CN115684009A - 一种小型红外气体传感器及工作原理 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体传感器技术领域，且公开了一种小型红外气体传感器及工作原理，包括光路上盖，上述光路上盖的底部设置有光路底盖，上述光路底盖的底部设置有信号放大电路板，上述信号放大电路板的底部设置有信号处理电路板，光路上盖的底部开设有凹槽光通路，凹槽光通路的内部开设有光路上盖透气孔一、光路上盖透气孔二、光路上盖透气孔三和光路上盖透气孔四，光路上盖的外侧壁开设有光路螺纹固定孔一和光路螺纹固定孔二。该小型红外气体传感，能够在较小的体积下实现较大的光程，使一端的红外光源发出的红外光尽可能多地反射汇聚到红外热释电探头处，达到传感器小型化、低功耗、高精度的目的。

Description

一种小型红外气体传感器及工作原理

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，具体为一种小型红外气体传感器及工作原理。

背景技术

随着社会的发展，工业气体的应用越来越广泛，对于气体传感器的需求也在不断扩大。在传统的煤矿、油田行业现场，极有可能存在着天然的甲烷、一氧化碳等有毒易爆气体，若浓度超标将会对工作人员产生极大的生命威胁，因此配备了大量的气体传感器监测工作环境，以保证人员的安全。同时，为了检测气体泄露，越来越多的化工厂、居民住宅也开始配备各式各样的气体传感器以保证安全。气体传感器作为环境安全的重要保证，有着巨大的市场需求，且逐年来不断往小型、低功耗的方向发展。目前常用的气体传感器主要有催化燃烧式、电化学式、非色散红外式等测量原理。

催化燃烧式传感器主要基于惠斯通电桥原理测量目标气体，当传感器处于空气中时，电桥平衡，输出电压为0。当通入可燃气体时，特殊电阻丝会发生催化燃烧反应打破电桥平衡，输出电压增加。这类传感器成本较低，但是读数容易受温度及湿度影响，无法进行高分辨率测量，需要定期校准。同时可燃气体均能进行催化燃烧反应，因此传感器无法分辨出气体的种类。

电化学式气体传感器主要通过目标气体与其内部的化学电解液产生电化学反应，从而产生微小的电压，以达到检测目的。这类传感器气体选择性较好，但易产生零点漂移，需要定期校准，同时传感器的寿命不长，一般为2 年左右。

非色散红外式气体传感器(NDIR气体传感器)主要基于朗伯比尔定律对目标气体进行测量。传感器主要由光路、红外光源、红外接收探头和放大电路板组成。待测目标气体应为非极性气体(甲烷、一氧化碳、二氧化碳等)，此类气体对固定波段的红外光具有吸收作用，当存在目标气体时，相对于波段的红外光的光强将会减弱。此类传感器工作原理流程为：红外光源与红外接收探头安装于光路模组当中，光路模组内部镀金且具有特殊通道结构，红外光源发出的红外光能在光路中反射传导至红外接收探头上，接收探头集成了目标气体吸收波段的滤光片，保证了探头只会接收到目标气体吸收峰处的红外光强。探头将光强转化为电压信号并由放大电路板放大并计算气体浓度。此类传感器对由于探头的窄带滤光片，对目标气体的选择性最好，测量结果不会受到其他气体的影响，同时有着优于催化燃烧式传感器的抗干扰能力，不受温度和湿度影响。理论寿命5年以上，是目前综合性能最好的气体传感器。

在目前的红外气体传感领域中，为了得到精确的测量结果，往往需要增加放大倍数，提高电路输出的信号电压，但增加放大倍数的同时也放大了噪声导致传感器性能下降，因此有必要从源头提高红外探头的输出。提高探头输出的最直接方法就是增大红外光源的供电电压，产生更强的红外光。但发光强度越大功耗也会增加，不符合如今传感器低功耗的发展趋势，同时内部积热问题也会影响传感器的长时间稳定性。另一种提高探头输出的方法是修改优化光路结构，光路越长，气体吸收效果约明显，但多次的折反射会增加红外光的损耗。因此，在小体积限制下设计出一种长光程的光路结构，以保证红外光尽可能多的汇聚到红外探头处，是当前红外气体传感器最主要的设计难点，为此，提出一种小型红外气体传感器，用于解决上述背景中存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型红外气体传感器及工作原理，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种小型红外气体传感器，包括光路上盖，上述光路上盖的底部设置有光路底盖，上述光路底盖的底部设置有信号放大电路板，上述信号放大电路板的底部设置有信号处理电路板；

