低功耗红外气体探测报警传感器的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，特别是一种红外气体探测报警传感器，具体地说是一种能使用电池长时间供电的低功耗红外气体探测报警传感器。

背景技术：

红外线对气体探测原理是在一个导光良好的气体检测室内安装一个红外线光源和一个红外气体传感器件，红外气体传感器件是用来接收对检测目标气体有吸收作用的某段红外线光谱波长的光波，对气体的选择性是由红外气体传感器件窗口上自带的滤光镜片的波长决定，当红外线光源点亮时就发出0~5um波长的红外线光波，经空间照射到红外气体传感器件上，红外气体传感器件得到特定波长的红外线光的照射后输出与光照量成比例的电压，当气室中的探测目标气体浓度增加后，照射到红外气体传感器件上的特定波长的光照量被探测目标气体吸收后减少，接收器件输出电压按比例减少，红外线对气体检测就利用红外气体传感器件对特定波长的红外线光照量与被探测目标气体对特定的红外线波长吸收关系转换成电信号的。

目前常用红外线气体传感器都是经组装处理后直接输出探测目标气体浓度的模拟量或数字量传感器模组，这些传感器模组目标是输出探测气体的浓度数据，为了提高输出气体浓度数据的分辨率和精度，光源电压通常采用2hz到6hz频率的3~5v电压连续供电检测功耗较大，在用于气体探测报警器时还必须要增加报警器处理功能的控制电路才能使用，这样整机功耗叠加起来难以长时间使用电池供电，使用电池供电的只应用于一些短时间工作的仪器设备上，或是充电使用的设备上，尤其是不能使用电化学型传感器的可燃气体探测报警器和二氧化碳气体探测报警器，几乎都是交流供电。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供能采用电池直流供电，且功耗低，使用时间长、工作稳定可靠的一种低功耗红外气体探测报警传感器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

低功耗红外气体探测报警传感器,包括相盖配形成有气体取样室的气室外壳和气室底盖以及紧贴安装在气室底盖下表面的pcb电路板；pcb电路板上设有穿过气室底盖伸入到气体取样室中的红外光源和用于接收反射红外光信号的红外气体传感器；气室外壳的顶面开有用于使被检测气体进入气体取样室的进出气口，该进出气口上设有微孔滤膜；微孔滤膜经一块黑色的遮光压板压装固定在进出气口上，并且该遮光压板与微孔滤膜之间还压装有一层用于防止外界光线进入气体取样室的黑色遮光膜；气室外壳的底部固定安装有用以屏蔽外界干扰电波的屏蔽罩,屏蔽罩将气室底盖和pcb电路板堵盖在气室外壳中；pcb电路板上设有用于接收气体取样室内壁反射的红外光的红外光敏二极管；气室底盖上开有用于使红外光反射到红外光敏二极管上的反射窗口，气室外壳中成型有用于使红外光反射聚焦到红外气体传感器的接收窗口上的弧形反射面。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的pcb电路板上焊接有15个功能输出引脚，15个输出引脚依次包括地线引脚gnd、正极引脚vdd、测试按键引脚sw、串口发送引脚txd、串口接收引脚rxd、单线通讯引脚odata、复位引脚rset、引脚nc、引脚vout、引脚led_g、引脚a/d、引脚led_r、引脚led_y、引脚sp和引脚jout。

上述的气室外壳的顶面中部开有四个长方形结构的进出气口，四个进出气口按两行两列排布；气室外壳上成型有插接孔，遮光压板上成型有定位插柱，该遮光压板经定位插柱与气室外壳上的插接孔相插配合插接安装在气室外壳上。

上述的气室外壳的内表面和气室底盖的上表面上均镀有一层具有良好导光和抗氧化性能的电镀膜层；气室底盖上在靠近左端处开有供红外光源穿过的光源孔，该气室底盖上在靠近右端处开有定位卡套红外气体传感器的传感器孔，反射窗口设置在气室底盖上紧邻传感器孔的内侧，上述的弧形反射面倾斜地位于传感器孔的上方。

