專利名稱：一種礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外氣體探測(cè)器，具體涉及一種礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器。
背景技術(shù)：
基于非分光紅外(NDIR)技術(shù)原理的紅外氣體傳感器廣泛應(yīng)用于氣體分析的各個(gè)領(lǐng)域，為改變煤礦井下安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一直使用需頻繁校對(duì)的催化瓦斯傳感器的現(xiàn)狀，越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)相繼開發(fā)出用于煤礦井下的基于NDIR原理的紅外氣體傳感器，表明用更為先進(jìn)的紅外氣體傳感器來(lái)替代長(zhǎng)期以來(lái)一直在煤礦使用的催化瓦斯傳感器已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。
盡管基于NDIR技術(shù)的紅外氣體傳感器在上世紀(jì)90年代初就引入我國(guó)煤礦試用，但經(jīng)過(guò)了 20多年，紅外氣體傳感器仍然未能在煤礦廣泛普及推廣使用，主要原因之一是行業(yè)內(nèi)一直沒有既適應(yīng)于煤礦井下惡劣環(huán)境，同時(shí)又具有較高性價(jià)比，并且能充分體現(xiàn)紅外傳感器優(yōu)越性的產(chǎn)品。將現(xiàn)有的廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的紅外氣體傳感器應(yīng)用于煤礦井下，需要解決的重要問(wèn)題是傳感器必須適應(yīng)煤礦井下的惡劣工作環(huán)境。這個(gè)問(wèn)題如果不能很好得到解決，紅外氣體傳感器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中具有的優(yōu)勢(shì)將會(huì)被煤礦井下惡劣環(huán)境所導(dǎo)致的劣勢(shì)所取代。紅外氣體傳感器屬于光學(xué)傳感器，與可見光光學(xué)系統(tǒng)類似，塵埃是光學(xué)系統(tǒng)的最大克星。煤礦井下特別是采煤工作面的工作環(huán)境相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室潔凈的環(huán)境而言，發(fā)生了本質(zhì)的變化。在煤礦井下，紅外氣體傳感器如果不解決較小尺寸空間與較高的紅外光吸收量要求的矛盾、快速響應(yīng)與高質(zhì)量防塵的矛盾、潮濕水汽影響與低功耗要求的矛盾、高性能與低價(jià)格要求的矛盾、環(huán)境溫度變化與傳感器穩(wěn)定度要求的矛盾，紅外氣體傳感器在煤礦井下使用就毫無(wú)優(yōu)勢(shì)可言。針對(duì)以上問(wèn)題，不少研究機(jī)構(gòu)都提出了各自的應(yīng)對(duì)辦法。為解決潮濕水汽影響問(wèn)題，中國(guó)專利CN101825566A在微小的傳感器內(nèi)增加加熱以及恒溫裝置，使探測(cè)器工作于一個(gè)較高的、溫度相對(duì)穩(wěn)定的條件下，使水汽不至于凝結(jié)。中國(guó)專利200720307032. I通過(guò)在光學(xué)腔體內(nèi)設(shè)置保溫隔熱材料，使腔體內(nèi)的溫度比外環(huán)境高3°C左右，讓水汽不在腔體內(nèi)凝結(jié)。中國(guó)專利200710062967. 2通過(guò)設(shè)置微孔直徑在O. 2至3微米的疏水性微孔過(guò)濾膜來(lái)阻礙水汽進(jìn)入光學(xué)氣室。為克服煤塵污染的影響，中國(guó)專利200710063467. O、200710062967. 2、200710062968. 7、200720103593. X均通過(guò)設(shè)置微孔納米過(guò)濾膜，讓氣體通過(guò)的同時(shí)阻礙塵
