CN217332159U - 气体浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种气体浓度检测装置，包括壳体和连接于壳体的检测模块，其中壳体具有用于容纳待测气体的光学气室，光学气室的表面包括间隔设置的顶壁和底壁，及围设在顶壁和底壁四周的侧壁，侧壁包括至少两个沿壳体的周向依次连接的第一侧壁，光学气室的表面涂覆有用于反射光束的镀层；检测模块至少部分收容于光学气室中，检测模块具有发射口和接收口，发射口发射的部分光束能够依次被朝向发射口的第一侧壁和朝向接收口的第一侧壁反射后被所述接收口接收，使得上述气体浓度检测装置在体积较小的同时，还能保证具有较长的光程，从而使上述气体浓度检测装置具有探测精度高、分辨率好及功耗低的特点，适于在普遍的场合广泛应用。

Description

气体浓度检测装置

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特别是涉及一种气体浓度检测装置。

背景技术

众所周知，在环境相对密闭的室内中，如果长时间不通风换气，室内二氧化碳含量就会逐渐升高，从而危害人体健康。为了检测空气中二氧化碳气体的浓度，气体浓度检测装置也应运而生。目前常见的一种气体浓度检测装置是NDIR(Non Dispersive Infra-Red，非色散红外)气体传感器，主要包含用于发射红外光的红外光源、用于反射红外光的光学气室及用于接收红外光的红外探测器。在实际检测过程中，其工作原理是利用红外光源发射的红外光在光学气室内经过多次反射后入射到红外探测器上，由于光学气室内被检测气体浓度的不同，红外探测器检测到的红外光强度也会不同，因此只要再将检测到的红外光强度转换成数字信号，即可获取被检测气体的浓度。

探测精度、分辨率和功耗均为NDIR气体传感器的重要指标，为了提高探测精度，光学气室的设计需要具有长光路和聚光的特点，传统的光学气室一般为圆柱管型，但该种设计使得从红外光源发出的红外光经过管壁多次反射后才能到达探测器上，随着圆柱管的增长，光线反射次数增多，由于管壁每反射一次，光强都会有所损失，经过多次反射后光强损失较大，所以传统的气体浓度检测装置的光程一般无法做到长光程，进而分辨率较低。并且由于光学气室的长度较长，造成气体浓度检测装置的体积较大，功耗也较大。因此，一个好的光学设计成为了一个产品性能好坏的关键因素之一，如何设计一种高效、小尺寸、低功耗的气体浓度检测装置成为亟待解决的问题。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有的气体浓度检测装置探测精度低、分辨率低及功耗高的问题，提供一种探测精度高、分辨率高及功耗低的气体浓度检测装置。

根据本申请的一个方面，提供一种气体浓度检测装置，包括：

壳体，具有用于容纳待测气体的光学气室，所述光学气室的表面包括间隔设置的顶壁和底壁，及围设在所述顶壁和所述底壁四周的侧壁，所述侧壁包括至少两个沿所述壳体的周向依次连接的第一侧壁；

检测模块，连接于所述壳体并至少部分收容于所述光学气室中，所述检测模块具有朝向其中一个所述第一侧壁的发射口和朝向另一所述第一侧壁的接收口，所述发射口发射的部分光束能够依次被朝向所述发射口的所述第一侧壁和朝向所述接收口的所述第一侧壁反射后被所述接收口接收，以获取所述待测气体的浓度；

其中，所述光学气室的表面涂覆有用于反射所述光束的镀层。

在其中一个实施例中，自所述壳体内指向所述壳体外的方向上，任意两个所述第一侧壁之间的距离逐渐减小。

在其中一个实施例中，首尾两个所述第一侧壁的夹角为90°。

在其中一个实施例中，所述光学气室的表面还包括与位于尾部的所述第一侧壁相对间隔设置的第二侧壁，所述第二侧壁用于将被所述第一侧壁反射的光束反射回所述检测模块；自所述光学气室的顶壁指向所述底壁的方向，所述第二侧壁与所述第一侧壁的距离逐渐增大。

