一种红外气体传感器的制造方法
【专利摘要】针对现有矿用红外气体传感器所存在的不足，本实用新型提供一种红外气体传感器；传感器包括外壳、內筒体、电路组件、光源、红外探测器、温度传感器、过滤膜、金属网、通气板；光源经调制，周期性地辐射光波，经待测气体吸收后，照射在红外探测器上；本实用新型有益的技术效果是：本产品在恶劣环境中长期稳定与可靠运行，具有防爆性能，其在光源周期性辐射光波的加热下，形成了呼吸性气室，气室与光学系统为一体，能同时进行多种气体浓度的检测。
【专利说明】一种红外气体传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型属于防爆检测【技术领域】，具体涉及煤矿井下的气体检测技术，尤其涉及多组分的红外气体传感器。
【背景技术】
[0002]红外气体传感器，是利用被测气体对特定波长的红外辐射有吸收的原理，根据各种气体光谱曲线上某些特定波长处吸收峰的变化来测定气体的浓度。
[0003]采用红外技术的多组分气体传感器，弥补煤矿检测仪器的不足，改善检测仪器的性能，为煤矿安全提供更为行之有效的检测手段及装备，对提高煤矿的安全生产，保障国家财产和人员生命安全有极其重要的现实意义。但是，现有的红外气体传感器不能适合于煤矿井下爆炸性环境、恶劣环境下使用，温度、水汽、粉尘、腐蚀性气体、易燃易爆气体对传感器造成损害，使其性能下降，具体表现总结为如下几个方面:
[0004]1、现有的传感器防爆、防尘、防湿、防腐蚀性、防干扰性能差，影响传感器在恶劣环境下的安全使用和测量的准确性；
[0005]2、现有的传感器气室结构及光学系统复杂，因此，制造工艺复杂、成本高、维护困难，也很难实现对多组分气体的测量；
[0006]3、现有的传感器气室结构，不利于气室与环境充分交换气体,导致测量响应时间长，对环境中气体检测的不可靠；
[0007]4、现有的传感器一般只检测一种气体浓度。
[0008]为此，大量的科研机构与厂矿企业对红外气体传感器进行了广泛的研究与技术探索，但仍然有需要进一步改进、完善的地方。专利“一种非色散红外气体传感器”(CN201477043U)的加工要简单些，但很难实现光路的聚焦。专利“双光源双敏感元件红外多气体检测传感器”(CN101105449)提供一种双光源双敏感元件红外气体检测传感器，其光路结构复杂，需要反射镜聚焦，且气室的制造较为复杂，实用性差。
实用新型内容
[0009]针对现有红外气体传感器所存在的上述不足，本实用新型提供一种红外气体传感器，其具体的结构为:一种红外气体传感器，包括外壳1、内筒体2和电路组件；其中，在内筒体2的外部套有外壳1，在内筒体2的底部连接有电路组件；
[0010]所述外壳I为中空圆筒，在外壳I的顶端设有向内伸展的台阶11 ;所述台阶11呈环形；在台阶11的顶部覆盖有一层过滤膜12 ;在台阶11的底部罩有一层金属网13，金属网13的底面与通气板14相连接；所述通气板14为薄片金属盘状，在通气板14上均布有一圈贯穿孔15 ;即由过滤膜12、金属网13和通气板14将外壳I的顶部开口覆盖起来；
[0011]所述内筒体2为顶部封口的中空圆筒，在内筒体2的底部设有向外延伸的环形边21，在内筒体2的侧壁上设有一个进光口 22 ;在环形边21上设有一个准三棱柱体，所述准三棱柱体由反射板23、挡光板24和弧形板26围绕而成，其中，反射板23与挡光板24相连处的棱角边与进光口 22左侧的内筒体2侧壁相连接，弧形板26的底边与环形边21的一段边缘相重合；在靠近挡光板24的环形边21上设有一个通孔25 ；