埃通過(guò)。為了克服溫度變化導(dǎo)致的紅外光源光強(qiáng)以及紅外探測(cè)器的輸出變化，中國(guó)專利200620098454. 8分別在紅外發(fā)射組件與紅外接收組件中安置微型加熱器使發(fā)射光源和紅外探頭處于恒溫狀態(tài)。中國(guó)專利 200720307032. 1,200710063467. 0,200720188521. X、200620111569. 6均通過(guò)增設(shè)溫度傳感器來(lái)校準(zhǔn)傳感器濃度。
為解決與小空間與較大紅外光吸收量要求的矛盾，歐洲專利EP1509759B、中國(guó)專利200710063467. O、200710062967. 2均采用了橢球方式，利用由空心橢球一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)橢球內(nèi)表面反射后會(huì)匯聚于另一焦點(diǎn)的特性來(lái)延長(zhǎng)光程；中國(guó)專利200810113176. 2,200810113178. I均采用兩片鍍金球面鏡使光源經(jīng)多次反射才到達(dá)接收器，在延長(zhǎng)了光程的同時(shí)還具有使到達(dá)接收器的光線基本滿足等光程的特性，使接收器上的光分布均勻，提高了光信號(hào)的信噪比；中國(guó)專利CN101825566A用鍍金的阿基米德螺旋槽光路來(lái)延長(zhǎng)光程；中國(guó)專利200720307032. I通過(guò)一個(gè)不封口的e型結(jié)構(gòu)來(lái)延長(zhǎng)光程；中國(guó)專利200910105832. 9通過(guò)在氣室內(nèi)設(shè)置表面鍍金的斜面槽型反射面來(lái)延長(zhǎng)光程。以上專利技術(shù)在一定程度上解決了紅外氣體傳感器應(yīng)用于煤礦井下所面臨的問(wèn)題。遺憾的是，往往在解決了一個(gè)問(wèn)題的同時(shí)又導(dǎo)致了新問(wèn)題的產(chǎn)生。為了解決小空間與較大紅外光吸收量的矛盾，所有開發(fā)用于煤礦的紅外氣體傳感器均采用了氣室內(nèi)壁采用極高加工精度和光潔度并鍍金作為反射面的辦法來(lái)延長(zhǎng)光程。這樣做的結(jié)果又導(dǎo)致了三個(gè)問(wèn)題需要解決。其一是現(xiàn)有設(shè)計(jì)用于煤礦的紅外氣體傳感器的探頭均采用直徑小于30毫 米，高小于40毫米的圓柱體結(jié)構(gòu)。探頭的進(jìn)氣通道多為圓柱體頂(底)部的進(jìn)氣窗口，進(jìn)氣窗口的直徑小于30毫米，防潮防塵主要依賴孔隙在200-3000納米的微孔疏水過(guò)濾膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。過(guò)濾膜面積通常小于800_2，在煤礦井下，特別是在采掘工作面，潮濕煤塵的濃度非常高，面積很小的過(guò)濾膜易于被潮濕的煤塵堆積封堵，導(dǎo)致傳感器的響應(yīng)時(shí)間大幅度延長(zhǎng)；其次，由于利用微小氣室內(nèi)的曲面作為反射鏡來(lái)多次反射紅外光，以達(dá)到延長(zhǎng)光程的目的，需要對(duì)氣室內(nèi)形狀復(fù)雜的曲面進(jìn)行高精度、高光潔度的磨削、拋光加工并鍍以對(duì)紅外光有較高反射率的貴金屬——金形成反射面，這就導(dǎo)致了氣室成本大幅度上升，進(jìn)一步加大了低價(jià)格與高性能的矛盾；第三，盡管在理論上過(guò)濾膜的孔隙很小，塵埃無(wú)法進(jìn)入，但實(shí)際使用過(guò)程中，顆粒尺度低于微米級(jí)的煤塵塵埃仍然會(huì)進(jìn)入到氣室并附著在反射內(nèi)壁上，致使紅外光的反射率大幅度下降，氣室內(nèi)壁的反射率下降到一定程度后，傳感器就無(wú)法繼續(xù)工作，導(dǎo)致實(shí)際工作壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)定壽命。為了說(shuō)明本發(fā)明的基本原理，有必要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中所應(yīng)用的蘭博-比爾定律的假設(shè)前提條件做簡(jiǎn)要介紹。NDIR紅外氣體傳感器的基本工作原理是蘭博-比爾定律。該定律表述為當(dāng)一束平行單色光通過(guò)均勻的非散射樣品時(shí)，樣品對(duì)光的吸光度與樣品的濃度及厚度成正比。數(shù)學(xué)表達(dá)式為1/10= exp-ECL。式中
