CN113340838A - 一种ndir气体检测传感器光路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体检测传感器的技术领域，且公开了一种NDIR气体检测传感器光路装置，包括主光路组件、反射组件、下光路壳体和电路板，所述主光路组件与所述下光路壳体形成圆柱形光线发射腔室；所述下光路壳体包括通孔一、通孔二、通孔三和光腔下反射面，所述通孔一位于所述光腔下反射面的中心位置；发射处的反射弧板减少光源发散角，增加光能利用率；光学腔室采用圆柱形，光程可以无限接近于圆周长度，增加反射次数，加大光程，同时圆柱的上下壁约束光线，避免光线跑出反射腔室，损失光能；接收处的反射弧，起到汇聚作用，在腔室内多次散射的光线到达接收反射弧，反射弧对光线起汇聚作用，汇聚的焦点为探测器的有效接收面。

Description

一种NDIR气体检测传感器光路装置

技术领域

本发明涉及气体检测传感器的技术领域，具体为一种NDIR气体检测传感器光路装置。

背景技术

气体检测传感器经常用于石油化工、煤炭、钢铁、智能楼宇、安全驾驶等行业，检测周围的气体浓度或者管道泄漏，并告知周围的气体环境是否安全或气体排放是否达标。此外该类产品也可以用于医疗行业，通过人们呼出的气体测试，当人员生病呼出的气体肯定与正常人有所变化，这样来就可以提前预防疾病，在病变初期就加以治疗，比如癌变等初期难被病人感知的一些疾病；目前通用的商业NDIR传感器检测方法如下，光源(传统钨丝灯炮，MEMS光源，LED或者LD)，经过一定的光程，最终到达探测器(热电堆探测器、热释电探测器、PD、PIN或者APD)，探测器将光信号转化为电信号，进行后续的信号处理；

朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律log(I/I0)＝-εcl，其中I0为x＝0处的光强，I为x＝l处的光强，c为气体分子的摩尔浓度，l为光程长度，ε消光因子，根据公式l越大，气体被吸收越充分，信号变化越大，因此传感器的分辨率和灵敏度也越好。主流NDIR传感器的为受限空间设计，主流尺寸平台如4R、7R或者iSeries，因此各NDIR传感器生产商都在光路设计上花费很大的精力，传统的光路为直射式或者A字型及其延伸的Z字型/W型等，空间利用不充分，光程短，严重影响了分辨率和灵敏度；由于传统的光源具有较大发散角，在设计传感器时，如果对光束不加约束，很大一部分光将不能到达探测器而浪费，从而降低了信噪比，进而影响分辨率和灵敏度。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种NDIR气体检测传感器光路装置，具备增加光能利用率、加大有效光程的优点，解决了不能约束光束的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种NDIR气体检测传感器光路装置，包括主光路组件、反射组件、下光路壳体和电路板，所述主光路组件与所述下光路壳体形成圆柱形光线反射腔室；

所述下光路壳体包括通孔一、通孔二、通孔三和光腔下反射面，所述通孔一位于所述光腔下反射面的中心位置，所述光腔下反射面上开设有所述通孔三和所述通孔二，所述电路板上设置有光源、环境传感器和探测器，所述环境传感器与通孔一位置对应，所述通孔二与所述光源位置对应，所述通孔三与所述探测器位置对应；

所述主光路组件包括第一壳体、第二壳体和通气孔，所述第一壳体的内侧壁设置有所述第二壳体，所述第二壳体的顶部至少开设有一个所述通气孔，所述第一壳体上有内壁，所述内壁为光学反射腔室的侧反射面，所述第二壳体上具有内平面，所述内平面为光学腔室的上反射面，所述内平面为光学腔室的上反射面，所述第二壳体的底部边缘处设置有所述反射组件。

优选的，所述反射组件包括反射弧板、底壁和侧壁，所述第二壳体的底部边缘处靠近所述第一壳体的内侧壁设置有两个所述反射弧板，两个所述反射弧板之间设置有所述底壁，所述底壁的一侧远离所述第一壳体的内侧壁连接所述侧壁，所述反射弧板的横截面和纵切面曲线可以为直线、圆弧、椭圆弧、抛物线、自由曲线。