上述的pcb电路板上设有mcu芯片和ldo稳压芯片；ldo稳压芯片与红外光敏二极管一起组成布设在pcb电路板上的用于控制红外光源的红外线光照量稳定控制电路；mcu芯片通过红外线光照量稳定电路以每分钟1～2次间歇式的供电方式控制红外光源点亮做气体定性检测信号，红外光源每次点亮的时间为100～500ms，当检测得到的信号值达到预先的设定值后，则转成每次连续发出3～5个检测信号作为定量检测，其余时间均为休眠状态。

上述的pcb电路板上还布设有与mcu芯片连接的红外气体信号放大电路，削蜂放大电路，光照量参照电路，电源电压检测电路，红外气体传感器温度检测电路，故障检测电路和用于连接输出引脚的输出接口电路。

上述的mcu芯片为带有12bit的adc模拟量转数字量输入端口和12bit的dac数字量转模拟量输出端口的主控芯片。

上述的pcb电路板的中部两侧均成型有凸边，输出引脚焊接在pcb电路板两侧的凸边上，屏蔽罩在对应pcb电路板的凸边位置处留有能使用输出引脚穿过的长条形缺口；气室底盖上在对应四个进出气口的位置处开有四个与相应进出气口配合的侧边气口，气室外壳的两侧成型有用于容纳pcb电路板的凸边和输出引脚的外凸空腔。

与现有技术相比，本发明在通过遮光压板在进出气口上还压装有黑色的遮光膜，遮光膜可以防止外界光线,尤其是含有红外线光波的阳光从进出气口照射入气体取样室内。本发明在气室外壳的底口上还采用有屏蔽罩封口，屏蔽罩防止外界干扰电波，提高红外气体探测报警传感器的工作稳定性。本发明的pcb电路板上还安装有红外光敏二极管，红外光敏二极管能与pcb电路板上ldo稳压芯片组成红外线光照量稳定控制电路，从而可以确保红外光源在电池电压最低时都能稳定的工作。本发明采用间歇式给红外光源供电做气体定性检测信号，能在确保不影响探测精度的前提下大幅降低电池电量的损耗。低功耗红外气体探测报警传感器采用2节1.5v电池供电使用，并具有红外线气体探测和气体报警器的功能。

本发明采用2~3节1.5伏的电池供电，功耗低、使用时间长，可简单应用在对红线外有吸收作用的气体探测报警器上和直接使用数字输出接口做气体传感器使用。

附图说明

图1是本发明的爆炸图；

图2是本发明的装配结构示意图；

图3是本发明功能输出引脚的分布状态示意图；

图4是本发明红外气体信号放大电路的电路图；

图5是本发明本发明削蜂放大电路的电路图；

图6是本发明削蜂放大电路输出电压波形图示；

图7是本发明红外线光照量稳定控制电路和光源电压检测电路的电路示意图；

图8是本发明电源电压检测电路的电路图；

图9是本发明单/双窗气体探测电路结构方框图；

图10是本发明高精度气体探测电路结构方框图；

图11是本发明红外光敏二极管(红外气体探头)温度补尝示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至2是本发明的结构示意图。

其中的附图标记为：红外光敏二极管g、气体取样室k、红外气体传感器q、红外光源y、气室外壳1、进出气口1a、弧形反射面1b、插接孔1c、外凸空腔11、气室底盖2、反射窗口2a、光源孔2b、传感器孔2c、侧边气口21、pcb电路板3、凸边31、微孔滤膜4、遮光压板5、定位插柱51、遮光膜6、屏蔽罩7、长条形缺口7a、输出引脚8、螺栓9。

