红外气体传感器的制造方法

文档序号:10745251阅读:536来源:国知局
红外气体传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种红外气体传感器,包括气体腔室、位于所述气体腔室一端的光源端、与所述光源端相对地位于所述气体腔室另一端的探测端、位于所述光源端的红外光源、位于所述探测端的滤光片和红外探测器、与所述红外光源与所述红外探测器均电性连接的电路系统;所述滤光片位于所述红外光源与所述红外探测器中间;所述红外气体传感器还包括设置于所述光源端的温度传感器,所述温度传感器与所述电路系统电性连接。本实用新型的红外气体传感器通过设置于所述光源端的温度传感器,能够实时、准确地监测所述红外光源的温度漂移,解决目前NDIR传感器无法实时监控红外光源温度漂移导致测量结果零点漂移的缺点,可有效提高NDIR传感器的探测精度和分辨率。
【专利说明】
红外气体传感器
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种红外气体检测领域,尤其涉及一种低温漂非色散红外气体传感器(NDIR)的设计。
【背景技术】
[0002]非色散红外气体传感(NDIR)技术是一种精度高、稳定性好、寿命长的气体传感技术,其原理是利用特定波长的红外光经过待测气体时被吸收发生衰减,根据衰减前后的光强对比计算出气体的浓度,及比尔-朗伯定律:I = IQ.exp(-yCL)。其中,I为有气体吸收时到达探测器的红外光强,1为没有气体吸收时的光强,C为腔室内气体浓度,L为腔室长度或红外光光程,μ为气体的吸收系数。因此,NDIR传感器至少包含用于产生红外光的红外光源、过滤红外光源的红外光以出射特定波长的红外光滤光片、红外光在腔室内被气体吸收的气体腔室、用于探测红外光强度的红外探测器、以及电学电路等部件。
[0003]NDIR传感器中红外探测器无论采用热敏电阻、热释电、还是热电堆技术,都是利用将红外光吸收后转化为热能改变其阻值实现红外探测的,因此,NDIR传感器的探测输出信号很容易受到环境温度的影响,即温漂。针对该问题,目前主要解决方案一是通过参比通道,将信号进行除法运算,降低温度的影响;二是在红外探测器端增加温度传感器Rt,将温度信号转换为电信号,对输出信号进行补偿。然而,由于红外光源基本都是利用热辐射产生的红外光,其光谱分布、发光强度都取决于福射温度,因此,光源端散热环境的变化、输入功率的波动都会导致光源输出的红外光发生变化,而光源和探测器间往往有一定的距离,光源端的温度变化和探测器端的温度变化很难实现同步,从而造成输出结果的零点发生漂移。一般而言,光源部分的温漂对输出结果的影响远大于探测器端的温漂,对于高分辨率的NDIR传感器,这种现象尤为致命
[0004]有鉴于此,有必要对现有的红外气体传感器予以改进,以解决上述问题。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种低温漂非色散红外气体传感器,用于改善现有技术中NDIR传感器探测信号零点漂移的问题。
[0006]为实现上述实用新型目的,本实用新型提供了一种红外气体传感器,包括气体腔室、位于所述气体腔室一端的光源端、与所述光源端相对地位于所述气体腔室另一端的探测端、位于所述光源端的红外光源、位于所述探测端的滤光片和红外探测器、与所述红外光源与所述红外探测器均电性连接的电路系统;所述滤光片位于所述红外光源与所述红外探测器中间;所述红外气体传感器还包括设置于所述光源端的温度传感器,所述温度传感器与所述电路系统电性连接。
[0007]作为本实用新型的进一步改进,所述电路系统包括控制器、与所述控制器电性连接以给所述红外光源供电的供电电路、与所述控制器电性连接的温度补偿电路。
[0008]作为本实用新型的进一步改进,所述温度传感器为与所述温度补偿电路电性连接的热敏电阻。
[0009]作为本实用新型的进一步改进,所述温度补偿电路包括与所述温度传感器连接以实时输出所述温度传感器的阻值变化的电阻测量电路、与所述电阻测量电路的输出端连接的滤波器、与所述滤波器输出端连接的运算放大器、与所述运算放大器输出端连接的多通道模数转换器、与所述模数转换器输出端连接的信号处理器,所述信号处理器的输出端与所述红外探测器电性连接。