在其中一个实施例中，所述壳体包括一端开口的外壳和连接于所述外壳的隔板，所述隔板封闭所述外壳的开口，以和所述外壳共同界定形成所述光学气室。

在其中一个实施例中，所述外壳开设有连通外界环境与所述光学气室的换气孔，所述待测气体能够通过所述换气孔进入所述光学气室。

在其中一个实施例中，所述壳体还包括覆盖所述换气孔的透气膜，所述透气膜具有多个间隔排布的透气孔，每个所述透气孔的孔径大于所述待测气体的分子的外径且小于水气的分子的外径。

在其中一个实施例中，所述检测模块包括基板、光源和探测器，所述基板连接所述壳体，所述光源和所述探测器分别电性连接所述基板，并分别穿过所述壳体以收容于所述光学气室中；所述光源形成所述发射口，所述探测器形成所述接收口。

在其中一个实施例中，所述镀层为真金镀层。

在其中一个实施例中，所述真金镀层的厚度为0.075±0.025um。

上述气体浓度检测装置，通过在壳体的光学气室的表面设有间隔设置的顶壁和底壁、及围设在顶壁和底壁四周的侧壁，同时侧壁包括至少两个沿壳体的周向连接的第一侧壁，检测模块具有朝向其中一个第一侧壁的发射口和朝向另一第一侧壁的接收口，发射口发射的部分光束能够依次被朝向发射口的第一侧壁和朝向接收口的第一侧壁反射后被接收口接收。在光源发射的光强度为一定的情况下，不同浓度的待测气体对光束的吸收程度不同，使得发射的光束经不同浓度的待测气体所吸收后，剩余光束经第一侧壁反射后的光强也不同，当检测模块接收到被第一侧壁反射后的光束后，可获取光束的光强度信号，再对光强度信号进行处理即可获取到待测气体的浓度。上述光学气室的设计使得光学气室在体积较小的同时，还能保证具有较长的光程，从而使上述气体浓度检测装置具有探测精度高、分辨率好及功耗低的特点，适于在普遍的场合广泛应用。

附图说明

图1为本实用新型提供的气体浓度检测装置的***示意图；

图2为本实用新型提供的气体浓度检测装置的壳体的***示意图；

图3为本实用新型提供的气体浓度检测装置的剖视图；

图4为本实用新型提供的气体浓度检测装置的主光束走向示意图。

附图标记说明：

10、气体浓度检测装置；

100、壳体；101、光学气室；1011、顶壁；1012、侧壁；1012a、第一侧壁；1012b、第二侧壁；1013、底壁；110、外壳；111、容纳腔；113、换气孔；114、透气膜；120、隔板；121、通孔；

300、检测模块；310、基板；311、引脚；320、光源；330、探测器；500、连接件。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型一实施例提供了一种气体浓度检测装置，可用于对空气中二氧化碳等气体的浓度进行检测。待测气体可进入气体浓度检测装置中，进入气体浓度检测装置的待测气体可吸收一部分气体浓度检测装置内发射的红外光，由于不同浓度的待测气体对红外光的吸收程度不同，因此气体浓度检测装置通过测量剩余的未被吸收的红外光的光强度，可计算得到待测气体的浓度。

下面就以气体浓度检测装置为NDIR气体传感器对空气中的二氧化碳气体进行检测为例，对本申请中气体浓度检测装置的结构进行说明，本实施例仅用以作为范例说明，并不会限制本申请的技术范围。可以理解，在其它实施例中，本申请的气体浓度检测装置不限于检测二氧化碳气体的浓度，还可以检测其它种类的待测气体的浓度，在此不作限定。

下面结合图1至图4，对该气体浓度检测装置的较佳实施例进行说明。

如图1所示，为一种气体浓度检测装置10，包括壳体100和检测模块300。在本实施例中，气体浓度检测装置10为NDIR气体传感器。其中壳体100具有用于容纳待测气体的光学气室101，检测模块300连接于壳体100并部分收容于光学气室101中，检测模块300具有发射口和接收口，发射口发射的部分光束能够在检测模块300内反射后被接收口接收，以获取容纳于光学气室101中的待测气体的浓度。