如图所示，本发明公开了一种低功耗红外气体探测报警传感器,它包括气室外壳1、气室底盖2、pcb电路板3以及安装在pcb电路板3上的mcu芯片、红外光源y和红外气体传感器q。气室底盖2盖装在气室外壳1内，并与气室外壳1间合围形成有气体取样室k。pcb电路板3也位于气室外壳1中，并且pcb电路板3紧贴在气室底盖2的底面。pcb电路板3上的mcu芯片为带有12bit的adc模拟量转数字量输入端口和12bit的dac数字量转模拟量输出端口的主控芯片，mcu芯片为低功耗红外气体探测报警传感器的核心处理单元，红外光源y和红外气体传感器q均由其控制工作。红外光源y在mcu芯片通过电路的控制下能发射出红外光，红外气体传感器q用于接收反射的红外光信号做气体浓度检测。红外气体传感器q对探测气体种类是可根据探测气体对红外线波长进行对应波长选型的,当然还可以根据功能需要选择对单一探测气体的单通道型号红外气体传感器q，或能探测两种气体的双通道型号红外气体传感器q，或做高精度仪器设备使用的带有参照通道的双通道型号红外气体传感器q，这些都是由应用场合或功能要求决定的。本发明的红外光源y和红外气体传感器q在pcb电路板3上呈左右设置，相应地，气室底盖2上在靠近左端处开有供红外光源y穿过的光源孔2b，在气室底盖2上在靠近右端处开有定位卡套红外气体传感器q的传感器孔2c。红外光源y经气室底盖2的光源孔2b伸入到气体取样室k中，红外气体传感器q则定位套设在传感器孔2c中。pcb电路板3通过两棵螺栓9固定在气室外壳1中，气室外壳1的顶面中间开有用于使被检测气体进入气体取样室k的进出气口1a，该进出气口1a上设有微孔滤膜4，微孔滤膜4主要的作用是阻止水蒸气进入气体取样室k中，以防对红外光的传输造成影响。

本发明最主要的特点是微孔滤膜4经一块黑色的遮光压板5压装固定在进出气口1a上。由图1可以看出，气室外壳1上在进出气口1a处成型有插接孔1c，遮光压板5上成型有定位插柱51，定位插柱51可以定位插接到插接孔1c中，通过柱孔紧配连接实现遮光压板1与气室外壳1的可插拔式的连接，这样就能够方便微孔滤膜4的更换和维护。同时，为了防止外界的光线,尤其是含有红外线光波的阳光从进出气口照射入气体取样室k内，影响红外气体传感器q的接收光照量,本发明还在遮光压板5与微孔滤膜4之间压装有一层黑色的遮光膜6。遮光压板5上开有对应气室外壳1进出气口1a的气口，这样外界的待测气体就能经过遮光压板5上开有的气口，再依次经过遮光膜6、微孔滤膜4和进出气口1a进入到气体取样室k中。

本发明为了减少外界电波对低功耗红外气体探测报警传感器的干扰，提高低功耗红外气体探测报警传感器工作的稳定性，还在气室外壳1的底端口采用两棵螺栓9固定安装有屏蔽罩7，屏蔽罩7将气室底盖2和pcb电路板3堵盖在气室外壳1中。

本发明还在pcb电路板3上设有一个用于稳定光照量的红外光敏二极管g，气室底盖2上还开有用于使红外光反射到红外光敏二极管g上的反射窗口2a，反射窗口2a紧邻传感器孔2c设置，并位于传感器孔2c的内侧。红外光敏二极管g是通过气体取样室k的内壁反射经气室底盖2开的反射窗口2a接收红外光。气室外壳1中成型有弧形反射面1b，该弧形反射面1b倾斜地位于传感器孔2c的上方。红外气体传感器q的红外光是由气室外壳1上成型的弧形反射面1b聚焦到红外气体传感器q的接收窗口上的。

