CN109358019B - 基于红外光谱分析的气体传感器 - Google Patents
基于红外光谱分析的气体传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于红外光谱分析的气体传感器，包括光学腔体，用于容纳被测气体及对被测气体进行红外光谱分析；红外光源，与所述的光学腔体相连接，用于产生汇聚或离散红外光；探测器，与所述的光学腔体和红外光源相连接，用于接收经过所述的光学腔体多次反射后的红外光。采用了本发明的基于红外光谱分析的气体传感器，利用椭圆面具有聚光的特点设计了与平面相结合的反射聚焦***，并通过光学仿真软件优化椭圆参数与位置，在较小的空间内实现了长光程，高聚焦的光学腔体。相对现有技术具有更长的光程，更高的效率，从而使制备的红外气体传感器具有更高的探测精度和灵敏度，同时结构简单，安装方便，稳定可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及气体传感器领域，具体是指一种基于红外光谱分析的气体传感器。
背景技术
基于红外光谱分析的气体传感器是利用所探测气体分子可吸收特定红外波长，并且随着气体分子的浓度增加吸收量增加的原理(NDIR)来进行气体浓度的检测。一般的红外气体传感器主要包含本发明涉及到的光学腔体，用于发射红外光的红外光源以及用于检测红外光强度的红外探测器。红外光源发射的红外光在光学腔体内经过多次反射后打到红外探测器上，光学腔体内被检测气体浓度的不同，红外探测器检测到的红外光强度不同，通过一定的信号处理和算法将检测到的红外探测器的输出信号转换成被检测气体的浓度。
红外气体传感器的探测精度和分辨率是红外探测器的重要指标，为了提高红外探测器的探测精度，光学腔体的设计需要具有长光路和聚光的特点。早些时候光学腔体的设计主要采用直筒式光路，传感器尺寸较大，光利用率较差，目前也有一些小尺寸聚光光学腔体的设计，结构各不相同，聚光效果也有较大的差异。随着传感器低功耗，小型化的发展，设计高效、小尺寸的光学腔体是红外气体传感器发展的趋势。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种结构简单、光程长、效率高的基于红外光谱分析的气体传感器。
为了实现上述目的，本发明的基于红外光谱分析的气体传感器如下：
该基于红外光谱分析的气体传感器，其主要特点是，所述的传感器包括：
光学腔体，用于容纳被测气体及对被测气体进行红外光谱分析；
红外光源，与所述的光学腔体相连接，用于产生汇聚或离散红外光；
探测器，与所述的光学腔体和红外光源相连接，用于接收经过所述的光学腔体多次反射后的红外光。
较佳地，所述的光学腔体包括上盖和下盖，所述的上盖和下盖均相互连接。
较佳地，所述的上盖包括第一椭圆面、第二平面、第三平面、第四椭圆面、第五平面、第六椭圆面、第七反射面和第八平面，所述的第一椭圆面、第二平面、第三平面、第四椭圆面、第五平面、第六椭圆面、第七反射面和第八平面均位于上盖内部，且均相互连接。
较佳地，所述的下盖包括第九反射平面，所述的第九反射平面位于所述的下盖顶部，且与所述的上盖相连接。
较佳地，所述的光学腔体的下盖设有电路板卡槽，用于数据采集和通讯。
较佳地，所述的电路板卡槽的深度不大于2mm且不小于0.5mm。
较佳地，所述的红外光源为柱状光源，安装于所述的电路板卡槽上，放置于所述的第一椭圆面的焦点F1处。
较佳地，所述的探测器安装于所述的电路板卡槽上，放置于所述的第七反射面的底部。
较佳地，所述的第七反射面为抛物面，则所述的探测器的敏感元中心为所述第七反射面的焦点。
较佳地，所述的第七反射面为椭球面，则所述的探测器的敏感元中心为所述第七反射面的其中一个焦点。
较佳地，所述的第七反射面为球面，则所述的探测器的敏感元中心为所述第七反射面的球心。
较佳地，所述的第七反射面为平面，则所述的第七反射面倾斜向下。
