CN109470644A - 紧凑型红外光学气体吸收池及红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种紧凑型红外光学气体吸收池，主要由腔体上盖、腔体下盖、红外光源和探测器组成，所述腔体下盖设置有反射面一、反射面二、光学入射孔和光学出射孔，所述红外光源安装在所述光学入射孔处，所述探测器安装在所述光学出射孔处；所述腔体上盖的内壁由反射面三、反射面四、反射面五、反射面六顺序连接而成，并在所述腔体上盖的中央形成中心气体扩散孔。本发明还提供一种使用上述紧凑型红外光学气体吸收池的红外气体传感器。上述紧凑型红外光学气体吸收池多次利用所述反射面一，可以实现在保证较长光路的情况下，上述吸收池和上述传感器尽可能小，具有结构简单、装配方便、外形小巧、光路长的优点。

Description

紧凑型红外光学气体吸收池及红外气体传感器

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，具体的说，涉及了一种紧凑型红外光学气体吸收池及使用该紧凑型红外光学气体吸收池的红外气体传感器。

背景技术

红外气体传感器是运用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的目标气体进行探测，具有寿命长、精度高、抗中毒等优点，在气体检测领域广泛应用。红外气体传感器通常有红外光源、光学腔体、探测器、信号采集和处理电路四部分组成，其中，红外光源、光学腔体和探测器安装组合在一起又可以称为红外光学气体吸收池。通常的红外气体传感器采用红外光源在光学腔体的一端发射红外光谱，探测器在光学腔体的另外一端接收红外光谱的光学结构，红外光谱发出后，被光学腔体的目标气体吸收并经光学腔体内壁多次反射后汇聚到探测器上，通过对探测器接收的光谱信号进行分析便得到目标气体的信息。

在现有的红外气体传感器中，红外光源和探测器多是圆柱状，红外光源和探测器需要和光学腔体结合成一个完整的光路，而且红外光源和探测器的引脚需要焊接在电路板上，这种现状造成了光学腔体的设计局限于红外光源、探测器和电路板的焊接方式。为了降低传感器整体尺寸，需要减少光学腔体的体积，为了增加红外气体传感器的灵敏度和分辨率又需要一个较长的光路。因此，红外光学气体吸收池为红外气体传感器的核心部件，直接决定红外气体传感器的性能和外形尺寸。所以，合理设计红外光学气体吸收池，有利于红外气体传感器向微小化发展。

为此，河南汉威电子股份有限公司于2014年9月5日申请的、申请号为2014104509082、名称为“微型红外气体传感器”的发明专利中公开一种微型红外气体传感器，包括光学腔体、信号采集电路板以及分别连接在所述信号采集电路板上的红外光源和探测器，所述光学腔体内设置有光源围挡反射面、反射曲面和接收聚焦反射面，其中，所述光源围挡反射面分别对应所述红外光源、所述反射曲面设置以便将所述红外光源发出的光会聚并射向所述反射曲面或/和经所述光学腔体内壁多次反射后射向所述反射曲面，所述反射曲面对应所述接收聚焦反射面设置以便将射向所述反射曲面的光会聚并射向所述接收聚焦反射面或/和经所述光学腔体内壁多次反射后射向所述接收聚焦反射面，所述接收聚焦反射面对应所述探测器设置以便将射向所述接收聚焦反射面的光会聚并射向所述探测器。通过上述设计，使得所述微型红外气体传感器在保证长光路的情况下，所述光学腔体尽可能小。

然而，上述微型红外气体传感器的红外光学气体吸收池中的光路增长有限，传感器的尺寸的仍不足够小，不能满足现有的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明确有必要提供一种紧凑型红外光学气体吸收池及使用该紧凑型红外光学气体吸收池的红外气体传感器，能够在保证红外气体传感器的性能的同时进一步增长光路，使得红外气体传感器更加小型化。

为此，本发明所采用的技术方案是：一种紧凑型红外光学气体吸收池，主要由腔体上盖、腔体下盖、红外光源和探测器组成，其中，

所述腔体下盖设置有反射面一、反射面二、光学入射孔和光学出射孔，所述腔体下盖的内壁由位于中央的所述反射面一和围绕该反射面一设置的下盖侧面组成，所述反射面二、所述光学入射孔和所述光学出射孔间隔设置在所述反射面一的周围，所述反射面二在竖直方向上侧立设置在所述反射面一上，所述光学入射孔和所述光学出射孔均同时贯穿所述反射面一和所述下盖侧面，所述红外光源安装在所述光学入射孔处，所述探测器安装在所述光学出射孔处，使所述反射面二、所述红外光源和所述探测器的中心位于同一圆周上；

