CN110361355B - 螺旋形气体浓度检测装置及其制作方法、报警装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供螺旋形气体浓度检测装置及其制作方法、报警装置，该螺旋形气体浓度检测装置包括反射室、扩散窗、中红外光源、双通道检测器、参考滤光片以及检测光滤光片，反射室开设有螺旋形槽，螺旋形槽的第一端开设有第一贯穿孔，螺旋形槽的第二端开设有第二贯穿孔；扩散窗开设有扩散通道，扩散窗盖设于螺旋形槽的开口处，扩散通道与螺旋形槽连通；中红外光源插设于第一贯穿孔中；双通道检测器包括位于同一水平面上的朝向第二贯穿孔的参考通道和检测通道；参考滤光片覆盖参考通道的进光口；检测光滤光片覆盖检测通道的进光口。本发明使中红外光源发出的光线在螺旋形槽中传播，有效优化空间结构，提高传感器集成度，实现红外传感器小型化。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度监测技术领域，特别是涉及一种螺旋形气体浓度检测装置及其制作方法、报警装置。
背景技术
工业气体产品是现代工业的重要基础原料，广泛应用于石油、化工、农业、医疗、食品、清洁能源、城市居民等领域。例如，甲烷、一氧化碳等可燃气体为现代工业生产和生活提供新一代清洁能源，适当浓度的二氧化碳可以提高农业产量。但是，工业气体也往往具有燃烧性、毒害性、窒息性、***性等危害。工业气体的浓度超出安全许可范围是安全事故发生的直接原因，对工业气体浓度的有效监测是保障气体安全的重要手段。近年来，随着我国经济的高速发展，工业气体在国民经济中的比重越来越高，工业气体浓度传感器作为气体安全的重要保障，具有巨大的市场需求。
气体传感器根据工作原理可分为电学气体传感器、化学气体传感器、光学气体传感器。其中，光学气体传感器的红外光谱传感器因具有浓度检测范围大、灵敏度高、选择性强、防爆性好、抗中毒、寿命长等优点受到了国内外研究人员和企业的重视。国际上，美国Honeywell公司、Spectrex公司；德国Drager公司；日本Tohoku大学、东京气体股份有限公司；芬兰Turku大学均已经开展了红外气体传感器的研究，并推出了传感器产品。在国内方面，天津大学、西安光机所、中国矿业大学、哈尔滨工业大学等单位在红外气体传感器领域也做出了大量的研究成果。但是，目前国内在这个领域多处于实验室研究阶段，未见成熟产品面市。因此，开展具有自主知识产权的高端红外气体传感器产品研制，打破国外对此类产品的技术垄断，具有迫切需求和现实意义。
现阶段国内外红外气体传感器选择的气体吸收光谱大多处于2μm以下的近红外波段。但是工业气体在3μm以上的中红外波段往往具有更强的吸收特性。例如甲烷在3.31μm中红外波长的吸收强度是1.67μm波长的200倍以上。因此，中红外气体传感器是未来发展趋势之一。另一方面，红外气体传感器的基本原理遵循朗伯比尔定律，因此提高传感器精度的有效方法是增大气室长度。然而，随着传感器技术集成化的发展趋势，大气室往往导致传感器体积巨大，安装维护难度大，不便于携带。目前为了进一步提高传感器的集成化程度，广泛采用折叠腔结构可以在较小尺寸条件下通过多次反射增大气室的工作长度。但折叠腔结构需要精密安装，对外界温度、湿度等环境因素非常敏感，对传感器产品的批量化生产和保证性能的一致性带来了更高的难度，难以适用于大规模工业化生产。
发明内容
