帶有反射擴(kuò)散器的非分散紅外線傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種帶有反射擴(kuò)散器的非分散紅外線傳感器。本申請?zhí)峁┝艘环N非分散紅外線氣體傳感器。非分散紅外線氣體傳感器可包括紅外線源、紅外線探測器以及在紅外線源和紅外線探測器周圍延伸的波導(dǎo)。波導(dǎo)可包括位于其上的反射擴(kuò)散器。
【專利說明】帶有反射擴(kuò)散器的非分散紅外線傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開大致涉及一種非分散紅外線氣體傳感器，并且更具體地涉及其中帶有反射擴(kuò)散器以促進(jìn)散射以便降低總體機(jī)械敏感度的非分散紅外線氣體傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體傳感器如非分散紅外線("NDIR")氣體傳感器可基于紅外線吸收來測量氣體濃度。具體而言，NDIR氣體傳感器基于各種氣體特有的某些波長下的獨(dú)特吸收特征來測量氣體濃度。換言之，不同的氣體具有清楚地限定的吸收特征。NDIR氣體傳感器可包括紅外線源和紅外線探測器。紅外線源可進(jìn)行調(diào)制，且測量信號可與氣體濃度相關(guān)。波導(dǎo)(waveguide)可用作源與探測器之間的氣體樣品室。波導(dǎo)的內(nèi)表面通常為光滑且反射性的，以便最大限度地減小其中的紅外光的散射。因此，波導(dǎo)表面可提供接近鏡面反射，以便最大限度地增大探測器處接收到的信號。
[0003]盡管提供接近鏡面反射的光滑表面可最大限度地減小散射并最大限度地增大信號，但使用如此的表面的氣體傳感器還可能對機(jī)械變化敏感。例如，溫度變化可對構(gòu)件具有影響，且因此對信號的可靠性具有影響。結(jié)果，為了提高總體氣體傳感器穩(wěn)定性的已知嘗試已涉及使用精密構(gòu)件和/或調(diào)整周期(burn in periods),以便穩(wěn)定其中的電子裝置。然而，這些技術(shù)通?？赡馨嘿F且/或耗時(shí)。
[0004]因此，期望一種改進(jìn)的氣體傳感器，如NDIR氣體傳感器。如此的改進(jìn)的NDIR氣體傳感器可向更均勻的信號提供總體機(jī)械穩(wěn)定性，而不需要使用昂貴的構(gòu)件或修改。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，本申請和作為結(jié)果的專利提供了一種非分散紅外線氣體傳感器。非分散紅外線氣體傳感器可包括紅外線源、紅外線探測器以及在紅外線源和紅外線探測器周圍延伸的波導(dǎo)。波導(dǎo)可包括位于其上的反射擴(kuò)散器。
[0006]本申請和作為結(jié)果的專利還提供了一種測量室中的氣體的濃度的方法。該方法可包括以下步驟:將紅外線脈沖發(fā)射到室中、使紅外線信號散射離開反射擴(kuò)散器、在紅外線探測器處接收散射的紅外線信號、以及確定散射的紅外線信號的強(qiáng)度。
[0007]本申請和作為結(jié)果的專利還提供了一種非分散紅外線氣體傳感器。非分散紅外線氣體傳感器可包括紅外線源、紅外線探測器以及在紅外線源和紅外線探測器周圍延伸的波導(dǎo)。波導(dǎo)可包括反射擴(kuò)散器，反射擴(kuò)散器帶有紋理表面和位于其上的反射涂層。
[0008]一種非分散紅外線氣體傳感器，包括:
紅外線源；
紅外線探測器；以及
在紅外線源和紅外線探測器周圍延伸的波導(dǎo)；
波導(dǎo)包括位于其上的反射擴(kuò)散器。
[0009]優(yōu)選地，波導(dǎo)限定室。[0010]優(yōu)選地，反射擴(kuò)散器包括紋理表面。
[0011 ] 優(yōu)選地，紋理表面包括不規(guī)則圖案。
[0012]優(yōu)選地，紋理表面包括精密圖案。
[0013]優(yōu)選地，反射擴(kuò)散器包括位于其上的反射涂層。
[0014]優(yōu)選地，波導(dǎo)包括紋理熱塑性塑料構(gòu)件，紋理熱塑性塑料構(gòu)件帶有位于其上的反射金屬涂層。
[0015]優(yōu)選地，反射擴(kuò)散器包括探測器反射表面。
[0016]優(yōu)選地，反射擴(kuò)散器包括源反射表面。
