小型化激光甲烷传感探头的制作方法

本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种小型化激光甲烷传感探头。

背景技术：

激光甲烷传感探头主要应用于煤炭，石油化工，电力，冶金等有可能出现气体突出或泄露并对人民财产生命安全产生重大威胁的特殊领域。但是现有的停留在实验室阶段的激光气体传感器大多体积庞大，功耗高，一般尺寸都在200mm以上，无法实现小型化使得该技术不能在产品领域大范围推广，很多应用场合都需要产品的小型化，比如煤矿领域的壁挂式传感器，石油化工及消防领域的可燃气体报警器，探头的小型化对甲烷气体检测领域激光检测技术的推广具有重要意义。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种小型化激光甲烷传感探头。具体技术方案如下：

一种小型化激光甲烷传感探头，包括过滤网盖、气室芯、电路板、前套筒、转接套筒及线缆，所述电路板包括层叠设置的光电器件驱动控制电路板、CPU信号处理分析部分板及供电电路电路板，所述光电器件驱动控制电路板、CPU信号处理分析部分板及供电电路电路板之间通过连接件电连接；所述气室芯具有安装容腔，所述安装容腔的一侧的两端部分别安装有激光发射器和光电转换接收器，所述光电转换接收器与所述光电器件驱动控制电路板相连接，所述安装容腔的另一侧的两端部分别安装有第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜的镜面相对于所述激光器发出的入射光线均呈45°倾角，所述入射光线在所述第一反射镜和第二反射镜的发射下可被所述光电转换接收器接收。

根据本发明提供的小型化激光甲烷传感探头，采用层叠结构的电路设计，解决了由于电路体积庞大而影响探头尺寸的问题，减小了的探头空间浪费，在保证探头直径的情况下将探头的整体体积缩小为原有的1/2，为在不同特殊的应用场合提供了极大便利。并且改变了传统的激光器和光电转换接收器的布置形式，利用一组反射镜使得从激光器发出的入射光线在两个相互配合的反射镜的反射下可被所述光电转换接收器接收，利用反射镜改变光的传播路径，使得相同体积下的气室光程增加了一倍以上，不仅起到了增加光程、节省空间的效果，而且使得气体检测结果更加精确。

另外，根据本发明上述实施例的小型化激光甲烷传感探头，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个示例，所述光电转换接收器包括依次设置的球窗透镜、接收器芯片和电气引线，所述接收器芯片和电气引线相连接，所述球窗透镜与所述接收器芯片具有安装距离。

根据本发明的一个示例，所述光电转换接收器通过转接套筒安装在所述气室芯的安装容腔上。

根据本发明的一个示例，所述连接件为柔性电路板。

根据本发明的一个示例，所述层叠设置的光电器件驱动控制电路板、CPU信号处理分析部分板及供电电路电路板与气室芯可拆卸连接。

根据本发明的一个示例，所述气室芯设有螺柱，所述层叠设置的光电器件驱动控制电路板、CPU信号处理分析部分板及供电电路电路板形成的层叠电路板体设有与所述螺柱相适配的安装孔。

根据本发明的一个示例，所述第一反射镜、第二反射镜均通过抛光处理。

根据本发明的一个示例，所述安装容腔的一侧的两端分别设有两个安装槽，所述激光器和光电转换接收器分别置于两个所述安装槽内，所述安装容腔在安装槽的对侧成型有两个安装侧壁，所述第一反射镜和所述第二反射镜分别安装在两个所述安装侧壁上。

根据本发明的一个示例，所述第一反射镜和第二反射镜之间安装有温度传感器和/或压力传感器器。

根据本发明的一个示例，还包括套设在所述电路板和气室芯外的壳体，所述壳体包括过滤网盖、前套筒及转接套筒，所述电路板和气室芯安装在所述前套筒内部，所述前套筒设有外壁中部设有凸缘，所述凸缘两侧形成有两个环形槽，所述过滤网盖、转接套筒通过所述环形槽分别套设在所述前套筒的两端，且所述凸缘位于所述过滤网盖、转接套筒之间，所述过滤网盖的侧壁设有多个散气孔。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例的小型化激光甲烷传感探头的结构示意图(一)；

