CN112378876B - 一种低功耗微型红外气体传感器及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了红外气体传感技术领域中的一种低功耗微型红外气体传感器及其实现方法，该传感器包括光学气室和电路板，光学气室中气室上盖上设有进气通道，气室底座上设有光源和探测器，光源和探测器均与电路板连接，反射壁的截面呈椭圆形，光源和探测器分别与该椭圆的两个焦点位置对应；该方法包括填充气体、发出中红外光并反射，探测器探测光信号并输出电信号，双通道进行差分计算得到待测气体浓度。本发明通过设计椭圆弧形反射镜结构，在保证较大光程的前提下，使光信号经过单次反射即可达到光探测器，有效解决因为光源发散和多次反射而导致光损耗增大的问题，提高光信号的利用率，从而降低光源的功耗，实现低功耗红外气体传感器。
Description
技术领域
本发明涉及中红外气体传感技术领域，具体的说，是涉及一种低功耗微型红外气体传感器及其实现方法。
背景技术
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，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。工业气体往往具有燃烧性、毒害性、窒息性、***性等特点，当其浓度超出安全许可范围，容易导致安全事故发生，因此，对工业气体浓度的有效监测是保障气体安全的重要手段。工业气体传感器作为气体安全的重要保障，具有巨大的市场需求，且近年来逐步向低功耗、微型化、便携式方向发展。
红外光学气体传感器具有响应快、测量精度高、抗干扰能力强、使用寿命长等优点，且不会出现有害气体中毒、老化等现象，受到市场的广泛认可。其工作原理是利用气体分子因固有的振动、转动频率，而对特定波长的红外光信号具有吸收作用，且光吸收强度与气体分子浓度呈正相关。因此，通过探测与气体分子相互作用的特定波长光信号功率变化，即可实现对特定气体浓度的精确检测。
目前，现有技术中常见红外气体传感器使用卤素灯红外光源。为保障传感器中光探测器能获得足够强的光信号，最直接的方法就是增强光源的发光效率。然而，红外光源的发光强度越大，功耗也就越大，其已成为当前红外气体传感器功耗的主要来源，不利于满足红外气体传感器向着小体积、低功耗、低成本方向发展的需求。另外，现有的一些红外气体传感器为了产品的小体积化，需要在有限体积内实现光线的多次反射，这无疑也就增加了光能的损耗。
上述缺陷，值得解决。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种低功耗微型红外气体传感器及其实现方法，其通过设计椭圆弧形反射镜结构，在保证较大光程的前提下，使光信号经过单次反射即可达到光探测器，有效解决因为光源发散和多次反射而导致光损耗增大的问题，提高光信号的利用率，从而降低光源的功耗，实现低功耗红外气体传感器。
本发明技术方案如下所述：
一方面，一种低功耗微型红外气体传感器，其特征在于，包括光学气室和电路板，所述光学气室包括气室上盖、反射壁及气室底座，所述反射壁位于所述气室上盖和所述气室底座之间，所述气室上盖上设有进气通道，所述气室底座上设有光源和探测器，所述光源和所述探测器均与所述电路板连接，其特征在于，
所述反射壁的截面呈椭圆形，所述光源和所述探测器分别与该椭圆的两个焦点位置对应。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述气室上盖上设有向下倾斜的斜面反射镜，所述斜面反射镜位于所述探测器的正上方。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述反射壁的上端设有上凸起，所述上凸起***所述气室上盖内，所述反射壁的下端设有下凸起，所述下凸起***所述气室底座内。
进一步的，所述上凸起***所述气室上盖的进气通道内，所述气室底座上设有固定槽，所述下凸起***所述固定槽内。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述光学气室内设有光源反射镜，所述光源反射镜位于所述光源与所述探测器之间。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述光学气室的内壁涂覆有反光材料。
另一方面，一种低功耗微型红外气体传感器的实现方法，其特征在于，
待测气体充盈于光学气室内；
位于椭圆形的光学气室其中一个焦点处的光源发出中红外光，中红外光照射反射壁后进行反射，经过所述反射壁反射的光线射入位于椭圆形的光学气室另一焦点处的探测器内；