10:入射光強(qiáng)(平行單色光)。I :透射光強(qiáng)(被吸光物質(zhì)吸收后的光強(qiáng))。E :吸光系數(shù)(氣體分析時(shí)常用百分吸光系數(shù)。指在一定波長(zhǎng)時(shí)，濃度為1%賺)、厚度為Icm時(shí)的吸光度)。L 吸光物質(zhì)厚度(光程)。C :吸光物質(zhì)濃度。以上數(shù)學(xué)表達(dá)式推導(dǎo)的前提是吸光物質(zhì)的單位截面積在光程內(nèi)是一個(gè)不變的常量，也就是說(shuō)，入射光強(qiáng)位置的截面積與透射光強(qiáng)位置的截面積是相等的，在此情況下，吸光物質(zhì)的單位截面積dS、光程L、和體積V有如下關(guān)系dS=V/L,
根據(jù)吸光物質(zhì)濃度的定義，吸光物質(zhì)濃度(C)的物理意義是單位體積(V)內(nèi)的吸光質(zhì)點(diǎn)(原子、離子或分子)數(shù)U)，
即C=n/V。由以上關(guān)系，得到光在空間傳播時(shí)，在某一波平面單位截面上的吸光質(zhì)點(diǎn)(原子、離子或分子)數(shù)取決于吸光物質(zhì)的濃度和厚度(也稱光程) η/dS = VC/(V/L) = LC0在其數(shù)學(xué)表達(dá)式I/I0=exp_Ea的顯式中，僅僅包含了光程L、入射光強(qiáng)10、透射光強(qiáng)I、濃度C以及吸光系數(shù)E等參數(shù)，并不包含面積S參數(shù)，給人的感覺就是濃度僅僅與光強(qiáng)的變化、吸光物質(zhì)的吸光系數(shù)以及光程有關(guān)，而與面積無(wú)關(guān)。這就是現(xiàn)有技術(shù)在微小空間中通過(guò)多次反射來(lái)延長(zhǎng)光程以提高吸收光線質(zhì)點(diǎn)數(shù)的主要理論依據(jù)。采用延長(zhǎng)光程的方式來(lái)提高吸收光線質(zhì)點(diǎn)數(shù)的辦法帶來(lái)的弊端除了需要極高的加工高精度和光潔度來(lái)加工光學(xué)通道，同時(shí)，還需涂鍍貴金屬金形成反射率較高的光學(xué)反射面，這樣，將導(dǎo)致氣室的成本高昂；此外，還由于當(dāng)發(fā)射功率一定時(shí)，光程的增長(zhǎng)將導(dǎo)致光強(qiáng)信號(hào)以幾何級(jí)數(shù)的數(shù)量級(jí)衰減，多次反射后，將引起探測(cè)器信噪比迅速下降；更重要的是由于探測(cè)器光敏元的尺寸通常都很小，一般約為I X 2_2，意味著僅僅有2_2截面積乘以光程這樣一個(gè)體積內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)能對(duì)光的吸收做出貢獻(xiàn)，敏感元面積以外的其它體積內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的吸收由于不被探測(cè)器接收，而被白白浪費(fèi)掉了。氣室空間越大，無(wú)效吸收質(zhì)點(diǎn)越多，效率越低。增加光程可以理解為用光敏元面積乘以光程這樣一個(gè)體積單位的串聯(lián)方式來(lái)增加吸收光線的有效氣體質(zhì)點(diǎn)數(shù)。如果采用截面積不相同的設(shè)計(jì)，以類似于并聯(lián)的方式讓氣室空間內(nèi)所有吸收光線的氣體質(zhì)點(diǎn)均對(duì)探測(cè)器的輸出產(chǎn)生貢獻(xiàn)，是否同樣可以在不增加光程的情況下達(dá)到增加吸收光線的有效氣體質(zhì)點(diǎn)數(shù)的目的呢。根據(jù)幾何光學(xué)光強(qiáng)定律