[0010]作为本实用新型的进一步改进,所述电阻测量电路采用分压电路,用一个固定偏压V。和一个固定电阻Rl测量温度传感器Rt上的分压Vt,Rt=Rl/(1-Vc/Vt),所述电阻测量电路的输出信号为电压信号Vt。
[0011]作为本实用新型的进一步改进,所述红外气体传感器还包括用以封装所述红外光源的封装壳、固定安装所述红外光源的基板。
[0012]作为本实用新型的进一步改进,所述温度传感器设置于所述封装壳内或所述温度传感器设置于所述基板上。
[0013]作为本实用新型的进一步改进,所述红外光源具有与电路系统连接的两个第一引脚,所述温度传感器具有与电路系统连接的两个第二引脚,所述基板设有将两个所述第一引脚分别连接至所述电路系统的两个第一引线、将两个所述第二引脚分别连接至所述电路系统的两个第二引线。
[0014]作为本实用新型的进一步改进,所述红外光源选自白炽灯、卤素灯、镍铬合金丝、碳硅棒、MEMS红外光源中的一种。
[0015]作为本实用新型的进一步改进,所述红外气体传感器具有测量通道和参比通道。
[0016]本实用新型的有益效果是:本实用新型的红外气体传感器通过设置于所述光源端的温度传感器,能够实时、准确地监测所述红外光源的温度漂移,实现对红外光源发光状态的实时监控,解决目前NDIR传感器无法实时监控红外光源温度漂移导致测量结果零点漂移的缺点,可有效提高NDIR传感器的探测精度和分辨率,在NDIR传感领域有应用前景。
【附图说明】
[0017]图1是现有的NDIR传感器的基本结构示意图。
[0018]图2是本实用新型的红外气体传感器的整体结构示意图。
[0019]图3是图2所示的红外气体传感器的光源端的基本结构示意图。
[0020]图4是图3所示的光源端的光源温度反馈结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。
[0022]请参阅图2?图4所示,为本实用新型较佳实施例的红外气体传感器的结构示意图,其中图2的结构标号请参阅图1所示。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想,遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0023]请参阅图2所示,所述红外气体传感器包括红外光在腔室内被气体吸收的气体腔室2、位于所述气体腔室2—端的光源端1、与所述光源端I相对地位于所述气体腔室2另一端的探测端3、位于所述光源端I用以产生红外光的红外光源8、设置于所述光源端I的温度传感器10、位于所述探测端3过滤红外光源8以出射特定波长的红外光的滤光片6和7、位于所述探测端3用以探测红外光强度的红外探测器4和5以及电路系统15;所述红外光源8、所述温度传感器10、所述红外探测器4和5均与所述电路系统15电性连接。
[0024]本领域技术人员可以理解的是,上述“所述光源端I和所述探测端3相对地位于所述气体腔室2的两端”并非特指所述光源端I和所述探测端3分别位于所述气体腔室2的空间位置的两端,而是所述光源端I和所述探测端3分别位于红外光入射光程的两端。
[0025]具体地,所述红外光源8可以是白炽灯、卤素灯、镍铬合金丝、碳硅棒、MEMS红外光源等光源中的一种;所述红外光源8具有与电路系统15连接的两个第一引脚。
[0026]进一步地,请参阅图3、图4所示,所述红外气体传感器还包括用以封装所述红外光源8的封装壳(未图示)、固定安装所述红外光源8的基板9。所述基板9设有将两个所述第一引脚分别连接至所述电路系统15的两个第一引线;所述红外光源8安装于所述基板9上后,所述第一引脚通过第一引线连接在电路系统15上。
[0027]本领域技术人员可以理解的是,所述红外光源8的温度变化主要来源于输入功率波动和外部散热环境变化。其中,输入功率波动因素常常在NDIR传感器中通过电路实现实时监测;外部散热环境变化主要来自于NDIR传感器中与红外光源8相连的机械结构热传导、环境温度变化、空气流速变化等。通过在所述光源端I设置温度传感器10,能够实时、准确地监测所述红外光源8的温度漂移,实现对红外光源8发光状态的实时监控,解决目前NDIR传感器无法实时监控红外光源8温度漂移导致测量结果零点漂移的缺点,可有效提高NDIR传感器的探测精度和分辨率,在NDIR传感领域有应用前景。
