测器13的红外光。
也就是说，当所述红外探测器13用于探测在所述圆柱形光学腔14内由所述反射镜12直接反射进入所述红外探测器13的红外光时，通过所述反射镜12的反射，实现所述红外光源11发出的红外光在所述圆柱形光学腔14内的光程的增加。
当所述红外探测器13用于探测在所述圆柱形光学腔14内由所述反射镜12反射，并接着由所述圆柱侧壁至少反射一次进入所述红外探测器13的红外光时，通过所述反射镜12的反射以及通过所述圆柱侧壁的至少一次的反射，实现所述红外光源11发出的红外光在所述圆柱形光学腔14内的光程的增加。
优选地，所述圆柱形光学腔14的圆柱侧壁上镀有对所述红外光源11发出的红外光反射的反射膜，所述反射膜可以为光学膜或金属膜。
本实施例提供一种NDIR气体传感器，通过采用圆柱形光学腔，并通过在该圆柱形光学腔内设置反射镜对红外光进行反射，避免了现有技术中通过增加光学腔的尺寸实现光程的增加，以及由此带来的体积增大、制造成本增加的问题，本实施例使得气体传感器体积减小、成本降低，并实现光程增加，从而提高传感器性能。
请参阅图2，进一步可选地，所述通气口为气孔15。具体地，所述气孔15可以如图2所示。
优选地，所述气孔15数量可以为多个。
进一步可选地，所述气孔15可以呈周向均匀分布。
对于给定的圆柱形光学腔，通过增加所述气孔的数量，以增加用于待检测气体进出所述圆柱形光学腔的通气口的空间，以加快待检测气体进出所述圆柱形光学腔，从而提高检测速度。
优选地，所述气体传感器还包括：抛物面聚焦镜16，用于聚焦在所述圆柱形光学腔14内由所述反射镜12反射的红外光，使所述红外光聚焦后进入所述红外探测器13。
请参阅图3、图4，作为上述实施例的一种优选的实施方式，进一步优选地，所述反射镜12为具有第一焦点的抛物面反射镜121。
其中，当所述红外探测器13用于探测在所述圆柱形光学腔14内由所述抛物面反射镜121直接反射进入所述红外探测器13的红外光时，所述第一焦点位于所述抛物面反射镜121中心与所述红外探测器13中心连线的中点；或
当所述红外探测器13用于探测在所述圆柱形光学腔14内由所述抛物面反射镜121反射，并接着由所述圆柱侧壁至少反射一次进入所述红外探测器13的红外光时，所述第一焦点位于所述抛物面反射镜121中心与所述圆柱侧壁上第一位置连线的中点，其中所述第一位置为由所述抛物面反射镜121反射的红外光第一次入射到所述圆柱侧壁的位置。
优选地，所述圆柱形光学腔14的圆柱侧壁上镀有对所述红外光源11发出的红外光反射的反射膜，所述反射膜可以为光学膜或金属膜。
其中，所述红外光源11发出的红外光的直径范围为1-3mm，发散角范围为28-32°。
本实施方式通过采用圆柱形光学腔，并通过在该圆柱形光学腔内设置抛物面反射镜对红外光进行反射，以实现体积减小、成本降低，并实现光程增加；并通过选取合适焦点的抛物面反射镜，以实现红外光源发出的红外光在圆柱形光学腔内反射过程中的发散角不再增大，从而使红外探测器探测到更多的红外光，使光学损失减少、光学效率提高。
示例性地，以一个具体实例进行说明。请参阅图4，其中，所述红外探测器13具体用于探测在所述圆柱形光学腔14内由所述抛物面反射镜121反射，并由所述圆柱侧壁反射三次进入所述红外探测器13的红外光。其中，由所述抛物面反射镜121反射的红外光第一次入射到所述圆柱侧壁的位置为第一位置（图中以A示出），由所述抛物面反射镜121反射的红外光第二次入射到所述圆柱侧壁的位置为第二位置（图中以B示出），由所述抛物面反射镜121反射的红外光第三次入射到所述圆柱侧壁的位置为第三位置（图中以C示出）。也就是说，所述红外光源11发出的红外光经过所述抛物面反射镜121反射、并依次经过所述第一、第二及第三位置的反射，然后进入所述红外探测器13，具体模拟光路如图4中17所示。
其中，所述圆柱形光学腔14的半径为10mm，以所述圆柱形光学腔14的圆心作为坐标原点，以坐标原点垂直向下作为坐标x轴，以坐标原点水平向右作为坐标y轴，以坐标原点垂直纸面向外作为坐标z轴。在该坐标系下，以z=0的平面进行说明，所述红外光源11中心位置为（8，2，0），所述红外光源11发出的红外光的直径范围为1mm，x方向发散角范围为30°，所述红外探测器13中心位置为（6，-5，0）。
