一种适用于多种气体检测的非分光型红外气体传感器的制作方法

本发明涉及基于非分光型红外气体传感器领域。

背景技术：

随着社会现代化、工业化的发展，人们在生产生活中对于气体检测的要求逐步提高，气体传感器因此向着多功能、高精度、小型化发展。红外气体传感器是一种精度高、可靠性好、不易中毒的气体传感器，其检测原理为红外光谱吸收原理，即不同极性分子会对特定波长的红外线进行选择性吸收进而引起分子内部能级跃迁，不同的极性分子具有不同的红外吸收峰，且根据朗伯比尔定律，特定频率的红外光在经过不同浓度的气体吸收后会产生不同程度的能量衰减，根据此原理红外气体传感器可以对气体种类及浓度进行检测。红外气体传感器分为分光型红外气体传感器与非分光型红外气体传感器，分光型红外气体传感器是利用棱镜、光栅和干涉仪等分光方法分离出特定谱线的红外光，进而对特定气体分子进行检测，其整体尺寸大，不易进行移动检测，稳定性较差；非分光型红外气体传感器则在红外探测器前端加载窄带滤光片，对已经经过气体吸收的红外光进行滤光处理，继而检测其红外光能，非分光型红外气体传感器集成度高、体积小且稳定性好，适用于进行多气体传感器设计，非分光型红外气体传感器中朗伯比尔定律应用表达式为：

其中，i0为红外光入射强度，i为红外光出射强度，k为气体吸收系数，l为红外光吸收有效光程，c为吸收红外光气体浓度；气体吸收系数k值为常数，由式可知红外气体传感器检测出的气体浓度值与红外光入射出射强度比值、红外光吸收有效光程长度呈函数相关，为防止探测器噪声等随机干扰因素对检测结果带来不利影响，其中红外入射光强度i0值由非分光型红外气体传感器中参考通道探测得到，参考通道与检测通道所用探测器相同，只是滤光片透射频率不同，参考通道滤光频率设置为除目标气体吸收频率外的其他合适频率，红外光出射强度i值由非分光型红外气体传感器目标气体探测通道探测得到，其所用滤光片为可透过目标气体吸收频率光的窄带滤光片，参考通道的引进可以有效消除噪声、光源不稳定等带来的误差，由此原理可知，参考通道的引进前提是红外探测器在参考通道与探测通道中所接受的光通量是一致的，这样参考通道的探测结果才有参考价值，这一限制因素也使得非分光型红外气体传感器在探测气体种类多样化的发展路途中受到一定阻碍，因为红外光源在经过红外气体腔室反射后对探测器平面的投射光通量并不完全均匀，增加探测气体种类意味着增加探测通道探测面，其接受光通量的不均匀程度相应增加，参考通道与探测通道探测面所接收光通量差值增大，使得传感器误差增大，精度减小。因此一种能够同时探测多种类气体的高精度非分光型红外气体传感器亟待研究。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有用于多种气体检测的非分光型红外气体传感器中光通量投射不均、检测误差大的问题，从而提供一种适用于多种气体检测的非分光型红外气体传感器。

本发明所述的一种适用于多种气体检测的非分光型红外气体传感器，包括上壁透气板1、六棱锥形反射板3、六棱台气体腔室侧壁4、聚光透镜5、滤光片6、探测器7、红外光源8和探测器底板9；

六棱台气体腔室侧壁4的顶部设有六棱锥形反射板3，六棱锥形反射板3上盖合上壁透气板1，六棱台气体腔室侧壁4的底部设有探测器底板9，上壁透气板1、六棱台气体腔室侧壁4和探测器底板9围合成六棱台气体腔室，六棱锥形反射板3的底面和六棱台气体腔室侧壁4的内壁均涂有反光材料，上壁透气板1和六棱锥形反射板3上均打有透气孔；

探测器底板9的中央设有红外光源8，红外光源8的周围均匀分布6个探测器7，6个探测器7的接收面均设有滤光片6，红外光源8发射的准直红外光依次经六棱锥形反射板3的底面和六棱台气体腔室侧壁4的内壁反射后形成的6路光分别入射至6个聚光透镜5，经聚光透镜5聚焦后再通过滤光片6滤光，最终入射至相应探测器7。