具体地，检测模块300包括基板310、光源320和探测器330，基板310通过连接件500例如自攻螺丝与壳体100连接，光源320和探测器330分别电性连接基板310，并分别穿过壳体100以收容于光学气室101中，光源320和探测器330一同位于光学气室101沿第一方向的一端，且以一平行于第一方向的平面为对称面间隔对称地位于光学气室101中沿第二方向的相对两端。光源320用于发射广谱的可见光束20，例如是红外光，从而形成检测模块300的发射口；探测器330用于接收未被待测气体吸收的光束，并计算其光强度以获取待测气体的浓度，从而形成检测模块300的接收口。基板310上布设有控制电路，用于对光源320和探测器330供电，并且基板310上具有多个间隔排布的引脚311，用于传输数据。图中X方向为第一方向，Y方向为第二方向，X方向和Y方向相互垂直。

结合图1至图3所示，壳体100包括外壳110和连接于外壳110的隔板120。在一可选实施方式中，外壳110开设有一端开口的容纳腔111，容纳腔111具有顶壁和侧壁，隔板120封闭外壳110的开口，以和外壳110共同界定形成光学气室101。具体地，容纳腔111的顶壁、容纳腔111的侧壁及隔板120靠近容纳腔111的一侧共同组成光学气室101的表面，使得光学气室101的表面包括间隔设置的顶壁1011和底壁1013，及围设在顶壁1011和底壁1013四周的侧壁1012。其中，顶壁1011即为容纳腔111的顶壁，底壁1013即为隔板120靠近容纳腔111的一侧表面，侧壁1012即为容纳腔111的侧壁。隔板120在光源320和探测器330相对应的位置上开设有与光源320和探测器330的大小相对应的两个通孔121，以使光源320和探测器330能够分别穿过上述两个通孔121收容于光学气室101中。

根据非色散红外(NDIR)原理可知，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比。基于此，在使用本申请所提供的气体浓度检测装置10对待测气体的浓度进行检测时，待测气体进入壳体100的光学气室101，光源320从光学气室101的一端入射红外光至光学气室101内，此时部分特定波长的红外光会被光学气室101中的待测气体所吸收，剩余的未被吸收的气体被光学气室101的表面反射后，再反射至探测器330处，由探测器330测定红外光的辐射强度，依据上述非色散红外(NDIR)原理所述的吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比的原理，当环境中的待测气体浓度不同时，探测器330检测到的红外光强度也不同，此时吸收的红外光转换输出的得到的电压值也会随之产生相应的变化，以此通过转换该电压值可得到能够显示并读取的光强度数值，从而获取待测气体的浓度。

由此可见，光学气室101的表面主要起到对光束的反射作用，以使未被待测气体吸收的红外光能够被汇聚至探测器330以供探测。但正如背景技术所述，探测精度、分辨率和功耗均为NDIR气体传感器的重要指标，为了提高探测精度，光学气室101的设计需要具有长光路和聚光的特点，传统的光学气室一般为圆柱管型，但该种设计使得从光源320发出的红外光经过管壁多次反射后才能到达探测器330上，随着圆柱管的增长，光线反射次数增多，由于管壁每反射一次，光强都会有所损失，经过多次反射后光强损失较大，所以传统的气体浓度检测装置的光程一般无法做到长光程，进而分辨率较低。并且由于光学气室的长度较长，造成气体浓度检测装置10的体积较大，功耗也较大。

为了解决这一问题，发明人经过深入研究，将光学气室101设计成了多边形的型腔结构，通过对主光路进行杂散光的研究，经过不断调整光学气室101的结构，并通过仿真得到光程长度的最优解，最终确定了光学气室101的最终形状。这样就能够使本申请所提供气体浓度检测装置10能够在体积较小的同时，光源320发射出的红外光束能够经过光学气室101内壁的无需经过太多次数的无规律反射而具有较长的光程，从而使气体浓度检测装置10具有探测精度高、分辨率好及功耗低的特点。