所述腔体上盖和所述腔体下盖配合形成光学腔体，所述腔体上盖的内壁由反射面三、反射面四、反射面五、反射面六顺序连接而成，并在所述腔体上盖的中央形成中心气体扩散孔，使得所述光学腔体为半封闭结构，所述反射面三、所述反射面四、所述反射面五和所述反射面六的顶点位于同一圆周上。

基于上述，所述反射面二、所述红外光源和所述探测器的中心所在的圆周的圆心与所述反射面一的球心位于同一直线上。

基于上述，所述反射面三、所述反射面四、所述反射面五和所述反射面六的顶点所在的圆周的圆心、所述中心气体扩散孔的中心以及所述反射面一的球心位于同一直线上。

基于上述，所述腔体上盖中相邻的两个反光曲面分别在所述腔体上盖内壁的边缘形成边缘气体扩散孔。

基于上述，所述腔体上盖与所述腔体下盖间采用胶封连接。

基于上述，所述腔体上盖与所述腔体下盖通过设置定位凸台和定位凹槽定位。具体地，当所述腔体上盖上设置所述定位凸台时，所述腔体下盖上设置所述定位凹槽；当所述腔体上盖上设置所述定位凹槽时，所述腔体下盖上设置所述定位凸台。

基于上述，所述反射面一、所述反射面二、所述反射面三、所述反射面四、所述反射面五和所述反射面六均为凹面反射镜。

本发明还提供一种红外气体传感器，包括：上述紧凑型红外光学气体吸收池和信号采集电路板，所述红外光源和所述探测器分别连接所述信号采集电路板。

基于上述，它还包括设置在所述腔体上盖外部的防水透气膜。

基于上述，它还包括容纳所述紧凑型红外光学气体吸收池和所述信号采集电路板的壳体。

本发明提供的所述紧凑型红外光学气体吸收池由所述红外光源发出红外光经过所述反射面三的反射，汇聚到所述反射面一上，光束再经过所述反射面一的反射，汇聚到所述反射面四上，后续依次汇聚到所述反射面四、所述反射面二、所述反射面六、所述反射面一、所述反射面五，光束经过所述反射面五的反射后，最终汇聚到所述探测器接收面上，所以，本发明提供的上述紧凑型红外光学气体吸收池经过腔体上盖、腔体下盖的相关反光曲面，进行了7次反射，做到了8倍空间距离的光程，实现了相对较长光程的设计目标，有利于该吸收池尽可能小，从而使得使用上述紧凑型红外光学气体吸收池的红外气体传感器具有较长的光程，有利于其向小型化发展。另外，上述紧凑型红外光学气体吸收池在所述腔体下盖的中央的反射面一作为一个多次利用的反射曲面，通过其它相关反光曲面的调整，使该紧凑型红外光学气体吸收池的入射光和出射光均垂直于腔体下盖端面，方便了红外光源和探测器的安装调试，有利于使用该吸收池的红外气体传感器的批量化生产。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的紧凑型红外光学气体吸收池的拆分图。

图2是图1所示的腔体上盖结构示意图。

图3是图1所示的腔体下盖结构示意图。

图4是本发明实施例一提供的紧凑型红外光学气体吸收池的模型光路原理图。

图5是本发明实施例二提供的紧凑型红外光学气体吸收池使用的腔体上盖结构示意图。

图6是使用本发明实施例三提供的红外气体传感器的剖视图。

图7是图6所示的红外气体传感器的拆分图。

图中：1、10 腔体上盖，11、101 反射面三，12、102反射面四，13、103反射面五，14、104反射面五，15 中心气体扩散孔，16 边缘气体扩散孔，17 定位凹槽，2 腔体下盖，21 反射面一，22 反射面二，23 光学入射孔，24 光学出射孔，25下盖侧面，27 定位凸台，3 红外光源，4 探测器，5 信号采集电路板，6 壳体，7 防水透气膜，8 管脚。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例一

请参阅图1至图3，本发明实施例提供一种紧凑型红外光学气体吸收池，主要由腔体上盖1、腔体下盖2、红外光源3和探测器4组成。

所述腔体上盖1和所述腔体下盖2安装在一起形成光学腔体，该光学腔体外观总体上呈圆柱形。本实施例中，所述腔体上盖1上设置定位凹槽17，所述腔体下盖2上对应设置定位凸台27，通过所述腔体上盖1上的所述定位凹槽17和所述腔体下盖2上的定位凸台27的配合定位，并采用胶封连接的方式将所述腔体上盖1和所述腔体下盖2安装在一起。所述定位凹槽17和所述定位凸台27的主要作用是为了确保所述腔体上盖1和所述腔体下盖2安装在一起的时候能够准确定位，所以，当所述腔体上盖1上设置所述定位凸台，所述腔体下盖上设置所述定位凹槽时，也在本发明的保护范围之内。