优选的是，还包括透气滤水层2；

透气滤水层2设置在上壁透气板1和六棱锥形反射板3之间。

优选的是，六棱台气体腔室侧壁4内还设有6个直角形分隔板4-1，分隔板4-1的高度与六棱台气体腔室侧壁4的高度相当，分隔板4-1的斜边与六棱台气体腔室侧壁4的棱吻合并固定连接。

优选的是，还包括6个透镜支撑架10；

透镜支撑架10与探测器7一一对应；

6个透镜支撑架10均设置在探测器底板9上，探测器7位于相应透镜支撑架10内，聚光透镜5固定在于透镜支撑架10顶部。

优选的是，透镜支撑架10为空心四棱柱结构。

优选的是，探测器7为热释电探测器。

优选的是，红外光源8为广谱红外光源。

本发明的红外光源发射出的红外光经过六棱锥形反射板和六棱台气体腔室侧壁两次反射后，投射到位于探测器底板上设有聚光透镜及滤光片的探测器上。本发明通过设计六棱台气体腔室，使红外光线更均匀地投射到多个探测器上，增多了红外气体传感器一次探测的气体种类，并提高了非分光型红外气体传感器的检测精度，降低检测误差，而且本发明的气体传感器的体积小。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的一种适用于多种气体检测的非分光型红外气体传感器的结构示意图；为便于观察，各部分离散开；

图2是具体实施方式三中的六棱台气体腔室侧壁的结构示意图；

图3是具体实施方式五中的一种适用于多种气体检测的非分光型红外气体传感器的光路仿真图；

图4是具体实施方式五中的探测器底板平面的整体光路辐照度分析图；

图5至图10分别是具体实施方式五中的6个探测器对应的辐照度分析图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种适用于多种气体检测的非分光型红外气体传感器，包括上壁透气板1、六棱锥形反射板3、六棱台气体腔室侧壁4、聚光透镜5、滤光片6、探测器7、红外光源8和探测器底板9；

六棱台气体腔室侧壁4的顶部设有六棱锥形反射板3，六棱锥形反射板3上盖合上壁透气板1，六棱台气体腔室侧壁4的底部设有探测器底板9，上壁透气板1、六棱台气体腔室侧壁4和探测器底板9围合成六棱台气体腔室，六棱锥形反射板3的底面和六棱台气体腔室侧壁4的内壁均涂有反光材料，上壁透气板1和六棱锥形反射板3上均打有透气孔；

探测器底板9的中央设有红外光源8，红外光源8的周围均匀分布6个探测器7，6个探测器7的接收面均设有滤光片6，红外光源8发射的准直红外光依次经六棱锥形反射板3的底面和六棱台气体腔室侧壁4的内壁反射后形成的6路光分别入射至6个聚光透镜5，经聚光透镜5聚焦后再通过滤光片6滤光，最终入射至相应探测器7。

本实施方式的气体传感器置于待测环境中，六棱锥形反射板3的底面和六棱台气体腔室侧壁4的内壁均为反光面，以保证红外光源的反射效果；上壁透气板1和六棱锥形反射板3上均打有透气孔，以方便气体渗透检测。探测器底板9为具有一定厚度的正六边形底板。6个探测器7上方设置不同滤光波长的滤光片6，6个探测器中，选取其中一个为参考通道探测器，其余5个为可探测5种不同气体的探测器。

本实施方式中所用的红外光源8为具有准直效果的广谱光源，其发射出的红外光近似于平行光线，由红外光源8发射出的准直平行光线经六棱锥形反射板3发生第一次均分反射，再经六棱台气体腔室侧壁4内壁发生第二次反射后分为6路光线，经聚光透镜5与滤光片6的聚光、滤光后投射到6个独立的热释电探测器上，其中一路探测器设置为参考通道，其他五路探测器根据所探测气体种类选择滤光片。

本实施方式通过对气体腔室及探测器分布的设计调整，解决了多气体红外传感器中光通量投射不均、误差大等问题，使所本实施方式的非分光型红外光学传感器具有探测种类多、体积小、精度高等优点。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种适用于多种气体检测的非分光型红外气体传感器作进一步说明，本实施方式中，还包括透气滤水层2；