所述光路上盖的底部开设有凹槽光通路，所述凹槽光通路的内部开设有光路上盖透气孔一、光路上盖透气孔二、光路上盖透气孔三和光路上盖透气孔四，所述光路上盖的外侧壁开设有光路螺纹固定孔一和光路螺纹固定孔二；

所述光路底盖的底部开设有红外热释电探头固定孔，所述光路底盖的外侧壁上开设有光路螺纹固定孔三和光路螺纹固定孔三，所述光路底盖的外侧壁上还开设有红外光源固定孔；

所述信号放大电路板的顶部固定连接有红外光源，所述信号放大电路板的顶部还固定连接有红外热释电探头，所述红外热释电探头的顶部分别固定连接有参考红外波段滤光片和目标气体红外波段滤光片；

所述信号处理电路板的顶部分别固定连接有电路板连接端子一和电路板连接端子二，所述信号处理电路板的底部分别固定连接有调试用接线端子、供电与数据传输用接线端子和供电与信号处理电路元件。

优选的，所述光路螺纹固定孔一和光路螺纹固定孔二与光路螺纹固定孔三和光路螺纹固定孔四分别相对应设置，所述光路螺纹固定孔一与光路螺纹固定孔三以及光路螺纹固定孔二与光路螺纹固定孔四之间均通过螺栓连接。

优选的，红外光源固定孔与红外光源相适配，所述红外光源插接于红外光源固定孔内部并延伸于红外光源固定孔的上方，且红外光源的顶端与凹槽光通路的一端相适配。

优选的，所述红外热释电探头固定孔与红外热释电探头相适配，所述红外热释电探头插接于红外热释电探头固定孔内。

优选的，所述信号放大电路板与信号处理电路板之间通过电路板连接端子一和电路板连接端子二组合连接固定。

一种小型红外气体传感器的工作原理，流程如下：

S1、信号处理电路板发出驱动红外光源的信号来驱动红外光源工作，红外光源和红外热释电探头位于凹槽光通路的两端，当红外光源发出红外光后，红外光在凹槽光通路中聚集并反射传导至另一端红外热释电探头的所在处。

S2、红外热释电探头含有两个输入窗口用于接收红外光，同时每个窗口上均设有特定波段的滤光片，参考红外波段滤光片为3.95um波段滤光片，而目标气体红外波段滤光片为3.5um；

S3、红外光源发出的为广谱红外光，波长范围为3um-5um，光线在经过凹槽光通路反射传导后照射到红外热释电探头上，由于两个通道滤光片的作用，使得参考通道只接收到了3.9um的红外光，测量通道只接收到了3.5um的红外光。

S4、红外热释电探头在接收到红外光后将光信号转化为电信号，并由信号放大电路板的元器件放大，由电路板连接端子一传输到信号处理电路板进行信号的处理与分析。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

第一、本发明其内部为圆弧状凹槽光通路，能够在较小的体积下实现较大的光程，使一端的红外光源发出的红外光尽可能多地反射汇聚到红外热释电探头处，利用低功耗的光源有效增强了红外热释电探头的原始信号，达到传感器小型化、低功耗、高精度的目的。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明上视结构分解示意图；

图3为本发明下视结构分解示意图；

图4为本发明光路底板结构示意图

图5为本发明光路上盖结构示意图。

其中：10、光路上盖；11、光路上盖透气孔一；12、光路螺纹固定孔一； 13、光路螺纹固定孔二；14、凹槽光通路；15、光路上盖透气孔二；16、光路上盖透气孔三；17、光路上盖透气孔四；20、光路底盖；21、红外热释电探头固定孔；22、光路螺纹固定孔三；23、光路螺纹固定孔四；24、红外光源固定孔；30、信号放大电路板；31、红外光源；32、红外热释电探头；321、参考红外波段滤光片；322、目标气体红外波段滤光片；40、信号处理电路板； 41、电路板连接端子一；42、电路板连接端子二；43、调试用接线端子；44、供电与数据传输用接线端子；45、供电与信号处理电路元件。

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

本实施例为一种小型红外气体传感器的具体实施方式。

请参阅图1-5，一种小型红外气体传感器，包括光路上盖10，上述光路上盖10的底部设置有光路底盖20，上述光路底盖20的底部设置有信号放大电路板30，上述信号放大电路板30的底部设置有信号处理电路板40；