通过采用上述方案，两个反射弧板的设置，利于改变光线反射在第一壳体内的位置，其中一个反射弧板起到汇聚作用，在第一壳体腔室内多次散射的光线到达第二个反射弧板，第二个反射弧板将光线汇聚并转向，焦点传输至探测器的有效接收面；反射弧板既有汇聚又有转向的作用，增加了空间体积的有效利用率。

优选的，所述第二壳体的顶部开设有通槽，所述通槽内设置有底板，所述底板通过调节组件和位置调节组件连接所述反射弧板。

通过采用上述方案，由底板将位置调节组件和调节组件进行支撑，并且由位置调节组件连接反射弧板，用户可控制位置调节组件改变反射弧板的角度，控制调节组件可对反射弧板进行旋转。

优选的，所述通槽的内部设置有所述底板；

所述位置调节组件包括底座、万向球和连接板，所述底板的底部对称设置有所述底座，所述底座的内侧壁活动连接有所述万向球，所述万向球的外侧壁设置有所述连接板，所述连接板与所述反射弧板连接；

所述调节组件包括杆体一和杆体二，所述连接板的顶部设置有所述杆体一，所述杆体二的底部滑动连接有所述杆体一。

通过采用上述方案，用户在调节反射弧板时，旋转连接板，连接板则带动反射弧板转动，当转动到一定位置后，按压连接板，使连接板带动万向球在底座内转动，按压的同时，杆体二则在杆体一内滑动，使连接板的高度受到限制。

优选的，所述底板的内侧壁转动连接环体一，所述环体一的内侧设置有环体二，所述环体一与所述环体二之间设置有限位部，所述限位部与所述杆体二转动连接。

通过采用上述方案，环体一转动的同时带动限位部在环体二的内侧转动。

优选的，所述底板的内部转动连接杆体三，所述杆体三的外侧壁设置有齿轮一，所述齿轮一与所述环体一啮合连接，所述杆体三的顶部设置有旋钮。

通过采用上述方案，用户在调节连接板的旋转位置时，旋拧旋钮，旋钮带动齿轮一转动，齿轮一带动环体一转动，环体一带动限位部转动，此时限位部上的杆体二也开始做圆周运动，限位部为空心圆柱体结构，与杆体二之间通过轴承连接。

优选的，所述底板的内侧壁转动连接环体三，所述环体三位于所述环体一的上方，所述杆体三的外侧壁设置有齿轮二，所述齿轮二可与所述环体三啮合连接，所述杆体二的顶端设置有齿轮三，所述齿轮三与所述环体三啮合连接，所述杆体一与所述杆体二螺纹连接。

通过采用上述方案，在杆体三转动时，则会带动齿轮二转动，齿轮二带动环体三转动，环体三则会与齿轮三啮合连接，从而带动杆体二旋转，此时，使杆体一上升或者下降。

优选的，所述杆体三的底端设置有杆体四，所述杆体四与所述杆体三滑动连接，所述杆体四与所述杆体三之间设置有弹簧。

通过采用上述方案，用户可按压杆体三，使杆体三下降，将齿轮二与环体三进行分开，弹簧的设置，可使杆体三在杆体四内复位，使齿轮二与环体三对接。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种NDIR气体检测传感器光路装置，具备以下有益效果：

该NDIR气体检测传感器光路装置，发射处的反射弧板减少光源发散角，增加光能利用率；光学腔室采用圆柱形，光程可以无限接近于圆周长度，增加反射次数，加大光程，同时圆柱的上下壁约束光线，避免光线跑出反射腔室，损失光能；接收处的反射弧，起到汇聚作用，在腔室内多次散射的光线到达接收反射弧，反射弧对光线起汇聚作用，汇聚的焦点为探测器的有效接收面；反射弧既有汇聚又有转向的作用，增加了空间体积的有效利用率。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图一；

图2为本发明立体结构示意图二；

图3为本发明增加底板的俯视结构示意图；

图4为本发明中底板、位置调节组件和调节组件连接结构示意图；

图5为本发明图4中的A处放大结构示意图；

图6为本发明中的环体一俯视结构示意图；

图7为本发明中的杆体三与杆体四连接结构示意图；

图8为本发明中的环体三结构示意图；

图9为本发明中的横截面光路图；

图10为本发明传感器的结构示意图。

图中：

1、主光路组件；11、第一壳体；111、内壁；12、第二壳体；121、内平面；13、通气孔；14、通槽；

2、反射组件；21、反射弧板；22、底壁；23、侧壁；

3、底板；

4、位置调节组件；41、底座；42、万向球；43、连接板；

5、调节组件；51、杆体一；52、杆体二；53、环体一；531、限位部；532、环体二；54、杆体三；541、旋钮；542、齿轮一；543、齿轮二；56、杆体四；57、齿轮三；58、环体三；59、弹簧；