图2为本发明实施例的小型化激光甲烷传感探头的结构示意图(二)；

图3为本发明实施例的小型化激光甲烷传感探头的电路板结构示意图；

图4为本发明实施例的小型化激光甲烷传感探头的电路板和气室芯连接示意图；

图5为本发明实施例的小型化激光甲烷传感探头的气室芯结构示意图；

图6为本发明实施例的小型化激光甲烷传感探头的光电转换接收器示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来详细描述根据本发明的小型化激光甲烷传感探头。

结合附图1-6所示，本实施例提供了一种小型化激光甲烷传感探头，如图1和2所示，包括过滤网盖1、电路板3和气室芯2、前套筒4、转接套筒5及线缆6，前套筒4内安装有相连接的电路板3和气室芯2，前套筒4的外壁中部设有一凸缘，凸缘两侧形成两个环形槽，过滤网盖1、转接套筒5通过两个环形槽套装在前套筒4上，并且在过滤网盖1的侧壁设有多个散气孔7，具体的，本实施例的散气孔7数量为三个。

本实施例的小型化激光甲烷传感探头相比于现有技术的改进之处在于电路板的层叠结构、气室芯的结构以及光电转换接收器的结构。

如图3所示，本实施例的电路板3的层叠结构包括层叠设置的光电器件驱动控制电路板、CPU信号处理分析部分板及供电电路电路板，光电器件驱动控制电路板、CPU信号处理分析部分板及供电电路电路板之间通过柔性连接件8电连接，具体的，在本实施例中，连接件8为柔性电路板。本实施例的层叠电路根据探头的具体情况将各个驱动控制电路部分进行分割，包括供电电路部分、CPU信号处理分析部分以及光电器件驱动控制部分。较传统电路分布而言，此三部分电路并非平面放置，而是通过电路本体上的柔板将三部分进行连接，装在集成探头上可以通过连接柱将三部分电路层叠放置。采用此种电路板，可以使各部分驱动电路层叠放置，从空间利用上从二维平面拓展到三维空间上。

具体的，在本实施例中，如图4所示，层叠设置的光电器件驱动控制电路板、CPU信号处理分析部分板及供电电路电路板与气室芯2相连接。有利的，层叠设置的光电器件驱动控制电路板、CPU信号处理分析部分板及供电电路电路板与气室芯2可拆卸连接，可以实现快速拆装。具体的，可拆卸连接可以是螺栓连接，例如在气室芯2上设有螺柱，层叠设置的光电器件驱动控制电路板、CPU信号处理分析部分板及供电电路电路板形成的层叠电路板体设有与螺柱相适配的安装孔，即在光电器件驱动控制电路板、CPU信号处理分析部分板及供电电路电路板均开设安装孔，将螺柱伸入其中，并通过螺母等结构进行安装固定。

本实施例的气室芯2结构如图5所示，气室芯向内凹陷成型有安装容腔，在安装容腔的一侧(即图中的下方)的两端部分别安装有激光发射器9和光电转换接收器10。安装容腔的另一侧的两端部分别安装有第一反射镜11和第二反射镜12，第一反射镜11和第二反射镜12之间设有温度传感器或者压力传感器，又或者可以同时设有温度传感器件或者压力传感器，并且可以将温度传感器或者压力传感器设计成一体的温度压力传感器件13，实时的对气室内气体的温度和压强进行测定，通过获得该参数实时的对甲烷浓度进行压强和温度的修正，从而适应不同的温度压强环境。

第一反射镜11和第二反射镜12的镜面相对于激光器发出的入射光线均呈倾角，具体的，在本实施例中第一反射镜和第二反射镜与入射光线的倾角均呈45°，第一反射镜11和第二反射镜12的镜面垂直于安装容腔的底面，使得激光发射器3发出的入射光线在第一反射镜11和第二反射镜12的发射下可被光电转换接收器接收，激光发射器9发出的入射光线通过第一反射镜11反射至第二反射镜12，通过第二反射镜12将光线反射至光电转换接收器10，完成一次检测。

