一種具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器制造技術

本實用新型專利技術公開了一種具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器，其吸收腔內反射光路方向與氣體擴散方向互相垂直，并且保證氣體擴散方向的長度遠小于光路反射方向的長度，從而同時實現氣體的快速擴散與提高有效吸收光程，即同時實現紅外氣體傳感器的快速響應與高分辨率，解決了傳統紅外氣體傳感器技術中響應速度與分辨率互為矛盾的問題。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術屬于紅外氣體傳感器的
，特別是涉及一種具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器。技術背景利用待測氣體對紅外光譜的吸收特性，來檢測目標氣體濃度的技術近年來有很大的發展。紅外氣體檢測技術通常應用在需要實時、高精度監控目標氣體濃度的場合，如上述煤礦井下各點瓦斯濃度的監測，石化行業的煉油廠，輸油管道的監控，天然氣生產與輸送管道等需要監控泄漏的場合。但隨著技術的發展，成本的降低以及人們對日常生活環境質量要求的提高，會逐漸進入家庭監測房間有害氣體的存在及其濃度，還有交通工具上空氣環境質量的監測等。·當前中國國內的煤礦采用的絕大多數的探頭是催化燃燒式的，其缺點是因中毒現象造成誤報或是失效，其可靠性差，標定時間周期短，標定成本高，工作中需在有氧環境下工作，不能檢測100% LEL(最低爆炸極限)濃度。目前世界上先進的技術為采用紅外檢測類的報警器，但所采用的某些技術對中國的國情不適合有的產品體積大，如generalmonitor' s的報警器；有些產品光能利用率不高，響應時間偏長等，如City的CH4紅外傳感器。這些產品中幾乎無一例外的是高成本，導致報警器價格昂貴，難以普及。紅外氣體傳感器至少包括一個紅外輻射源、一個采樣吸收氣室和一個探測器。通過探測器的帶通濾光片選擇兩個不同波長的光可以構成差分探測，目標氣體對一個波長的光吸收較大，光信號隨目標氣體濃度增加而減小，目標氣體對另一個波長的光基本沒吸收，可用作監視紅外光強度變化的參考信號。對于這類氣體傳感器，其關鍵是提高靈敏度，提高探測精確度，從而具有探測更低濃度的能力。同時對傳感器的便攜化，微功耗，微體積及低成本也提出更高的要求。首先，對于提高檢測靈敏度，可以增加光源與探測器間的物理距離，也就是增加有效吸收光程，可以提高氣室的采樣精度提高靈敏度。但增加物理空間尺寸會帶來體積增大、需要的光能量加大的弊端。其次是利用多個探測器提高靈敏度，例如US7132657B2通過多個探測器累加信號提高靈敏度，但各探測器的差異會對靈敏度的提高有影響，最主要的關鍵是增加了成本與體積。第三是利用反射使光在吸收室內多次通過氣體，增加有效光學吸收長度。例如在US6469303B1中，將吸收氣室設計成非聚焦系統，利用光學積分球概念，使吸收腔內光密度趨于一致，光強均勻，信號穩定性好，不受光路偏移的影響，溫度工作范圍寬，生產工藝簡單。但其缺點為光能利用率低，光信號中信噪比低。或設計成聚焦類光學吸收腔，通常以光源為物通過光學系統成像于接收器上，但此類吸收腔有效光程不易做長，由于選擇了成像，一是光學調整復雜，二是對光路偏移影響較大，隨工作環境的變化，其穩定性有所犧牲，但光能利用率很高。目前，利用非分光色散光譜吸收原理進行紅外氣體濃度檢測的技術已經較為成熟，該類傳感器性能的優劣主要取決于氣體吸收腔的設計。吸收腔對氣體濃度檢測的作用，類似于電子學中AD轉換器的作用。氣體濃度分辨率對應AD信號采樣分辨率:AD位數越高，轉換的精度就越高；傳感器吸收腔的等效光程越長，可以檢測的氣體濃度精度越高。氣體傳感器的響應速度對應AD信號轉換頻率AD轉換時間越快，能轉換的信號頻率也就越高；在傳感器吸收腔方面，傳感器的響應速度越快，可以檢測濃度變化的時間也就越短。吸收腔的設計一般均采用多次折疊光路，靠光路的多次反射延長有效吸收長度，這樣做可以減少實際的物理長度。盡管如此，由于吸收腔占有一定的空間，所以氣體靠擴散充滿吸收腔需要一定的時間。因此，在傳統的紅外氣體傳感器中為了提高有效吸收光程，其吸收腔的空間體積通常都設計得較大，導致其傳感頭的響應時間一般較長。例如City的傳感頭，其氣體擴散方向與光路傳輸方向占有相同的空間，結果是光路長而氣體擴散路徑也長。所以就會出現傳感頭的分辨率高而響應時間也長的現象。 傳統紅外氣體傳感器技術中響應速度與分辨率互為矛盾，如何同時實現快速響應與高分辨率成為一個急需解決的問題。本技術通過一種具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器，同時實現氣體的快速擴散與提高有效吸收光程，即同時實現了快速響應與高分辨率