[0017]優(yōu)選地，反射擴(kuò)散器包括印刷電路板反射表面。
[0018]優(yōu)選地,印刷電路板反射表面包括無電鍍鎳浸金表面。
[0019]優(yōu)選地，還包括多個(gè)紅外線探測器。
[0020]優(yōu)選地，還包括彼此分開的多個(gè)紅外線探測器。
[0021]優(yōu)選地，還包括與紅外線源和紅外線探測器連通的微處理器。
[0022]一種測量室中的氣體的濃度的方法，包括:
將紅外線信號脈沖發(fā)射到室中；
使紅外線信號散射離開反射擴(kuò)散器；
在紅外線探測器處接收散射的紅外線信號；以及 確定散射的紅外線信號的強(qiáng)度。
[0023]一種非分散紅外線氣體傳感器，包括:
紅外線源；
紅外線探測器；以及
在紅外線源和紅外線探測器周圍延伸的波導(dǎo)；
波導(dǎo)包括反射擴(kuò)散器，反射擴(kuò)散器帶有紋理表面和位于其上的反射涂層。
[0024]優(yōu)選地，紋理表面包括不規(guī)則圖案或精密圖案。
[0025]優(yōu)選地，反射擴(kuò)散器包括探測器反射表面。
[0026]優(yōu)選地，反射擴(kuò)散器包括源反射表面。
[0027]優(yōu)選地，反射擴(kuò)散器包括帶有無電鍍鎳浸金表面的印刷電路板反射表面。
[0028]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在連同若干附圖和所附權(quán)利要求時(shí)，基于以下詳細(xì)描述的綜述，本申請和作為結(jié)果的專利的這些和其它的特征和改進(jìn)將變得清楚。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為NDIR氣體傳感器的簡圖。
[0030]圖2為可在本文中描述的NDIR氣體傳感器的簡圖。
[0031]圖3為可結(jié)合圖2中的NDIR傳感器使用的反射擴(kuò)散器的側(cè)部橫截面視圖。
[0032]圖4為可結(jié)合圖2中的NDIR傳感器使用的反射擴(kuò)散器的備選實(shí)施例。
[0033]圖5為NDIR傳感器的備選實(shí)施例。
[0034]圖6為NDIR傳感器的備選實(shí)施例。
[0035]圖7為NDIR傳感器的備選實(shí)施例。
部件列表 10 NDIR氣體傳感器 15紅外線源 20紅外線探測器 25印刷電路板 30微處理器 35波導(dǎo) 40室
45反射表面 50鍍層
55接近鏡面反射的表面 100 NDIR傳感器 110紅外線源 120紅外線探測器 130印刷電路板 140微處理器 150波導(dǎo) 160室
170反射表面
180探測器反射表面
190反射擴(kuò)散器
200紋理表面
210不規(guī)則圖案
220精密圖案
230紋理構(gòu)件
240反射涂層
250源反射表面
260印刷電路板表面
270 ENIG 表面
280第一紅外線探測器
290第二紅外線探測器。
【具體實(shí)施方式】
[0036]現(xiàn)在參看附圖，其中，相似的數(shù)字在若干視圖中始終表示相似元件，圖1示出了典型的NDIR氣體傳感器。通常而言，NDIR氣體傳感器10可包括紅外線源15和紅外線探測器20。可使用一個(gè)以上的紅外線探測器20。紅外線源15和紅外線探測器20可定位在印刷電路板25上。紅外線源15和紅外線探測器20可經(jīng)由微處理器30而連通。還可使用各種類型的放大器、濾波器和其它構(gòu)件。
[0037]NDIR傳感器10可被波導(dǎo)35包圍。波導(dǎo)35可限定室40，室40從紅外線源15延伸至紅外線探測器20，且部分地包圍紅外線源15。波導(dǎo)35可包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部反射表面45。反射表面45通?？蔀楣饣模铱商峁┙咏R面反射，以便最大限度地減小其中的光的散射。波導(dǎo)35可由熱塑性塑料、金屬、橡膠、復(fù)合材料等制成。例如，如果波導(dǎo)35由熱塑性塑料制成，則用于波導(dǎo)35的注射模具可在反射表面45高度拋光。然后，反射表面45可接收鍍層或涂層50。鍍層或涂層50可為金屬表面，以便產(chǎn)生接近鏡面反射的表面55。具體而言，如此的接近鏡面反射的表面55可通過限制散射來最大限度地增大紅外線探測器20處接收到的信號。
