一种新型低功耗红外气体传感器的制作方法

1.本实用新型涉及消防设备领域，具体的说，涉及了一种新型低功耗红外气体传感器。


背景技术：

2.随着我国大力发展石油天然气工业及煤炭工业，碳氢气体泄漏相关的事故日益增加。开发一种集成化、小型化、低功耗、免维护的新型气体传感器，能够实时、准确检测碳氢气体在工业区和居民区管道中泄漏以及在矿井中的积累，对于保障安全生产、提高人民生活质量具有重要的意义。
3.常见的碳氢气体检测方法有电化学法、催化燃烧法、固体电解质法、红外光谱吸收法等。其中，基于红外光谱吸收原理的检测方法具有灵敏度高、响应速度快、选择性好等优点，具有很好的应用前景。
4.目前在一些场合，如电池供电的地下管网、电池供电的工业无线报警器和便携仪等对低功耗有要求的应用领域，传统红外气体传感器无法满足低功耗需求。
5.为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种新型低功耗红外气体传感器。
7.为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种新型低功耗红外气体传感器，包括气体吸收池、光学收发模块、数据处理模块、温湿度传感器以及电源管理单元；
8.所述温湿度传感器，设置在所述气体吸收池内，用于采集所述气体吸收池内的温湿度信息，并输出温湿度信号；
9.所述光学收发模块包括光源驱动及探测器模拟前端单元、led红外光源、测量光电探测器和参考光电探测器，所述led红外光源安装在所述气体吸收池的光源入口处，用于向所述气体吸收池发射测量光束；所述参考光电探测器，安装在所述led红外光源与所述光源入口之间，用于接收未经过所述气体吸收池的测量光束，生成参考光信号；所述测量光电探测器安装在所述气体吸收池的光源出口处，用于接收经过所述气体吸收池后的测量光束，生成测量光信号；所述光源驱动及探测器模拟前端单元分别与所述led红外光源、所述测量光电探测器和所述参考光电探测器连接，用于产生驱动所述led红外光源发射测量光束的光源驱动脉冲信号，以及用于对所述测量光信号和所述参考光信号进行放大及模数转换处理；
10.所述数据处理模块分别与所述光源驱动及探测器模拟前端单元和所述温湿度传感器连接，用于控制所述光源驱动及探测器模拟前端单元产生所述光源驱动脉冲信号，接收所述光源驱动及探测器模拟前端单元发送的所述测量光信号和所述参考光信号和所述温湿度传感器发送的所述温湿度信号，并根据所述测量光信号、所述参考光信号和所述温
湿度信号计算获取碳氢气体浓度数据；
11.所述电源管理单元分别与所述数据处理模块、所述温湿度传感器以及所述光学收发模块连接、用于为所述数据处理模块以及所述光学收发模块供电。
12.基于上述，所述气体吸收池包括外壳，所述外壳内相对设置有反光镜座、发射接收座和光源探测器pcb板，所述led红外光源、所述测量光电探测器和所述光源驱动及探测器模拟前端单元分别安装在所述光源探测器pcb板上；所述气体吸收池的光源入口和光源出口分别设置在所述发射接收座上，且所述光源入口和所述光源出口之间设置有至少一个反射面；所述反光镜座上设置有至少两个反射面，其中位于所述发射接收座上的反射面与位于所述反光镜座上的反射面间隔设置；led红外光从所述光源入口射向所述反光镜座，经所述反光镜座和发射接收座上的反射面的多次反射后从所述光源出口射至所述测量光电探测器。
13.基于上述，所述光源入口处设置有第一抛物曲面反光杯，且所述第一抛物曲面反光杯的焦点为所述光源入口的中心位置，所述第一抛物曲面反光杯用于将所述光源入口发出的光经其抛物曲面聚焦，获得一束平行光束发射出去；
