专利名称：光学气体传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及气体探测装置领域，特别涉及用于气体探测的光学设备领域，具 体是指一种光学气体传感器。
背景技术：
气体传感器经常用于有害气体检测和火灾报警等方面。传统的气体传感器包括电 化学气体传感器和催化燃烧可燃气体传感器。在电化学气体传感器的应用中，当被测量的气体进入传感器内部，被测量气体和 电化学传感器内部的电解液进行化学反应，电解液由于电离和分解，产生了一个正向电流， 通过外部采样电路对该电流进行采样，得到了一个电压信号和内部气体浓度的对应关系。 由于被测量气体消耗电化学传感器内部电解液，因此这一过程是无法逆转的。当被测量气 体进入传感器内部的浓度大于该传感器的允许最大测量浓度，传感器内部的电解液将会被 耗尽，整个传感器将失效。电化学气体传感器的另一缺点在于，其对气体种类分辩能力差， 使用起来对环境的选择是有针对性的，如在对气体进行检测的情况下，当使用环境种存 在吐(1气体时，这两种气体均会消耗传感器内部的电解液，导致该传感器对气体浓度的 误判断。也既是说，在H2S气体浓度的检测的环境中，不允许存在其他干扰气体，否则无法正 常反映真实的气体浓度。电化学气体传感器在长期工作过程中或不通电长期放置的过 程中，其自身内部的电解液也会慢慢的自然分解直至失效，而在正常使用过程中需要利用 外界手段进行定期的校正和校准。用户一般需要2到3个月对产品进行一次校正和检查， 2到3年需要更换该电化学气体传感器，这就增加了用户的成本，也给用户的使用带来了不 便。催化燃烧可燃气体传感器的工作原理是，当被检测的可燃气体进入该传感器内 部，可燃气体和内部的催化剂进行燃烧反应，消耗该传感器内部的催化剂，可燃气体被燃烧 分解，产生电流，利用外部的采样电路对所产生的电流进行采样，得到了一个电压信号和内 部气体浓度的对应关系。由于测量可燃气体需要消耗该传感器内部催化剂，因此该过程也 是无法逆转的，而当被测量可燃气体进入传感器内部的浓度大于该传感器的允许最大测量 浓度，传感器内部的催化剂将会被耗尽，整个传感器将失效。另外，由于催化剂不能和被测 量可燃气体直接进行反应，需要对催化剂和被测量可燃气体进行加热才能进行燃烧反应， 由此直接导致整体产品的功耗大增，增加了对现场供电的布线的要求。由于传统的电化学气体传感器和催化燃烧可燃气体传感器具有上述的缺点，因 此，目前相关应用中也开始采用红外气体传感器。红外气体传感器的优点在于，其利用红外 光对气体进行浓度检测，在测量过程中被测量气体只吸收红外光源发出来的红外光信号， 并不存在不可逆转的化学反应或燃烧反应，传感器可以重复使用，寿命长；其可以允许进入 传感器内部的被测量气体浓度远大于该传感器的最大测量浓度，实际使用过程中，红外气 体传感器可以在长期存在被测量气体的环境中工作；其所具有的红外光源功耗低、寿命长、 发光稳定、低漂移，不需要定期对产品进行调整和校正，使用寿命一般可以达到5年以上，节省了用户的维护和维修成本，降低了现场供电的布线要求。同时，红外气体传感器还具有 检测精度高，对被测气体类型分辩能力强，基本不受干扰气体的影响，可测量多种气体，且 产品的灵活性好等优点，因此可以广泛地替代传统的电化学气体传感器和催化燃烧可燃气 体传感器。