本发明主要提供一种螺旋形气体浓度检测装置及其制作方法、报警装置，以优化空间结构，延长光与气体反应的光程，提高检测装置集成度，实现检测装置小型化。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种螺旋形气体浓度检测装置，该螺旋形气体浓度检测装置包括反射室、扩散窗、中红外光源、双通道检测器、参考滤光片以及检测光滤光片，反射室开设有螺旋形槽，螺旋形槽的第一端开设有第一贯穿孔，螺旋形槽的第二端开设有第二贯穿孔；扩散窗开设有扩散通道，扩散窗盖设于螺旋形槽的开口处，扩散通道与螺旋形槽连通；中红外光源插设于第一贯穿孔中；双通道检测器包括位于同一水平面上的朝向第二贯穿孔的参考通道和检测通道；参考滤光片覆盖参考通道的进光口；检测光滤光片覆盖检测通道的进光口；其中，所述中红外光源发出的光线通过所述螺旋形槽聚集至所述参考通道和所述检测通道，以同步得到参考波长光的参考光强度和检测波长光的检测光强度，通过所述参考光强度和所述检测光强度得到待检测气体的浓度。
为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种螺旋形气体浓度检测装置的制作方法，该螺旋形气体浓度检测装置的制作方法包括：挖设形成有螺旋形槽的反射室，且在螺旋形槽的第一端开设第一贯穿孔，螺旋形槽的第二端开设第二贯穿孔；挖设形成有扩散通道的扩散窗；将扩散窗盖设于螺旋形槽的开口处，且使扩散通道与螺旋形槽连通；将中红外光源插设于第一贯穿孔中；将双通道检测器朝向第二贯穿孔摆放，其中，双通道检测器包括位于同一水平面上的朝向第二贯穿孔的参考通道和检测通道；将参考滤光片覆盖参考通道的进光口；将检测光滤光片覆盖检测通道的进光口；其中，中红外光源发出的光线通过螺旋形槽聚集至参考通道和检测通道，以同步得到参考波长光的参考光强度和检测波长光的检测光强度，通过参考光强度和检测光强度得到待检测气体的浓度。
为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种可燃气体报警装置，该报警装置包括报警器和上述的螺旋形气体浓度检测装置，报警器与螺旋形气体浓度检测装置电连接，报警器用于在螺旋形气体浓度检测装置检测到可燃气体的浓度大于预设值时发出警示音。
本发明的有益效果是：中红外光源插设于第一贯穿孔中，双通道检测器朝向第二贯穿孔，中红外光源发出的光线从螺旋形槽的第一端出射，在经过螺旋形槽和扩散窗的反射作用后到达位于螺旋形槽的第二端的双通道检测器，通过检测通道的检测光强度和参考通道的参考光强度做差分运算处理，消除中红外光源功率波动和反射损耗因素干扰，获得气体浓度测量结果。本发明以中红外波段为工作波段，中红外波段具有更高的气体吸收系数，以提高气体检测的精度。此外，本发明优化检测装置光路通道，设计螺旋形气室结构，实现检测装置小型化目标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明提供的螺旋形气体浓度检测装置在一视角下的一实施例的分解结构示意图；
图2是本发明提供的螺旋形气体浓度检测装置在另一视角下的一实施例的分解结构示意图；
图3为本发明提供的中红外光源、参考滤光片和检测光滤光片的光谱曲线图；
图4为中红外光源及双通道检测器探测的光谱曲线图；
图5是本发明提供的螺旋形气体浓度检测装置的一实施例的光路走向示意图；