具体的，在本实施例中，第一反射镜11、第二反射镜12均通过抛光处理。镀金反射镜有着良好的外观和光学性能。该折叠反射光路利用气室金属本体充当反射面，抛弃了利用胶黏平面镜充当反射面的方式，配合后端特殊设计的高效率采集光的光电接收器，完成了气室采样的光路系统。

利用气室金属本体充当反射面的技术特征描述如下：

特定波长的激光由激光发射器出，经过两个气室本体的金属反射面两次90°反射最后由光电接收器接收，当激光发射至接收的路径上有甲烷气体存在，光电接收器接收所接收的激光光强信号就会发生变化，因而由转换的电参量也会发生变化，后端电路系统通过分析变化的电参量，从而确定当前所测试的气体浓度。

气室本体上的两个45°反射面由机械精加工加工而成，保证表面一定平面度和光洁度的基础上在进行抛光处理，使其金属表面能够充当类镜面反射的反射面。

利用气室金属本体充当反射面优势如下：

1)产品生产制造过程中可以省略贴装平面反射镜这一工艺过程，简化了产品的生产制造过程。

2)避免了由于贴装反射镜时工艺水平不高造成的光路耦合困难，光路歪斜等问题。

3)该气体吸收光路是产品的最关键部分，他是决定产品是否准确测量的核心部件，而吸收光路确近似完全暴露在外界环境中的，从长期应用角度来看，反射镜和金属本体的连接是最脆弱的，严重时会出现镜片从金属本体脱落的现象。去掉反射镜极大的提高产品的可靠性，并能够提升产品的使用寿命。

具体的，在本实施例中，安装容腔的一侧的两端分别设有两个安装槽，激光发射器9和光电转换接收器10分别置于两个安装槽内，安装容腔在安装槽7的对侧具有呈多边形的侧壁，本实施例的第一反射镜11、第二反射镜12安装在其中的两个对称的侧壁上。上述结构改变了传统的激光发射器和光电转换接收器的布置形式，利用一组反射镜使得从激光器发出的入射光线在两个相互配合的反射镜的发射下可被所述光电转换接收器接收，利用反射镜改变光的传播路径，使得相同体积下的气室光程增加了一倍以上，不仅起到了增加光程、节省空间的效果，而且使得气体检测结果更加精确，提高了气体的检测和报警的准确度。

除了以上改进，本实施例还对光电转换接收器10进行进一步改进，如图6所示，本实施例的光电转换接收器10包括由上至下依次设置的球窗透镜101、接收器芯片102和电气引线103，接收器芯片102和电气引线103相连接，球窗透镜与所述接收器芯片具有安装距离。该球窗管帽光电转换接收器采用的是球窗管帽，即特定焦距凸透镜集成到管帽之上，能够最大限度的收集外部微弱的有效光信号，通过转接套筒固定在气室本体上。由激光器发射的外界的平行光(或类平行光)经过光电接收器管帽上的球窗透镜后聚焦到达接收器芯片上，接收器芯片将聚焦后的光信号转化为相应的电流信号，电流信号通过电气引线传出后由其他电路系统进行分析。

球窗管帽接收器的管帽前端为特定焦距的凸透镜，能够最大程度的收集外部微弱的光信号，在外部光路的反射条件不佳情况下，该球窗管帽接收器也能够收集有效可用的光吸收信号。

综上所述，本实施例的小型化激光甲烷传感探头采用的是甲烷对1653nm特定激光光谱的吸收原理开发而成，该产品具有诸多优点：

1)气体检测的选择性好，不受其他气体干扰和引起误报。

2)属于气体直接检测，响应速度快，检测精度高。

3)产品的核心部件为半导体激光器，使用寿命长。

4)产品测量精度稳定的大于1年，实际使用中无需标校。

5)其实现了产品的小型化，可以应用在煤矿领域的壁挂式传感器，石油化工及消防领域的可燃气体报警器，探头的小型化对甲烷气体检测领域激光检测技术的推广有用具有重要意义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。