專利名稱：雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體濃度檢測傳感器技術(shù)領(lǐng)域，是一種雙光源雙敏感元件紅外多氣 體檢測傳感器。
背景技術(shù)：
一束紅外光的強度在通過一個氣體容器時將會減少，強度損失是一定體積內(nèi)活 動氣體分子數(shù)量的函數(shù)，它是表示氣體濃度的函數(shù)。氣體與紅外光的相互作用只在 紅外光的特定波長發(fā)生，與這一事實結(jié)合，可以設(shè)計一種儀器用來測量特定氣體的 濃度。紅外線分析器是根據(jù)氣體對紅外線吸收原理制成的一種物理式分析儀器。通 ?？磥恚t外線分析器能連續(xù)測量，且測量范圍寬，精度高，靈敏度高，并有良好 的選擇性。以往的紅外氣體分析儀體積大，重量大，不便攜帶，而且價格高。早期 由于器件的限制，例如為了達到較高的精度，傳感器本身需要大的氣室，無法實現(xiàn)
小型化，目前隨著光學(xué)MEMS技術(shù)的發(fā)展，特別是新型半導(dǎo)體器件(紅外LED、 紅外探測器)和微光學(xué)器件(MEMS光柵，MEMS紅外熱敏探測器)的出現(xiàn)，紅 外光學(xué)氣體檢測系統(tǒng)的小型化已成為可能。
德國法蘭克福哈特曼，希勞恩股份公司申請的"能同時測量氣體樣品中多種成 分濃度的非色散紅外氣體分析器"專利(專利號ZL90109218.5),包括兩個相鄰 放置的樣品池，它們分別通入樣品氣體和參比氣體，紅外輻射源發(fā)出的輻射光經(jīng)調(diào) 制后通過樣品池。一個結(jié)構(gòu)相同的第二個氣體輻射接收器被設(shè)置在第一輻射接收器 的后面，并盛有樣品氣體的第二種成分。在第一和第二輻射接收器之間，設(shè)置一個 輻射濾波器，該濾波器能透過樣品氣體中的第二種成分的較弱輻射吸收的輻射光。 該儀器使用兩個隔離樣品池，體積較大。實用新型專利"雙探測器紅外氣體分析儀"
(專利號ZL02274241.7)，采用了單光源雙探測器原理結(jié)構(gòu)和反射式氣室，兩個 探測器很難加工得完全一樣，存在探測器失配的問題。其氣室同樣互相隔離，體積 較大。實用新型專利"紅外光多種氣體分析儀光學(xué)裝置"(專利號ZL94242250.3)， 使用斬光器隔離光源，調(diào)制復(fù)雜，體積較大。
江蘇常州市科能電器有限公司于2006年申請了一種紅外六氟化硫檢測儀專利
(申請?zhí)?0062006卯40.2)。該儀器采用電可調(diào)紅外光源和光學(xué)接收單元相對設(shè)置 在檢測氣室兩側(cè)，電可調(diào)紅外光源發(fā)射紅外光穿過檢測氣室由光學(xué)接收單元接收， 溫度補償單元與光學(xué)接收單元連接，脈沖調(diào)節(jié)單元與電可調(diào)紅外光源連接，光學(xué)接
收單元與信號放大單元連接，信號放大單元與濾波單元連接，濾波單元與光電轉(zhuǎn)換
單元連接，光電轉(zhuǎn)換單元與A/D轉(zhuǎn)換單元連接，邏輯控制CPU與脈沖調(diào)節(jié)單元、 溫度補償單元及A/D轉(zhuǎn)換單元連接。
該儀器采用單通道技術(shù)，無法克服紅外光源輸出功率變化、探測器偏置等帶來 的問題，檢測精度較低；另外，該儀器由于采用電可調(diào)紅外光源和光學(xué)接收單元相 對設(shè)置的直線式氣室結(jié)構(gòu)同時又要在兼顧足夠信噪比的前提下保留一定的氣室長 度，故傳感器體積相對較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的紅外氣體傳感器精度低，體積大等問題，提供一種 雙光源、雙敏感元件和開放式氣室結(jié)構(gòu)的高精度雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測 傳感器。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的 一種雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測傳感器，它包括兩個紅外發(fā)光二極管、 紅外探測器、氣室、反射鏡、金屬過濾網(wǎng)；
所述的氣室為筒狀，該氣室的底部成凹球面，該氣室的中部為圓柱面，在氣 室的頂端口處連接有金屬過濾網(wǎng)，在金屬過濾網(wǎng)后部設(shè)置有反射鏡，該反射鏡的內(nèi) 表面呈拋物面，所述的紅外發(fā)光二極管與紅外探測器位于氣室底端同一平面且以氣
室中心線為軸對稱放置；紅外發(fā)光二極管盡可能置于凹球面氣室底的焦點處，作用 是將散射的紅外光反射到反射鏡；