I1ClS1=I2ClS20式中，I1為光線在單位截面ClS1處的光強(qiáng)，I2為光線在單位截面dS2處的光強(qiáng)。幾何光學(xué)光強(qiáng)定律表明，IdS沿著一個(gè)光線管保持不變。dS面元減小，I光強(qiáng)必然增大。dS面元相同時(shí)，光強(qiáng)不變。這表明，具體討論光源的光強(qiáng)時(shí)，是與光線在空間傳播過(guò)程中某一波平面上的面積密切相關(guān)的。在推導(dǎo)蘭博-比爾定律時(shí)，假設(shè)條件是光線是平行傳播并且入射光強(qiáng)位置處的面積與透射光強(qiáng)位置處的面積是相等的，因而得出濃度僅僅與厚度、光強(qiáng)的變化有關(guān)的結(jié)論。當(dāng)光線不是平行光，入射光強(qiáng)處的面積與透射光強(qiáng)處的面積不相等的情況下，濃度不僅與厚度有關(guān)，同時(shí)與面積也有關(guān)。采用截面不相同的設(shè)計(jì)，可以達(dá)到在不增加光程的情況下達(dá)到增加吸收光線的有效氣體質(zhì)點(diǎn)數(shù)的目的。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單試驗(yàn)可以證明這一點(diǎn)，用平面反射鏡把陽(yáng)光反射到光電探測(cè)器上，探測(cè)器輸出的光信號(hào)強(qiáng)度與陽(yáng)光直射探測(cè)器的強(qiáng)度基本相近，其接近程度取決于反射鏡的反射率，在此情況下，不論陽(yáng)光多強(qiáng)，探測(cè)器都不會(huì)被燒毀，其原因是探測(cè)器的光敏元面積很小，對(duì)光敏元起作用的僅僅是敏感元面積范圍內(nèi)的光線，敏感元面積以外的光線，并不對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生貢獻(xiàn)，這類似于采用反射來(lái)延長(zhǎng)光程；而用一大直徑的聚焦透鏡將陽(yáng)光匯聚于探測(cè)器時(shí)，探測(cè)器會(huì)因光強(qiáng)太強(qiáng)而被燒毀。顯然，這是由于透鏡面積范圍內(nèi)的光線共同作用于探測(cè)器光敏元上所造成的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器，可實(shí)現(xiàn)不通過(guò)延長(zhǎng)光程來(lái)達(dá)到延長(zhǎng)光程方法所要達(dá)到的目標(biāo)，可用低成本實(shí)現(xiàn)在較小空間獲得較高的紅外光吸收量，延長(zhǎng)傳感器的壽命，可有效阻礙塵埃和潮濕水汽，還能使傳感器的響應(yīng)時(shí)間大幅度縮短，進(jìn)一步保障了煤礦生產(chǎn)的安全。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是光學(xué)氣室為圓周表面均勻分布通氣孔的套疊在一起的內(nèi)管和外管，在內(nèi)管和外管的環(huán)形孔腔設(shè)置有疏水型折疊過(guò)濾芯，光學(xué)氣室的一端的端面連接密封的平行廣譜光發(fā)射單元的腔體，另一端的端面連接密封的光匯聚探測(cè)器單元的腔體，探測(cè)器單元的光敏元將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并經(jīng)放大后，通過(guò)數(shù)據(jù)線連接至信號(hào)處理電路。 廣譜光發(fā)射單元的結(jié)構(gòu)是在一端封閉的發(fā)射單元腔體內(nèi)裝入反光罩，反光罩的焦點(diǎn)設(shè)置廣譜光源，反光罩前端口封閉準(zhǔn)直透鏡，廣譜光源同時(shí)位于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)上，發(fā)射單元腔體的前端帶有與光學(xué)氣室連接的螺紋；探測(cè)器單元的結(jié)構(gòu)是在一端封閉的探測(cè)器單元腔體內(nèi)依次裝入紅外探測(cè)器光敏元和匯聚透鏡，光敏元位于匯聚透鏡的焦點(diǎn)上且被匯聚透鏡密封于探測(cè)器單元腔體內(nèi)。 