其中，经过仿真可知，所述抛物面反射镜121的中心位置应为（-6.5，6，0）。所述第一焦点位于所述抛物面反射镜121中心与所述圆柱侧壁上第一位置连线的中点，其中所述第一位置为（0，-10，0），如图4中A点所示；所述第二位置为（6，8，0），如图4中B点所示；所述第三位置为（-10，-3，0），如图4中C点所示。
本实例通过选取合适焦点的抛物面反射镜，以实现红外光源发出的红外光在圆柱形光学腔内四次反射过程中的发散角不再增大，从而使红外探测器探测到更多的红外光，使光学损失减少、光学效率提高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；实施例中优选的实施方式，并非对其进行限制，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种NDIR气体传感器，其特征在于，包括：红外光源、圆柱形光学腔、红外探测器和电路部件，其中，所述圆柱形光学腔用于容纳待检测气体，所述圆柱形光学腔的上端面和/或下端面设置有通气口，所述通气口用于待检测气体进出所述圆柱形光学腔，所述圆柱形光学腔内设置有：所述红外光源、反射镜和所述红外探测器，其中，所述反射镜用于接收并反射所述红外光源发出的红外光，所述红外探测器用于探测在所述圆柱形光学腔内由所述反射镜反射的红外光；所述电路部件与所述红外探测器连接，用于根据所述红外探测器探测的红外光获得所述待检测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述红外探测器用于探测在所述圆柱形光学腔内由所述反射镜直接反射进入所述红外探测器的红外光；或
所述红外探测器用于探测在所述圆柱形光学腔内由所述反射镜反射，并接着由所述圆柱侧壁至少反射一次进入所述红外探测器的红外光。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，所述反射镜为具有第一焦点的抛物面反射镜，其中，当所述红外探测器用于探测在所述圆柱形光学腔内由所述抛物面反射镜直接反射进入所述红外探测器的红外光时，所述第一焦点位于所述抛物面反射镜中心与所述红外探测器中心连线的中点；或
当所述红外探测器用于探测在所述圆柱形光学腔内由所述抛物面反射镜反射，并接着由所述圆柱侧壁至少反射一次进入所述红外探测器的红外光时，所述第一焦点位于所述抛物面反射镜中心与所述圆柱侧壁上第一位置连线的中点，其中所述第一位置为由所述抛物面反射镜反射的红外光第一次入射到所述圆柱侧壁的位置。
4.根据权利要求1-3任一项所述的气体传感器，其特征在于，所述圆柱形光学腔的圆柱侧壁上镀有对所述红外光源发出的红外光反射的反射膜。
5.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，所述红外光源发出的红外光的直径范围为1-3mm，发散角范围为28-32°。
6.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述红外探测器为双通道红外探测器。
7.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述通气口为气孔。
8.根据权利要求7所述的气体传感器，其特征在于，所述气孔数量为多个。
9.根据权利要求8所述的气体传感器，其特征在于，所述气孔呈周向均匀分布。
10.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，还包括抛物面聚焦镜，用于聚焦在所述圆柱形光学腔内由所述反射镜反射的红外光，使所述红外光聚焦后进入所述红外探测器。
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