光路上盖10的底部开设有凹槽光通路14，凹槽光通路14的内部开设有光路上盖透气孔一11、光路上盖透气孔二15、光路上盖透气孔三16和光路上盖透气孔四17，光路上盖10的外侧壁开设有光路螺纹固定孔一12和光路螺纹固定孔二13；

光路底盖20的底部开设有红外热释电探头固定孔21，光路底盖20的外侧壁上开设有光路螺纹固定孔三22和光路螺纹固定孔三23，光路底盖20的外侧壁上还开设有红外光源固定孔24；

信号放大电路板30的顶部固定连接有红外光源31，信号放大电路板30 的顶部还固定连接有红外热释电探头32，红外热释电探头32的顶部分别固定连接有参考红外波段滤光片321和目标气体红外波段滤光片322；

信号处理电路板40的顶部分别固定连接有电路板连接端子一41和电路板连接端子二42，信号处理电路板40的底部分别固定连接有调试用接线端子 43、供电与数据传输用接线端子44和供电与信号处理电路元件45。

通过上述技术方案，光路上盖10、光路底盖20以及信号放大电路板30 通过电路板以及光路上的光路螺纹固定孔一12、光路螺纹固定孔二13和光路螺纹固定孔三22、光路螺纹固定孔四23进行固定形成一个整体，这样光路上盖10上的凹槽光通路14与光路底盖20合并构成了封闭的光学反射通路，用于气体的检测，凹槽光通路14为半径1.25mm的球形凹槽，长度4.3cm，圆弧形的凹槽结构有利于红外光线的汇聚及传导，同时光路上盖10及光路底盖20 均采用镀金工艺，提高了光线反射率和光路结构抗腐蚀能力。

具体的，光路螺纹固定孔一12和光路螺纹固定孔二13与光路螺纹固定孔三22和光路螺纹固定孔四23分别相对应设置，光路螺纹固定孔一12与光路螺纹固定孔三22以及光路螺纹固定孔二13与光路螺纹固定孔四23之间均通过螺栓连接。

具体的，红外光源固定孔24与红外光源31相适配，红外光源31插接于红外光源固定孔24内部并延伸于红外光源固定孔24的上方，且红外光源31 的顶端与凹槽光通路14的一端相适配。

具体的，红外热释电探头固定孔21与红外热释电探头32相适配，红外热释电探头32插接于红外热释电探头固定孔21内。

具体的，信号放大电路板30与信号处理电路板40之间通过电路板连接端子一41和电路板连接端子二42组合连接固定。

通过上述技术方案，信号处理电路板40和信号放大电路板30由电路板连接端子一41和电路板连接端子二42组合连接，用于信号处理电路板40给信号放大电路板30供电、驱动红外光源工作，以及930的信号传输给信号处理电路板40进行分析处理。

实施例二

本实施例为一种小型红外气体传感器的工作原理的具体实施方式。

一种小型红外气体传感器的工作原理，流程如下：

S1、信号处理电路板40发出驱动红外光源的信号来驱动红外光源31工作，红外光源31和红外热释电探头32位于凹槽光通路14的两端，当红外光源31发出红外光后，红外光在凹槽光通路14中聚集并反射传导至另一端红外热释电探头32的所在处。

S2、红外热释电探头32含有两个输入窗口用于接收红外光，同时每个窗口上均设有特定波段的滤光片，参考红外波段滤光片321为3.95um波段滤光片，而目标气体红外波段滤光片322为3.5um目标气体以甲烷为例；

S3、红外光源31发出的为广谱红外光，波长范围为3um-5um，光线在经过凹槽光通路14反射传导后照射到红外热释电探头32上，由于两个通道滤光片的作用，使得参考通道只接收到了3.9um的红外光，测量通道只接收到了3.5um的红外光。

S4、红外热释电探头32在接收到红外光后将光信号转化为电信号，并由信号放大电路板30的元器件放大，由电路板连接端子一41传输到信号处理电路板40进行信号的处理与分析。