所述腔体下盖2的总体外观为圆柱形，其腔内设置有反射面一21、反射面二22、光学入射孔23和光学出射孔24。所述红外光源3安装在所述光学入射孔处23，所述探测器24安装在所述光学出射孔处24，使所述反射面二22、所述红外光源3和所述探测器4的中心位于同一圆周上，有利于红外光线在所述腔体上盖1和所述腔体上盖2内多次反射，延长光反射路程；本实施例中，所述红外光源3和所述探测器4分别垂直所述反射面一21设置，所述反射面二22、所述红外光源3和所述探测器4的中心所在的圆周的圆心与所述反射面一21的球心位于同一直线上，更有利于多次利用所述反射面一21作为反射面，从而实现在保证延长光反射路程的同时，所述紧凑型红外光学气体吸收池尽可能地小。

所述反射面一21位于所述腔体下盖端面的中央，所述反射面一21和围绕该反射面一21设置的下盖侧面25组成所述腔体下盖2的内壁。所述反射面二22、所述光学入射孔23和所述光学出射孔24间隔设置在所述反射面一的周围，所述反射面二22在竖直方向上侧立设置在所述反射面一21上。所述反射面二22侧立在所述腔体下盖中，具体地，所述反射面二22分别与所述下盖侧面25和所述反射面一21接触，并与所述反射面一21呈锐角设置，该角度大小的选择与所述腔体上盖1和所述腔体下盖2形成的腔体之间的间距有关，主要是为了保证红外光线在上述吸收池内多次反射，增加光反射路程。优选地，所述反射面二22与所述反射面一21所成的锐角大于等于45°，且小于90°；本实施例中，该角度为60°。所述光学入射孔23和所述光学出射孔24均同时贯穿所述反射面一21和所述下盖侧面25。即，所述光学入射孔23、所述光学出射孔24和所述反射面一21位于所述腔体下盖端面，位于同一平面内。所述反射面二22、所述光学入射孔23和所述光学出射孔24间隔设置。

因此，本实施例中，所述反射面一21的侧面由第一弧边、第二弧边、第三弧边、第四折线边、第五弧边和第六折线边按逆时针顺序连接形成的闭环结构。其中，所述第一弧边、所述第三弧边和所述第五弧边的曲率半径相同并位于同一圆上。所述第二弧边为所述反射面一21与所述反射面二22的交界线，所述第二弧边的曲率半径与所述反射面二的半径相同。所述第四折线边为所述反射面一21与所述光学入射孔23的交界面。所述第六折线边为所述第一反光曲面21与所述光学出射孔24的交界面。

所述腔体上盖1的内壁由反射面三11、反射面四12、反射面五13和反射面六14顺序拼接而成类球面结构，所述反射面三11、所述反射面四12、所述反射面五13和所述反射面六14的球面半径相同，所述反射面三11、所述反射面四12、所述反射面五13和所述反射面六14的顶点位于同一圆周上。本实施例中，所述反射面三11、所述反射面四12、所述反射面五13和所述反射面六14按顺时针顺序排列，所述反射面三11与所述反射面四12、所述反射面四12与所述反射面五13、所述反射面五13与所述反射面六14、以及所述反射面六14和所述发射面三11相互连接形成类球面结构，并该四个反光曲面在所述腔体上盖1的内部中央共同形成中心气体扩散孔15，且相邻的两个反光曲面分别在所述腔体上盖1内壁的边缘形成边缘气体扩散孔16，从而使得所述腔体上盖1与所述腔体下盖2配合形成的所述光学腔体为半封闭结构。所述中心气体扩散孔15和所述边缘形成边缘气体扩散孔16的设置主要是为了方便所述紧凑型红外光学气体吸收池进行内外气体交换。其中，所述腔体上盖1中的四个反光曲面的顶点所在的圆周的圆心、所述中心气体扩散孔15的中心以及所述反射面一21的球心位于同一直线上。本实施例中，当所述腔体上盖1和所述腔体下盖2安装在一起时，所述中心气体扩散孔15正对所述反射面一21设置。