在廣譜光發(fā)射單元中，廣譜光源發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路板與發(fā)射光源電路板定位塊緊密粘結(jié)，并將廣譜光源焊接于廣譜光源發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路板上，發(fā)射光源電路板定位塊與反光罩螺紋連接或粘結(jié)，反光罩卡在發(fā)射單元腔體內(nèi)的臺(tái)階卡口上，由橡膠墊圈和反光罩壓緊環(huán)固定，準(zhǔn)直透鏡由橡膠墊圈和透鏡壓緊環(huán)固定于發(fā)射單元腔體內(nèi)；在探測(cè)器單元中，光敏元焊接于其前端的放大器電路板上，放大器電路板又被電路板壓緊環(huán)固定在探測(cè)器單元腔體內(nèi)壁，匯聚透鏡通過(guò)兩側(cè)的橡膠墊圈和匯聚透鏡壓緊環(huán)固定于探測(cè)器單元腔體內(nèi)壁。本發(fā)明所述的信號(hào)處理電路包括了公知的電源電路、信號(hào)控制處理器、振蕩電路、LED顯示和驅(qū)動(dòng)電路、IXD顯示和驅(qū)動(dòng)電路、聲光報(bào)警輸出電路、溫度監(jiān)測(cè)電路、非易失存儲(chǔ)電路、信號(hào)輸出電路。所述的廣譜光發(fā)射單元和探測(cè)器單元中采用的透鏡由可以透過(guò)3飛微米波長(zhǎng)紅外光的材料制成，例如硒化鋅、氟化鈣、聚乙烯。所述透鏡為球面透鏡或非球面透鏡或菲涅爾透鏡。本發(fā)明內(nèi)容的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)就是讓光學(xué)氣室內(nèi)盡可能多的吸光質(zhì)點(diǎn)都作用于探測(cè)器的敏感元上，這樣即可在較小的空間內(nèi)不通過(guò)增加光程而增加有效吸光質(zhì)點(diǎn)數(shù)。本發(fā)明由于完全不依賴反射，因此不會(huì)產(chǎn)生完全依賴反射來(lái)延長(zhǎng)光程結(jié)構(gòu)的傳感器所遇到的反射面被污染后傳感器很快失效的故障；與傳統(tǒng)的基于多次反射來(lái)增加光程的辦法需要高光潔度、高精度并涂鍍昂貴的金反射膜結(jié)構(gòu)的高成本光學(xué)腔體制造工藝相比較，在本發(fā)明中起匯聚作用的鏡片制造工藝成熟，大批量生產(chǎn)后可大幅度降低制造成本，隨著材料、設(shè)計(jì)和加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型材料和非球面或菲涅爾結(jié)構(gòu)的透鏡可以實(shí)現(xiàn)低成本的大直徑和大面積匯聚，從而可進(jìn)一步提高光強(qiáng)和降低發(fā)射光源的功耗，用低成本實(shí)現(xiàn)在較小空間獲得較高的紅外光吸收量；由于探測(cè)器和光源均為封閉結(jié)構(gòu)，即使鏡片被污染后，也可以通過(guò)搽拭和清洗很快恢復(fù)其功能，大大延長(zhǎng)傳感器的壽命；由于發(fā)射和接收單元均為封閉結(jié)構(gòu)，潮濕水汽并不會(huì)進(jìn)入到發(fā)射光源單元和紅外探測(cè)器單元內(nèi)，不會(huì)對(duì)探測(cè)器的輸出信號(hào)產(chǎn)生影響；由于氣室內(nèi)外管之間的折疊過(guò)濾芯具有比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的過(guò)濾膜大I個(gè)數(shù)量級(jí)的比表面積，在有效阻礙塵埃和潮濕水汽的同時(shí)，還能使傳感器的響應(yīng)時(shí)間大幅度縮短，進(jìn)一步保障了煤礦生產(chǎn)的安全。