但目前市场上的红外气体传感器仍存在不少缺点，主要表现在以下几个方面a)传统红外气体传感器一般采用钼铑合金丝作为红外发射光源，钼铑合金丝表面 涂有很多防氧化涂层，体积大、抗氧化性能差、工作电流高；b)由于钼铑合金丝发热过程中存在热滞后性，不能采用脉冲供电方式工作，热效 率低；为适应气体浓度检测要求，必须在钼铑合金丝红外光输出口增加一个斩光器进行红 外光调制，由此增加了整机的体积和功耗，不利于产品的小型化生产；c)由于钼铑合金丝需要长期供电，容易发生漂移现象，需要定期调整和维护；且 寿命短，需要定期更换钼铑合金丝红外发射光源；d)传统的红外气体检测方式一般采用对射的方式进行气体浓度检测，为保证气体 浓度检测的精度，需要一个长度较长的检测气室，增加的产品的体积和成本；e)由于检测气室长度较长，检测气室内部温度分部不均勻，同时钼铑合金丝一直 处在发热状态，无形中增加了探测器、放大器和其它元件的寄生热，极大降低系统的可靠性 和稳定性；为保证气体浓度检测的精度、排除水蒸汽对气体浓度检测精度的影响，必须对整 个气体探测气室进行高温恒温控制，势必增加了产品的成本、功耗和降低了可靠性；因为需 要高温恒温控制，产品从开机到正常使用需要比较长的时间。
实用新型内容本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种结构简单，减少寄 生热单元，使探测器整体的稳定性和可靠性得到提升，同时体积小、功耗低、免校准、寿命 长、检测精度高、生产成本低廉，且应用范围广泛的光学气体传感器。为了实现上述的目的，本实用新型的光学气体传感器具有如下构成该光学气体传感器，包括传感器壳体，其主要特点是，所述的壳体内具有连通壳体 外部的气室，所述的气室内设置有红外光源、反射座、温度传感器和红外接收传感器，所述 的红外光源、反射座、温度传感器和红外接收传感器均通过固定部件与所述的壳体固定连 接，该光学气体传感器还包括微处理器，所述的微处理器的信号输入端连接所述的温度传 感器和红外接收传感器，所述的微处理器还具有气体探测信号输出端，所述的红外光源为 宽波段半导体黑体红外光源。该光学气体传感器中，所述的红外光源还包括脉冲式开关，所述的脉冲式开关连 接所述的宽波段半导体黑体红外光源。该光学气体传感器中，所述的微处理器为温度补偿及气体浓度线性化处理单元。该光学气体传感器中，所述的气体探测信号输出端口包括数字输出端口和直流电 压输出端口，所述的数字输出端口和直流电压输出端口均连接于所述的微处理器的信号输 出端。该光学气体传感器中，所述的光学气体传感器还包括金属网，所述的金属网设置 于所述的气室和壳体外部之间。[0019]该光学气体传感器中，所述的固定部件包括定位套和插针，所述的红外光源、温度 传感器和红外接收传感器通过所述的定位套与所述的反射座嵌合固定，所述的红外光源、 温度传感器、反射座、红外接收传感器及定位套均通过所述的插针固定于所述的传感器壳 体。该光学气体传感器中，所述的气室内表面上覆盖有镀金层。该光学气体传感器中，所述的红外接收传感器为热释电红外传感器。该光学气体传感器中，所述的热释电红外传感器为双窗口热释电红外传感器。该光学气体传感器中，所述的双窗口热释电红外传感器的窗口上设置有滤光片， 所述的滤光片为具有白宝石基材的多层镀膜窄带滤光片。该光学气体传感器中，所述的双窗口热释电红外传感器的红外感应电路包括红外 接收灵敏元和红外信号输出端，所述的红外信号输出端连接于所述的红外接收灵敏元和微 处理器的信号输入端之间。该光学气体传感器中，所述的红外接收灵敏元为钽酸锂晶体薄片，所述的双窗口 热释电红外传感器包括四片相同的钽酸锂晶体薄片，所述的四片相同的钽酸锂晶体薄片两 两反极性串联形成两组红外接收单元，每组红外接收单元中包括一片红外探测用钽酸锂晶 体薄片和一片补偿用钽酸锂晶体薄片，所述的红外探测用钽酸锂晶体薄片设置于所述的双 窗口热释电红外传感器的窗口的位置，所述的补偿用钽酸锂晶体薄片设置于偏离窗口的位 置。采用了该实用新型的光学气体传感器，由于其具有宽波段半导体黑体红外光源， 使得该红外光源的热滞后小，可使用脉冲供电方式工作，且该光源功耗低、寿命长、漂移小、 体积小；开关频率约为2Hz 10Hz，灯丝能在毫秒级时间内被加热或降温。同时，脉冲红 外光源可以利用一个干涉滤波窗口来滤掉要求波长之外的光，脉冲红外光源减少带外发射 (尤其减少短波和可见光)，以使在整个探测过程，光源灯丝保持暗，而且根本不产生可见 光；在气体传感器中，其可以减少探测器、放大器和其它元件的寄生热，极大提高系统的可 靠性和稳定性。