为了提高导光率，减少红外光损耗，气室外壳1的内表面和气室底盖2的上表面上，或者说是气体取样室k的表面上均镀有一层具有良好导光和抗氧化性能的电镀膜层。

如图所示，本发明在气室外壳1的顶面中部开有四个长方形结构的进出气口1a，四个进出气口1a按两行两列排布。

实施例中，本发明的pcb电路板3上还设有ldo稳压芯片，ldo稳压芯片与红外光敏二极管g一起组成布设在pcb电路板3上的用于控制红外光源y的红外线光照量稳定控制电路；mcu芯片通过红外线光照量稳定控制电路以每分钟1～2次间歇式的供电方式控制红外光源y点亮做气体定性检测信号，红外光源y每次点亮的时间为100～500ms，当检测得到的信号值达到预先的设定值后，则转成每次连续发出3～5个检测信号作为定量检测，其余时间均为休眠状态。本发明的这种控制方法能在确保不影响探测精度的前提下，大幅度的降低电池电量的损耗。本发明的电路采用ldo稳压供电，能利用红外线光照量稳定控制电路在最低电压时保证红外光源y的正常工作。低功耗红外气体探测报警传感器采用2节1.5v电池直流供电，当电压低到2v时还能正常工作。

本发明的pcb电路板3上还布设有与mcu芯片连接的红外气体信号放大电路，削蜂放大电路，光照量参照电路，电源电压检测电路，红外气体传感器温度检测电路，故障检测电路和输出接口电路。红外光敏二极管g还与削蜂放大电路组成信号参照量控制，以提高检测精度。

本发明将红外线气体探测技术和气体报警器功能合拼成一个完整的单块红外气体探测报警器组件，并减少需要外加气体报警器功能处理电路单元，使得电路利用率大幅度提高，降低电路功耗，并且方便使用。

由图3可以看出，本发明在pcb电路板3上共焊接有15个功能输出引脚8，15个输出引脚依次包括地线引脚gnd、正极引脚vdd、测试按键引脚sw、串口发送引脚txd、串口接收引脚rxd、单线通讯引脚odata、复位引脚rset、引脚nc、引脚vout、引脚led_g、引脚a/d、引脚led_r、引脚led_y、引脚sp和引脚jout。其中：地线引脚gnd用于接电源负极。正极引脚vdd为电源正极供电脚，供电电压2.1～5.5v。测试按键引脚sw为手动测试按键的引脚。串口发送引脚txd和串口接收引脚rxd均用于rs232通讯，不使用时悬空。单线通讯引脚odata用于发送气体浓度，电量，报警状态信息，可连接lcd，无线通讯。复位引脚rset用于手动按键复位，不使用时悬空。引脚nc空脚，程序烧写脚。引脚vout输出内部使用的稳定电压。引脚led_g绿色电源指示灯，输出低电平点亮指示灯。引脚a/d为预留备用端口。引脚led_r红色报警指示灯，输出低电平点亮指示灯、引脚led_y黄色故障指示灯，输出低电平点亮指示灯。引脚sp报警声音频输出，输出3.0～3.4k音频脉冲，用于驱动报警音响器件。引脚jout继电器输出控制，发生报警时输出高电平，退出报警时输出低电平，不使用时悬空。

图4是本发明红外气体信号放大电路的电路图。如图所示，红外气体检测实际就是对某段红外线光谱波段的红外光照量的测定，由红外气体传感器q(即图中的红外传感器sen1)内部的红外热电堆将红外光转换成nv级电压信号送至u2运算放大器进行电压放大，电阻r21和电阻r27是运算放大电路的增益控制电阻，放大倍数控制在300～500倍，电容c21主要是滤除信号杂波，电容c24、电容c17、电感l3主要用于抗emc高频干扰器件，电阻r26主要是在断电时给sen1和c24放电使用，由于信号是nv级其电阻取值很大，在6.2～10m之间。运算放大器参考电压是通过r19和r18电阻分压由mcu芯片的pb0端口提供，为了节省电能，pb0只在信号检测期间输出电压，其余时间均关闭输出0v电压，r21主要是用在双窗型红外气体探头中作温度检测时使用，由于双窗型红外气体探头的两个红外热电堆的负极端和内部ntc其中的一个引脚连接成一个公共引脚，r21使用0ω电阻，pc0设置成开漏输出模式，pc0在未关闭时r21另一端处于悬浮状态，相当于空置不存在，对其它工作无任何影响，当做环境温度时检测时，关闭pc0对地导通，双窗型红外气体探头公共引脚经0ω电阻r21由pc0接地，ntc和取样电阻r7组成温环境取样电路。

