一种双光程多气体红外气体传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种双光程多气体红外气体传感器，主要包括双光程多气体检测腔、红外光源10、多元探测器2、防水透气膜3、信号放大模块15、模数转换模块16、信号处理模块17、通讯显示模块18。所述双光程多气体检测腔包括环形腔14和盖板4。红外光源10发出红外光的下半部分经平面反光镜8反射后到达多元探测器2下半部分，构成第1短光程；红外光源10发出红外光的上半部分经环形腔14内表面多次反射后到达多元探测器2上半部分，构成第2长光程，在单腔室内实现了长、短两种光程。本发明可以满足红外吸收率不同气体同时检测的要求，同时还可以满足同种气体不同检测精度的需求，方便实现多气体检测及识别，可广泛应用于多种场合下气体的实时监测。
【专利说明】一种双光程多气体红外气体传感器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种红外气体传感器，更确切地说本发明涉及一种双光程多气体红外 气体传感器。属于红外气体传感器领域。
【背景技术】
[0002] 近年来随着经济的发展、政府低碳环保等政策的推行以及人们安全意识的提高， 气体传感器市场需求量逐年增加，红外传感器以其精度高、选择性好、寿命长、不中毒、不依 赖于氧气、受环境干扰小等优点得到了广泛的研究。
[0003] CN 2507011Y公布了一种由光锥阵列、光锥套、滤光片阵列等组成的阵列式气体传 感器，可同时测定多种气体组分。CN200947084Y公布了一种由供电电源接口、气体传感器光 学平台、仪器测控系统以及外围接口组成的电调制非分光红外气体传感器，适合于多种气 体的测量。CN 102279167A公布了一种由气室以及由窄带光源、红外敏感部分、窄带光学滤 光片、气体干燥装置等部件组成的微型红外气体传感器。CN 102608064A公布了一种以三通 道探测器为基础设计的C0气体高精度检测的三通道红外气体传感器，可同时实现C0气体 和C0 2气体的测量。CN 102507494A公布了一种长光程及光强可调型红外甲烷气体传感器， 解决了现有非色散红外甲烷传感器只能测量较高浓度OlOOppm)的甲烷气体的问题。CN 102721662A公布了一种不依靠反射来延长光程，消除了传感器因反射面被污染后很快失效 的问题。
[0004] 以上公开的资料表明尽管它们设计精巧，在腔体内部设计了精巧的光路，但是其 光程唯一。由于不同气体对红外线的吸收强弱是不同的，在单一光程下同时对多种气体进 行检测，在光程设计时照顾了红外线吸收强的气体，势必会影响红外线吸收弱的气体的检 测精度，反之亦然；同时某些气体的红外吸收主峰比较接近，存在交叠区域，检测时很难判 别为何种气体，此时便需要吸收较弱的次吸收峰作为气体识别的补充依据，但是主次吸收 峰的强弱不同，单一光程下势必顾此失彼。为此单一光程不利于不同红外吸收率气体的同 时检测及气体筛选的精确度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种双光程多气体红外气体传感器，针对多种气体的检 测，对应待测气体中红外吸收弱气体的检测单元设置在长光程区，对应红外吸收强气体的 检测单元设置在短光程区，这便可以满足红外吸收率不同气体同时检测的需求及检测精 度；针对气体的识别和检测，对应待测气体的红外吸收主峰的检测单元设置在短光程区，对 应待测气体的红外吸收次峰的检测单元设置在长光程区，可以满足气体识别及测量；针对 同种气体不同检测精度，设置在短光程区的检测单元可以满足大量程低精度的需求，设置 在长光程区的检测单元可以满足小量程高精度的需求。
[0006] 所述传感器包括：
[0007] ①呈环形的多种气体检测腔为光路主通道，环形腔的侧壁设置有安放红外光源的 光源安装槽，抛物反射面，安放多元探测器的探测器安装槽以及内部设置平面反射镜；