图6是本发明提供的螺旋形气体浓度检测装置的制作方法的一实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图5，图1是本发明提供的螺旋形气体浓度检测装置100在一视角下的一实施例的分解结构示意图，图2是本发明提供的螺旋形气体浓度检测装置100在另一视角下的一实施例的分解结构示意图，图3为本发明提供的中红外光源30、参考滤光片50和检测光滤光片60的光谱曲线图，图4为中红外光源30及双通道检测器40探测的光谱曲线图，图5是本发明提供的螺旋形气体浓度检测装置100的一实施例的光路走向示意图。
本发明的螺旋形气体浓度检测装置100包括反射室10、扩散窗20、中红外光源30、双通道检测器40、参考滤光片50和检测光滤光片60。
反射室10开设有螺旋形槽12，螺旋形槽12的第一端开设有第一贯穿孔，螺旋形槽12的第二端开设有第二贯穿孔，螺旋形槽12的第一端可以是起始端，螺旋形槽12的第二端可以是终止端，从而保证中红外光源30发出的光线所照射的光程最大。扩散窗20开设有扩散通道22，扩散窗20盖设于螺旋形槽12的开口处，扩散通道22与螺旋形槽12连通，扩散通道22允许气体流入螺旋形槽12中。
中红外光源30插设于第一贯穿孔中，双通道检测器40朝向第二贯穿孔，中红外光源30发出的光线从螺旋形槽12的第一端出射，在经过螺旋形槽12和扩散窗20的反射作用后到达位于螺旋形槽12的第二端的双通道检测器40。反射室10的螺旋形槽12优化螺旋形气体浓度检测装置100中的光路通道，设计螺旋形气室结构，实现传感器小型化目标。
双通道检测器40包括位于同一水平面上的参考通道和检测通道，参考滤光片50覆盖参考通道的进光口，检测光滤光片60覆盖检测通道的进光口，从而同步得到参考波长光的参考光强度和检测波长光的检测光强度，通过参考光强度和检测光强度的差分运算得到待检测气体的浓度。
双通道检测器40探测经气体吸收后的特定波长的光线的光强度，并将该光强度信号转化为对应的电信号；最后，根据朗伯比尔定律，在固定的光程长度下，特定波长的光线被吸收后的光强度与对应种类的气体的浓度具有线性对应关系，通过探测特定波长的光强度的变化量，换算出对应种类的气体的浓度。
在本实施例中，在相同光与气体作用距离下，随着气体浓度的增大，双通道检测器40探测的光强度差分信号变化增大，因而，建立气体浓度与探测器光强度差分信号一一对应的数学关系曲线，实现气体浓度传感测量，构成双通道检测器40。螺旋形气体浓度检测装置100采用集成的双通道检测器40同时探测参考光a和检测波长光b，使参考光a和检测波长光b具有完全相同的来源和传播路径，由外界环境、反射散射等造成的光强度扰动与光损耗完全相同，因此利用参考光a和检测波长光b的差分信号、可有效消除中红外光源30强度波动、传播损耗引起的光强度动干扰，进而提升螺旋形气体浓度检测装置100的检测稳定性和精度。
其中，中红外光源30可以是中红外光源30，中红外光源30发出3000纳米至7000纳米之间波段的光，这一波段的光更容易被待测气体吸收。
例如甲烷对波长为3310纳米的光的吸收强度是波长为1670纳米的光的200倍，从而提高了双通道检测器40的探测精度。中心波长为4200纳米～4300纳米的光更容易被二氧化碳吸收。中心波长为4600纳米～4700纳米的光更容易被一氧化碳吸收。参考波长光的中心波长可以设置为3930纳米至3950纳米，这一波段的光不容易被气体吸收。
其中，双通道检测器40可以采用热释电可燃气检测器，包括光敏电阻和与光敏电阻电连接的电路板，光敏电阻在光线的照射下，阻值会发生变化，进而改变流过其的电流的大小，电路板接收电流的大小，并将其转换成周期性的电信号，电信号经电路放大调理后，由A/D转换器转换成数字信号。