6、底盖；

7、电路板；71、光源；72、环境传感器；73、探测器；

8、下光路壳体；81、通孔一；82、通孔二；83、通孔三；84、光腔下反射面；

9、防尘膜。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

一种NDIR气体检测传感器光路装置，包括主光路组件1、反射组件2、下光路壳体8和电路板7，所述主光路组件1与所述下光路壳体8形成圆柱形光线发射腔室；

所述下光路壳体8包括通孔一81、通孔二82、通孔三83和光腔下反射面84，所述通孔一81位于所述光腔下反射面84的中心位置，所述光腔下反射面84上开设有所述通孔三83和所述通孔二82，所述电路板7上设置有光源71、环境传感器72和探测器73，所述环境传感器72与通孔一81位置对应，所述通孔二82与所述光源71位置对应，所述通孔三83与所述探测器73位置对应；

所述主光路组件1包括第一壳体11、第二壳体12和通气孔13，所述第一壳体11的内侧壁设置有所述第二壳体12，所述第二壳体12的顶部至少开设有一个所述通气孔13，所述第一壳体11上有内壁111，所述内壁111为光学反射腔室的侧反射面，所述第二壳体12上具有内平面121，所述内平面121为光学腔室的上反射面，所述内平面121为光学腔室的上反射面，所述第二壳体12的底部边缘处设置有所述反射组件2；

所述反射组件2包括反射弧板21、底壁22和侧壁23，所述第二壳体12的底部边缘处靠近所述第一壳体11的内侧壁设置有两个所述反射弧板21，两个所述反射弧板21之间设置有所述底壁22，所述底壁22的一侧远离所述第一壳体11的内侧壁连接所述侧壁23，所述反射弧板21的横截面和纵切面曲线可以为直线、圆弧、椭圆弧、抛物线、自由曲线。

参阅图1-10，

通孔一81与环境芯片72位置对应，位于光学腔中心，即不影响光线反射，且能快速感应环境温度、湿度、压强等变化，通孔二82与光源71位置对应，光源71发出的光线经过通孔二82进入光学腔室，通孔三83与PCB板上探测器73位置对应，腔室光线经通孔三83进入探测器73将光信号转化为电信号进行探测，光腔下反射面84约束光线，限制光线在腔室传输；

目前主流的传感器尺寸为圆柱型或者方形。如下图9所示为圆形，如果要在圆截面内取得最大光程，通常为圆的内接正n边形，且n越大，光程越大，实际的设计中可根据传感器的空间尺寸、光源、探测器的尺寸，计算出在圆形截面最大反射次数n；

假设圆柱腔室的半径为r，光源为体积无限小、发散角为0的理想激光，光源中心与圆内接正n边形的AB边中心重合在D点，且光源的发射方向与AB平行，则D点发射的光经过圆柱内壁n次反射，最终回到D点，所以光程等于圆的内接正n边形的周长，L＝2n.r.sin(∠BOD)＝2n.r.sin(180/n)。因此，n越大，光程L越大。

在实际的应用中，光源具有一定的尺寸，比如光源的尺寸为a*b*c，且尺寸a处于圆柱的轴向，则在设计时，考虑到厚度等的影响，CD＝r-r.cos(180/n)>a/2，根据这个公式可以确定n的最大值；

为了充分利用垂直方向的距离，增加光程，本设计中所采用的光源和探测器可以直接贴片在水平PCB上。避免了主光路组件1垂直度对光程的影响；

在光源处应用反射弧板21减小光源的发散角，如果光源发射的光线方向与光学腔不在同一方向，反射弧板21还可以起到转向的作用。

如发射光源为直接贴在水平PCB板上，则发射光束在垂直方向传播，为使光束能在光学腔内水平方向传播，反射弧板21的作用即减小发散角，同时将光束由垂直方向转为水平方向传播。