[0008] ②所述的平面反射镜为方形结构，置于探测器安装槽轴线与光源安装槽的轴线交 点处，且探测器安装槽的轴线与光源安装槽的轴线夹角的平分线垂直；抛物反射面用于红 外光源发出的红外光反射进入环形腔；
[0009] ③所述多元探测器为四元红外探测器，敏感单元分上、下两排排列，上、下两排分 别贴装参考窄带滤光和待测气体对应的窄带滤光片，用于识别和检测多种待测气体；
[0010] ④多元探测器通过探测器板与仪器电路板相连，构建探测器信号的传输通道；红 外光源通过光源板与仪器电路板相连，构建红外光源控制信号传输的通道。
[0011] 所述的传感器其特征在于：
[0012] (a)所述的探测器安装槽的轴线与光源安装槽的轴线相交于环形腔的内部，否则 将不能对入射光线进行有效的反射；
[0013] (b)所述的探测器安装槽轴线与光源安装槽轴线不经过环形腔的中心，否则光线 将不能传播到探测器接收端。
[0014] (c)所述的仪器电路板依次包括信号放大模块、模数转换模块、信号处理模块、通 讯显示模块，其中信号放大模块将多元探测器的信号放大，模数转换模块将放大后的模拟 信号转化为数字信号，信号处理模块将转化后的数字信号进行运算处理转换为对应的输出 信号，通讯显示模块将输出信号显示出来。
[0015] (d)探测器安装槽与光源安装槽轴线夹角为120°。
[0016] (e)所述的多元探测器有4个焊接孔，与仪器电路板连接焊盘4个；红外光源有2 个焊接孔，与仪器电路板连接焊盘2个。
[0017] (f)所述多种气体检测腔的盖板为光路辅助部分，盖板上设有通气孔和定位槽，通 气孔用的待测气体扩散进入并充满多种气体检测腔；定位槽卡住固定探测器安装槽，使盖 板固定在多种气体检测腔上。
[0018] (g)所述的短光程为红外光源发出红外光的下半部分经平面反光镜反射后到达多 元探测器下半部分的距离，
[0019] 根据三角形余弦定理可得到短光程的长度，即光程U为：
[0020]
【权利要求】
1. 一种双光程多气体红外气体传感器，其特征在于所述传感器包括： ① 呈环形的多种气体检测腔为光路主通道，环形腔的侧壁设置有安放红外光源的光源 安装槽，抛物反射面，安放多元探测器的探测器安装槽以及内部设置平面反射镜； ② 所述的平面反射镜为方形结构，置于探测器安装槽轴线与光源安装槽的轴线交点 处，且探测器安装槽的轴线与光源安装槽的轴线夹角的平分线垂直；抛物反射面用于红外 光源发出的红外光反射进入环形腔； ③ 所述多元探测器为四元红外探测器，敏感单元分上、下两排排列，上、下两排分别贴 装参考窄带滤光和待测气体对应的窄带滤光片，用于识别和检测多种待测气体； ④ 多元探测器通过探测器板与仪器电路板相连，构建探测器信号的传输通道；红外光 源通过光源板与仪器电路板相连，构建红外光源控制信号传输的通道。
2. 按权利要求1所述的传感器，其特征在于： ① 所述的探测器安装槽的轴线与光源安装槽的轴线相交于环形腔的内部，否则将不能 对入射光线进行有效的反射； ② 所述的探测器安装槽轴线与光源安装槽轴线不经过环形腔的中心，否则光线将不能 传播到探测器接收端。
3. 按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的仪器电路板依次包括信号放大模 块、模数转换模块、信号处理模块、通讯显示模块，其中信号放大模块将多元探测器的信号 放大，模数转换模块将放大后的模拟信号转化为数字信号，信号处理模块将转化后的数字 信号进行运算处理转换为对应的输出信号，通讯显示模块将输出信号显示出来。
4. 按权利要求1或2所述的传感器，其特征在于探测器安装槽与光源安装槽轴线夹角 为 120。。
5. 按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的多元探测器有4个焊接孔，与仪器电 路板连接焊盘4个；红外光源有2个焊接孔，与仪器电路板连接焊盘2个。