[0012]内筒体2的顶面与通气板14的底面紧密接触；内筒体2的环形边21与外壳I的内壁相接；在环形边21与外壳I的连接处填充有环氧树脂密封；外壳I与内筒体2所围成的区域构成本红外气体传感器的气室9 ;即外界环境气体依次穿过过滤膜12、金属网13和通气板14的贯穿孔15后扩散并进入气室9 ；
[0013]所述电路组件包括底板3、光源4、红外探测器5、温度传感器6和光源调制驱动电路7 ;所述底板3为金属圆板且与环形边21的外径等长；底板3与环形边21的底面相连接，即通过底板3将内筒体2下方的开口封住；
[0014]在底板3顶面的中央设有红外探测器5 ;在靠近红外探测器5的底板3顶面上设有温度传感器6 ;光源4设置在靠近挡光板24 —侧的气室9端部，光源4的底部穿过通孔25后与底板3相连接；光源调制驱动电路7安置在底板3上，并通过导线和光源4相连接；红外探测器5、温度传感器6和光源调制驱动电路7分别与本产品外部的上位机相连接；
[0015]光源调制驱动电路7接收本产品外部的上位机的周期性控制信号后，转换为同周期的驱动电压加载到光源4上，所述周期性电压为方波；在周期性电压的驱动下，光源4产生周期性的辐射光波；光源4产生的周期性辐射光波经气室9反射后并穿过进光口 22照射在红外探测器5上；光源4产生的周期性辐射光波对气室9内的气体进行周期性的加热，促使气室9内的气体周期性地膨胀收缩，从而实现气室9内的气体与外壳I外部的环境气体快速地进行气体交换，形成了 “呼吸性气室”；
[0016]红外探测器5将接收到的周期性辐射光波，转化为与辐射光波相同周期的电信号后由信号线传递至本产品外部的上位机；
[0017]温度传感器6实时检测红外探测器5附近的温度并由信号线传递至本产品外部的上位机。
[0018]有益的技术效果
[0019]1、光源周期性的对气室加热，气室中气体的“膨胀-收缩”，形成呼吸性气室，在传感器上电后，对气室进行干燥，气室中气体的“膨胀-收缩”，消除水汽、粉尘对光路、光学系统及气室的影响；呼吸性气室能与环境充分交换气体，缩短了传感器的响应时间，提高了对环境气体检测的可靠性；气室加热与光源二者为一体，与常见的由加热器对气室加热相比，传感器结构紧凑、功耗大大降低，也提高了传感器的防爆性能；所述的光源调制控制电路使光源周期性地亮灭，在光源未点亮的半个周期中，加载一定的电流在光源上，与常见的光源从冷阻状态点亮相比，避免了光源从冷阻状态点亮产生的冲击电流，从而满足煤矿井下本质安全电源供电的要求；同时，所述的光源调制控制电路，对光源的能量进行限制和控制，使其防爆型式为本质安全型；
[0020]2、从电路与结构上，对传感器的防爆性能采取的技术措施:所述的光源调制控制电路，对光源的能量进行限制和控制，其防爆型式为本质安全型，即使光源发生故障或损坏，也不影响防爆性能；如果所述的光源调制控制电路也发生故障或损坏，所述的金属网，能起到隔爆作用，使传输到外界环境中能量受到限制；
[0021]3、气室是所述外壳和所述内筒体围成的空间，外壳内壁和内筒体外壁组成了曲面反射光学系统，光经多次反射形成了检测气体的光路，气室与光学系统为一体，没有光学聚光、分光系统，气室结构简单、体积小、重量轻，加工、装配简便，按照光源、红外探测器等器件安装空间，以及检测气体组分的数量、分辨率、精度的要求，改变所述外壳和所述内筒体直径及高度，就增大或减小气室容量和光路光程，满足对气体检测的各种要求，优化传感器的结构与体积；
[0022]4、各部件经适当的配合，实现传感器同时进行多种气体浓度的检测:
[0023](I)所述光源的红外辐射波段涵盖2?5μπι、8?12μπι、2?12μπι和2?20 μ m，包括所有待测气体吸收红外辐射的特征波长，光源的辐射光谱具有同时进行多种气体浓度检测的气体吸收红外辐射的特征波长；
