專利名稱：一種微型防爆非色散紅外氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種微型防爆非色散紅外氣體傳感器，適用于安全氣體檢測。
背景技術(shù)：
目前，用于氣體檢測的方法主要有光干涉、載體催化、熱導、紅外等幾種方法。 光干涉型氣體檢原理是依據(jù)被測氣體濃度不同折射率不同，由同一光源發(fā)出的兩束光分 別經(jīng)過充有空氣的參比氣室和充有待測氣體的測量氣室后，再相遇時兩束光將產(chǎn)生干涉條紋。 測量氣室中的被測氣體濃度不同，干涉條紋的位置就不同，根據(jù)干涉條紋的位置就可以測定 被測氣體的濃度。這種類型的氣體傳感器的優(yōu)點是原理簡單，易于實現(xiàn)，但是也存在很大的 缺點，如，光干涉信號轉(zhuǎn)化為電信號目前還難以實現(xiàn)，只能人工讀數(shù)，另外受氧氣和二氧化 碳含量的影響，選擇性較差；測量范圍有限；受溫度與氣壓影響，人為讀數(shù)影響而產(chǎn)生誤差 等。
載體催化氣體檢測原理是根據(jù)被測氣體和氧氣在載體催化元件表面反應，放出反應熱， 使元件溫度上升，元件的溫度增量將引起元件的電阻增加，通過測量電阻增量就可以測定被 測氣體濃度。載體催化原理傳感器以其信號輸出易于處理、結(jié)構(gòu)堅固、便于使用、價格低廉 等優(yōu)點，成為目前國內(nèi)氣體檢測的主流。但是，載體催化氣體傳感器也有很多缺點，如，精 度較低，檢測范圍窄，穩(wěn)定性差，響應時間長，調(diào)校頻繁，使用壽命短等。
熱導檢測原理是通過測量被測氣體與空氣的熱導率差異，得到與被測氣體濃度相關(guān)的電 信號，確定氣體濃度。采用熱導原理的氣體檢測裝置一般用于檢測高濃度氣體。但是，熱導 氣體傳感器的輸出信號很小，檢測裝置的零點漂移是一個較難克服的缺點，同時熱導型氣體 檢測裝置對低濃度氣體反應不準確，并且易受水蒸氣和氧氣濃度的影響。
非色散紅外技術(shù)(NDIR)是較色散紅外而言的，傳統(tǒng)的色散紅外技術(shù)是指通過一定的方式 取得為氣體吸收的單色光，再用切光片進行機械調(diào)制，經(jīng)過氣體時光的能量減少，通過測量 為氣體吸收的光能量來計算氣體的濃度值，近年來窄帶干涉濾光片、光源等領域的發(fā)展，將 窄帶干涉濾光片集成在傳感器上，形成濾光、檢測一體化的新型傳感器，為非色散紅外提供 了極大的方便。
非色散紅外技術(shù)是由光源發(fā)出紅外光，波長位于氣體吸收峰值段的一部分紅外光被氣體 吸收，再經(jīng)過窄帶干涉濾光片濾光后，通過熱釋電元件檢測出吸收后的光的強度，并和未被吸收的光的強度對比，從而計算出氣體的濃度。
紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性質(zhì)，它在介質(zhì)中 傳播時，由于介質(zhì)的吸收和散射作用使它產(chǎn)生衰減。通常特征頻率的光并非單一頻率的光， 它是有一定頻率范圍內(nèi)的光組成的，也就是說，特征頻率是有帶寬的。帶寬范圍內(nèi)的各個頻 率的光被吸收的程度也是不一樣的，計算紅外光穿過氣體的能量被吸收的能量，需要計算帶 寬內(nèi)各個頻率被吸收的氣體的總和，這個關(guān)系式滿足朗伯-比爾定律，艮卩
式中
I。——紅外光的初始能量；
I——紅外光被氣體吸收后的能量；
k——與氣體有關(guān)的常數(shù)；
1——光程，即紅外光通過氣體層的厚度；
C——待測氣體的濃度。
由上式可以看出，只要知道光通過待測氣體的光程長l以及待測氣體的吸收系數(shù)k，就
可通過測量I與1。的比值求得待測氣體的濃度。
為了得到具有從低濃度到高濃度的測量范圍的光學氣體傳感器，首先，具有足夠長的光
路徑L的光腔(氣室)，其次，光腔能夠保證光源發(fā)出的光的最低強度I能夠被紅外光探測器
檢測到；第三、為了消除時間性引起的一些差異，應具有用作參考的紅外探測，以提高測量精度。
在NDIR檢測的設計和制造方面，歐洲專利EP1 509 759 Bl中，光源和傳感器放在兩個 橢圓的焦點上，通過三次反射，來增加光程。美國專利US 6194735設計了一個反射曲面來 制造光程。但是，通過曲面多次對焦的方法工程化難度很大。而歐洲和美國的己經(jīng)商用化的 傳感器還存在一些問題，例如在實現(xiàn)傳感器小型化的過程中，光的強度和光被待測氣體吸收 后的衰減度是一個矛盾。另外，傳感器測量的一致性也有不足。目前，國內(nèi)設計開發(fā)的傳感 器，大多體積龐大，精度低， 一致性差，所以一直沒有可工程應用的產(chǎn)品被普遍使用。