[0038]如上所述，紅外線源115可在室40內(nèi)脈沖發(fā)射紅外線束。光束可反射離開波導(dǎo)35的反射表面45，且可被紅外線探測器20接收。室40內(nèi)的氣體吸收已知波長的輻射，且該吸收為氣體濃度的量度。不同的氣體具有清楚地限定的吸收特征。因此，紅外線探測器20將與氣體濃度成比例的信號輸送至微處理器30。然后，這些信號可被平均?？墒褂闷渌鼧?gòu)件和其它構(gòu)造。
[0039]圖2示出了可在本文中描述的NDIR氣體傳感器100。類似于上述，NDIR氣體傳感器100可包括紅外線源110和紅外線探測器120。本文中可使用一個(gè)以上的紅外線探測器120。紅外線源110和紅外線探測器120可為常規(guī)設(shè)計(jì)。紅外線源110和紅外線探測器120可在印刷電路板130或其它類型的機(jī)械支承件和/或電子連接件周圍定位。紅外線源110和紅外線探測器120可經(jīng)由微處理器140而連通。微處理器140可為任何類型的可編程邏輯裝置。本文中還可使用各種類型的濾波器、放大器等。本文中可使用其它構(gòu)件和其它構(gòu)造。
[0040]NDIR氣體傳感器100也可包括波導(dǎo)150。波導(dǎo)150可在其中限定室160，室160從紅外線源Iio延伸至紅外線探測器120。波導(dǎo)150可由熱塑性塑料、金屬、橡膠、復(fù)合材料等制成。波導(dǎo)150可具有任何尺寸、形狀或構(gòu)造。
[0041]波導(dǎo)150可具有在其中的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部反射表面170。在該示例中，探測器反射表面180可定位在紅外線探測器120的上方。反射表面170可替代上述的鏡面反射表面55而為反射擴(kuò)散器190的形式。與如此的光滑表面相反，反射擴(kuò)散器190可包括非鏡面表面或紋理表面200。如圖3中以放大形式示出的那樣，紋理表面200可包括不規(guī)則圖案210。此外,紋理表面200還可包括如圖4中以擴(kuò)大形式示出的統(tǒng)一圖案或精密圖案220。本文中可使用任何類型的紋理表面200。本文中還可使用全息圖案。此外，本文中可一起使用不規(guī)則圖案、精密圖案、全息圖案等的組合。
[0042]如果波導(dǎo)150為注射模制的熱塑性塑料構(gòu)件等，則注射模具可將紋理表面200提供為模具的一部分。因此，模具產(chǎn)生帶有紋理表面200的紋理構(gòu)件230。表面性能主要可由模具的性質(zhì)控制。然后，紋理構(gòu)件230可涂布或涂鍍有反射涂層240，以產(chǎn)生反射擴(kuò)散器190。反射涂層240可為金屬等。本文中可使用許多其它制造技術(shù)。例如，現(xiàn)有的構(gòu)件可通過砂紙等產(chǎn)生紋理，并然后進(jìn)行涂布。
[0043]反射擴(kuò)散器190的紋理表面200通常在大部分紅外線能量必須穿過的信號路徑中結(jié)合到反射表面170上。因此，圖2中所示的探測器反射表面180鄰近紅外線探測器120。作為備選，圖5示出了定位在紅外線源110上方的源反射表面250。本文中還可使用多個(gè)反射表面170。此外，印刷電路板130也可用作反射表面170。在圖6中，印刷電路板130可具有印刷電路板反射表面260。印刷電路板反射表面260例如可電鍍有無電鍍鎳浸金("ENIG")表面270。如此的ENIG表面270可有足夠的紋理，以便用作反射擴(kuò)散器190。可使用其它類型的表面270。本文中可使用其它構(gòu)件和其它構(gòu)造。
[0044]在使用中，帶有反射擴(kuò)散器190的NDIR氣體傳感器100將散射引至由紅外線源110產(chǎn)生的紅外線信號脈沖中。由于反射能量被擴(kuò)散，故反射離開反射擴(kuò)散器190的紋理表面200的信號可具有更平均且均勻的信號強(qiáng)度分布。因此，發(fā)射擴(kuò)散器190降低了波導(dǎo)50、紅外線源110和紅外線探測器120中的總體機(jī)械敏感度，使得NDIR氣體構(gòu)件100作為整體可具有提高的穩(wěn)定性。反射擴(kuò)散器190的紋理表面200的性質(zhì)可針對不同氣體和旨在用途而優(yōu)化。