螺旋形槽12的轮廓形状为圆弧形，在反射室10的体积一定下，方形或者棱形的螺旋形槽12的长度小于圆弧形的螺旋形槽12的长度，从而提高光与气体的反应距离。进一步地，反射室10的形状为圆柱状，扩散窗20的形状也为圆柱状，以与圆弧形的螺旋形槽12相呼应。
扩散通道22朝向螺旋形槽12的侧壁，且扩散通道22的宽度大于螺旋形槽12的侧壁的宽度，这样既保证了气体可以通过扩散通道22进入螺旋形槽12中，也可以避免红外中红外光源30发出的光线在传播的过程中从扩散通道22射出。
螺旋形槽12的内壁做抛光处理，螺旋形槽12的内壁的粗糙度为2微米至4微米，和/或者，扩散窗20的朝向螺旋形槽12的表面做抛光处理，扩散窗20的朝向螺旋形槽12的表面的粗糙度为2微米至4微米。
可选地，螺旋形槽12的内壁可以镀高反射率金属膜，以提高反射率。和/或者，扩散窗20的朝向螺旋形槽12的表面也可以镀高反射率金属膜，以提高反射率。
高反射率金属膜包括：50～200纳米金膜、50～200纳米银膜、100～200纳米二氧化钛膜、100～200纳米五氧化二钒膜、100～200纳米二氧化硅膜、100～200纳米氟化镁膜、100～200纳米氮化硅膜中任一种。
螺旋形气体浓度检测装置100还包括第一反射板70和第二反射板80，第一反射板70和第二反射板80分别与扩散窗20连接，且插至于螺旋形槽12中，第一反射板70与第一贯穿孔的轴线方向成45度，以反射中红外光源30发出的光线，第二反射板80与第二贯穿孔的轴线方向成45度，以将光线反射至双通道检测器40。第一反射板70和第二反射板80相互配合，以使中红外光源30的轴向上发出的光线能够尽可能多地到达双通道检测器40处。
可选地，第一反射板70和/或者第二反射板80做抛光处理，粗糙度为2微米至4微米。
可选地，第一反射板70和/或者第二反射板80镀高反射率金属膜。
螺旋形气体浓度检测装置100还包括定位柱90，反射室10和扩散窗20中之一与定位柱90连接，反射室10和扩散窗20中另一设置有定位孔14，定位柱90过盈配合于定位孔14中以使反射室10和扩散窗20彼此固定。另外，定位柱90与定位孔14相互过盈配合，也有利于反射室10和扩散窗20之间的拆卸。
定位柱90的端部设置有第一倒角92，定位孔14的边沿设置有第二倒角16，第一倒角92和第二倒角16相互配合以使定位柱90导向***定位孔14中。
螺旋形气体浓度检测装置100还包括安装基座110，中红外光源30和双通道检测器40分别与安装基座110连接，安装基座110与反射室10的远离扩散窗20的一侧连接。通过设置安装基座110，以用于安装中红外光源30和双通道检测器40，可以使得结构更加紧凑，且通过一个元件即可以同时固定中红外光源30和双通道检测器40，进而减少了元件的数量，且也降低了安装复杂度，便于安装和拆卸，同时提高了安装精度。
本发明另一方面还提供一种可燃气体报警装置，可燃气体报警装置包括报警器和螺旋形气体浓度检测装置100，报警器与螺旋形气体浓度检测装置100电连接，报警器用于在螺旋形气体浓度检测装置100检测到可燃气体的浓度大于预设值时发出警示音。
其中，在本实施例中，螺旋形气体浓度检测装置100的结构与上述实施例中的螺旋形气体浓度检测装置100的结构相同，请参照上述实施例中的描述，此处不再赘述。可燃气体浓度的预设值可以根据防爆需求进行设置，本发明实施例不做具体限定。
请参阅图1和图6，图6是本发明提供的螺旋形气体浓度检测装置100的制作方法的一实施例的流程示意图。
S101：挖设形成有螺旋形槽12的反射室10，且在螺旋形槽12的第一端开设第一贯穿孔，螺旋形槽12的第二端开设第二贯穿孔。