14.所述光源出口处设置有第二抛物曲面反光杯，且所述第二抛物曲面反光杯的焦点为所述光源出口的中心位置，所述第二抛物曲面反光杯用于将所述发射接收座上的反射面反射的平行光束，经其抛物曲面聚焦，从所述光源出口发射出去。
15.基于上述，所述发射接收座和所述反光镜座上的反射面以及所述第一抛物曲面反光杯和所述第而抛物曲面反光杯上均噴覆抗氧化涂层。
16.基于上述，所述外壳的侧壁和底壁上均开设有气体进气孔，所述进气孔的外侧设置有防水透气膜。
17.本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说，本实用新型在光源入口处设置在led红外光源，在光源出口处设置测量光电探测器接收测光光束进行碳氢气体浓度测量，并且在所述led红外光源侧还设置有参考光电探测器，实时检测所述led红外光源的出光功率，以消除因环境温度变化或光源老化导致的出光功率变化对传感器的影响；同时并利用温湿度传感器进行补偿；与传统红外气体传感器相比具有低功耗、反应灵敏，与电化学、催化传感器相比具有寿命长、不中毒、抗饱和等优点。
附图说明
18.图1是本实用新型所述光路收发模块的原理框图。
19.图2是本实用新型所述数据处理模块的处理流程图。
20.图3是本实用新型实施例2的结构示意图。
21.图中：1.外壳；2.反光镜座；3.发射接收座；4.光源入口；5.光源出口；6.反射面；7.第一抛物曲面反光杯；8.第二抛物曲面反光杯；9.led红外光源；10.参考光电探测器；11.测量光电探测器；12.光源探测器pcb板。
具体实施方式
22.下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
23.实施例1
24.如图1所示，本实施例提供一种新型低功耗红外气体传感器，包括气体吸收池、光学收发模块、数据处理模块、温湿度传感器以及电源管理单元；
25.所述温湿度传感器，设置在所述气体吸收池内，用于采集所述气体吸收池内的温湿度信息，并输出温湿度信号；
26.所述光学收发模块包括光源驱动及探测器模拟前端单元、led红外光源、测量光电探测器和参考光电探测器，所述led红外光源安装在所述气体吸收池的光源入口处，用于向所述气体吸收池发射测量光束；所述参考光电探测器，安装在所述气体吸收池的光源入口处，用于接收未经过所述气体吸收池的测量光束，生成参考光信号；所述测量光电探测器安装在所述气体吸收池的光源出口处，用于接收经过所述气体吸收池后的测量光束，生成测量光信号；所述光源驱动及探测器模拟前端单元分别与所述led红外光源、所述测量光电探测器和所述参考光电探测器连接，用于产生驱动所述led红外光源发射测量光束的光源驱动脉冲信号，以及用于对所述测量光信号和所述参考光信号进行放大及模数转换处理；
27.所述数据处理模块分别与所述光源驱动及探测器模拟前端单元和所述温湿度传感器连接，用于控制所述光源驱动及探测器模拟前端单元产生所述光源驱动脉冲信号，接收所述光源驱动及探测器模拟前端单元发送的所述测量光信号和所述参考光信号和所述温湿度传感器发送的所述温湿度信号，并根据所述测量光信号、所述参考光信号和所述温湿度信号计算获取碳氢气体浓度数据；
28.所述电源管理单元分别与所述数据处理模块、所述温湿度传感器以及所述光学收发模块连接、用于为所述数据处理模块以及所述光学收发模块供电。
29.由于所述新型低功耗红外气体传感器的光源为红外led，其采用电致发光pn结机理，响应速度非常快，驱动1μs就可以发出能量很高的光。光源采用脉冲调制方式，即使瞬间驱动电流高达1~2a，但由于其响应速度极快，可以具有很低的占空比，所以功耗可以做到μa级。led光源具有很高的调制频率，可以在短时间内多次测量，进一步提高传感器测量准确性。目前红外led光源的波长覆盖范围为1.6~5.5μm，测量不同的碳氢气体需要选择不同中心波长的led光源。