更具体地，所述反射面三11由第一曲线边、第二曲线边、第三曲线边、第四曲线边、第五曲线边和第六曲线边按顺时针的顺序连接组成，所述反射面四12由所述第六曲线边、第七曲线边、第八曲线边、第九曲线边、第十曲线边和第十一曲线边按顺时针的顺序连接组成，所述反射面五13由所述第十曲线边、第十二曲线边、第十三曲线边、第十四曲线边、第十五曲线边和第十六曲线边按顺时针的顺序连接组成，所述反射面六14由所述第十五曲线边、第十七曲线边、第十八曲线边、第十九曲线边、所述第二曲线边和第二十曲线边按顺时针的顺序连接组成，其中，所述第一曲线边、所述十一曲线边、所述第十六曲线边和所述第二十曲线边依次连接形成所述中心气体扩散孔15，所述第四曲线边、所述第八曲线边、所述第十三曲线边和所述第十八曲线边依次连接形成圆，所述第三曲线边、所述第四曲线边、所述第十八曲线和所述第十九曲线相交于同一点，所述第五曲线边、所述第四曲线边、所述第七曲线和所述第八曲线相交于同一点，所述第八曲线边、所述第九曲线边、所述第十二曲线和所述第十三曲线相交于同一点，所述第十三曲线边、所述第十四曲线边、所述第十七曲线和所述第十八曲线相交于同一点，所述第十九曲线和所述三曲线边、所述第五曲线和所述第七曲线边、所述第九曲线和所述第十二曲线边、所述第十四曲线和所述第十七曲线分别形成所述边缘气体扩散孔16。本文中的“曲线边”为由广义的曲线形成的边，其为直线边或非直线边，如，直线边、折线边、弧线边、波浪线边、直线与弧线组合形成的边，折线与弧线形成的边等。

本实施例中，所述反射面一21、所述反射面二22、所述反射面三11、所述反射面四12、所述反射面五13和所述反射面六14均凹面反射镜。所述腔体上盖1中的所述反射面三11、所述反射面四12、所述反射面五13和所述反射面六14的位置及形状的设计、所述腔体下盖2中的所述反射面一21和所述反射面二22的位置及形状的设计、所述红外光源3和所述探测器4在所述腔体下盖2中的安装位置的设计，共同配合，实现所述反射面一21的多次利用，延长光程，从而实现压缩紧凑型红外光学气体吸收池的空间，使其小型化的目的。

本发明实施例提供的上述紧凑型红外光学气体吸收池的吸收光路如图4所示。所述紧凑型红外光学气体吸收池由所述红外光源3发出红外光汇聚到反射面三11上，经过所述反射面三11的反射，汇聚到所述反射面一21上，光束再经过所述反射面一21的反射，汇聚到所述反射面四12上，后续依次汇聚到所述反射面四12、所述反射面二22、所述反射面六14、所述反射面一11、所述反射面五13，光束经过所述反射面五13的反射后，最终汇聚到所述探测器4的接收面上，由此可见，本发明提供的上述紧凑型红外光学气体吸收池经过所述腔体上盖1、所述腔体下盖2的各个反光曲面，进行了7次反射，做到了8倍空间距离的光程，实现了相对较长光程的设计目标，有利于该吸收池尽可能小。

实施例2

本发明实施例一种紧凑型红外光学气体吸收池，该红外光学气体吸收池与实施例1提供的红外光学气体吸收池的结构基本相同，不同之处在于：所述腔体上盖10中的四个反光曲面的形状不同，如图5所示，本实施例中，所述腔体上盖10的内壁由反射面三101、反射面四102、反射面五103和反射面六104按顺时针顺序拼接而成类球面结构，且该四个反光曲面尽在所述腔体上盖10的内壁的中央形成中心气体扩散孔15，相邻的两个反光曲面均没有在所述腔体上盖10的内壁的边缘形成边缘气体扩散孔，即，本实施例中采用的腔体上盖10仅在其内壁的中央形成有所述气体扩散孔15，除此之外，并没有其他气体扩散孔形成。

实施例3

请参阅图6和图7，本发明实施例提一种红外气体传感器，包括实施例1提供的所述紧凑型红外光学气体吸收池和信号采集电路板5，其中，所述红外光源3和所述探测器4分别连接所述信号采集电路板5，而且所述红外光源3和所述探测器4分别安装在所述紧凑型红外光学气体吸收池中，极大的方便了所述红外光源3、所述探测器4和所述信号采集电路板5的装配以及所述红外光源3、所述探测器4和所述腔体上盖1及腔体下盖2的配合。本实施例中，所述红外光源3和所述探测器4分别垂直焊接在所述信号采集电路板5上。