所述探测器中的测量通道探测与所述待测气体吸收光谱相同的红外光信号，参考通道探测不被所述待测气体吸收的中红外光信号，并且所述测量通道和所述参考通道将探测的红外光信号转化为电信号输出；
所述参考通道的电信号输出与所述测量通道的电信号输出做差分计算，再由差分值计算得到所述待测气体的浓度。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明通过椭圆弧形反射镜结构的设计，在保证较大光程的前提下，使中红外光信号经过单次反射即可达到光探测器，有效解决因为光源发散和多次反射而导致光损耗增大的问题，提高光信号的利用率，从而降低光源的功耗，实现低功耗红外气体传感器，同时可以实现气体传感器的小型化设计，达到本领域常用的电化学传感器的标注尺寸，实现与现有气体传感器仪表的兼容。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明另一视角结构示意图；
图3为本发明的结构分解图；
图4为本发明另一视角的结构分解图；
图5为本发明的侧面剖视图；
图6为椭圆内的光路原理图；
图7为本发明的光路图；
图8为测量信号和甲烷气体浓度的变化曲线图。
在图中，10-气室上盖；11-斜面反射镜；12-光源反射镜上安装孔；13-进气通道；
20-反射壁；21-上凸起；22-下凸起；
30-气室底座；31-光源；32-探测器；321-测量通道；322-参考通道；33-固定槽；34-光源反射镜；
40-电路板；41-信号处理电路元器件。
具体实施方式
下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：
如图1至图7所示，一种低功耗微型红外气体传感器，包括光学气室和电路板40，光学气室包括气室上盖10、反射壁20及气室底座30，反射壁20位于气室上盖10和气室底座30之间。光学气室的内壁涂覆有反光材料。优选的，选用金作为反光材料，使得光学气室的内壁涂覆金层。
气室上盖10上设有进气通道13，使得气室内部的气体浓度和外界环境气体浓度保持一致。气室底座30上设有光源31和探测器32，且光源31和探测器32均位于气室底座30的上表面，其中光源31用于发射中红外光信号，探测器32用于探测穿过待测气体后的光信号。光源31和探测器32均与电路板40连接，电路板40上设有信号处理电路元器件41，用于实现光源31的发射及吸收光信号的处理，光源31发出的中红外信号经过光学气室的待测气体吸收后被探测器32接收，探测器32的信号由电路板40上的信号处理电路元器件41及对应线路处理后输出待测气体的浓度值，实现对气体浓度的检测。
反射壁20的内壁为反光面，且反射壁20的截面呈椭圆形，光源31和探测器32分别与该椭圆的两个焦点位置对应，通过将光源31和探测器32分别置于椭圆的两个焦点，使得光源31发出的光线经过反射壁20的反射后直接射入探测器32，在保证较大光程的前提下，使光信号经过单次反射即可达到光探测器32，有效解决因为光源31发散和多次反射而导致光损耗增大的问题，既能节省传感器光路占用的空间，实现传感器的小型化设计，同时能够提高光信号的利用率，实现低功耗、低成本设计。
反射壁20的上端设有上凸起21，上凸起21***气室上盖10内，反射壁20的下端设有下凸起22，下凸起22***气室底座30内。
进气通道13可以为通孔也可以是栅孔，进气通道13设计为栅孔时，上凸起21***气室上盖10的进气通道13内。本实施例中的进气通道13的一侧壁为弧形设计，且弧度与上凸起21的弧度一致，其弧形长度与上凸起21的弧形长度一致，使得上凸起21能够***进气通道13内，避免在气室上盖10上开设专门的固定孔。另外，气室底座30上设有固定槽33，固定槽33与下凸起22的形状、尺寸一致，下凸起22***固定槽33内。
优选的，气室上盖10上设有对称的两个进气通道13，可以使得气体能够均匀的进入光学气室内，保证光学气室内气体分布更加均匀，进而使得探测精准度更高。
气室上盖10上设有向下倾斜的斜面反射镜11，斜面反射镜11位于探测器32的正上方并朝向于光源31方向。斜面反射镜11的表面涂覆有反光材料，使得光源31发出的光线照射到斜面反射镜11后可以直接反射到探测器32处，实现光线的有效传输。优选的，斜面反射镜11与气室上盖10之间的夹角为45度，且斜面反射镜11的中心的高度与光源31的高度一致，可以保证光线传输角度的精度控制，保证探测信号更加准确；同时，本发明通过斜面反射镜11的设置，避免光源31发出的光线在椭圆的范围内不断反射并损耗，可以使得光源31发出的光线反射后直接被探测器32探测到，其对光源31光能的利用率起到了至关重要的作用。