30.优选的，所述电源管理单元使用一种低压差、低静态电流并具有关断引脚的线性稳压器，可以提高供电利用率，并使传感器的待机功耗降至最低。所述数据处理模块包括低功耗微控制器芯片。
31.本实施例所述的新型低功耗红外气体传感器，采用了功耗极低的led光源及响应速度非常快的光电探测器作为核心元件，使用低占空比脉冲调制方式驱动光源，可以使得传感器的运行功耗低至μa级，适合于电池供电的地下管网、电池供电的工业无线报警器和便携仪等对低功耗有要求的应用领域。
32.本实用新型在光源入口处设置在led红外光源，在光源出口处设置测量光电探测器接收测光光束进行碳氢气体浓度测量，并且在所述led红外光源侧还设置有参考光电探测器，实时检测所述led红外光源的出光功率，以消除因环境温度变化或光源老化导致的出光功率变化对传感器的影响；同时并利用温湿度传感器进行补偿；与传统红外气体传感器相比具有低功耗、反应灵敏，与电化学、催化传感器相比具有寿命长、不中毒、抗饱和等优点。
33.具体的，如图2所示，所述数据处理模块的具体实施方式如下：
34.无气体时，所述led红外光源发出的同一束光信号分别照射到所述参考光电探测器和所述测量光电探测器上，在环境温度及光路结构不变情况下，所述参考光电探测器上接收信号的强度和所述测量光电探测器上接收的信号强度随光源出光功率变化而变化，且变化趋势一致。
35.利用所述测量光电探测器上接收信号的强度与所述参考光电探测器上接收信号的强度比值可以消除光源出光功率变化的影响，环境温度及光路结构不变情况下，比值为常数。
36.然而，由于所述测量光电探测器和所述参考光电探测器受制备材料差异、在传感器中所处位置不一致等因素影响，因此，在相同光功率照射下，其信号强度会随温度变化，并且变化趋势不一致。
37.具体的，当环境中无碳氢气体时，所述测量光电探测器接收信号的强度和所述参考光电探测器接收信号的强度比值定义为零点，零点受温度影响，其公式如下：
38.，其中，v
main
为环境中无碳氢气体时所述测量光电探测器接收信号的强度，v
ref
为所述参考光电探测器接收信号的强度，n为常数，f
t
为零点受温度影响曲线。
39.环境中无碳氢气体时，对不同环境温度下的零点进行标定，计算出环境温度与零点关系曲线。根据关系曲线及当前环境温度值，计算传感器零点。
40.湿度校正可以消除水气干扰造成的零点漂移，在不同湿度环境下对传感器零点进行校正，计算出湿度校正曲线。根据所述气体吸收池内湿度值，校正传感器零点。
41.根据朗伯比尔定理，环境中有碳氢气体时，光源发出的光信号透过碳氢气体会被吸收一部分，导致所述测量光电探测器接收信号强度变小。
42.其中，朗伯比尔定理：当入射光强一定时，介质的吸光度与介质中吸光物质浓度和吸光光程l的乘积成正比。其公式为：
43.a = ，其中a为吸光度，i
o
为入射光强，i
t
为透射光强，k为摩尔吸收系数，l为介质厚度，c为吸光物质浓度，其中摩尔吸收系数k会受到环境温度影响。
44.将光信号被吸收导致的所述测量光电探测器信号强度变化定义为吸收度，其公式如下：
[0045] ，其中为环境中有碳氢气体时，光信号透过碳氢气体被吸收一部分后，所述测量光电探测器接收到的信号强度。
[0046]
在环境温度不变，且含不同浓度碳氢气体环境下，对吸收度进行标定，计算出浓度曲线。根据浓度曲线及当前吸收度值，计算环境中碳氢气体浓度。
[0047]