通过上述技术方案，当环境中存在目标气体时，目标气体通过光路上盖 10的光路上盖透气孔一11、光路上盖透气孔二15、光路上盖透气孔三16和光路上盖透气孔四17进入凹槽光通路14后，能够吸收对应测量通道滤光片波段的红外光，以甲烷气体为例，气体将会吸收3.5um的红外光，导致红外热释电探头32的测量通道接收的3.5um红外光光强减小，进而导致放大后的电压信号减小，而减小的电压信号将被传输至信号处理电路板40进行分析与处理，由此计算出当前的气体浓度，使用过程中，将处于信号处理电路板40 上的供电与数据传输用接线端子44接入外部TTL通讯模块，即可收到本装置所计算出的实时目标气体浓度数据。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种小型红外气体传感器，包括光路上盖(10)，其特征在于：上述光路上盖(10)的底部设置有光路底盖(20)，上述光路底盖(20)的底部设置有信号放大电路板(30)，上述信号放大电路板(30)的底部设置有信号处理电路板(40)；

所述光路上盖(10)的底部开设有凹槽光通路(14)，所述凹槽光通路(14)的内部开设有光路上盖透气孔一(11)、光路上盖透气孔二(15)、光路上盖透气孔三(16)和光路上盖透气孔四(17)，所述光路上盖(10)的外侧壁开设有光路螺纹固定孔一(12)和光路螺纹固定孔二(13)；

所述光路底盖(20)的底部开设有红外热释电探头固定孔(21)，所述光路底盖(20)的外侧壁上开设有光路螺纹固定孔三(22)和光路螺纹固定孔三(23)，所述光路底盖(20)的外侧壁上还开设有红外光源固定孔(24)；

所述信号放大电路板(30)的顶部固定连接有红外光源(31)，所述信号放大电路板(30)的顶部还固定连接有红外热释电探头(32)，所述红外热释电探头(32)的顶部分别固定连接有参考红外波段滤光片(321)和目标气体红外波段滤光片(322)；

所述信号处理电路板(40)的顶部分别固定连接有电路板连接端子一(41)和电路板连接端子二(42)，所述信号处理电路板(40)的底部分别固定连接有调试用接线端子(43)、供电与数据传输用接线端子(44)和供电与信号处理电路元件(45)。

2.根据权利要求1所述的一种小型红外气体传感器，其特征在于：所述光路螺纹固定孔一(12)和光路螺纹固定孔二(13)与光路螺纹固定孔三(22)和光路螺纹固定孔四(23)分别相对应设置，所述光路螺纹固定孔一(12)与光路螺纹固定孔三(22)以及光路螺纹固定孔二(13)与光路螺纹固定孔四(23)之间均通过螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的一种小型红外气体传感器，其特征在于：红外光源固定孔(24)与红外光源(31)相适配，所述红外光源(31)插接于红外光源固定孔(24)内部并延伸于红外光源固定孔(24)的上方，且红外光源(31)的顶端与凹槽光通路(14)的一端相适配。

4.根据权利要求1所述的一种小型红外气体传感器，其特征在于：所述红外热释电探头固定孔(21)与红外热释电探头(32)相适配，所述红外热释电探头(32)插接于红外热释电探头固定孔(21)内。

5.根据权利要求1所述的一种小型红外气体传感器，其特征在于：所述信号放大电路板(30)与信号处理电路板(40)之间通过电路板连接端子一(41)和电路板连接端子二(42)组合连接固定。

6.一种小型红外气体传感器的工作原理，其特征在于：流程如下：

S1、信号处理电路板(40)发出驱动红外光源的信号来驱动红外光源(31)工作，红外光源(31)和红外热释电探头(32)位于凹槽光通路(14)的两端，当红外光源(31)发出红外光后，红外光在凹槽光通路(14)中聚集并反射传导至另一端红外热释电探头(32)的所在处。

S2、红外热释电探头(32)含有两个输入窗口用于接收红外光，同时每个窗口上均设有特定波段的滤光片，参考红外波段滤光片(321)为3.95um波段滤光片，而目标气体红外波段滤光片(322)为3.5um(目标气体以甲烷为例)；

S3、红外光源(31)发出的为广谱红外光，波长范围为3um-5um，光线在经过凹槽光通路(14)反射传导后照射到红外热释电探头(32)上，由于两个通道滤光片的作用，使得参考通道只接收到了3.9um的红外光，测量通道只接收到了3.5um的红外光。

S4、红外热释电探头(32)在接收到红外光后将光信号转化为电信号，并由信号放大电路板(30)的元器件放大，由电路板连接端子一(41)传输到信号处理电路板(40)进行信号的处理与分析。

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