在本发明中，光学气室内设有光源反射镜34（凹面镜），光源反射镜34位于光源31与探测器32之间，且光源反射镜34的曲率半径等于其内壁到光源31中心点的距离。优选的，光源反射镜34呈弧形，且光源31位于光源反射镜34的弧形圆心处，可以避免光源31发出的光信号直接进入探测器32。此时光源31发出的光信号重新聚焦到光源31的位置，再经由反射壁20反射至探测器32处，避免光信号不经反射直接入射到探测器32处，通过两次反射增加了有效光程，从而提高了探测器32的探测精度。
本实施例中的光源反射镜34的对称轴与光学气室的椭圆长轴重合，使得光源反射镜34对于椭圆长轴两侧的光的反射效果一致，进一步增加传感器的探测精度。
本发明通过光源反射镜34的应用具有以下优势：
（1）由于光源31的光信号直接入射探测器32的部分光程很短，气体对其吸收较低，而此部分光能量占据探测器接收能量的主导地位，降低了气体对于光的吸收作用，影响了传感器的精度，本发明通过光源反射镜34避免光源31到探测器32的直接入射，减少这部分光对于整个光能量的影响。
（2）若光源31的光线直接入射到探测器，此部分的短程光的气体吸收作用弱，占据了探测器的主导光功率的地位，因此导致探测器32具有较强的背景光，使气体吸收光功率占整个探测器光功率的比例下降，甚至淹没气体吸收引起的光功率变化，从而导致传感器精度不足。本发明可以让尽可能多的光经过长光程传播后到达探测器，保证光能与气体的高效吸收作用，提高传感器精度。
优选的，气室上盖10上设有光源反射镜上安装孔12，气室底座30上设有光源反射镜下安装孔，光源反射镜34的上下两端分别***光源反射镜上安装孔12和光源反射镜下安装孔内，通过光源反射镜上安装孔12和光源反射镜下安装孔对光源反射镜34进行固定，保证其稳固程度。
本发明中的探测器32包括测量通道321和参考通道322，测量通道321和参考通道322上安装有不同波长的滤波片。其中，测量通道321上的滤波片的波长与待测气体的吸收波长相同，参考通道322上的滤波片的波长与待测气体的吸收波长不同。可以使得测量通道321能够探测与待测气体波长相同的光信号，参考通道322能够测量与待测气体波长不同的光信号（测量不被待测气体吸收的光信号），使得两者吸收的波长错开。
优选的，测量通道321和参考通道322的连线垂直于椭圆的长轴，一来可以使得测量通道321和参考通道322能够充分接收到光学信号，二来可以保证两者接收到的光学信号强度相同，进而确保探测精度。
在本实施例中，由于光源31并非严格的点光源，其具有一定尺寸的发光面，因此将光源31置于椭圆的一个焦点后，在另一个焦点的位置形成一定面积的光斑。因此在另一焦点处，测量通道321和参考通道322均位于该光斑范围内，使得测量通道321和参考通道322均可接受光信号。另外，经过斜面反射镜11漫反射后的光线可以均匀的射入测量通道321和参考通道322内。
如图6、图7所示，将光学气室的反射壁20设计成椭圆形，并把光源31和探测器32分别放置在椭圆形反射壁20的第一焦点（图6的P1）和第二焦点（图6的P2）处，使得光源31发出的光信号经过椭圆形反射壁20反射后最终汇聚到探测器32处，且光源31发出的各个方向的光会聚到探测器32做经过的光程相等，在保证较大光程的前提下，使光信号经过单次反射即可达到光探测器32，有效解决因为光源31发散和多次反射而导致光损耗增大的问题。
上述低功耗微型红外气体传感器的实现方法，包括以下实现步骤：
（1）将待测气体充盈于光学气室内；
（2）位于椭圆形的光学气室其中一个焦点处的光源31发出中红外光，中红外光照射反射壁20后进行反射，经过反射壁20反射的光线射入位于椭圆形的光学气室另一焦点处的探测器32内；
（3）探测器32中的测量通道321探测与待测气体吸收光谱相同的红外光信号，参考通道322探测不被待测气体吸收的中红外光信号，并且测量通道321和参考通道322将探测的红外光信号转化为电信号输出；
（4）参考通道322的电信号输出与测量通道321的电信号输出做差分计算，再有差分值计算得到待测气体的浓度。由于通过测量通道321和参考通道322的差分运算（比值），可以抵消光源31波动和气室散射对于测量结果的干扰，因此通过将参考通道322和测量通道321的电信号进行差分运算，再由差分值计算可以得到精准的计算结果。