透气滤水层2设置在上壁透气板1和六棱锥形反射板3之间。

透气滤水层2既预防水汽对检测结果带来干扰，也从一定程度上预防传感器部件老化。

具体实施方式三：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种适用于多种气体检测的非分光型红外气体传感器作进一步说明，本实施方式中，六棱台气体腔室侧壁4内还设有6个直角形分隔板4-1，分隔板4-1的高度与六棱台气体腔室侧壁4的高度相当，分隔板4-1的斜边与六棱台气体腔室侧壁4的棱吻合并固定连接。

分隔板4-1对气体传感器整体结构提供支撑，而且还可使光线均分效果更好。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种适用于多种气体检测的非分光型红外气体传感器作进一步说明，本实施方式中，还包括6个透镜支撑架10；

透镜支撑架10与探测器7一一对应；

6个透镜支撑架10均设置在探测器底板9上，探测器7位于相应透镜支撑架10内，聚光透镜5固定在于透镜支撑架10上。

滤光片6与红外探测器7贴合，聚光透镜5由探测器底板支撑。

具体实施方式五：结合图3至图10具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种适用于多种气体检测的非分光型红外气体传感器作进一步说明，本实施方式中，六棱台气体腔室所构建棱台下表面为外切圆半径为21mm的正六边形，上表面面为外切圆半径为11mm的正六边形，六棱台气室壳厚度为1mm，六棱锥形反射板3高度为7mm，六棱锥形反射板厚度1mm，上壁透气板1与六棱锥形反射板3上均打有直径1mm的透气孔，两板间隙处放置透气滤水层，探测器底板9为厚度1mm、切面为外切圆半径21mm的正六边形，聚透镜支撑架10为外边长4mm、壁厚0.5mm、高1mm的空心四棱柱，所用滤光片的边长为2mm、厚为0.5mm，所用透镜为半径2mm的聚光透镜。

仿真中红外光源的直径为5mm、高为5mm，在对本发明中气体传感器进行仿真验证时，主要探究该传感器是否可达到分光均匀、延展光路等目的，为直观表达在光路、探测器表面入射辐照度模拟方面的效果，在传感器整体仿真中略去表面透气孔，仿真构建模型并进行光路仿真，如图3所示，准直红外光源所发射出的红外光设置为平行光，气体腔室内壁设置为反射层，探测器上表面设置为吸收层，红外光源发射总光功率为1w，总光线数为500条，在此基础上对传感器内探测器底板平面进行整体光路辐照度(如图4所示)收集，并对6个探测器接收面分别进行辐照度收集(图5至图10所示)。

由一种适用于多种气体检测的非分光型红外气体传感器的光路仿真(图3所示)可见，在六棱台气体腔室内，经准直的红外光源发射出的红外光经反射面两次反射后投射到6个独立探测器上，探测器上方由探测器底板支撑设置聚光透镜，聚光透镜提高了红外光的汇聚效果。对探测器底板进行整体红外光辐照度收集(图4所示)可知，红外光源所发射出的红外光在气体腔室反射作用下均匀投射到探测器所处位置，探测器底板表面所接收到的光功率为0.93442w，接收光线总数为537条，与红外光源发射功率相比，具有理想的光源利用率。

对6个独立探测器进行表面辐照度收集(图5至图10所示)，可得在六棱台气体腔室的光路反射作用下，6个独立探测器所接收到的光功率与光线数量分别为：0.12973w、71条(图5所示)；0.14984w，82条(图6所示)；0.14255w，78条(图7所示)；0.15713w，86条(图8所示)；0.146w，73条(图9所示)；0.15719w，86条(图10所示)，可见6个独立探测器具有相对均匀的红外光线辐照度，在以朗伯比尔定律为基础进行红外气体检测时，需保证参考通道与被测通道具有相近的光通量，在此基础上参考通道才具备参考价值，而在多气体红外光学传感器中，探测面的分散与探测总面积的增加使参考通道与被测通道间的红外光辐照度差值增加，进一步加大了气体传感器的检测误差，为解决这一问题，本发明通过设计六棱台分隔结构气体腔室，使红外光线更均匀地投射到多个探测面上，增多了红外气体传感器一次探测的气体种类，并提高非分光型红外气体传感器的检测精度，且降低其检测误差。

本发明可通过调整六棱台气体腔室腔室尺寸、六棱锥形反射板高度、探测器底板尺寸以及聚光透镜尺寸，对适用于多气体检测的非分光型红外光学气体传感器进行调整，设计出尺寸可控、光路可控的适用于多气体检测的非分光型红外气体传感器。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。