较佳地，所述的第七反射面包括多个曲面和平面，所述的多个曲面包括抛物面、椭圆面和球面，则所述的探测器的敏感元中心为所述的多个曲面的焦点或球心。
采用了本发明的基于红外光谱分析的气体传感器，利用椭圆面具有聚光的特点设计了与平面相结合的反射聚焦***，并通过光学仿真软件优化椭圆参数与位置，在较小的空间内实现了长光程，高聚焦的光学腔体。相对现有技术具有更长的光程，更高的效率，从而使制备的红外气体传感器具有更高的探测精度和灵敏度，同时结构简单，安装方便，稳定可靠等优点。
附图说明
图1为本发明的基于红外光谱分析的气体传感器的光学腔体上盖的仰视图。
图2为本发明的基于红外光谱分析的气体传感器的去除光学腔体上盖后的俯视图。
图3为本发明的基于红外光谱分析的气体传感器的剖面图1。
图4为本发明的基于红外光谱分析的气体传感器的剖面图2。
图5为本发明的基于红外光谱分析的气体传感器的拆分图。
附图标记：
光学腔体上盖 1
光学腔体下盖 2
红外探测器 3
红外光源 4
信号采集及通讯电路板 5
通讯排针 6
防水透气膜 7
第一椭圆面 M1
第二平面 M2
第三平面 M3
焦点F2于第三平面的点 M3a
焦点F3于第三平面的点 M3b
第四椭圆面 M4
第五平面 M5
第六椭圆面 M6
第七反射面 M7
第八平面 M8
第九反射平面 M9
红外光 L1、L2、L3
第一椭圆面为椭圆柱面时的焦点 F1
第四椭圆面为椭圆柱面时的焦点 F2、F3
第六椭圆面为椭圆柱面时的焦点 F4
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
该基于红外光谱分析的气体传感器，其中，所述的传感器包括：
光学腔体，用于容纳被测气体及对被测气体进行红外光谱分析；
红外光源，与所述的光学腔体相连接，用于产生汇聚或离散红外光；
探测器，与所述的光学腔体和红外光源相连接，用于接收经过所述的光学腔体多次反射后的红外光。
作为本发明的优选实施方式，所述的光学腔体包括上盖和下盖，所述的上盖和下盖均相互连接。
作为本发明的优选实施方式，所述的上盖包括第一椭圆面M1、第二平面M2、第三平面M3、第四椭圆面M4、第五平面M5、第六椭圆面M6、第七反射面M7和第八平面M8，所述的第一椭圆面M1、第二平面M2、第三平面M3、第四椭圆面M4、第五平面M5、第六椭圆面M6、第七反射面M7和第八平面M8均位于上盖内部，且均相互连接。
作为本发明的优选实施方式，所述的下盖包括第九反射平面M9，所述的第九反射平面M9位于所述的下盖顶部，且与所述的上盖相连接。
作为本发明的优选实施方式，所述的光学腔体的下盖设有电路板卡槽，用于数据采集和通讯。
作为本发明的优选实施方式，所述的电路板卡槽的深度不大于2mm且不小于0.5mm。
作为本发明的优选实施方式，所述的红外光源为柱状光源，安装于所述的电路板卡槽上，放置于所述的第一椭圆面M1的焦点F1处。
作为本发明的优选实施方式，所述的探测器安装于所述的电路板卡槽上，放置于所述的第七反射面M7的底部。
作为本发明的优选实施方式，所述的第七反射面为抛物面，则所述的探测器的敏感元中心为所述第七反射面M7的焦点。
作为本发明的优选实施方式，所述的第七反射面为椭球面，则所述的探测器的敏感元中心为所述第七反射面M7的其中一个焦点。
作为本发明的优选实施方式，所述的第七反射面为球面，则所述的探测器的敏感元中心为所述第七反射面M7的球心。
作为本发明的优选实施方式，所述的第七反射面为平面，则所述的第七反射面M7倾斜向下。
作为本发明的优选实施方式，所述的第七反射面包括多个曲面和平面，所述的多个曲面包括抛物面、椭圆面和球面，则所述的探测器的敏感元中心为所述的多个曲面的焦点或球心。
本发明的具体实施方式中，本发明包括用于容纳被测气体及对被测气体进行红外光谱分析的光学腔体、产生汇聚或离散红外光的红外光源，以及用于接收经过光学腔体多次反射后的红外光的探测器，其中：