圆柱形光学腔室，腔室高度0.5mm-5mm，腔室面积尽可能小，小腔室有利于提高气体交换速度，加速响应时间。圆柱形上下壁可以约束光束，避免光能损失；

接收出应用反射弧板21汇聚光束，使经过多次散射的有效光能尽可能多的汇聚到探测器的有效接收面处。

如接收探测器直接贴在PCB板上，为保证多次反射后的光学能够汇聚到接收探测器上，反射弧板21应该起到汇聚转向的作用。

两个反射弧板21的设置，利于改变光线反射在第一壳体11内的位置，其中一个反射弧板21起到汇聚作用，在第一壳体11腔室内多次散射的光线到达第二个反射弧板，第二个反射弧板21将光线汇聚并转向，焦点传输至探测器73的有效接收面；反射弧板21既有汇聚又有转向的作用，增加了空间体积的有效利用率。

反射弧板21的设置，利于改变光线反射在第一壳体11内的位置，用户在调节反射弧板21时，旋转连接板43，连接板43则带动反射弧板21转动，当转动到一定位置后，按压连接板43，使连接板43带动万向球在底座41内转动，按压的同时，杆体二52则在杆体一51内滑动，使连接板43的高度受到限制，用户在调节连接板43的旋转位置时，旋拧旋钮541，旋钮541带动齿轮一542转动，齿轮一542带动环体一53转动，环体一53带动限位部531转动，此时限位部531上的杆体二52也开始做圆周运动，限位部531为空心圆柱体结构，与杆体二52之间通过轴承连接。

实施例二

在实施例一的基础上增加了调节环体一53的功能。

所述第二壳体12的顶部开设有通槽14，所述通槽14内设置有底板3，所述底板3通过调节组件5和位置调节组件4连接所述反射弧板21；

所述通槽14的内部设置有所述底板3；

所述位置调节组件4包括底座41、万向球42和连接板43，所述底板3的底部对称设置有所述底座41，所述底座41的内侧壁活动连接有所述万向球42，所述万向球42的外侧壁设置有所述连接板43，所述连接板43与所述反射弧板21连接；

所述调节组件5包括杆体一51和杆体二52，所述连接板43的顶部设置有所述杆体一51，所述杆体二52的底部滑动连接有所述杆体一51；

所述底板3的内部转动连接杆体三54，所述杆体三54的外侧壁设置有齿轮一542，所述齿轮一542与所述环体一53啮合连接，所述杆体三54的顶部设置有旋钮541。

参阅图1-10，由底板3将位置调节组件4和调节组件5进行支撑，并且由位置调节组件4连接反射弧板21，用户可控制位置调节组件4改变反射弧板21的角度，控制调节组件5可对反射弧板21进行旋转；用户在调节反射弧板21时，旋转连接板43，连接板43则带动反射弧板21转动，当转动到一定位置后，按压连接板43，使连接板43带动万向球在底座41内转动，按压的同时，杆体二52则在杆体一51内滑动，使连接板43的高度受到限制；环体一53转动的同时带动限位部531在环体二532的内侧转动；用户在调节连接板43的旋转位置时，旋拧旋钮541，旋钮541带动齿轮一542转动，齿轮一542带动环体一53转动，环体一53带动限位部531转动，此时限位部531上的杆体二52也开始做圆周运动，限位部531为空心圆柱体结构，与杆体二52之间通过轴承连接。

实施例三

在实施例二的基础上增加了调节杆体二52高度的功能

所述底板3的内侧壁转动连接环体三58，所述环体三58位于所述环体一53的上方，所述杆体三54的外侧壁设置有齿轮二543，所述齿轮二543可与所述环体三58啮合连接，所述杆体二52的顶端设置有齿轮三57，所述齿轮三57与所述环体三58啮合连接，所述杆体一51与所述杆体二52螺纹连接，所述杆体三54的底端设置有杆体四56，所述杆体四56与所述杆体三54滑动连接，所述杆体四56与所述杆体三54之间设置有弹簧59。

参阅图1-10，在杆体三54转动时，则会带动齿轮二543转动，齿轮二543带动环体三58转动，环体三58则会与齿轮三57啮合连接，从而带动杆体二52旋转，此时，使杆体一51上升或者下降，用户可按压杆体三54，使杆体三54下降，将齿轮二543与环体三58进行分开，弹簧59的设置，可使杆体三54在杆体四56内复位，使齿轮二543与环体三58对接。

参阅图10，环境传感器72用于检测环境空气中的湿度、温度、压强等环境信息，为后续传感器信号补偿修正提供依据；防尘膜9的设置保护了主光路组件1，避免了灰尘进入。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种NDIR气体检测传感器光路装置，其特征在于：包括主光路组件(1)、反射组件(2)、下光路壳体(8)和电路板(7)，所述主光路组件(1)与所述下光路壳体(8)形成圆柱形光线反射腔室；