图1为本实用新型的光学气体传感器的结构示意图。[0028]图2为本实用新型的光学气体传感器中的红外接收传感器内部电路结构示意图。图3为本实用新型的光学气体传感器中的红外光源以及红外接收传感器的电路 连接方式结构示意图。图4为本实用新型的光学气体传感器中的微处理器的电路连接方式结构示意图。图5为本实用新型的光学气体传感器的封装结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。请参阅图1所示，为本实用新型的光学气体传感器的结构示意图。该光学气体传感器，包括传感器壳体1，壳体1内具有连通壳体外部的气室2，所述 的气室2内表面上覆盖有镀金层。气室内设置有红外光源5、反射座4、温度传感器(图中未示出)和红外接收传感器3，所述的红外光源5、反射座4、温度传感器和红外接收传感器 3均通过固定部件与所述的壳体1固定连接。该光学气体传感器还包括微处理器，该微处理 器为温度补偿及气体浓度线性化处理单元，所述的微处理器具有信号输入端和气体探测信 号输出端口，所述的信号输入端连接所述的温度传感器和红外接收传感器3。所述的红外光 源5为宽波段半导体黑体红外光源，该宽波段半导体黑体红外光源连接一冲式开关。在该实施方式中，如图2所示，所述的红外接收传感器为双窗口热释电红外传感 器，其窗口上设置有滤光片G1、G2，所述的滤光片G1、G2为具有白宝石基材的多层镀膜窄带 滤光片。该双窗口热释电红外传感器的红外感应电路包括红外接收灵敏元和红外信号输出 端，所述的红外信号输出端连接于所述的红外接收灵敏元和微处理器的信号输入端之间。 所述的红外接收灵敏元为四片相同的钽酸锂晶体薄片Si、S2、S3和S4，所述的四片相同的 钽酸锂晶体薄片Si、S2、S3和S4两两反极性串联形成两组红外接收单元，每组红外接收单 元中包括一片红外探测用钽酸锂晶体薄片Si、S4和一片补偿用钽酸锂晶体薄片S2、S3，所 述的红外探测用钽酸锂晶体薄片Si、S4设置于所述的双窗口热释电红外传感器的窗口的 位置，所述的补偿用钽酸锂晶体薄片S2、S3设置于偏离窗口的位置。在一种优选的实施方式中，如图1所示，所述的光学气体传感器还包括金属网8， 所述的金属网8设置于所述的气室2和壳体1外部之间。在另一种优选的实施方式中，如图1所示，所述的固定部件包括定位套6和插针7， 所述的红外光源5、温度传感器和红外接收传感器3通过所述的定位套6与所述的反射座4 嵌合固定，所述的红外光源5、温度传感器、反射座4、红外接收传感器3及定位套6均通过 所述的插针7固定于所述的传感器壳体1。在又一种优选的实施方式中，如图5所示，所述的气体探测信号输出端口包括数 字输出端口 T)(D、RXD和直流电压输出端口 V0UT，所述的数字输出端口和直流电压输出端口 均连接于所述的微处理器的信号输出端。根据红外光谱理论，一些非对称极性气体分子，如C02、C0、CH化合物、S的氧化物、 N的氧化物等，由于其内部电偶极距转动、振动等因素，对穿过这些气体分子的红外光进行 多次反射、折射和吸收；由于不同类型气体分子的不一致性，使得这些气体分子对特定波长 的红外光有明显的吸收作用。这些非对称极性分子所对应的吸收红外光的波长如下表1所 示