圖I為高光源利用效率的紅外氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意 圖2為廣譜光發(fā)射單元結(jié)構(gòu) 圖3為探測(cè)器單元結(jié)構(gòu)圖； 圖4為信號(hào)處理電路框圖。圖中探測(cè)器單元I、廣譜光發(fā)射單元2、內(nèi)管3、過(guò)濾芯4、外管5、通氣孔6、發(fā)射單元腔體201、反光罩202、發(fā)射光源電路板定位塊203、廣譜光源發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路板204、廣譜光源205、橡膠墊圈206、反光罩壓緊環(huán)207、準(zhǔn)直透鏡208、透鏡壓緊環(huán)209、探測(cè)器單元腔體101、放大器電路板102、光敏元103、電路板壓緊環(huán)104、匯聚透鏡105、橡膠墊圈106、匯聚透鏡壓緊環(huán)107。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖I所示，本發(fā)明所述的傳感器包括探測(cè)器單元I、廣譜光發(fā)射單元2、內(nèi)管3、過(guò)濾芯4和外管5，由廣譜光發(fā)射單元I發(fā)出的光譜光經(jīng)過(guò)由內(nèi)管3、過(guò)濾芯4和外管5組成的光學(xué)氣室到達(dá)探測(cè)器單元1，在內(nèi)管3和外管5的圓周表面均勻分布通氣孔6。參見圖2，廣譜光發(fā)射單元2包括發(fā)射單元腔體201、反光罩202、發(fā)射光源電路板定位塊203、廣譜光源發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路板204、廣譜光源205、橡膠墊圈206、反光罩壓緊環(huán)207、準(zhǔn)直透鏡208、透鏡壓緊環(huán)209。廣譜光源205在廣譜光源發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路板204的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)射出紅外熱釋電所需的光強(qiáng)受調(diào)制的光線。廣譜光源205位于反光罩202的焦點(diǎn)，使發(fā)出的光經(jīng)反光罩202的反射后成為平行光，廣譜光源205同時(shí)位于準(zhǔn)直透鏡208的焦點(diǎn)上，這樣，由廣譜光源205發(fā)出的光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡208準(zhǔn)直后，形成平行光線射出。廣譜光源205焊接于廣譜光源發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路板204上，廣譜光源發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路板204與發(fā)射光源電路板定位塊203用螺紋連接或粘結(jié)，發(fā)射光源電路板定位塊203與反光罩202螺紋連接或粘結(jié)，反光罩202與發(fā)射單元腔體201螺紋連接，以實(shí)現(xiàn)廣譜光源205以及反光罩202徑向準(zhǔn)確定位，保證廣譜光源205位于光線傳播的中心軸線上；反光罩壓緊環(huán)207用于對(duì)反光罩202、發(fā)射光源電路板定位塊203、廣譜光源發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路板204和廣譜光源205進(jìn)行軸向定位；透鏡壓緊環(huán)209用于對(duì)透鏡進(jìn)行軸向定位，橡膠墊圈206用于微調(diào)準(zhǔn)直透鏡208與廣譜光源205的軸向距離，以保證廣譜光源205位于準(zhǔn)直透鏡208的焦點(diǎn)上；透鏡壓緊環(huán)209、橡膠墊圈206、準(zhǔn)直透鏡208、發(fā)射單元腔體201共同構(gòu)成一個(gè)封閉的廣譜光源發(fā)射單元，不僅可以保證在爆炸氣體環(huán)境中光源與氣體完全隔離，而且還可以當(dāng)鏡面受污染后便于清洗和搽拭，同時(shí)還可以進(jìn)一步匯聚廣譜光源的光能，提高光效。如圖3所示，探測(cè)器單元包括探測(cè)器單元腔體101、放大器電路板102、光敏元103、電路板壓緊環(huán)104、匯聚透鏡105、橡膠墊圈106、匯聚透鏡壓緊環(huán)107。