S102：挖设形成有扩散通道22的扩散窗20。
S103：将扩散窗20盖设于螺旋形槽12的开口处，且使扩散通道22与螺旋形槽12连通。
反射室10开设有螺旋形槽12，螺旋形槽12的第一端开设有第一贯穿孔，螺旋形槽12的第二端开设有第二贯穿孔，螺旋形槽12的第一端可以是起始端，螺旋形槽12的第二端可以是终止端，从而保证中红外光源30发出的光线所照射的光程最大。扩散窗20开设有扩散通道22，扩散窗20盖设于螺旋形槽12的开口处，扩散通道22与螺旋形槽12连通，扩散通道22允许气体流入螺旋形槽12中。
S104：将中红外光源30插设于第一贯穿孔中。
S105：将双通道检测器40朝向第二贯穿孔摆放，其中，双通道检测器40包括位于同一水平面上的朝向第二贯穿孔的参考通道和检测通道。
中红外光源30插设于第一贯穿孔中，双通道检测器40朝向第二贯穿孔，中红外光源30发出的光线从螺旋形槽12的第一端出射，在经过螺旋形槽12和扩散窗20的反射作用后到达位于螺旋形槽12的第二端的双通道检测器40。反射室10的螺旋形槽12优化螺旋形气体浓度检测装置100中的光路通道，设计螺旋形气室结构，实现传感器小型化目标。
S106：将参考滤光片50覆盖参考通道的进光口。
S107：将检测光滤光片60覆盖检测通道的进光口。
双通道检测器40包括位于同一水平面上的参考通道和检测通道，参考滤光片50覆盖参考通道的进光口，检测光滤光片60覆盖检测通道的进光口，从而同步得到参考波长光的参考光强度和检测波长光的检测光强度，通过参考光强度和检测光强度的差分运算，得到待检测气体的浓度。
双通道检测器40探测经气体吸收后的特定波长的光线的光强度，并将该光强度信号转化为对应的电信号；最后，根据朗伯比尔定律，在固定的光程长度下，特定波长的光线被吸收后的光强度与对应种类的气体的浓度具有线性对应关系，通过探测特定波长的光强度的变化量，换算出对应种类的气体的浓度。
在本实施例中，在相同光与气体作用距离下，随着气体浓度的增大，双通道检测器40探测的光强度差分信号变化增大，因而，建立气体浓度与探测器光强度差分信号一一对应的数学关系曲线，实现气体浓度传感测量，构成双通道检测器40。螺旋形气体浓度检测装置100采用集成的双通道检测器40同时探测参考光a和检测波长光b，使参考光a和检测波长光b具有完全相同的来源和传播路径，由外界环境、反射散射等造成的光强度扰动与光损耗完全相同，因此利用参考光a和检测波长光b的差分信号、可有效消除中红外光源30强度波动、传播损耗引起的光强度动干扰，进而提升螺旋形气体浓度检测装置100的检测稳定性和精度。
值得注意的是，本实施例中所提到的螺旋形气体浓度检测装置100可以是上述任一实施例中的螺旋形气体浓度检测装置100，在此不一一赘述。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种螺旋形气体浓度检测装置，其特征在于，所述螺旋形气体浓度检测装置包括：
反射室，开设有螺旋形槽，所述螺旋形槽的轮廓形状为圆弧形，所述螺旋形槽的第一端开设有第一贯穿孔，所述螺旋形槽的第二端开设有第二贯穿孔；
扩散窗，开设有扩散通道，所述扩散窗盖设于所述螺旋形槽的开口处，所述扩散通道与所述螺旋形槽连通；
中红外光源，插设于所述第一贯穿孔中；
双通道检测器，包括位于同一水平面上的朝向所述第二贯穿孔的参考通道和检测通道；
安装基座，所述中红外光源和所述双通道检测器分别与所述安装基座连接，所述安装基座与所述反射室的远离所述扩散窗的一侧连接；
参考滤光片，覆盖所述参考通道的进光口；