具体地，在本实施例中，如图2和图3所示，光学气室101的侧壁1012包括三个沿壳体100的周向依次首尾连接的第一侧壁1012a，第一侧壁1012a用于将光源320入射的红外光束20进行反射。其中位于最中间的第一侧壁1012a平行于第二方向，位于首尾两端的两个第一侧壁1012a以上述平行于第一方向的平面为对称面间隔对称且倾斜设置，自壳体100内指向壳体100外的方向上，位于首尾两端的两个第一侧壁1012a之间的距离逐渐减小。较佳地，位于首尾两端的两个第一侧壁1012a之间的夹角为90°，同时，所有第一侧壁1012a均位于光学气室101沿第一方向远离光源320和探测器330的相对一端，其中位于头部的第一侧壁1012a沿第一方向朝向光源320，位于尾部的第一侧壁1012a沿第一方向朝向探测器330。

更佳地，光学气室101的侧壁1012还包括第二侧壁1012b，第二侧壁1012b与位于尾部的第一侧壁1012a沿第一方向相对间隔设置，且第二侧壁1012b位于探测器330旁，自光学气室101的顶壁1011指向底壁1013的方向，第二侧壁1012b与第一侧壁1012a之间的距离逐渐增大，其形状可为图3所示的圆弧面，也可以为倾斜面。增加第二侧壁1012b的目的是用于将被第一侧壁1012a反射的红外光束20聚集射入至探测器330，从而能够使被多个第一侧壁1012a反射的红外光束20能够通过第二侧板汇聚在一起而射入至探测器330，以能够完全被探测器330接收，避免了光束在光学气室101中四处散射而造成检测结果准确度降低。

参阅图4，带有箭头的直线为主光束路线，通过以上设计，可使光源320发射出的红外光束20能够沿第一方向入射至位于头部的第一侧壁1012a(即沿第一方向朝向光源320的第一侧壁1012a)，由于位于头部的第一侧壁1012a与位于尾部的第一侧壁1012a之间的夹角α为90°，红外光束20在被位于头部的第一侧壁1012a反射后，能够以与原入射光路的夹角为90°的夹角(即沿第二方向)被反射至位于尾部的第一侧壁1012a(即沿第一方向朝向探测器330的第一侧壁1012a)，然后再以与原入射光路平行的角度(即沿第一方向)入射至第二侧壁1012b，最后由第二侧壁1012b将反射后的光束20汇聚至探测器330中。

如此，光源320发射出的红外光束20经过三次反射即可实现光路的拓展，使主光束20能够更有效直观地反射入探测器330中。经过仿真测算，上述光路的拓展使得平均光程的长度在90.6mm，光通量的有效利用率(即吸收光通量/发射光通量)为1.21％，使得本申请提供的气体浓度检测装置10具有较长的光程，从而具有较高的分辨率。

需要说明的是，第一侧壁1012a的数量不限于是如图中实施例所示的三个，也可以是只有两个或者多个，例如可以是两个第一侧壁1012沿壳体100的周向首尾连接并呈90°设置，或可以是多个第一侧壁1012沿壳体100的周向依次首尾连接。只要保证侧壁1012至少包括两个首尾依次连接的第一侧壁1012a，使位于头部的第一侧壁1012a与光源320沿第一方向相对设置，位于尾部的第一侧壁1012a与探测器330沿第一方向相对设置，且自壳体100内指向壳体100外的方向上，位于首尾两端的两个第一侧壁1012a之间的距离逐渐减小，且两者的夹角为90°即可，这样均可以使光源320发射出的红外光束20能够具有最优的光路拓展而反射至探测器330中。

此外，较佳地，如图1所示，外壳110还开设有连通外界环境和光学气室101的换气孔113，在图1中所示的实施例中，换气孔113具有两个，间隔设置在外壳110的顶壁1011上，以使光学气室101能够随时与外部空气进行交换，空气中的二氧化碳气体能够随时通过该换气孔113进入光学气室101，达到检测空气中二氧化碳气体的浓度的作用。换气孔113不限于开设在外壳110的容纳腔111的顶壁1011上，也可开设在外壳110的容纳腔111的侧壁1012上，只要能连通外界环境和光学气室101即可。

在一些实施例中，当本申请所提供的气体检测装置需检测一些特定气体的浓度时，还可以在换气孔113的位置处安装可拆卸的封板或封膜，以使待测气体后被通入至光学气室101后能够封闭光学气室101，防止外界空气进入光学气室101中而影响对特定气体浓度的检测结果。