所述下光路壳体(8)包括通孔一(81)、通孔二(82)、通孔三(83)和光腔下反射面(84)，所述通孔一(81)位于所述光腔下反射面(84)的中心位置，所述光腔下反射面(84)上开设有所述通孔三(83)和所述通孔二(82)，所述电路板(7)上设置有光源(71)、环境传感器(72)和探测器(73)，所述环境传感器(72)与通孔一(81)位置对应，所述通孔二(82)与所述光源(71)位置对应，所述通孔三(83)与所述探测器(73)位置对应；

所述主光路组件(1)包括第一壳体(11)、第二壳体(12)和通气孔(13)，所述第一壳体(11)的内侧壁设置有所述第二壳体(12)，所述第二壳体(12)的顶部至少开设有一个所述通气孔(13)，所述第一壳体(11)上有内壁(111)，所述内壁(111)为光学反射腔室的侧反射面，所述第二壳体(12)上具有内平面(121)，所述内平面(121)为光学腔室的上反射面，所述第二壳体(12)的底部边缘处设置有所述反射组件(2)。

2.根据权利要求1所述的一种NDIR气体检测传感器光路装置，其特征在于：所述反射组件(2)包括反射弧板(21)、底壁(22)和侧壁(23)，所述第二壳体(12)的底部边缘处靠近所述第一壳体(11)的内侧壁设置有两个所述反射弧板(21)，两个所述反射弧板(21)之间设置有所述底壁(22)，所述底壁(22)的一侧远离所述第一壳体(11)的内侧壁连接所述侧壁(23)，所述反射弧板(21)的横截面和纵切面曲线可以为直线、圆弧、椭圆弧、抛物线、自由曲线。

3.根据权利要求2所述的一种NDIR气体检测传感器光路装置，其特征在于：所述第二壳体(12)的顶部开设有通槽(14)，所述通槽(14)内设置有底板(3)，所述底板(3)通过调节组件(5)和位置调节组件(4)连接所述反射弧板(21)。

4.根据权利要求3所述的一种NDIR气体检测传感器光路装置，其特征在于：所述通槽(14)的内部设置有所述底板(3)；

所述位置调节组件(4)包括底座(41)、万向球(42)和连接板(43)，所述底板(3)的底部对称设置有所述底座(41)，所述底座(41)的内侧壁活动连接有所述万向球(42)，所述万向球(42)的外侧壁设置有所述连接板(43)，所述连接板(43)与所述反射弧板(21)连接；

所述调节组件(5)包括杆体一(51)和杆体二(52)，所述连接板(43)的顶部设置有所述杆体一(51)，所述杆体二(52)的底部滑动连接有所述杆体一(51)。

5.根据权利要求4所述的一种NDIR气体检测传感器光路装置，其特征在于：所述底板(3)的内侧壁转动连接环体一(53)，所述环体一(53)的内侧设置有环体二(532)，所述环体一(53)与所述环体二(532)之间设置有限位部(531)，所述限位部(531)与所述杆体二(52)转动连接。

6.根据权利要求5所述的一种NDIR气体检测传感器光路装置，其特征在于：所述底板(3)的内部转动连接杆体三(54)，所述杆体三(54)的外侧壁设置有齿轮一(542)，所述齿轮一(542)与所述环体一(53)啮合连接，所述杆体三(54)的顶部设置有旋钮(541)。

7.根据权利要求6所述的一种NDIR气体检测传感器光路装置，其特征在于：所述底板(3)的内侧壁转动连接环体三(58)，所述环体三(58)位于所述环体一(53)的上方，所述杆体三(54)的外侧壁设置有齿轮二(543)，所述齿轮二(543)可与所述环体三(58)啮合连接，所述杆体二(52)的顶端设置有齿轮三(57)，所述齿轮三(57)与所述环体三(58)啮合连接，所述杆体一(51)与所述杆体二(52)螺纹连接。

8.根据权利要求7所述的一种NDIR气体检测传感器光路装置，其特征在于：所述杆体三(54)的底端设置有杆体四(56)，所述杆体四(56)与所述杆体三(54)滑动连接，所述杆体四(56)与所述杆体三(54)之间设置有弹簧(59)。

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