在步骤（4）进行信号处理的过程中，设参考通道322的电信号输出为I1，测量通道321的电信号输出为I2，将参考通道322输出I1与测量通道321输出T2做差分计算得到I=I2/I1；再根据所测的差分信号I与待测气体浓度（C）的正相关性：I=f（C），并根据此关系进行气体浓度标定；最后根据获取的差分信号I，输出待测气体的浓度。
在上述实现过程中，将光源31和探测器32分别放置在椭圆的两个焦点，从光源31发出的不同角度方向的光，经过椭圆弧形反射壁20反射汇聚到探测器32，且均具有相同的光程，同时由于反射次数少、反射损耗低、聚光效率高，可以有效提高光信号的利用率，从而降低对光源31输出光功率，实现低功耗红外气体传感器设计目标。
以甲烷气体测试为例，如图8所示，光学气室内充盈甲烷气体，测量通道321的信号由于气体吸收的缘故随着甲烷气体浓度的增大而减弱，而参考通道322的信号保持不变。由于测量信号和参考信号除了对气体响应有所不同以外，对其他外界信号的响应均一致，比如气室内壁反射率降低、光源31老化导致光功率下降等，因此通过差分信号计算得到气体浓度，能有效消除气体以外其他信号的干扰，使得传感器能够准确的反映出气体的浓度信息。
本发明的红外气体传感器具有以下优势：
（1）本发明通过反射壁20的椭圆形设计，并将光源31和探测器32分别放置在椭圆弧形反射壁20的第一焦点和第二焦点处，使得中红外光源发出的光信号经过椭圆弧形反射壁20反射后最终汇聚到探测器32处，且光源31发出的各个方向的光会聚到探测器32做经过的光程相等，有利于保证光与气体充分作用，提高光能利用效率，同时有利于保持传感器之间参数性能的一致性和稳定性，有助于批量化生产；
（2）光源31和探测器32之间设置光源反射镜34，能避免光源31发出的光信号不经过反射直接射入探测器32，通过两次反射增加了有效光程，提高了探测器32的探测精度；
（3）气室上盖10上两个进气通道13可以保证光学气室内气体浓度与外界环境气体浓度保持一致，且内部气体分布更加均匀；
（4）本发明中的光学气室内壁镀金反射膜，可以降低散射损耗，提高光的反射率，加上气室上盖10的斜面反射镜11设计，可以有效保证光信号充分射入探测器32中，从而提高了探测器32对光信号的探测效率，有助于降低光源31功耗。
本发明具有结构简单、光程一致性高，光散射损耗小，光探测效率高，从而有助于降低传感器功耗，满足红外气体传感器向着小体积、低功耗、低成本方向发展的需求。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种低功耗微型红外气体传感器，其特征在于，包括光学气室和电路板，所述光学气室包括气室上盖、反射壁及气室底座，所述反射壁位于所述气室上盖和所述气室底座之间，所述气室上盖上设有进气通道，所述气室底座上设有光源和探测器，所述光源和所述探测器均与所述电路板连接，其特征在于，
所述反射壁的截面呈椭圆形，所述光源和所述探测器分别与该椭圆的两个焦点位置对应；
所述反射壁的上端设有上凸起，所述上凸起***所述气室上盖内，所述反射壁的下端设有下凸起，所述下凸起***所述气室底座内；
所述光学气室内设有光源反射镜，所述光源反射镜位于所述光源与所述探测器之间，且光源反射镜的曲率半径等于其内壁到光源中心点的距离，光源反射镜呈弧形，且光源位于光源反射镜的弧形圆心处。
2.根据权利要求1所述的低功耗微型红外气体传感器，其特征在于，所述气室上盖上设有向下倾斜的斜面反射镜，所述斜面反射镜位于所述探测器的正上方。
3.根据权利要求1所述的低功耗微型红外气体传感器，其特征在于，所述上凸起***所述气室上盖的进气通道内，所述气室底座上设有固定槽，所述下凸起***所述固定槽内。
4.根据权利要求1所述的低功耗微型红外气体传感器，其特征在于，所述光学气室的内壁涂覆有反光材料。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的低功耗微型红外气体传感器的实现方法，其特征在于，
待测气体充盈于光学气室内；
位于椭圆形的光学气室其中一个焦点处的光源发出中红外光，中红外光照射反射壁后进行反射，经过所述反射壁反射的光线射入位于椭圆形的光学气室另一焦点处的探测器内；
所述探测器中的测量通道探测与所述待测气体吸收光谱相同的光信号，参考通道探测不被所述待测气体吸收的中红外光信号，并且所述测量通道和所述参考通道将探测的红外光信号转化为电信号输出；
所述参考通道的电信号输出与所述测量通道的电信号输出做差分计算，再由差分值计算得到所述待测气体的浓度。
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