更佳地，由于外界空气中的水气分子会妨碍测量的准确度，并干扰红外光束20的吸收峰。为了阻止外界环境的水气进入光学气室101，壳体100还包括用于覆盖换气孔113的透气膜114。透气膜114优选地由纤维材料制成，其上具有多个间隔排布的透气孔，每个透气孔连通外界环境和光学气室101，其孔径大于待测气体的分子的外径，且小于水气的分子的外径，从而使气体浓度检测装置10在检测时既不影响外界环境的气体进入光学气室101，又能阻止外界环境的水气进入光学气室101。

进一步地，为了使光学气室101的表面具有更佳的反射率，在一可选实施方式中，还可在光学气室101的表面涂覆有易于使红外光束20反射的镀层。该镀层是将一层金属通过电镀、溅射等工艺镀至光学气室101的表面，可为多种金属的镀层，例如是镀真金、镀银、镀铝、镀铬等镀层。经过发明人对上述各种金属镀层的反射效果进行反复测试并比较，例如比较其反射率、信号强度等指标，最终得到镀层为真金镀层是最佳的实施方式；同时通过仿真计算，可以得到镀层为真金镀层时，其最优的镀层厚度为0.075±0.025um，在镀层厚度为上述尺寸时，能够使镀层具有最佳的反射效果。

上述气体浓度检测装置10，至少具有以下技术效果：将光学气室101设计为侧壁1012包括至少两个第一侧壁1012a的型腔，并使首尾两个第一侧壁1012a对称设置且互为90°夹角，利用非色散红外(NDIR)原理使红外光束20经过三次反射后完成光路拓展，使得气体浓度检测装置10在体积较小的同时，还能保证具有较长的光程和反射效果，精密的光学设计使本申请提供的气体浓度检测装置10具有信号强度高、探测精度高、分辨率高及功耗低等特点。

以上所述实施例的技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种气体浓度检测装置，其特征在于，包括：

壳体，具有用于容纳待测气体的光学气室，所述光学气室的表面包括间隔设置的顶壁和底壁，及围设在所述顶壁和所述底壁四周的侧壁，所述侧壁包括至少两个沿所述壳体的周向依次连接的第一侧壁；

检测模块，连接于所述壳体并至少部分收容于所述光学气室中，所述检测模块具有朝向其中一个所述第一侧壁的发射口和朝向另一所述第一侧壁的接收口，所述发射口发射的部分光束能够依次被朝向所述发射口的所述第一侧壁和朝向所述接收口的所述第一侧壁反射后被所述接收口接收，以获取所述待测气体的浓度；

其中，所述光学气室的表面涂覆有用于反射所述光束的镀层。

2.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，自所述壳体内指向所述壳体外的方向上，任意两个所述第一侧壁之间的距离逐渐减小。

3.根据权利要求2所述的气体浓度检测装置，其特征在于，首尾两个所述第一侧壁的夹角为90°。

4.根据权利要求2所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述光学气室的表面还包括与位于尾部的所述第一侧壁相对间隔设置的第二侧壁，所述第二侧壁用于将被所述第一侧壁反射的光束反射回所述检测模块；自所述光学气室的顶壁指向所述底壁的方向，所述第二侧壁与所述第一侧壁的距离逐渐增大。

5.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述壳体包括一端开口的外壳和连接于所述外壳的隔板，所述隔板封闭所述外壳的开口，以和所述外壳共同界定形成所述光学气室。

6.根据权利要求5所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述外壳开设有连通外界环境与所述光学气室的换气孔，所述待测气体能够通过所述换气孔进入所述光学气室。

7.根据权利要求6所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述壳体还包括覆盖所述换气孔的透气膜，所述透气膜具有多个间隔排布的透气孔，每个所述透气孔的孔径大于所述待测气体的分子的外径且小于水气的分子的外径。

8.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述检测模块包括基板、光源和探测器，所述基板连接所述壳体，所述光源和所述探测器分别电性连接所述基板，并分别穿过所述壳体以收容于所述光学气室中；所述光源形成所述发射口，所述探测器形成所述接收口。

9.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述镀层为真金镀层。

10.根据权利要求9所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述真金镀层的厚度为0.075±0.025um。

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