[0028]本实施例中,所述温度传感器10为热敏电阻RT,设置于所述封装壳内或所述温度传感器10设置于所述基板9上,可以近距离检测所述红外光源8的温度;因为所述温度传感器10与所述红外光源8的距离较近,且输入功率可以控制,故所述温度传感器10所检测到的温度与所述红外光源8本身的温度基本一致,可以当做所述红外光源8的温度。当然于其他实例中,所述温度传感器10也可以集成在所述红外光源8内,当红外光源8温度发生变化时,温度传感器10与所述红外光源8建立相应的热平衡时间较短,可有效避免温度传感器10的滞后效应,从而提高所述红外气体传感器的稳定性和精度。
[0029]所述温度传感器10具有与电路系统15连接的两个第二引脚;所述基板9设有将两个所述第二引脚分别连接至所述电路系统15的两个第二引线;所述温度传感器10安装于所述基板9上后,所述第二引脚通过第二引线连接在电路系统15上。
[0030]所述气体腔室2具有供待测气体流通的进气口和出气口。所述光源端I位于设有所述进气口的一端,所述探测端3位于设有所述出气口的一端;且所述进气口和所述出气口位于所述光源端I和所述探测端3中间。
[0031]所述滤光片6和7位于所述红外光源8与所述红外探测器4和5中间;所述红外光源8发出的红外光经过气体腔室2被待测气体吸收,再经过滤光片6和7后到达红外探测器4和5,通过对比红外光被待测气体吸收前后的光强计算出待测气体浓度。
[0032]请参阅图2所示,本实施例中,所述红外气体传感器具有测量通道和参比通道,所述滤光片6和7包括分别与测量通道、参比通道连通的测量滤光片6、参比滤光片7;所述红外探测器4和5包括分别与测量通道、参比通道连通的测量红外探测器4、参比红外探测器5。通过双光通道设置,屏蔽了环境因素等对测量结果的影响,提高了测量的准确性。
[0033]请参阅图4所示,所述电路系统15包括控制器、与所述控制器电性连接以给所述红外光源8供电的供电电路、与所述控制器电性连接的温度补偿电路。所述温度补偿电路能够根据所述红外光源8的温度变化对所述红外探测器4和5的输出信号进行补偿,从而大大降低因红外光源8温漂带来的输出信号零点漂移,提高NDIR传感器的检测分辨率,在NDIR气体检测领域中具有应用前景。
[0034]具体地,所述温度传感器10为与所述温度补偿电路电性连接的热敏电阻Rt;所述温度补偿电路包括与所述温度传感器10连接以实时输出所述温度传感器10的阻值变化的电阻测量电路、与所述电阻测量电路的输出端连接的滤波器11、与所述滤波器11输出端连接的运算放大器12、与所述运算放大器12输出端连接的多通道模数转换器13、与所述模数转换器13输出端连接的信号处理器14,所述信号处理器14的输出端与所述红外探测器4和5电性连接以控制所述红外探测器4和5输出信号。
[0035]所述电阻测量电路采用分压电路,用一个固定偏压Vc和一个固定电阻Rl测量温度传感器⑴上的分压^^办二见八丨-^^/^^夂所述电阻测量电路的输出信号为电压信号乂!.。
[0036]为实现上述发明目的,本发明还提供一种用于上述红外气体传感器的测量方法,包括如下步骤:
[0037]S1:通过红外探测器4和5检测并输出红外光被待测气体吸收前的光强1、红外光被待测气体吸收后的光强I;用于计算待测气体的浓度。
[0038]S2:通过温度传感器10检测所述红外光源8的温度,并通过电路系统15对所述红外探测器4和5的输出信号光强1、光强I进行补偿,以屏蔽红外光源8的温度漂移对测量精度的影响。
[0039]进一步地,所述步骤S2具体为:
[0040]S2.1:设置所述电阻测量电路,实时输出所述温度传感器10的阻值变化;
[0041]S2.2:通过滤波器11过滤所述电阻测量电路输出的信号,降低噪声;
[0042]S2.3:将滤波器11输出的降噪后的信号采用运算放大器12进行放大;
[0043]S2.4:将运算放大器12输出的放大后的信号输入模数转换器13进行模拟/数字转换;