所述光学腔体由上盖和下盖组成，其中，所述光学腔体上盖内部设置有多个反射面，这些反射面由第一椭圆面M1、第二平面M2、第三平面M3、第四椭圆面M4、第五平面M5、第六椭圆面M6、第七反射面M7以及第八平面M8组成，所述光学腔体下盖顶部设置有第九反射平面M9；所述红外光源放置在所述第一椭圆面的一个焦点上F1，所述探测器放在所述第七反射面M7的下方，所述第一椭圆面除放置所述红外光源位置的焦点F1外的另一个焦点与所述第四椭圆面M4的一个焦点F2关于所述第二平面M2镜面对称，所述第四椭圆面M4的两个焦点在所述第三平面M3上；所述第八平面M8和所述第九平面M9用于约束所述红外光源发出的红外光在所述光学腔体内，所述第七反射面M7用于将经过所述多个反射面反射后的红外光聚焦到所述探测器上。
光学腔体下盖表面设置有所述红外光源和所述探测器安装孔，所述光学腔体下盖上设置有用于数据采集和通讯的电路板卡槽，卡槽深度为0.5～2mm；所述光学腔体下盖和所述电路板安装后中间形成0.5～3mm空腔，用于容纳电子元件。
红外光源为柱状光源，安装在所述电路板上，所述红外光源的发光区域伸入所述光学腔体中；所述探测器安装在所述电路板上，所述探测器安装在所述第七抛物面M7底部，不伸入光路中。
第七反射面为抛物面，所述探测器的敏感元中心为所述第七反射面的焦点；
或者所述第七反射面为椭球面，所述探测器的敏感元中心为所述第七反射面的一个焦点；
或者第七反射面为球面，探测器的敏感元中心为所述第七反射面的球心；
或者第七反射面为平面，所述第七反射面倾斜向下；
或者第七反射面为多个曲面和/或平面的组合，多个曲面为抛物面或椭圆面或球面，所述探测器的敏感元中心为所述多个曲面的焦点或球心；
光学腔体的上盖设有多个通气孔，所述通气孔在所述光学腔体外侧设有防水透气膜。
电路板上设有多个接口，分别位于电路板的两侧。
基于红外光谱分析的气体传感器，包括容纳被测气体及对被测气体进行红外光谱分析的光学腔体、产生汇聚或离散红外光的红外光源，用于接收经过光学腔体多次反射后的红外光的探测器，以及用于信号采集及通讯的电路板。
基于上述，所述光学腔体由上盖和下盖组成，其中，所述光学腔体的上盖内部由多个反射面组成并提供一定的空间容纳被测气体，所述光学腔体的下盖上设置有用于固定所述发射红外光的红外光源和所述接收红外光的红外探测器，所述光学腔体的下盖下部设有固定所述信号采集及通讯电路板的卡槽，所述光学腔体的下盖和所述信号采集及通讯电路板之间有0.5～3mm的空间用于容纳电子元件。
基于上述，所述光学腔体内部由多个反射面组成，这些反射面包括：第一椭圆面M1、第二平面M2、第三平面M3、第四椭圆面M4、第五平面M5、第六椭圆面M6、第七反射面M7、第八平面M8以及第九反射平面M9。所述光学腔体内部的这些反射面表面为镜面。所述红外光源发出的红外光经过这些反射面的反射或/和聚光后到达所述用于接受红外光的红外探测器上。
基于上述，所述红外光源为柱状光源，顶部与所述光学腔体上的光源安装凸起相匹配。
基于上述，所述用于信号采集及通讯的电路板上设有可焊接通讯接口的通孔。
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明的该种基于红外光谱分析的气体传感器，如图1至图5所示，从上到下包括防水透气膜7，光学腔体上盖1，光学腔体下盖2，信号采集与通讯电路板5，焊接在所述信号采集及通讯电路板上的红外光源4和红外探测器3以及通讯排针6。所述光学腔体上盖1中心位置设置有卡槽，用于安装所述防水透气膜7，使所述防水透气膜7的顶部与所述光学腔体上盖1的上表面处于同一平面上。所述光学腔体下盖2上设置有两个安装孔，分别用于安装所述红外光源4和所述红外探测器3。所述信号采集及通讯电路板5上设置有多个安装孔，用于所述排针6的焊接。所述光学腔体上盖1和所述光学腔体下盖2用胶水固定，所述信号采集及通讯电路板5卡到所述光学腔体下盖2两端的卡槽中，并用胶水固定。