所述红外气体传感器还包括壳体6、防水透气膜7和管脚8，其中，所述壳体6容纳所述腔体上盖1、所述腔体下盖2、所述红外光源3、所述探测器4和所述信号采集电路板5，所述防水透气膜7设置在所述腔体上盖1的外部，所述管脚8设置在所述信号采集电路板5上，该管脚8与所述红外光源3分别设置在所述信号采集电路板5的两侧。具体地，所述壳体6为中空的、两段开口的柱形结构，所述腔体上盖1、所述腔体下盖2和所述信号采集电路板5从上至下容纳在所述壳体6中，所述紧凑型红外光学气体吸收池恰好装好所述壳体6中，所述信号采集电路板5的大小与所述壳体6的内腔大小相同，所述管脚8暴露在周围环境中。所述防水透气膜7设置在所述中心气体扩散孔15和所述边缘气体扩散孔16上，主要是为了防止水、灰尘进入所述紧凑型红外光学气体吸收池附着在其内壁上，影响光线反射效果。所述防水透气膜7和所述壳体6配合，将所述腔体上盖1装在所述壳体6中，避免所述腔体上盖1裸露在周围环境中。因此，本实施例提供的上述红外气体传感器在保证长光路的情况下，该传感器尽可能小，具有结构简单、装配方便、外形小巧、光路长的优点。

可以理解，本实施例中的所述紧凑型红外光学气体吸收池也可以使用实施例2提供的紧凑型红外光学气体吸收池。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种紧凑型红外光学气体吸收池，主要由腔体上盖、腔体下盖、红外光源和探测器组成，其特征在于：

所述腔体下盖设置有反射面一、反射面二、光学入射孔和光学出射孔，所述腔体下盖的内壁由位于中央的所述反射面一和围绕该反射面一设置的下盖侧面组成，所述反射面二、所述光学入射孔和所述光学出射孔间隔设置在所述反射面一的周围，所述反射面二在竖直方向上侧立设置在所述反射面一上，所述光学入射孔和所述光学出射孔均同时贯穿所述反射面一和所述下盖侧面，所述红外光源安装在所述光学入射孔处，所述探测器安装在所述光学出射孔处，使所述反射面二、所述红外光源和所述探测器的中心位于同一圆周上；

所述腔体上盖和所述腔体下盖配合形成光学腔体，所述腔体上盖的内壁由反射面三、反射面四、反射面五、反射面六顺序连接而成，并在所述腔体上盖的中央形成中心气体扩散孔，使得所述光学腔体为半封闭结构，所述反射面三、所述反射面四、所述反射面五和所述反射面六的顶点位于同一圆周上。

2.根据权利要求1所述的紧凑型红外光学气体吸收池，其特征在于：所述反射面二、所述红外光源和所述探测器的中心所在的圆周的圆心与所述反射面一的球心位于同一直线上。

3.根据权利要求2所述的紧凑型红外光学气体吸收池，其特征在于：所述反射面三、所述反射面四、所述反射面五和所述反射面六的顶点所在的圆周的圆心、所述中心气体扩散孔的中心以及所述反射面一的球心位于同一直线上。

4.根据权利要求1或2或3所述的紧凑型红外光学气体吸收池，其特征在于：所述腔体上盖中相邻的两个反光曲面分别在所述腔体上盖内壁的边缘形成边缘气体扩散孔。

5.根据权利要求1所述的紧凑型红外光学气体吸收池，其特征在于：所述腔体上盖与所述腔体下盖间采用胶封连接。

6.根据权利要求5所述的紧凑型红外光学气体吸收池，其特征在于：所述腔体上盖与所述腔体下盖通过设置定位凸台和定位凹槽定位。

7.根据权利要求1所述的紧凑型红外光学气体吸收池，其特征在于：所述反射面一、所述反射面二、所述反射面三、所述反射面四、所述反射面五和所述反射面六均为凹面反射镜。

8.一种红外气体传感器，包括：权利要求1～7任一项所述的紧凑型红外光学气体吸收池和信号采集电路板，所述红外光源和所述探测器分别连接所述信号采集电路板。

9.根据权利要求8所述的红外气体传感器，其特征在于：还包括容纳所述紧凑型红外光学气体吸收池和所述信号采集电路板的壳体。

10.根据权利要求8或9所述的红外气体传感器，其特征在于：还包括设置在所述腔体上盖外部的防水透气膜。