專利名稱：一種側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外氣體傳感器，具體為一種側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器。 屬于紅外氣體傳感器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近些年來，隨著易燃、易爆氣體泄漏、爆炸事故的頻頻發(fā)生，人們對(duì)氣體傳感器的 需求越來越大。其中常規(guī)的氣體傳感器按工作原理一般可分為半導(dǎo)體式氣體傳感器、電化 學(xué)式氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、光學(xué)類氣體傳感器等。半導(dǎo)體式氣體傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，受環(huán)境影響較大，對(duì)氣體選擇性不高。電化學(xué)式氣體傳感器測(cè)量時(shí)受環(huán)境影響較大、校正周期短、穩(wěn)定性差、容易中毒。催化燃燒式氣體傳感器選擇性差，容易中毒，暗火工作有引燃爆炸的危險(xiǎn)?；谝陨锨闆r，出現(xiàn)了紅外氣體傳感器為代表的光學(xué)類氣體傳感器，紅外氣體傳 感器具有精度高、選擇性好、壽命長(zhǎng)、不中毒、不依賴于氧氣、受環(huán)境干擾小等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)氣體分子吸收了特定波長(zhǎng)的紅外輻射，并由其產(chǎn)生振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)從而引起偶 極矩的凈變化，產(chǎn)生氣體分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這個(gè)波長(zhǎng) 吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱。紅外氣體傳感器便是基于氣體對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光存在吸 收，吸收滿足Lmabert-Beer定律，即I = I0exp (-μ CL)(1)式中Ici 入射光強(qiáng)度，I 透射光強(qiáng)度；μ 吸收系數(shù)；L 光路長(zhǎng)度；C 被測(cè)氣體濃 度由(1)式可推出，AC=-ΔΙ/(Ι。μυ(2)熱電堆探測(cè)器輸出的電壓與照射到其上的光強(qiáng)成正比，有V = GI，I為光強(qiáng)，G為 比例系數(shù)，若探測(cè)器電壓分辨率為Δν，則有AV = GAI,得出AV/V0 = ΔΙ/Ι0(3)把(3)式代入⑵式得到ACmin = -AV/(V0UL)(4)由上式看出可通過增加光路長(zhǎng)度L即增長(zhǎng)光程的方法來增加氣體的吸收，提高傳 感器的分辨率。美國專利US 7488942Β2公布了一種頂部進(jìn)氣氣體傳感器，其光源和探測(cè)器放在 兩個(gè)橢圓的焦點(diǎn)上，通過多次反射增加光程。美國專利us 7609375Β2公布了一種氣體傳感 器用光學(xué)腔體，其光源放在橢圓的焦點(diǎn)上，利用多次放射增加光程，提高傳感器精度；同時(shí) 在腔體上下表面分別設(shè)置通氣孔，提高傳感器響應(yīng)時(shí)間。CN 101592599Α中采用準(zhǔn)光學(xué)諧振 腔設(shè)計(jì)了一種由上凹球面反射鏡和下凸球面反射鏡組成的吸收腔，其光源和探測(cè)器裝在互 為共軛位置，通過多次反射來增加光程。CN 201373848Υ公布了一種通過多斜面反射實(shí)現(xiàn)光 路增長(zhǎng)的頂部進(jìn)氣擴(kuò)散式的紅外氣體傳感器。以上專利設(shè)計(jì)精巧，但工程化實(shí)現(xiàn)不易。同時(shí) 目前已經(jīng)商用化的擴(kuò)散式紅外氣體傳感器采用頂部進(jìn)氣，其響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，英國City公司的4R系列的CO2和CH4紅外氣體傳感器響應(yīng)時(shí)間(T9tl)小于35秒，英國Dynament公司 紅外傳感器響應(yīng)時(shí)間(T9tl)小于30s，國內(nèi)河南漢威生產(chǎn)的紅外氣體傳感器響應(yīng)時(shí)間(T9tl) 小于30s。腔體加工工程化不易，響應(yīng)時(shí)間略長(zhǎng)，直接影響了紅外氣體傳感器的普及應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述傳感器存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體 傳感器，側(cè)壁進(jìn)/出氣的氣體交換方式有利于提高氣室內(nèi)外氣體的交換速度，縮短傳感器 的響應(yīng)時(shí)間。