权利要求1.一种光学气体传感器，包括传感器壳体，其特征在于，所述的壳体内具有连通壳体外 部的气室，所述的气室内设置有红外光源、反射座、温度传感器和红外接收传感器，所述的 红外光源、反射座、温度传感器和红外接收传感器均通过固定部件与所述的壳体固定连接， 该光学气体传感器还包括微处理器，所述的微处理器的信号输入端连接所述的温度传感器 和红外接收传感器，所述的微处理器还具有气体探测信号输出端，所述的红外光源为宽波 段半导体黑体红外光源。
2.根据权利要求1所述的光学气体传感器，其特征在于，所述的红外光源还包括脉冲 式开关，所述的脉冲式开关连接所述的宽波段半导体黑体红外光源。
3.根据权利要求1所述的光学气体传感器，其特征在于，所述的微处理器为温度补偿 及气体浓度线性化处理单元。
4.根据权利要求1所述的光学气体传感器，其特征在于，所述的气体探测信号输出端 口包括数字输出端口和直流电压输出端口，所述的数字输出端口和直流电压输出端口均连 接于所述的微处理器的信号输出端。
5.根据权利要求1所述的光学气体传感器，其特征在于，所述的光学气体传感器还包 括金属网，所述的金属网设置于所述的气室和壳体外部之间。
6.根据权利要求1所述的光学气体传感器，其特征在于，所述的固定部件包括定位套 和插针，所述的红外光源、温度传感器和红外接收传感器通过所述的定位套与所述的反射 座嵌合固定，所述的红外光源、温度传感器、反射座、红外接收传感器及定位套均通过所述 的插针固定于所述的传感器壳体。
7.根据权利要求1所述的光学气体传感器，其特征在于，所述的气室内表面上覆盖有 镀金层。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学气体传感器，其特征在于，所述的红外接收 传感器为热释电红外传感器。
9.根据权利要求8所述的光学气体传感器，其特征在于，所述的热释电红外传感器为 双窗口热释电红外传感器。
10.根据权利要求9所述的光学气体传感器，其特征在于，所述的双窗口热释电红外传 感器的窗口上设置有滤光片，所述的滤光片为具有白宝石基材的多层镀膜窄带滤光片。
11.根据权利要求9所述的光学气体传感器，其特征在于，所述的双窗口热释电红外传 感器的红外感应电路包括红外接收灵敏元和红外信号输出端，所述的红外信号输出端连接 于所述的红外接收灵敏元和微处理器的信号输入端之间。
12.根据权利要求11所述的光学气体传感器，其特征在于，所述的红外接收灵敏元为 钽酸锂晶体薄片，所述的双窗口热释电红外传感器包括四片相同的钽酸锂晶体薄片，所述 的四片相同的钽酸锂晶体薄片两两反极性串联形成两组红外接收单元，每组红外接收单元 中包括一片红外探测用钽酸锂晶体薄片和一片补偿用钽酸锂晶体薄片，所述的红外探测用 钽酸锂晶体薄片设置于所述的双窗口热释电红外传感器的窗口的位置，所述的补偿用钽酸 锂晶体薄片设置于偏离窗口的位置。
专利摘要本实用新型涉及一种光学气体传感器，其包括壳体，壳体内具有连通外部的气室，气室内设置有红外光源、反射座、温度传感器和红外接收传感器，该光学气体传感器还包括微处理器，所述的红外光源为宽波段半导体黑体红外光源。采用了该种结构的光学气体传感器，由于其具有宽波段半导体黑体红外光源，使得该红外光源的热滞后小，可使用脉冲供电方式工作，且该光源功耗低、寿命长、漂移小、体积小，灯丝能在毫秒级内被加热或降温，进而脉冲红外光源可以利用干涉滤波窗口滤除要求波长之外的光，脉冲红外光源减少带外发射，以使在整个探测过程，光源灯丝保持暗，从而减少探测器、放大器和其它元件的寄生热，极大提高系统的可靠性和稳定性。
文档编号G01N21/17GK201909754SQ201020615300
公开日2011年7月27日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者于海洋, 张 杰 申请人:上海翼捷工业安防技术有限公司