[0024](2)所述的红外探测器是多元热释电红外探测器，有多个红外敏感元件组成，每个红外敏感元件接收红外辐射的敏感面上安装有窄带干涉滤光片，窄带干涉滤光片起滤光的作用，只让相应的待测气体所要吸收的特征波长的红外辐射通过，只有待测气体特征吸收波长的红外辐射到达红外敏感元件，因此，能对各种类型气体测量进行选择；
[0025](3)所述的内筒体用于安装红外探测器的空间，可根据红外探测器的体积和对气体测量精度进行调整，便于多个红外敏感元件组成的多元红外探测器的安装；
[0026](4)所述气室形成的光学系统，光路经气室侧壁反射，形成的光斑直接照射所述红外探测器，无需光学器件对所述光源发出光进行汇聚或分光，只经反射就到达所述红外探测器，适合多个敏感面的红外探测器对红外辐射的检测，从光路上可同时对多种气体进行检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本产品的纵向剖视图。
[0028]图2为图1的A-A剖视图。
[0029]图3为图1的组装图。
[0030]图4为图1的B-B剖视图。
[0031 ] 图5为光源调制驱动电路7的电路图。
[0032]图6为图5光源调制驱动电路加载在光源4上的电流与电压波形示意图。
[0033]具体的实施方式
[0034]现结合附图详细说明本专利的技术特点。
[0035]参见图1, 一种红外气体传感器，包括外壳1、内筒体2和电路组件；其中，在内筒体2的外部套有外壳1，在内筒体2的底部连接有电路组件；参见图1和图3，所述外壳I为中空圆筒，在外壳I的顶端设有向内伸展的台阶11 ;所述台阶11呈环形；在台阶11的顶部覆盖有一层过滤膜12，所述过滤膜12为防水且通气的疏水性薄膜；在台阶11的底部罩有一层金属网13，所述金属网13为孔径为60?80目且厚度大于Imm的圆形不锈钢金属网，金属网13的底面与通气板14相连接；所述通气板14为薄片金属盘状，在通气板14上均布有一圈贯穿孔15，贯穿孔15的数量在10到30个之间；即由过滤膜12、金属网13和通气板14将外壳I的顶部开口覆盖起来，起到防水、防尘、防爆的功能，如图4所示。
[0036]参见图2和图3，所述内筒体2为顶部封口的中空圆筒，在内筒体2的底部设有向外延伸的环形边21，在内筒体2的侧壁上设有一个进光口 22，所述进光口 22的开口角度α介于60?80°之间且与内筒体2等高；在环形边21上设有一个准三棱柱体，所述准三棱柱体由反射板23、挡光板24和弧形板26围绕而成，其中反射板23与挡光板24相连处的棱角边与进光口 22左侧的内筒体2侧壁相连接，弧形板26的底边与环形边21的一段边缘相重合；在靠近挡光板24的环形边21上设有一个通孔25。
[0037]参见图1，内筒体2的顶面与通气板14的底面紧密接触；内筒体2的环形边21与外壳I的内壁相接；在环形边21与外壳I的连接处填充有环氧树脂密封；外壳I与内筒体2所围成的区域构成本红外气体传感器的气室9 ;即外界环境气体依次穿过过滤膜12、金属网13和通气板14的贯穿孔15后扩散并进入气室9。
[0038]参见图1和图3，所述电路组件包括底板3、光源4、红外探测器5、温度传感器6和光源调制驱动电路7 ;所述底板3为金属圆板且与环形边21的外径等长；底板3与环形边21的底面相连接，即通过底板3将内筒体2下方的开口封住；