本發(fā)明是一種側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器，主要包括具有側(cè)壁進(jìn)/出氣的敏 感頭、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)顯示模塊。所述具有側(cè)壁進(jìn)/出氣的敏感頭包括 防塵罩1、具有側(cè)壁進(jìn)/出氣兼具光學(xué)通道和氣室功能的腔體2、右第一反光鏡3、左第二反 光鏡4、熱電堆探測(cè)器5、紅外光源6、聚光鏡7、加熱電阻8、信號(hào)放大電路9。本發(fā)明所述防塵罩1為不銹鋼粉末與不銹鋼外殼配合燒結(jié)而成。本發(fā)明所述腔體2為黃銅圓柱加工而成。本發(fā)明所述光學(xué)通道/氣室功能的腔體2包括右端第一通孔10、前端第二通孔 11、左端第三通孔12、右第一反光鏡3和左第二反光鏡4組成。本發(fā)明所述右端第一通孔10內(nèi)壁進(jìn)行拋光、鍍金處理；側(cè)壁設(shè)置若干個(gè)通氣孔與 外界空氣進(jìn)行氣體交換；后端設(shè)置聚光鏡7，其內(nèi)安裝紅外光源6。本發(fā)明所述前端第二通孔11內(nèi)壁進(jìn)行拋光、鍍金處理；側(cè)壁設(shè)置若干個(gè)通氣孔與 外界空氣進(jìn)行氣體交換；左、右兩端分別貼有右第一反光鏡3和左第二反光鏡4。本發(fā)明所述左端第三通孔12內(nèi)壁進(jìn)行拋光、鍍金處理；側(cè)壁設(shè)置若干個(gè)通氣孔與 外界空氣進(jìn)行氣體交換；后端安裝熱電堆紅外探測(cè)器5。本發(fā)明所述熱電堆探測(cè)器5、紅外光源6直接與信號(hào)放大電路9相連。本發(fā)明所述氣室內(nèi)外氣體交換方式為側(cè)壁進(jìn)/出氣方式，氣室內(nèi)氣體和外界空氣 可以直接形成良好的對(duì)流，內(nèi)外氣體交換所需時(shí)間明顯減少，傳感器響應(yīng)時(shí)間明顯縮短。本發(fā)明所述光路為‘Π’形折疊光路，紅外光源6發(fā)出的光通過右端第一通孔10經(jīng) 右第一反光鏡3反射后進(jìn)入前端第二通孔11，沿前端第二通孔11經(jīng)到達(dá)左第二反射鏡4， 經(jīng)反射后進(jìn)入左端第三通孔12，最后到達(dá)熱電堆探測(cè)器5接收表面。紅外光在傳播過程中 經(jīng)過多次反射，增加了光程，使得待測(cè)氣體對(duì)紅外光的吸收比較充分，提高了傳感器的分辨 率。本發(fā)明所述熱電堆探測(cè)器5設(shè)置兩片窄帶濾光片，其中一片不包含待測(cè)氣體特征 吸收峰，另一片為包含待測(cè)氣體特征吸收峰的濾光片。根據(jù)Lmabert-Beer定律，當(dāng)氣體分 子吸收了特定波長(zhǎng)的紅外輻射，并由其產(chǎn)生振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)從而引起偶極矩的凈變化，產(chǎn) 生氣體分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這個(gè)波長(zhǎng)吸收區(qū)域的透射光 強(qiáng)度減弱，特定的分子對(duì)紅外光有選擇性吸收，因此，通過采用包含不同特征吸收峰波長(zhǎng)的 窄帶濾光片就可以實(shí)現(xiàn)不同氣體的檢測(cè)。本發(fā)明的有益效果是通過氣室側(cè)壁設(shè)置若干個(gè)通氣孔，采用側(cè)壁進(jìn)/出氣的氣體 交換方式，提高了氣室內(nèi)外氣體交換的速度，減小了傳感器響應(yīng)時(shí)間；另外采用長(zhǎng)光程、易 工程化的‘Π’形折疊光路，有利于傳感器分辨率的提高，有助于紅外氣體傳感器的普及。


圖1為本發(fā)明提供側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器敏感頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所述側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器工作原理示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器敏感頭內(nèi)部的 結(jié)構(gòu)。防塵罩1為60-80目不銹鋼粉末與不銹鋼外殼配合燒結(jié)制成的外徑為40mm，內(nèi)徑為 34. 5mm,高為18mm圓筒；防塵罩1內(nèi)嵌直徑為34mm，高為16mm的圓柱形黃銅腔體2 ；腔體2 右端開設(shè)有直徑為5mm的右端第一通孔10，右端第一通孔10的后端設(shè)置聚光鏡7，聚光鏡 7內(nèi)安裝紅外光源6，右端第一通孔10側(cè)壁開有至少2個(gè)直徑為l-3mm的通氣孔14 ；腔體2 前端開設(shè)有直徑為5mm的前端第二通孔11，前端第二通孔11與右端第一通孔10成90度夾 角，在其相交面上第一切凹槽17中放置右第一反光鏡3，切凹槽17的底面分別與右端第一 通孔10和前端第二通孔11成45度夾角，在前端第二通孔11的側(cè)壁開有至少2個(gè)直徑為 l-3mm的通氣孔15 ；腔體2左端開有直徑為6mm的左端第三通孔12，第三通孔12與第一通 孔10平行，與第二通孔11成90度夾角，在其相交面上切凹槽18放置左第二反光鏡4，切凹 槽18的底面分別與前端第二通孔11和左端第三通孔12成45度夾角，左端第三通孔12的 后端安裝熱電堆探測(cè)器5，在第三通孔12側(cè)壁開有至少2個(gè)直徑為l_3mm的通氣孔16 ；腔 體2的底部開有凹槽19，放置加熱電阻8。