[0044]S2.5:将通过模数转换器13转换后的数字信号输入信号处理器14中对红外探测器4和5的输出信号进行补偿。
[0045]进一步地,所述S2.5步骤具体为:根据红外光源8及待测气体的具体情况,在所述控制器内预先设定红外光源8达到相应测量条件时的温度区间,仅当红外光源8的温度达到设定的温度区间内时,所述红外气体传感器才输出当前的测量值;如果红外光源8的温度未达到设定的温度区间内,则电路系统15根据红外光源8的实时温度调节供电压,调整所述红外光源8的温度到达设定的温度区间内。
[0046]综上所述,所述红外气体传感器通过设置用于检测所述红外光源8温度的温度传感器10,能够实时、准确地监测所述红外光源8的温度漂移,实现对红外光源8发光状态的实时监控,解决目前NDIR传感器无法实时监控红外光源8温度漂移导致测量结果零点漂移的缺点,可有效提高NDIR传感器的探测精度和分辨率,在NDIR传感领域有应用前景。
[0047]以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。
[0048]本说明书中任何相关的“本实施例”,意味着与实施例有关的一个特定的功能、结构、或特性描述包含本实用新型的至少一个实施例。这些出现在说明书各个地方的短语不一定指相同的实施例。进一步地,与任一实施例相关的特定的功能、结构、或细节描述,则认为是在本技术领域范围内与其他实施例相关的功能、结构或特性。
【主权项】
1.一种红外气体传感器,包括气体腔室、位于所述气体腔室一端的光源端、与所述光源端相对地位于所述气体腔室另一端的探测端、位于所述光源端的红外光源、位于所述探测端的滤光片和红外探测器、与所述红外光源与所述红外探测器均电性连接的电路系统;所述滤光片位于所述红外光源与所述红外探测器中间;其特征在于:所述红外气体传感器还包括设置于所述光源端的温度传感器,所述温度传感器与所述电路系统电性连接。2.根据权利要求1所述的红外气体传感器,其特征在于:所述电路系统包括控制器、与所述控制器电性连接以给所述红外光源供电的供电电路、与所述控制器电性连接的温度补偿电路。3.根据权利要求2所述的红外气体传感器,其特征在于:所述温度传感器为与所述温度补偿电路电性连接的热敏电阻。4.根据权利要求3所述的红外气体传感器,其特征在于:所述温度补偿电路包括与所述温度传感器连接以实时输出所述温度传感器的阻值变化的电阻测量电路、与所述电阻测量电路的输出端连接的滤波器、与所述滤波器输出端连接的运算放大器、与所述运算放大器输出端连接的多通道模数转换器、与所述模数转换器输出端连接的信号处理器,所述信号处理器的输出端与所述红外探测器电性连接。5.根据权利要求4所述的红外气体传感器,其特征在于:所述电阻测量电路采用分压电路,用一个固定偏压V。和一个固定电阻Rl测量温度传感器Rt上的分压Vt,Rt = Rl/(1-Vc/Vt),所述电阻测量电路的输出信号为电压信号Vt。6.根据权利要求1所述的红外气体传感器,其特征在于:所述红外气体传感器还包括用以封装所述红外光源的封装壳、固定安装所述红外光源的基板。7.根据权利要求6所述的红外气体传感器,其特征在于:所述温度传感器设置于所述封装壳内或所述温度传感器设置于所述基板上。8.根据权利要求7所述的红外气体传感器,其特征在于:所述红外光源具有与电路系统连接的两个第一引脚,所述温度传感器具有与电路系统连接的两个第二引脚,所述基板设有将两个所述第一引脚分别连接至所述电路系统的两个第一引线、将两个所述第二引脚分别连接至所述电路系统的两个第二引线。9.根据权利要求1所述的红外气体传感器,其特征在于:所述红外光源选自白炽灯、卤素灯、镍铬合金丝、碳硅棒、MEMS红外光源中的一种。10.根据权利要求1所述的红外气体传感器,其特征在于:所述红外气体传感器具有测量通道和参比通道。
【文档编号】G01N21/3504GK205426782SQ201620198397
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月15日
【发明人】郭安波, 俞骁
【申请人】苏州诺联芯电子科技有限公司
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