6. 按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述多种气体检测腔的盖板为光路辅助部 分，盖板上设有通气孔和定位槽，通气孔用的待测气体扩散进入并充满多种气体检测腔；定 位槽卡住固定探测器安装槽，使盖板固定在多种气体检测腔上。
7. 按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述识别和测定多种待测气体是： ① 针对多种气体的检测，对应待测气体中红外吸收弱气体的检测单元设置在长光程 区，对应红外吸收强气体的检测单元设置在短光程区，以满足红外吸收率不同气体同时检 测的需求及检测精度； ② 针对气体的识别和检测，对应待测气体的红外吸收主峰的检测单元设置在短光程 区，对应待测气体的红外吸收次峰的检测单元设置在长光程区，以满足气体识别及测量； ③ 针对同种气体不同检测精度，设置在短光程区的检测单元可以满足大量程低精度的 需求，设置在长光程区的检测单元可以满足小量程高精度的需求。
8. 按权利要求7所述的传感器，其特征在于： ①所述的短光程为红外光源发出红外光的下半部分经平面反光镜反射后到达多元探 测器下半部分的距离， 根据三角形余弦定理可得到短光程的长度，即光程U为：
其中，R为环形腔内半径，a i为光源入射角，b为环形腔中心到平面镜的距离，hi为红 外光源灯丝到内腔表面的距离，h2为探测器上表面到内腔表面的距离； ②所述的长光程区为红外光源发出的红外光的上半部分经环形腔的内表面η次反射 后到达多元探测器上半部分的距离； 根据三角形余弦定理，可得到入射光从入射点到第1次到环形腔内表面的距离S为：
其中R为圆柱面反射镜半径，α 2为长光程光源入射角； 根据光学反射原理，入射光经η > 1次反射后到达探测器接收表面的距离，即光程L2 为：
其中R为环形腔内半径，α 2为第2光程光源入射角，η为红外光到达探测器前反射的 次数，4为红外光源灯丝到内腔表面的距离，h2为探测器上表面到内腔表面的距离； 所述的短光程即为第1光程或光程1 ;所述的长光程即为第2光程或光程2。
9. 按权利要求1或8所述的传感器，其特征在于所述的红外光源采用但不仅限于MEMS 光源或白炽灯； 所述的多元探测器采用但不仅限于热电堆探测器、热释电探测器或化合物半导体探测 器。
10. 按权利要求8所述的传感器，其特征在于所述的双光程多气体传感器通过更换封 装有不同特征吸收波长滤光片的探测器实现不同气体的监测，其中作为参考滤光片的中心 波长可以选择但不仅限于3. 9 μ m ;检测气体滤光片中心波长依不同气体而选择不同特征 峰： (a) 气体 C02 特征峰为 1. 4、1· 6、2· 0、2· 7、4· 26、4· 8、5· 2、9· 4、10· 4 或 15 ; (b) 气体CO特征峰为2. 3或4. 64 ; (c) 气体CH4特征峰为3. 31、6· 5或7. 65 ; (d) 气体NO特征峰为5. 3 ; (e) 气体 N20 特征峰为 3· 9、4· 05、4· 5、7· 7、8· 6 或 17. 1 ; (f) 气体 H20 特征峰为 0· 94、1· 1、1· 38、1· 87、2· 7、5· 2 或 6. 27 ; (g) 气体〇3特征峰为4. 7、8. 9、9. 6或14 ; (h) 气体S02特征峰为7. 3 ; 上述特征峰单位为μ m。
【文档编号】G01N21/3504GK104122223SQ201410386280
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】李铁, 刘延祥, 周宏 , 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所