所述光学腔体由所述光学腔体上盖1和所述光学腔体下盖2组成并形成光学测量气室，所述光学腔体上盖1内部设置有多个反射面，包括第一椭圆面M1、第二平面M2、第三平面M3、第四椭圆面M4、第五平面M5、第六椭圆面M6、第七反射面M7以及第八平面M8，所述光学腔体下盖2上表面设置有反射面M9，所述反射面M8和M9为平面，用于将所述红外光源4发出的红外光约束在所述光学腔体构成的测量气室内。所述红外光源4发出的红外光经过所述反射面M1反射汇聚后，射向反射面M2，经过M2反射后汇聚射向所述反射面M3，经过M3反射后射向所述反射面M4，经过M4反射后射向所述反射面M3，经过M3反射后射向所述反射面M5，经过所述反射面M5后射向所述反射面M6，经过所述反射面M6反射聚焦后射向所述反射面M7，经过所述反射面M7反射后最终射向所述红外探测器3。
本发明提供了一种具体的实施方式，所述反射面M1为椭圆柱面，所述红外光源1放置在所述椭圆的一个焦点F1上。
所述反射面M4为椭圆柱面，所述椭圆柱面M4的两个焦点F2和F3在所述反射平面M3上。
所述反射椭圆柱面M1除F1的另一个焦点与所述反射椭圆面M4的其中一个焦点F2关于所述反射平面M2镜面对称。
所述反射面M6为椭圆柱面，所述反射面M7的中心在所述椭圆柱面M6的一个焦点F4上。
所述反射椭圆柱面M6除F4的另一个焦点与所述反射椭圆面M4的其中一个焦点F3关于所述反射平面M5镜面对称。
所述反射面M7为抛物球面，所述探测器的敏感元中心在所述抛物球面M7的焦点上。
在其他实施例中所述反射面M7为椭球面，所述探测器的敏感元中心在所述椭球面M7的一个焦点上。或者所述反射面M7为球面，所述探测器的敏感元中心在所述反射球面M7的球心上。或者所述反射面M7为平面，所述反射平面M7倾斜向下。或者所述反射面M7为多个曲面和/或平面的组合，多个曲面为抛物面或椭圆面或球面，所述探测器的敏感元中心在所述多个曲面的焦点或球心上。
所述反射面M7无论是椭球面，球面，平面还是多个曲面和/或平面的组合，其目的都是为了使射向反射面M7的红外光尽可能多的反射到所述红外探测器4的敏感区上，从而提高所述红外探测器4的输出。
所述红外光源4发射出发散的红外光L1、L2和L3，经过所述反射椭圆柱面M1反射后汇聚射向所述反射柱面M1除焦点F1外的另一个焦点，经过所述反射平面M2反射后聚焦到所述反射平面M3上的焦点F2上，经过所述反射平面M3的反射后射向所述反射椭圆柱面M4，经过所述反射椭圆柱面M4反射后聚焦到所述反射椭圆柱面的另一个焦点F3上，经过所述反射平面M3的反射后射向所述反射平面M5，经过所述反射平面M5的反射后射向所述反射椭圆柱面M6，经过所述反射椭圆柱面M6的反射后聚焦到所述反射椭圆柱面M6的一个焦点F4上，经过所述反射抛物面M7的反射聚焦后到达所述红外探测器3的敏感区上。从所述红外光源4发出的红外光L1、L2、L3经过多次反射后到达所述红外探测器3的过程中，会经过所述反射平面M8和M9的多次反射，如图3和图4所示，但不影响其在所述光学腔体内水平方向的传播方向，如图1所示。
所述反射面M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9表面需加工成镜面，并在表面镀膜，膜层材料为金、银、铝或铜。
所述光学腔体上盖1上设置有多个通气孔，所述通气孔为了方便待检测气体进入所述光学腔体进行浓度检测。在所述通气孔上方设置有所述防水透气膜7，所述防水透气膜7用于隔离灰尘和水汽防止其进入并污染所述光学腔体。
采用了本发明的基于红外光谱分析的气体传感器，利用椭圆面具有聚光的特点设计了与平面相结合的反射聚焦***，并通过光学仿真软件优化椭圆参数与位置，在较小的空间内实现了长光程，高聚焦的光学腔体。相对现有技术具有更长的光程，更高的效率，从而使制备的红外气体传感器具有更高的探测精度和灵敏度，同时结构简单，安装方便，稳定可靠等优点。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (11)