检测光滤光片，覆盖所述检测通道的进光口；其中，所述中红外光源发出的光线通过所述螺旋形槽聚集至所述参考通道和所述检测通道，以同步得到参考波长光的参考光强度和检测波长光的检测光强度，通过所述参考光强度和所述检测光强度差分运算处理得到待检测气体的浓度；
所述螺旋形槽内还插设有用于反射所述中红外光源发出的光线的第一反射板和用于将光线反射至所述双通道检测器的第二反射板，所述第一反射板和所述第二反射板相互配合，以使所述中红外光源的轴向上发出的光线能够尽可能多地到达所述双通道检测器处。
2.根据权利要求1所述的螺旋形气体浓度检测装置，其特征在于，所述扩散通道朝向所述螺旋形槽的侧壁，且所述扩散通道的宽度大于所述螺旋形槽的侧壁的宽度。
3.根据权利要求1所述的螺旋形气体浓度检测装置，其特征在于，所述螺旋形槽的内壁的粗糙度为2微米至4微米，和/或者，所述扩散窗的朝向所述螺旋形槽的表面的粗糙度为2微米至4微米。
4.根据权利要求1所述的螺旋形气体浓度检测装置，其特征在于，所述螺旋形气体浓度检测装置还包括定位柱，所述反射室和所述扩散窗中之一与所述定位柱连接，所述反射室和所述扩散窗中另一设置有定位孔，所述定位柱过盈配合于所述定位孔中以使所述反射室和所述扩散窗彼此固定。
5.根据权利要求4所述的螺旋形气体浓度检测装置，其特征在于，所述定位柱的端部设置有第一倒角，所述定位孔的边沿设置有第二倒角，所述第一倒角和所述第二倒角相互配合以使所述定位柱导向***所述定位孔中。
6.根据权利要求1所述的螺旋形气体浓度检测装置，其特征在于，所述第一反射板和所述第二反射板分别与所述扩散窗连接，所述第一反射板与所述第一贯穿孔的轴线方向成45度，以反射所述中红外光源发出的光线，所述第二反射板与所述第二贯穿孔的轴线方向成45度，以将光线反射至所述双通道检测器。
7.一种螺旋形气体浓度检测装置的制作方法，其特征在于，所述螺旋形气体浓度检测装置的制作方法包括：
挖设形成有螺旋形槽的反射室，且在所述螺旋形槽的第一端开设第一贯穿孔，所述螺旋形槽的第二端开设第二贯穿孔，所述螺旋形槽的轮廓形状为圆弧形；
挖设形成有扩散通道的扩散窗；
将所述扩散窗盖设于所述螺旋形槽的开口处，且使所述扩散通道与所述螺旋形槽连通；
将中红外光源插设于所述第一贯穿孔中；
将双通道检测器朝向所述第二贯穿孔摆放，其中，所述双通道检测器包括位于同一水平面上的朝向所述第二贯穿孔的参考通道和检测通道；
将参考滤光片覆盖所述参考通道的进光口；
将检测光滤光片覆盖所述检测通道的进光口；
其中，所述中红外光源发出的光线通过所述螺旋形槽聚集至所述参考通道和所述检测通道，以同步得到参考波长光的参考光强度和检测波长光的检测光强度，通过所述参考光强度和所述检测光强度得到待检测气体的浓度；
所述螺旋形气体浓度检测装置还包括安装基座，所述中红外光源和所述双通道检测器分别与所述安装基座连接，所述安装基座与所述反射室的远离所述扩散窗的一侧连接；
所述螺旋形槽内还插设有用于反射所述中红外光源发出的光线的第一反射板和用于将光线反射至所述双通道检测器的第二反射板，所述第一反射板和所述第二反射板相互配合，以使所述中红外光源的轴向上发出的光线能够尽可能多地到达所述双通道检测器处。
8.一种报警装置，其特征在于，所述报警装置包括报警器和如权利要求1-6任一项所述的螺旋形气体浓度检测装置，所述报警器与所述螺旋形气体浓度检测装置电连接，所述报警器用于在所述螺旋形气体浓度检测装置检测到可燃气体的浓度大于预设值时发出警示音。
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