图5是本发明的削蜂放大电路的电路图，如图所示，削峰放大电路工作原理：u2、r18、r16、c16、组成200～300倍放大电路，输出信号经r19、c14送到mcu的adc中进行转换处理。信号的峰值切割是有amp的“+”输入端电压决定，切峰值是由mcu的dac输出电压控制，c15、r11、r26是dac电压的细分电路，红外光敏二极管g（光电二极d1）和r22组成小幅度光照稳定电路，由于d1光电二极的光照不受到检测气体影响，r22阻值较大，在1m～6.2m之间，当由于某种原因当引起光照量波动时，照射到d1上的光照量也随之波动引起a_1点上的电压变化，在没有r22电阻的情况当光照量增加时，由于是负向信号，pb1电压下降，信号会受到波动影响，接入r22电阻后，当光照量增加或减少时，气体信号电压上升或下降，a_1点电压也同时上升或下降，a_1点电压经r22、r16和r11分压后送至u2的“+”输入端，由于运算放大器的“+”输入端和“-”输入端同时上升或下降，输出信号幅度能在一定范围内保持稳定不变。

图7是本发明红外线光照量稳定控制电路的电波示意图，如图所示，红外光源电压并不是恒压控制，而是d1照射面上的恒光控制，主要由ldo稳压芯片u3控制，由mcu的pb5脚控制开启/关闭，c22是输入电压的滤波电容，r13、r14是光源最大电压限定，当没有d1、r23时属于稳压取样控制电路，c18是ldo的高频缓冲电容，c11是光源电压的滤波电容，la1是红外线光源，r6、r5是mcu对光源电压检测的取样电阻，d1、r23组成恒光控制，主要是保持d1表面恒定的光照量，当la1光源老化衰减或湿度过大光照受水蒸气遮挡时造成d1表面的红外光照量减少时，d1的内阻变大，u3输出电压上升，la1红外光增强，当某种原因d1表面的红外光照量增加时，d1的内阻变小，u3输出电压减小，la1红外光减弱，始终维持比较恒定的光照量。

红外气体传感器开路、短路故障检测为当mcu光源控制pb5脚开启光源后，mcu的adc2脚经r6、r5分压转换后检测到的光源电压必须在1.6v～2.2v之间，如果到低于1.6v电压应是ldo有故障，mcu发出故障警告，如果是0v可能是la1光源短路，mcu发出故障警告。

mcu在未开启光源时，mcu先控制dac从0v开始递增，直到mcu检测到削峰放大器输出电压接近1/2电源电压为止，并记录现时电压值后开启光源，光源开启后如果检测到光源电压正常，红外气体控头得到红外光照射后输出电压肯定上升，mcu的气体检测通道输入的adc检测到的电压由于最后的削峰是反相放大，肯定是比未开启光源时的记录电压值低，如果开启光源后的检测到的气体信号通道输出电压值和关闭光源时的电压没变化或变化非常少，肯定是红外气体探头或气体信号放大通道有故障，mcu发了故障警告。

故障警告是黄绿故障灯连闪2次，蜂鸣器（sp输出音频）在故障灯闪亮时同时短响2声，每分钟内至少发出1次故障警告，故障警告的方式是按执行的报警器安规决定。

图8是本发明电源电压检测电路的电路图。如图所示，电源电压检测即电量检测是由mcu对电供电电压检测后计算出电量值，供电低于2.3v时会发出低电压警告提示，低电压警告提示每分钟至少发出一声短响声，同时黄色故障指示灯随声音同闪一次。