作為本發(fā)明的實(shí)施例第一通孔10、第二通孔11、 第三通孔12、聚光鏡7內(nèi)壁進(jìn)行拋光處理，光潔度達(dá)到0. 1，且對(duì)其內(nèi)壁進(jìn)行鍍金處理，提高 對(duì)紅外光的反射率，并起到防治銅被氧化、腐蝕的作用。本發(fā)明所用的熱電堆探測(cè)器為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研制的 雙通道熱電堆紅外探測(cè)器或德國PerkinElmer公司生產(chǎn)的TPS2534系列雙通道熱電堆探測(cè) 器5，設(shè)置有Χ. Χμ m和Y. Yym兩片濾光片，其中與Χ. Χμ m波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的熱電堆輸出信號(hào)為測(cè) 量信號(hào)，與Y. Yym波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的熱電堆輸出信號(hào)為參考信號(hào)；探測(cè)器內(nèi)部設(shè)有熱敏電阻，提 供傳感器溫度補(bǔ)償所需的溫度信號(hào)。熱電堆探測(cè)器的輸出包括測(cè)量信號(hào)、參考信號(hào)和溫度 信號(hào)。圖2示出了本發(fā)明側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器工作原理示意圖，攜帶有易燃、 易爆等待測(cè)氣體的空氣通過傳感器側(cè)壁上的通氣孔14、15、16擴(kuò)散進(jìn)入并充滿氣室，紅外 光源6發(fā)出的調(diào)制紅外光通過右端第一通孔10經(jīng)右第一反光鏡3反射后進(jìn)入前端第二通 孔11，并沿前端第二通孔11到達(dá)左第二反射鏡4，經(jīng)反射后再進(jìn)入左端第三通孔12，紅外 光經(jīng)多次反射，待測(cè)氣體吸收，濾光片選擇性吸收后，最后到達(dá)雙通道熱電堆探測(cè)器5的核 心元件熱電堆芯片的表面，被熱電堆感知吸收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。熱電堆探測(cè)器輸出的兩路 信號(hào)經(jīng)放大電路9放大后，得到穩(wěn)定信號(hào)，然后被A/D信號(hào)采集模塊采集后送入信號(hào)處理模 塊，信號(hào)處理模塊借助單片機(jī)利用相應(yīng)程序?qū)陕沸盘?hào)進(jìn)行分析處理，得到空氣中待測(cè)氣 體的濃度，經(jīng)信號(hào)顯示模塊直觀的顯示出來。本發(fā)明所述側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器所用紅外光源6可以采用但不僅限于 PerkinElmer 公司的 IRL715。本發(fā)明所述側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器所用右第一反光鏡3和左第二反光鏡4為硅片上濺射但不僅限于濺射200納米的金，右第一反光鏡3和左第二反光鏡4尺寸分別 與第一切凹槽17、第二切凹槽18的底面的尺寸相同。本發(fā)明所述側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器通過更換封裝有不同特征吸收波長(zhǎng) 濾光片的熱電堆探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)不同氣體的監(jiān)測(cè)。其中作為參考濾光片的中心波長(zhǎng)可以選 擇但不僅限于3. 9 μ m、4. 0 μ m等；常見氣體的特征吸收峰見但不僅限于下表
氣體特征峰(um)CO21.41.62.02.74.34.85.29.410.415CO2.34.6CH43.316.57.65NO5.3N2O3.94.054.57.78.617.1H2O0.941.11.381.872.75.26.27O34.78.99.614SO27.3 最后應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)說明的是以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明技術(shù)方案而不是對(duì)其限 制，盡管實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所述領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行更改或部分替換，其方案更改或替換不脫離本發(fā)明技術(shù)方案精神的均應(yīng)包括在本發(fā) 明申請(qǐng)保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器，依次包括敏感頭、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模 