[0039]参见图1和图2，在内筒体2所包围的底板3顶面的中央设有红外探测器5 ;在靠近红外探测器5的底板3顶面上设有温度传感器6 ;光源4设置在靠近挡光板24 —侧的气室9端部，光源4的底部穿过通孔25后与底板3相连接；光源调制驱动电路7安置在底板3上，并通过导线和光源4相连接；红外探测器5、温度传感器6和光源调制驱动电路7分别与本产品外部的上位机相连接；光源调制驱动电路7接收本产品外部的上位机的周期性控制信号后，转换为同周期的驱动电压加载到光源4上，如图6所示，所述周期性电压为方波；在周期性电压的驱动下，光源4产生周期性的辐射光波；光源4产生的周期性辐射光波经气室9反射后并穿过进光口 22照射在红外探测器5上；光源4产生的周期性辐射光波对气室9内的气体进行周期性的加热，促使气室9内的气体周期性地膨胀收缩，从而实现气室9内的气体与外壳I外部的环境气体快速地进行气体交换，形成了“呼吸性气室”;红外探测器5将接收到的周期性辐射光波，转化为与辐射光波相同周期的电信号后由信号线传递至本产品外部的上位机；温度传感器6实时检测红外探测器5附近的温度并由信号线传递至本产品外部的上位机。
[0040]进一步说，光源4所发出的辐射光波的光谱范围为可见光至红外波段；其中，红外辐射优选的波段范围是2?5μπι、8?12μπι、2?12μπι和2?20μπι;
[0041]红外探测器5由2至16个红外敏感元件构成，其中I个红外敏感元件接收波长为
3.9 μ m的红外辐射，余下的红外敏感元件的敏感面上均安装有窄带干涉滤光片且接收与窄带干涉滤光片相对应波长的红外辐射；光源4所发出的辐射光波经气室9的多次反射后形成的光斑直接照射在红外探测器5的整个敏感面上，整个光路上不加设任何汇聚或分光的光学器件。
[0042]进一步说，光源4的灯芯为钨丝或热电阻薄膜；在通电状态下，光源4发热并产生红外辐射；参见图5，光源调制驱动电路7由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、三极管VTl和场效应管VT2组成；其中，场效应管VT2的源极连接电源地，场效应管VT2的源极与场效应管VT2的漏极通过第四电阻R4相连接，场效应管VT2的漏极连接第三电阻R3，场效应管VT2的门极分别与第二电阻R2的一端、三极管VTl的发射极相连接，第二电阻R2的另一端连接电源VCC，三极管VTl集电极与场效应管VT2的源极相连接，三极管VTl的基极与第一电阻Rl的一端相连接，第一电阻Rl的另一端与本产品外部的上位机控制信号相连接；在第二电阻R2的另一端与第三电阻R3的另一端之间串联有光源4 ;即电源VCC提供的电流依次流经光源4、第三电阻R3、第四电阻R4和场效应管VT2，实现对光源4的供电，来自本产品外部的上位机的周期性控制信号依次经过第一电阻R1、三极管VTl和场效应管VT2，驱动光源4周期性地发出辐射光波；
[0043]钨丝通入电流加热，温度升高，随着温度的升高，钨丝电阻值增加，没有电流通过时的电阻叫做冷阻，当有电流通过时，电阻将升高，叫做热阻；钨丝冷阻很小，如果光源4从冷阻状态点亮，这个过程会产生很大的冲击电流；光源调制驱动电路7将加载一定的电流在光源4上，避免了光源4从冷阻状态点亮；
[0044]场效应管VT2截止时，电源VCC经光源4、电阻R3、R4到达电源地，通过调节电阻R4可设定通过光源4电流值，决定光源4调制深度，也就是在场效应管VT2截止时，光源4中通入电流，避免光源4冷阻状态点亮时，对电源VCC的冲击；
[0045]场效应管VT2是个低导通电阻的N沟道M0SFET，导通电阻仅零点几欧姆；场效应管VT2导通时，电源VCC经光源4、电阻R3、场效应管VT2及并联于场效应管VT2的漏、源极电阻R4到达电源地，通过调节电阻R3设定通过光源4电流值，决定光源4产生的辐射光波的强度。
[0046]参见图6，光源4调制频率为4Hz (周期0.25s);场效应管VT2截止时，通过调节电阻R4，光源4电流为10mA，此时光源4未点亮；场效应管VT2导通时，通过调节电阻R3，光源4电流为60mA，此时光源4点亮；通常采用的光源调制驱动电路，在光源未点亮时，光源调制驱动电路加载的电流是0，这样，光源就在冷阻状态下点亮，对供电电源产生很大的冲击电流，这对于煤矿井下本质安全电源供电造成不利影响，使传感器不能上电或工作不正常。