这提示方式是根据执行的安规标准条例决定，如果安规标准升级或更改，低电压警告提示也需要根着更改。

r12、r10是电源电压的取样分压电阻，c7是抗高频干扰电容，为降低功耗，r10只在进行电量检测时才由pb7对地接通，由于pb7设置为开漏悬浮模式，其余时间r10的都是悬空的。

在电量检测时，pb7对地导通，电源电压经r12和r10分压后由adc10/pd4端口送入mcu进行转换计算出电源电压值。

现有技术中常见的红外气体传感器q有单窗探头，双窗探头，和四窗探头，其中最常用的是单窗和双窗探头，双窗探头实际是将两组单元的红外热堆器件封装在同一个金属壳体内部，每组红外热堆器件都相应有一个窗口用于配置不同波长的滤光镜片，双窗探头如果对两个窗器配置两种不同对气体探测的滤光镜可做双气体探测功能，例如：其中一组窗口滤光镜波长是：3.375um,另一组窗口滤光镜波长是：4.64um,探头可以同时探测丙烷类和一氧化碳类气体。例如：其中一组窗口滤光镜波长是：3.375um，另一组窗口滤光镜波长是：3.90um，探头使用3.90um通道对3.375um通道作为环境参考，可用于要求精度较高的机型。

图11是本发明红外气体探头温度补尝示意图。温度传感器是封装在红外气体探头内部的ntc电阻，ntc电阻和r7组成分压取样后经r3送至mcu的adc16/pb2脚按ntc的分度列表转换成对应的温度数据后再根据红外气体探头温度特性进行软件补尝。

温度检测的基准电压是由mcu的pb6提供，为了降低电路功耗，pb6在进行温度检测时才开启输出电压，其余时间都处于关闭状态。在单窗红外探头应用时ntc接外壳端直接接地，双窗红外探头由于多脚位共用，在温度检测期间才通过0欧姆电阻r21由mcu的pc0脚接地，其余时间pc0都处于悬浮状态，对红外检测信号没影响。

本发明的低功耗红外气体探测报警传感器分为单窗单气体检测型，双窗双气体检测型和高精度气体探测型三种，具有气体探测器最基本要求的功能，气体超标危险报警功能，电池电量检测功能，电池低电量警告提示功能，传感器开短路故障警告功能，手动测试功能，信息输出功能，符合气体探测器标准特征。

本发明的pcb电路板3的中部两侧均成型有凸边31，输出引脚8焊接在pcb电路板3两侧的凸边31上，屏蔽罩7在对应pcb电路板3的凸边31位置处留有能使用输出引脚8穿过的长条形缺口7a；气室底盖2上在对应四个进出气口1a的位置处开有四个与相应进出气口配合的侧边气口21，所述的气室外壳1的两侧成型有用于容纳pcb电路板3的凸边31和输出引脚8的外凸空腔11。

低功耗红外气体探测报警传感器的工作原理过程是：探测气体时，mcu芯片发出开启红外光源电压控制ldo电压点亮红外光源y发出红外光，红外光经气体取样室k内壁及空间传导通过气室底盖2上的反射窗口2a照射到红外光敏二极管g上，红外光敏二极管g将红外光照量转成相应的电信息量后一路反馈到红外光源电压控制ldo的电压取样脚进行红外光照度控制得到稳定的红外光。另一路送到削峰放大电路作参考提高探测精度。红外光源y稳定光照量的红外光经气室外壳1的弧形反射面1b聚焦至红外气体传感器q的接收窗口上并转换成相应量的电信号后送到信号放大器将信号放大，放大后的信号送到削峰放大器进行峰值切除，保留信号峰值并放大送入mcu的adc端口转换处理成探测气体浓度信息，探测气体浓度和其它电量信息，故障信息由单线数字信息输出引脚和串口输出，mcu并根据探测气体浓度气体报警处理。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。