根据朗伯比尔定理，环境温度会对气体吸收光信号的强度有一定影响，需要根据当前环境温度对计算的碳氢气体浓度进行校正。
[0048]
含相同浓度碳氢气体环境下，不同环境温度会导致吸收度不同，计算出不同环境温度对吸收度影响的系数曲线。根据系数曲线和当前环境温度对计算的碳氢气体浓度进行
校正，输出测得的碳氢气体浓度数据。
[0049]
实施例2
[0050]
本实施例给出了所述气体吸收池的具体结构，如图3所示，所述气体吸收池包括外壳，所述外壳1内相对设置有反光镜座2、发射接收座3以及所述光源探测器pcb板12，所述led红外光源9、所述测量光电探测器11和所述光源驱动及探测器模拟前端单元分别安装在所述光源探测器pcb板12上；具体的，所述led红外光源9对应所述光源入口4安装所述光源探测器pcb板12，所述测量光电探测器11对应所述光源出口5安装所述光源探测器pcb板12，所述光源探测器pcb板12上还安装有所述光源驱动及探测器模拟前端单元；所述气体吸收池的光源入口4和光源出口5分别设置在所述发射接收座3上，且所述光源入口4和所述光源出口5之间设置有至少一个反射面；所述反光镜座2上设置有至少两个反射面，其中位于所述发射接收座3上的反射面与位于所述反光镜座2上的反射面间隔设置；led红外光从所述光源入口4射向所述反光镜座2，经所述反光镜座2和发射接收座3上的反射面的多次反射后从所述光源出口5射至所述测量光电探测器11。
[0051]
所述外壳的侧壁和底壁上均开设有气体进气孔，从而使得气体进入所述外壳1、反光镜座2与发射接收座3形成的气体吸收池内。所述进气孔的外侧设置有防水透气膜，可以防止光路结构受液体及灰尘污染。
[0052]
其中，所述反光镜座2和所述发射接收座3上的反射面均为反光曲面，且所述光源入口4和所述光源出口5之间设置的反射面的个数恒比所述反光镜座2上设置的反射面的个数少一个；所述反光镜座2上位于边缘的两个反射面分别与所述光源入口4和所述光源出口5对应。
[0053]
本实施例中，由所述光源入口4处进入的红外光经过所述反光镜座2上的第一个反射面的反射，汇聚到所述发射接收座3的第一个反射面上，后续依次汇聚到所述反光镜座2上的第二个反射面、所述发射接收座3的第二个反射面...所述反光镜座2上的第n个反射面反射后，最终汇聚到所述光源出口5射出，能够实现n次反射，n
‑
1次空间距离的光程，实现了相对较长光程的设计目标。
[0054]
其中，所述光源入口4处还设置有第一抛物曲面反光杯7，且所述第一抛物曲面反光杯7的焦点为所述光源入口4的中心位置，所述第一抛物曲面反光杯7用于将所述光源入口4发出的光经其抛物曲面聚焦，获得一束平行光束发射出去；
[0055]
所述光源出口5处还设置有第二抛物曲面反光杯8，且所述第二抛物曲面反光杯8的焦点为所述光源出口5的中心位置，所述第二抛物曲面反光杯8用于将所述发射接收座3上的反射面反射的平行光束，经其抛物曲面聚焦，从所述光源出口5发射出去。
[0056]
本实用新型中所述第一抛物曲面反光杯7和所述第二抛物曲面反光杯8的设置，能够实现红外光的捕捉汇聚，即使微弱的光也可以实现气体探测。
[0057]
由于环境温度不变情况下，传感器零点会受到光路结构老化、污染以及水气干扰等影响。因此，在所述发射接收座3和所述反光镜座2上的反射面以及所述第一抛物曲面反光杯7和所述第二抛物曲面反光杯8上均噴覆抗氧化涂层，以抑制光路结构老化。
[0058]
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替
换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。