[0047]三极管VTl —是用于保护场效应管VT2，防止场效应管VT2损坏，二是将本产品外部的上位机输出的控制信号与光源4供电电源VCC进行隔离，防止相互干扰。
[0048]此外，传感器防爆性能由光源调制驱动电路7及金属网13来实现；光源调制驱动电路7控制提供给光源4的电流或限制能量，使光源4及光源调制驱动电路7符合GB3836.4本质安全的要求；在光源调制驱动电路7安全保护失效的情况下，金属网13应保证达到阻火、防爆的功能要求，从而实现传感器防爆功能，能用于爆炸危险性环境检测待测气体的浓度；另外，过滤膜12保证气室与外界交换气体，不让水汽进入气室，实现传感器的防水功能，可在有水汽、高湿度环境中使用。
【权利要求】
1.一种红外气体传感器,包括外壳(I)、内筒体(2)和电路组件；其中，在内筒体(2)的外部套有外壳(1)，在内筒体(2)的底部连接有电路组件； 其特征在于:所述外壳(I)为中空圆筒，在外壳(I)的顶端设有向内伸展的台阶(11)；所述台阶(11)呈环形；在台阶(11)的顶部覆盖有一层过滤膜(12);在台阶(11)的底部罩有一层金属网(13)，金属网(13)的底面与通气板(14)相连接；所述通气板(14)为薄片金属盘状，在通气板(14)上均布有一圈贯穿孔(15);即由过滤膜(12)、金属网(13)和通气板(14)将外壳(I)的顶部开口覆盖起来；所述内筒体(2)为顶部封口的中空圆筒，在内筒体(2)的底部设有向外延伸的环形边(21 )，在内筒体(2)的侧壁上设有一个进光口(22);在环形边(21)上设有一个准三棱柱体，所述准三棱柱体由反射板(23 )、挡光板(24 )和弧形板(26 )围绕而成，其中反射板(23 )与挡光板(24)相连处的棱角边与进光口( 22 )左侧的内筒体(2 )侧壁相连接，弧形板(26)的底边与环形边(21)的一段边缘相重合；在靠近挡光板(24)的环形边(21)上设有一个通孔(25);内筒体(2)的顶面与通气板(14)的底面紧密接触；内筒体(2)的环形边(21)与外壳(I)的内壁相接；在环形边(21)与外壳(I)的连接处填充有环氧树脂密封；外壳(I)与内筒体(2)所围成的区域构成本红外气体传感器的气室(9);即外界环境气体依次穿过过滤膜(12)、金属网(13)和通气板(14)的贯穿孔(15)后扩散并进入气室(9);所述电路组件包括底板(3)、光源(4)、红外探测器(5)、温度传感器(6)和光源调制驱动电路(7);所述底板(3)为金属圆板且与环形边(21)的外径等长；底板(3)与环形边(21)的底面相连接，即通过底板(3)将内筒体(2)下方的开口封住； 在底板(3 )顶面的中央设有红外探测器(5 );在靠近红外探测器(5 )的底板(3 )顶面上设有温度传感器(6);光源(4)设置在靠近挡光板(24) —侧的气室(9)端部,光源(4)的底部穿过通孔(25)后与底板(3)相连接；光源调制驱动电路(7)安置在底板(3)上，并通过导线和光源(4)相连接； 红外探测器(5)、温度传感器(6)和光源调制驱动电路(7)分别与本产品外部的上位机相连接； 光源调制驱动电路(7)接收本产品外部的上位机的周期性控制信号后，转换为同周期的驱动电压加载到光源(4)上，所述周期性电压为方波；在周期性电压的驱动下，光源(4)产生周期性的辐射光波；光源(4)产生的周期性辐射光波经气室(9)反射后并穿过进光口(22)照射在红外探测器(5)上；光源(4)产生的周期性辐射光波对气室(9)内的气体进行周期性的加热，促使气室(9)内的气体周期性地膨胀收缩，从而实现气室(9)内的气体与外壳(I)外部的环境气体快速地进行气体交换，形成了 “呼吸性气室”； 红外探测器(5)将接收到的周期性辐射光波，转化为与辐射光波相同周期的电信号后由信号线传递至本产品外部的上位机；温度传感器(6)实时检测红外探测器(5)附近的温度并由信号线传递至本产品外部的上位机。