發(fā)明內(nèi)容
1、所要解決的技術(shù)問題
針對以上不足本發(fā)明提供了一種傳感器信號強、精度高、測量范圍寬并實現(xiàn)了傳感器的 微型化的微型防爆非色散紅外氣體傳感器。2、 技術(shù)方案
本發(fā)明包括防爆網(wǎng)、光腔氣室、光源、印制板、插針、熱釋電感光元件、外殼；光腔氣
室由端蓋和氣室組成，光源發(fā)射光，經(jīng)過端蓋兩次反射后，照射到熱釋電感光元件上；防爆 網(wǎng)和印制板分別設置在光腔氣室上方和下方，在光腔氣室內(nèi)的底部設有熱釋電感光元件和光 源，在印制板下部設有插針，光腔氣室被外殼、防爆網(wǎng)封裝。
所述的光腔氣室內(nèi)壁表面涂覆反光材料；端蓋內(nèi)腔是弧形，端蓋設有通孔用來進氣；氣 室內(nèi)腔是一個圓柱型，底部成弧形。
所述的外殼一端有進氣口；另一端開有輸入輸出的端口，用于裝配光腔氣室、印制板、 插針；防爆網(wǎng)位于此進氣口的下部。
所述的防爆網(wǎng)由多層不銹鋼防爆網(wǎng)組成，并鍍覆疏水膜。
熱釋電感光元件上有兩個窗口，窗口上設置不同波長的窄帶濾光片； 一個窗口上設置的 窄帶濾光片的通過的紅外光波長和被檢測氣體的吸收波長相同，稱作工作端，工作端輸出測 量信號；另一個窗口上設置幾乎沒有氣體吸收的波長的窄帶濾光片，稱作參考端。
3、 有益效果
本發(fā)明通過傳感器的光路設計和結(jié)構(gòu)設計，增強了傳感器信號，提高了測量精度，減小 了傳感器結(jié)構(gòu)尺寸，加快了傳感器的響應速度。另外，本發(fā)明的方案還減小了光強不均勻等 影響，提高了氣體測量的準確度。傳感器的!t型化也使得傳感器的應用更為靈活。本方案光 路設計對聚焦要求不高，因此降低了裝配難度。簡化的結(jié)構(gòu)設計使得加工難度和制造成本大 大降低。


圖1為本發(fā)明的光反射路線圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明的外殼結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明的氣室結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明的端蓋結(jié)構(gòu)示意圖6為本發(fā)明的防爆網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作迸一步詳細地說明。如圖2至圖6所示， 一種微型防爆非色散紅外氣體傳感器包括防爆網(wǎng)1、光腔氣室、光 源4、印制板5、插針6、熱釋電感光元件7、外殼8。
光腔氣室由端蓋2和氣室3組成，內(nèi)壁表面涂覆反光材料，在本發(fā)明中是鍍金，金對紅 外光吸收少，反射率高，且不容易氧化變色。端蓋2內(nèi)腔是弧形，用來聚集紅外光和反射。 氣室3內(nèi)腔是一個圓柱型，底部成弧形，有助于增強光的的反射性，同時降低了加工和裝配 難度。
防爆網(wǎng)1和印制板5分別設置在光腔氣室上方和下方，在光腔氣室內(nèi)的底部設有熱釋電 感光元件7和光源4，在印制板5下部設有插針6，光腔氣室被外殼8、防爆網(wǎng)1封裝，具有 防爆性能；
外殼8—端開孔用于進氣，是進氣口9，另一端開口用于裝配光腔氣室、印制板5、插針 6，是輸入輸出的端口IO。防爆網(wǎng)l位于此進氣口9的下部；端蓋2設有通孔用來進氣，內(nèi) 壁反射紅外光。
由紅外光源4發(fā)射紅外光，經(jīng)過端蓋2兩次反射后，照射到熱釋電感光元件7上。光反 射的路線如圖l所示。
被探測氣體依次通過外殼8的開口9、防爆網(wǎng)l、端蓋2的通孔，進入到由氣室3和端 蓋2封裝成的光腔氣室內(nèi)。
防爆網(wǎng)1由多層不銹鋼防爆網(wǎng)燒結(jié)而成，并鍍覆疏水膜，用來隔爆、防塵、防水。 光源4和熱釋電感光元件7的供電輸入和信號輸出通過印制板5和插針6來完成。 熱釋電感光元件7把接收到的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，接收到的光的強度越大，輸出的電 信號越強。而氣體會吸收特定波段的紅外光。光路越長，氣體濃度越高，吸收的紅外光越多， 照射到熱釋電元件上的紅外光越少。熱釋電感光元件7上有兩個窗口，窗口上設置不同波長 的窄帶濾光片。 一個窗口上設置的窄帶濾光片的通過的紅外光波長和被檢測氣體的吸收波長 相同，稱作工作端，工作端輸出測量信號。另一個窗口上設置幾乎沒有氣體吸收的波長的窄 帶濾光片，稱作參考端，參考端輸出參考信號。參考信號對測量信號起到修正的作用，使得 測量結(jié)果更加準確。