1.一种基于红外光谱分析的气体传感器，其特征在于，所述的传感器包括：
光学腔体，用于容纳被测气体及对被测气体进行红外光谱分析；
红外光源，与所述的光学腔体相连接，用于产生汇聚或离散红外光；
探测器，与所述的光学腔体和红外光源相连接，用于接收经过所述的光学腔体多次反射后的红外光；
所述的光学腔体包括上盖和下盖，所述的上盖和下盖均相互连接；所述光学腔体上盖内部设置有多个反射面，这些反射面包括第一椭圆面(M1)、第二平面(M2)、第三平面(M3)、第四椭圆面(M4)、第五平面(M5)、第六椭圆面(M6)、第七反射面(M7)和第八平面(M8)；
所述第一椭圆面(M1)为椭圆柱面，所述红外光源放置在第一椭圆面(M1)的一个焦点F1上，所述第四椭圆面(M4)为椭圆柱面，所述第四椭圆面(M4)的两个焦点F2和F3在所述第三平面(M3)上，所述第一椭圆面(M1)除F1的另一个焦点与所述第四椭圆面(M4)的其中一个焦点F2关于所述第二平面(M2)镜面对称，所述第六椭圆面(M6)为椭圆柱面，所述第七反射面(M7)的中心在所述第六椭圆面(M6)的一个焦点F4上，所述第六椭圆面(M6)除F4的另一个焦点与所述第四椭圆面(M4)的其中一个焦点F3关于所述第五平面(M5)镜面对称；所述探测器放在所述第七反射面(M7)的下方；
所述红外光源发出的红外光经过所述第一椭圆面(M1)反射汇聚后，射向第二平面(M2)，经过第二平面(M2)反射后汇聚射向所述第三平面(M3)，经过第三平面(M3)反射后射向所述第四椭圆面(M4)，经过第四椭圆面(M4)反射后射向所述第三平面(M3)，经过第三平面(M3)反射后射向所述第五平面(M5)，经过所述第五平面(M5)后射向所述第六椭圆面(M6)，经过所述第六椭圆面(M6)反射聚焦后射向所述第七反射面(M7)，经过所述第七反射面(M7)反射后最终射向所述探测器。
2.根据权利要求1所述的基于红外光谱分析的气体传感器，其特征在于，所述的下盖包括第九反射平面(M9)，所述的第九反射平面(M9)位于所述的下盖顶部。
3.根据权利要求1所述的基于红外光谱分析的气体传感器，其特征在于，所述的光学腔体的下盖设有电路板卡槽，用于数据采集和通讯。
4.根据权利要求3所述的基于红外光谱分析的气体传感器，其特征在于，所述的电路板卡槽的深度不大于2mm且不小于0.5mm。
5.根据权利要求3所述的基于红外光谱分析的气体传感器，其特征在于，所述的红外光源为柱状光源，安装于所述的电路板卡槽上，放置于所述的第一椭圆面(M1)的焦点(F1)处。
6.根据权利要求5所述的基于红外光谱分析的气体传感器，其特征在于，所述的探测器安装于所述的电路板卡槽上，放置于所述的第七反射面(M7)的底部。
7.根据权利要求6所述的基于红外光谱分析的气体传感器，其特征在于，所述的第七反射面为抛物面，则所述的探测器的敏感元中心为所述第七反射面(M7)的焦点。
8.根据权利要求6所述的基于红外光谱分析的气体传感器，其特征在于，所述的第七反射面为椭球面，则所述的探测器的敏感元中心为所述第七反射面(M7)的其中一个焦点。
9.根据权利要求6所述的基于红外光谱分析的气体传感器，其特征在于，所述的第七反射面为球面，则所述的探测器的敏感元中心为所述第七反射面(M7)的球心。
10.根据权利要求6所述的基于红外光谱分析的气体传感器，其特征在于，所述的第七反射面为平面，则所述的第七反射面(M7)倾斜向下。
11.根据权利要求6所述的基于红外光谱分析的气体传感器，其特征在于，所述的第七反射面包括多个曲面和平面，所述的多个曲面包括抛物面、椭圆面和球面，则所述的探测器的敏感元中心为所述的多个曲面的焦点或球心。
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