技術實現思路
本技術的目的是提供一種具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器，可以同時實現氣體的快速擴散與提高有效吸收光程，即同時實現氣體傳感器的快速響應與高分辨率。本技術的具體技術方案如下一種具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器，所述紅外氣體傳感器包括吸收腔、光源、紅外探測器以及至少兩個反射鏡，從光源發射的光經所述反射鏡之間的多次反射進入紅外探測器；所述吸收腔上具有進氣孔；其特征在于，吸收腔內反射光路方向與氣體通過進氣孔進入吸收腔的擴散方向互相垂直。進一步地，上述具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器，其吸收腔在氣體擴散方向的長度小于吸收腔在反射光路方向的長度；優選地，吸收腔在氣體擴散方向的長度遠小于吸收腔在反射光路方向的長度；進一步優選地，吸收腔在氣體擴散方向的長度與吸收腔在反射光路方向的長度的比例小于I : 3，例如吸收腔在氣體擴散方向的長度與吸收腔在反射光路方向的長度的比例為I : 5、或者I : 10、或者I : 20、或者I : 30、或者I : 40、或者I : 50。本技術不限于上述長度比例，設計者可以根據實際氣體檢測的需要選擇合適的長度比例關系，比如需要保證檢測的高分別率，只要實際檢測場地空間允許，可以將吸收腔在反射光路方向的長度設計得盡可能長些。總體上，吸收腔的外形基本上為扁平狀，所述進氣孔均勻分布在吸收腔扁平狀的側壁上。進一步地，上述具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器，還包括光電器件室，光電器件室外部封閉，其與吸收腔鄰接一起并且內部相通，光源和紅外探測器都容置在光電器件室內，光源和紅外探測器都對準吸收腔的反射光路方向。更進一步地，上述光電器件室內還包括支架，光源和紅外探測器都固定安裝在支架上并且通過支架另一面的引腳與外部電連接。上述光電器件室的設計，可以使得光源和紅外探測器不占據吸收腔的空間，這不僅有利于保證吸收腔反射光路方向較長的長度，而且可以保證吸收腔形狀設計的自由度，例如吸收腔在氣體擴散方向的長度便可以設計成小于光源和紅外探測器的尺寸。進一步地，上述具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器，其中光電器件室的外形為圓柱體，吸收腔為扁平的立方體，吸收腔在垂直于光電器件室上表面的方向為反射光路方向。進一步地，上述具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器，所述吸收腔為由平面反射鏡和凹面反射鏡構成一個準光學諧振腔，所述平面鏡和光源及紅外探測器一同固定在支架上，凹面反射鏡布置在吸收腔內遠離光電器件室的一端并且與平面反射鏡相對，所述光源發出的光在平面反射鏡和凹面反射鏡之間經過多次反射后進入紅外探測器，使得光源與紅外探測器經多次光路折疊后符合成像關系。采用上述準光學諧振腔，使光源與紅外探測器經多次光路折疊后符合成像關系，提高了光信號的信噪比；在吸收腔內光路折疊多次，光被充分吸收，既縮小了吸收腔的體積，還提高了被測氣體對光的吸收效果，實現了高效小體積紅外氣體傳感器的要求。進一步地，上述具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器，所述平面反射鏡上有兩個通光孔，光源安裝在一個通光孔內，紅外探測器的光敏面對準另一個通光孔。進一步地，上述具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器，所述紅外氣體傳感器采用單光源雙探測器結構，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有正交型吸收腔的紅外氣體傳感器，所述紅外氣體傳感器包括吸收腔、光源、紅外探測器以及至少兩個反射鏡，從光源發射的光經所述反射鏡之間的多次反射進入紅外探測器；所述吸收腔上具有進氣孔；其特征在于，吸收腔內反射光路方向與氣體通過進氣孔進入吸收腔的擴散方向互相垂直。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳明徹，
申請(專利權)人：北京市加華博來科技有限公司，
類型：實用新型
國別省市：