不同的氣體對紅外光的吸收波段是不同的，針對不同的氣體，比如測量甲烷或者二氧化 碳等瓦斯氣體，熱釋電元件配置不同波段的濾鏡，就可以實現(xiàn)對各種氣體的濃度測量。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但它們并不是用來限定本發(fā)明，任何熟悉此技藝 者，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，自當可作各種變化或潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍應 當以本申請的權(quán)利要求保護范圍所界定的為準。
權(quán)利要求
1、一種微型防爆非色散紅外氣體傳感器，其特征在于包括防爆網(wǎng)(1)、光腔氣室、光源(4)、印制板(5)、插針(6)、熱釋電感光元件(7)、外殼(8)；光腔氣室由端蓋(2)和氣室(3)組成，光源(4)發(fā)射光，經(jīng)過端蓋(2)兩次反射后，照射到熱釋電感光元件(7)上；防爆網(wǎng)(1)和印制板(5)分別設置在光腔氣室上方和下方，在光腔氣室內(nèi)的底部設有熱釋電感光元件(7)和光源(4)，在印制板(5)下部設有插針(6)，光腔氣室被外殼(8)、防爆網(wǎng)(1)封裝。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型防爆非色散紅外氣體傳感器，其特征在于所述的光 腔氣室內(nèi)壁表面涂覆反光材料；端蓋(2)內(nèi)腔是弧形，端蓋(2)設有通孔用來進氣；氣室(3) 內(nèi)腔是一個圓柱型，底部成弧形。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型防爆非色散紅外氣體傳感器，其特征在于所述的 外殼(8)—端有進氣口(9);另一端開有輸入輸出的端口(IO)，用于裝配光腔氣室、印制板(5)、 插針(6):防爆網(wǎng)(1)位于此進氣口(9)的下部。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型防爆非色散紅外氣體傳感器，其特征在于所述的防 爆網(wǎng)(l)由多層不銹鋼防爆網(wǎng)組成，并鍍覆疏水膜。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型防爆非色散紅外氣體傳感器，其特征在于熱釋電感 光元件(7)上有兩個窗口，窗口上設置不同波長的窄帶濾光片； 一個窗口上設置的窄帶濾光片 的通過的紅外光波長和被檢測氣體的吸收波長相同，稱作工作端，工作端輸出測量信號；另 一個窗口上設置幾乎沒有氣體吸收的波長的窄帶濾光片，稱作參考端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型防爆非色散紅外氣體傳感器，包括防爆網(wǎng)(1)、光腔氣室、光源(4)、印制板(5)、插針(6)、熱釋電感光元件(7)、外殼(8)；光腔氣室由端蓋(2)和氣室(3)組成，光源(4)發(fā)射光，經(jīng)過端蓋(2)兩次反射后，照射到熱釋電感光元件(7)上；防爆網(wǎng)(1)和印制板(5)分別設置在光腔氣室上方和下方，在光腔氣室內(nèi)的底部設有熱釋電感光元件(7)和光源(4)，在印制板(5)下部設有插針(6)，光腔氣室被外殼(8)、防爆網(wǎng)(1)封裝。本發(fā)明通過傳感器的光路設計和結(jié)構(gòu)設計，增強了傳感器信號，提高了測量精度，減小了傳感器結(jié)構(gòu)尺寸，加快了傳感器的響應速度。
文檔編號G01N21/35GK101634627SQ20091003426
公開日2010年1月27日 申請日期2009年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月3日
發(fā)明者仝 周, 賈中璐, 錢吉裕 申請人:中國電子科技集團公司第十四研究所