2.根据权利要求1所述的一种红外气体传感器，其特征在于，光源(4)所发出的福射光波的光谱范围为可见光至红外波段；红外探测器(5)由2至16个红外敏感元件构成，其中I个红外敏感元件接收波长为3.9μπι的红外辐射，余下的红外敏感元件的敏感面上均安装有窄带干涉滤光片且接收与窄带干涉滤光片相对应波长的红外辐射；光源(4)所发出的辐射光波经气室(9)的多次反射后形成的光斑直接照射在红外探测器(5)的整个敏感面上，整个光路上不加设任何汇聚或分光的光学器件。
3.根据权利要求1所述的一种红外气体传感器，其特征在于，光源(4)的灯芯为钨丝或热电阻薄膜；在通电状态下，光源(4)发热并产生红外辐射； 光源调制驱动电路(7)由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、三极管VTl和场效应管VT2组成；其中，场效应管VT2的源极连接电源地，场效应管VT2的源极与场效应管VT2的漏极通过第四电阻R4相连接，场效应管VT2的漏极连接第三电阻R3，场效应管VT2的门极分别与第二电阻R2的一端、三极管VTl的发射极相连接，第二电阻R2的另一端连接电源VCC，三极管VTl集电极与场效应管VT2的源极相连接，三极管VTl的基极与第一电阻Rl的一端相连接，第一电阻Rl的另一端与本产品外部的上位机控制信号相连接；在第二电阻R2的另一端与第三电阻R3的另一端之间串联有光源(4);即电源VCC提供的电流依次流经光源(4)、第三电阻R3、第四电阻R4和场效应管VT2，实现对光源(4)的供电，来自本产品外部的上位机的周期性控制信号依次经过第一电阻R1、三极管VTl和场效应管VT2，驱动光源(4)周期性地发出辐射光波； 钨丝通入电流加热，温度升高，随着温度的升高，钨丝电阻值增加，没有电流通过时的电阻叫做冷阻，当有电流通过时，电阻将升高，叫做热阻；钨丝冷阻很小，如果光源(4)从冷阻状态点亮，这个过程会产生很大的冲击电流；光源调制驱动电路(7)将加载一定的电流在光源(4)上，避免了光源(4)从冷阻状态点亮；场效应管VT2截止时，电源VCC经光源(4)、电阻R3、R4到达电源地，通过调节电阻R4可设定通过光源(4)电流值，决定光源(4)调制深度，也就是在场效应管VT2截止时，光源(4)中通入电流，避免光源(4)冷阻状态点亮时，对电源VCC的冲击；场效应管VT2是个低导通电阻的N沟道MOSFET，导通电阻仅零点几欧姆；场效应管VT2导通时，电源VCC经光源(4)、电阻R3、场效应管VT2及并联于场效应管VT2的漏、源极电阻R4到达电源地，通过调节电阻R3设定通过光源(4)电流值，决定光源(4)产生的辐射光波的强度；三极管VTl —是用于保护场效应管VT2，防止场效应管VT2损坏，二是将本产品外部的上位机输出的控制信号与光源(4)供电电源VCC进行隔离，防止相互干扰。
4.根据权利要求2所述的一种红外气体传感器，其特征在于，红外辐射的波长范围为2 ~5 μ m、8 ~12 μ m、2 ~12 μ m 和 2 ~20 μ m。
【文档编号】G01N21/3504GK203732437SQ201420116121
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2014年3月14日
【发明者】刘永平, 刘丁鑫 申请人:刘永平, 刘丁鑫