[0045]具體而言，本文所述的NDIR氣體傳感器100將反射擴(kuò)散器190的紋理表面200用作朗伯表面(lambertian surface)以將散射引至信號中。因此，該散射光學(xué)地使信號平均。反射離開反射擴(kuò)散器190的信號由于其中的反射能量擴(kuò)散而具有更平均且均勻的信號強(qiáng)度分布。因此，更均勻的信號強(qiáng)度分布導(dǎo)致對機(jī)械變化的敏感度降低，且因此提高了總體穩(wěn)定性。與上述的帶有旨在減少散射的鏡面表面55的傳感器相反，本文中的NDIR氣體傳感器100有意地引起如此的散射用于提高穩(wěn)定性。穩(wěn)定性如此的提高可允許更低成本下的更緊密的準(zhǔn)確度規(guī)格。本文中可使用其它構(gòu)件和其它構(gòu)造。
[0046]NDIR氣體傳感器100還可包括多個(gè)紅外線探測器120。在圖7的示例中，可使用第一紅外線探測器280和第二紅外線探測器290。本文中可使用任何數(shù)目的紅外線探測器120。紅外線探測器280、290可在物理上分開的不同位置。由反射擴(kuò)散器190反射的信號可導(dǎo)致提供給探測器280、290的類似能量。因此，反射擴(kuò)散器190使信號平均來允許兩個(gè)探測器280、290均發(fā)現(xiàn)類似強(qiáng)度的能量，使得傳感器100可對機(jī)械變化更不敏感。
[0047]應(yīng)當(dāng)清楚，上述僅涉及本申請和作為結(jié)果的專利的某些實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可在不脫離由所附權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的要旨和范圍的情況下作出許多變化和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種非分散紅外線氣體傳感器，包括: 紅外線源； 紅外線探測器；以及 在所述紅外線源和所述紅外線探測器周圍延伸的波導(dǎo)； 所述波導(dǎo)包括位于其上的反射擴(kuò)散器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非分散紅外線氣體傳感器，其特征在于，所述波導(dǎo)限定室。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非分散紅外線氣體傳感器，其特征在于，所述反射擴(kuò)散器包括紋理表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非分散紅外線氣體傳感器，其特征在于，所述紋理表面包括不規(guī)則圖案。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非分散紅外線氣體傳感器，其特征在于，所述紋理表面包括精密圖案。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非分散紅外線氣體傳感器，其特征在于，所述反射擴(kuò)散器包括位于其上的反射涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非分散紅外線氣體傳感器，其特征在于，所述波導(dǎo)包括紋理熱塑性塑料構(gòu)件，所述紋理熱塑性塑料構(gòu)件帶有位于其上的反射金屬涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非分散紅外線氣體傳感器，其特征在于，所述反射擴(kuò)散器包括探測器反射表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非分散紅外線氣體傳感器，其特征在于，所述反射擴(kuò)散器包括源反射表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非分散紅外線氣體傳感器，其特征在于，所述反射擴(kuò)散器包括印刷電路板反射表面。
【文檔編號】G01N21/3504GK103512857SQ201310242739
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月19日
【發(fā)明者】D.B.亨德森 申請人:通用電氣公司