由發(fā)射單元發(fā)射的光線經(jīng)過(guò)匯聚透鏡105匯聚于光敏元103上；根據(jù)幾何光強(qiáng)定律，在光線傳播過(guò)程中，IdS始終為一常量，當(dāng)光線從匯聚透鏡105的位置傳播到光敏元103時(shí)，由于匯聚透鏡的面積遠(yuǎn)大于光敏元的面積，因此，光敏元處的光強(qiáng)遠(yuǎn)大于匯聚透鏡處的光強(qiáng)，光學(xué)氣室空間中所有參與吸收光線的氣體質(zhì)點(diǎn)均對(duì)光敏元的輸入產(chǎn)生作用，增加了氣體吸收光線的有效質(zhì)點(diǎn)數(shù)，提高了探測(cè)器的信噪比。光敏元103焊接于放大器電路板102上，放大器電路板102被電路板壓緊環(huán)104緊密壓接于探測(cè)器單元腔體101上，放大器電路板102的外圓與探測(cè)器單元腔體101緊密配合連接，保證了紅外探測(cè)器的光敏元103的徑向定位，電路板壓緊環(huán)104與探測(cè)器單元腔體101螺紋連接，保證了放大器電路板102和光敏元103的軸向定位。匯聚透鏡壓緊環(huán)107與探測(cè)器單元腔體101螺紋連接，匯聚透鏡105在匯聚透鏡壓緊環(huán)107的作用下壓緊在橡膠墊圈106上，實(shí)現(xiàn)對(duì)匯聚透鏡105的軸向定位，橡膠墊圈106用于微調(diào)會(huì)聚透鏡105與光敏元103的距離，以保證匯聚透鏡105匯集的光斑完全覆蓋光敏元103。匯聚透鏡壓緊環(huán)107、匯聚透鏡105、橡膠墊圈106、探測(cè)器單元腔體101共同構(gòu)成封閉的探測(cè)器單元，不僅可以在較小的空間內(nèi)不通過(guò)增加光程而達(dá)到增加有效吸光質(zhì)點(diǎn)數(shù)的目標(biāo)，而且還可在透鏡被污染的情況下便于清洗和搽拭鏡面，提高使用壽命。 如圖4所示，信號(hào)處理電路與廣譜光發(fā)射單元電路連接，信號(hào)處理電路根據(jù)程序設(shè)定的頻率、電壓和電流參數(shù)，輸出控制信號(hào)到廣譜光發(fā)射單元，控制廣譜光發(fā)射單元的光線發(fā)射；處理電路還與探測(cè)器單元電路連接，信號(hào)處理電路對(duì)探測(cè)器單元輸出的信號(hào)的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行處理，得到待測(cè)氣體的濃度信號(hào)，用計(jì)算的濃度值與預(yù)先設(shè)定的報(bào)警值進(jìn)行比較，產(chǎn)生相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)，計(jì)算出的濃度值通過(guò)信號(hào)輸出電路傳輸?shù)拿旱V井下監(jiān)控分站，供分站進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。信號(hào)處理電路還包括公知的電源電路、信號(hào)控制處理器、振蕩電路、LED顯示和驅(qū)動(dòng)電路、IXD顯示和驅(qū)動(dòng)電路、聲光報(bào)警輸出電路、溫度監(jiān)測(cè)電路、非易失存儲(chǔ)電路、信號(hào)輸出電路，不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器，包括信號(hào)處理電路、一個(gè)光學(xué)氣室，其特征在于光學(xué)氣室為圓周表面均勻分布通氣孔的套疊在一起的內(nèi)管和外管，在內(nèi)管和外管的環(huán)形孔腔設(shè)置有疏水型折疊過(guò)濾芯，光學(xué)氣室的一端的端面連接密封的平行廣譜光發(fā)射單元的腔體，另一端的端面連接密封的光匯聚探測(cè)器單元的腔體，探測(cè)器單元的光敏元將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并經(jīng)放大后，通過(guò)數(shù)據(jù)線連接至信號(hào)處理電路。