塊、信號(hào)顯示模塊，其特征在于所述的敏感頭具有側(cè)壁進(jìn)/出氣結(jié)構(gòu)，它包括防塵罩(1)、具 有側(cè)壁進(jìn)/出氣兼具光學(xué)通道和氣室功能的腔體2、右第一反光鏡(3)、左第二反光鏡0)、 熱電堆探測(cè)器(5)、紅外光源(6)、聚光鏡(7)、加熱電阻(8)、信號(hào)放大電路(9)；①所述具有側(cè)壁進(jìn)/出氣兼具光學(xué)通道和氣室功能的腔體內(nèi)設(shè)置由右端第一通孔(10)、前端第二通孔(11)、左端第三通孔(12)、右第一反光鏡C3)和左第二反光鏡(4)組成 的‘Π’形折疊光路；②左端第一通孔(10)、前端第二通孔(11)和左端第三通孔(1 的側(cè)壁設(shè)置若干個(gè)通 氣孔與外界進(jìn)行氣體交換；③右端第一通孔(10)后端設(shè)置聚光鏡(7)，其內(nèi)安裝紅外光源(6)；前端第二通孔(11)兩端分別安裝右第一反光鏡(3)和左第二反光鏡；左端第三通孔(12)后端安裝熱 電堆探測(cè)器(5)；腔體底部開凹槽(19)，其內(nèi)安裝加熱電阻⑶；④熱電堆探測(cè)器、紅外光源直接與信號(hào)放大電路相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的右端第一通孔(10)與前端第二通 孔(11)成90度；前端第二通孔(11)與左端第三通孔(1 成90度；第一通孔和第三通孔 相互平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的右端第一通孔(10)和前端第二通 孔(11)相交面設(shè)置右切凹槽(17)，其底面與右端第一通孔(10)和前端第二通孔(11)均成 45度角，在其底面安裝右第一反光鏡(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于前端第二通孔(11)和左端第三通孔(12)相交面設(shè)置左切凹槽(18)，其底面與前端第二通孔(11)和左端第三通孔(1 均成45 度角，在其底面安裝左第二反光鏡G)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于①所述的防塵罩(1)為不銹鋼粉末與不銹鋼外殼配合燒結(jié)而成；②所述的第一通孔、第二通孔和第三通孔的側(cè)壁上有至少2個(gè)，直徑為l_3mm的通氣孔。③所述的熱電堆探測(cè)器為雙通道熱電堆探測(cè)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于所述的第一通孔、第二通孔、 第三通孔以及聚光鏡內(nèi)壁進(jìn)行拋光處理，光潔度達(dá)0. 1且對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行鍍金處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于①所述的右第一反光鏡或左第二反光鏡為硅片上濺射200納米的金，且所述的反光鏡 的尺寸分別為切凹槽的底面尺寸相同；②所述的紅外光源為PerkinElmer公司的IRL715。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器應(yīng)用，其特征在于通過更換封裝有不同特征吸收波長(zhǎng) 濾光片的熱電堆探測(cè)器5可實(shí)現(xiàn)不同氣體的檢測(cè)。
9.按權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于濾光片的中心波長(zhǎng)選用3.9 μ m或40 μ m，可 對(duì) CO2、CO、CH4、NO、N2O、H2O、O3 或 檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器，依次包括敏感頭、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)顯示模塊。其特征在于所述的敏感頭具有側(cè)壁進(jìn)/出氣，包括防塵罩1、具有側(cè)壁進(jìn)/出氣兼具光學(xué)通道和氣室功能的腔體2、反光鏡3、反光鏡4、熱電堆探測(cè)器5、紅外光源6、聚光鏡7、加熱電阻8、信號(hào)放大電路9，其中光路為第一通孔10、第二通孔11、第三通孔12、反光鏡3和反光鏡4組成的‘∏’形折疊光路。由于采用側(cè)壁進(jìn)/出氣的方式，氣室內(nèi)氣體和外界環(huán)境之間可以直接形成良好的對(duì)流，內(nèi)外氣體交換所需時(shí)間縮短，響應(yīng)時(shí)間減??；光在傳播的過程中經(jīng)過側(cè)壁的多次反射，增加了光程，提高了分辨率?？赏麖V泛應(yīng)用于在多種場(chǎng)合下的氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/35GK102128804SQ20101054065
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者劉延祥, 李鐵, 王東平 申請(qǐng)人:上海芯敏微系統(tǒng)技術(shù)有限公司