2.按權(quán)利要求I所述的礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器，其特征在于廣譜光發(fā)射單元的結(jié)構(gòu)是在一端封閉的發(fā)射單元腔體內(nèi)裝入反光罩，反光罩的焦點(diǎn)設(shè)置廣譜光源，反光罩前端口封閉準(zhǔn)直透鏡，廣譜光源同時(shí)位于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)上，發(fā)射單元腔體的前端帶有與光學(xué)氣室連接的螺紋；探測(cè)器單元的結(jié)構(gòu)是在一端封閉的探測(cè)器單元腔體內(nèi)依次裝入紅外探測(cè)器光敏元和匯聚透鏡，光敏元位于匯聚透鏡的焦點(diǎn)上且被匯聚透鏡密封于探測(cè)器單元腔體內(nèi)。
3.按權(quán)利要求2所述的礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器，其特征在于在廣譜光發(fā)射單元中，廣譜光源發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路板與發(fā)射光源電路板定位塊緊密粘結(jié)，并將廣譜光源焊接于廣譜光源發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路板上，發(fā)射光源電路板定位塊與反光罩螺紋連接或粘結(jié)，反光罩卡在發(fā)射單元腔體內(nèi)的臺(tái)階卡口上，由橡膠墊圈和反光罩壓緊環(huán)固定，準(zhǔn)直透鏡由橡膠墊圈和透鏡壓緊環(huán)固定于發(fā)射單元腔體內(nèi)；在探測(cè)器單元中，光敏元焊接于其前端的放大器電路板上，放大器電路板又被電路板壓緊環(huán)固定在探測(cè)器單元腔體內(nèi)壁，匯聚透鏡通過(guò)兩側(cè)的橡膠墊圈和匯聚透鏡壓緊環(huán)固定于探測(cè)器單元腔體內(nèi)壁。
4.按權(quán)利要求3所述的礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器，其特征在于廣譜光發(fā)射單元和探測(cè)器單元中采用的透鏡由可以透過(guò)3 5微米波長(zhǎng)紅外光的材料制成。
5.按權(quán)利要求3所述的礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器，其特征在于廣譜光發(fā)射單元和探測(cè)器單元中采用的透鏡選用球面透鏡、非球面透鏡或菲涅爾透鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及紅外氣體探測(cè)器，具體涉及一種礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器。本傳感器包括信號(hào)處理電路和一個(gè)光學(xué)氣室，光學(xué)氣室為圓周表面均勻分布通氣孔的套疊在一起的內(nèi)管和外管，在內(nèi)管和外管的環(huán)形孔腔設(shè)置有疏水型折疊過(guò)濾芯，光學(xué)氣室的一端的端面連接密封的平行廣譜光發(fā)射單元的腔體，另一端的端面連接密封的光匯聚探測(cè)器單元的腔體，探測(cè)器單元的光敏元將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并經(jīng)放大后，通過(guò)數(shù)據(jù)線連接至信號(hào)處理電路。本發(fā)明不依靠反射來(lái)延長(zhǎng)光程，消除了傳感器因反射面被污染后很快失效的故障；在本發(fā)明中起匯聚作用的鏡片制造工藝成熟，大批量生產(chǎn)后可大幅度降低制造成本，可用低成本實(shí)現(xiàn)在較小空間獲得較高的紅外光吸收量。
文檔編號(hào)G01N21/15GK102721662SQ20111020225
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者普朝光, 趙捷 申請(qǐng)人:趙捷