上述的紅外探測器由筒狀外殼、紅外敏感元件、隔光板、濾光片和透窗組成； 所述的隔光板設(shè)于筒狀外殼的紅外探測器中心線處，敏感元件根據(jù)氣體響應(yīng)波段的 不同選用熱釋電型、熱電偶型或光電導(dǎo)型紅外光譜吸收材料。兩個紅外敏感元件對 稱分布在隔光板兩側(cè)，且置于筒狀外殼13的底部，分別作為探測單元和參考單元， 紅外探測器的筒狀外殼的前端設(shè)有密封的透窗,在透窗內(nèi)表面探測器中心線兩邊分 別粘貼對應(yīng)待測氣體特征波段和非特征波段波長的兩片透射濾光片。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可以采用以下技術(shù)措施來進一步實現(xiàn)。 在氣室的底部外端設(shè)置有引腳焊接基板，在引腳焊接基板上連接出有兩個紅外 發(fā)光二極管的光源調(diào)制信號輸入引腳引腳、兩個紅外敏感元件的電源引腳及信號輸 出引腳。
反射鏡及氣室內(nèi)表面材料采用黃銅鍍金或鋼鍍鉻，以增大對紅外散射光的反射 能力。
上述的透窗的材料是氟化鋰或氟化鈣或藍寶石單晶體，使透過的光的波長局限
在兩片透射濾光片的透射范圍內(nèi)。
根據(jù)氣體特響應(yīng)波段的不同，上述的紅外敏感元件選用相應(yīng)響應(yīng)波段的熱電偶 型或熱釋電型或光電導(dǎo)型紅外光譜吸收材料。
金屬過濾網(wǎng)方便氣體擴散進入氣室，同時起到防塵功能。
本發(fā)明采用時間雙光路和空間雙光路混合探測模式，所述的兩個紅外發(fā)光二極 管交替發(fā)光，兩個紅外敏感元件得到四路檢測信號。
本發(fā)明的光路圖為空間雙光束和時間雙光束混合探測模式(見圖l所示)；
光路圖中主要參數(shù)兩個發(fā)光二極管LED1、 LED2的光強分別為Ir、 Im，兩個
敏感元件的響應(yīng)率分別為R" Rm。，被測氣體的投射比為，以及氣室的透射比為 To，貼在參考單元1的濾光片為中心波長遠離被測氣體特征吸收峰的窄帶透射濾光
片，貼在探測單元2上的濾光片為中心波長對應(yīng)被測氣體特征吸收峰的窄帶透射濾
光片。通過集成對應(yīng)不同氣體特征吸收峰的濾光片和響應(yīng)波段不同的敏感元件材 料，即可以測量不同種類的氣體。
紅外發(fā)光二極管分別由外部頻率4Hz、幅值為土5V的脈沖方波交替驅(qū)動。兩個 發(fā)光二極管交替發(fā)光時間間隔為5ms，探測單元濾光片和參考單元濾光片相應(yīng)地把 光學(xué)系統(tǒng)變成了兩個光路，這樣就實現(xiàn)了光路為空間雙光束和時間雙光束混合探測 模式，即探測光路和參考光路。
假設(shè)氣體的透射比為L。氣室的透射比為To，當(dāng)發(fā)光二極管LED1發(fā)出脈沖光
時，敏感元件1和敏感元件2的輸出電壓分別為
(1)
Vm=IrRmTaT0 (2) 當(dāng)驅(qū)動發(fā)光二極管LED2發(fā)出脈沖光時，敏感元件1和敏感元件2的輸出電壓
分
別為
Vmr=ImRr (3)
V隱4mRmTaTo (4) 則得到與氣體濃度值相關(guān)的因子K
敏感元件將產(chǎn)生一個與響應(yīng)率和發(fā)射強度無關(guān)并且與r〗r〗成正比的信號。用雙 敏感元件、雙光源，這樣可以消除發(fā)光二極管發(fā)光功率(I。 IJ不穩(wěn)定的影響和敏 感元件響應(yīng)率(R^ RJ不穩(wěn)定的影響。消除了 I、 R影響后信號只與被測氣體的透 射比Ta。氣室的透射比W(由于光學(xué)器件和灰塵引起的輻射衰減)有關(guān)。
通過用后續(xù)檢測電路接收探測敏感元件和參考敏感元件的信號，直接對抵消后
的變量進行處理，它通過軟件計算得到式(5)的結(jié)果，可減小零漂和消除灰塵與水 汽的影響，減少了誤差的來源，提高了測量的精度。光路設(shè)計成反射式，這種設(shè)計 的優(yōu)點是紅外輻射能兩次穿過被測氣體，在較小體積的同時保證了適當(dāng)?shù)墓饴肪?離，也提高了檢測精度。由于參考光路和測量光路是在同一環(huán)境下工作，取兩者的 電位差比值進行比較，就避免了因環(huán)境變化和敏感元件響應(yīng)度變化引起的漂移。
本發(fā)明與現(xiàn)有紅外氣體傳感器相比，其突出的實質(zhì)性特點是設(shè)計了非隔離式 反射氣室及采用了雙光源雙敏感元件的探測原理，解決了現(xiàn)有紅外雙探測器氣體傳 感器探測元件失配的弊病，減小了體積，在減小體積的同時使探測精度提高了一個 數(shù)量級以上，使探測精度大大提高。


圖l是本發(fā)明的光路示意圖。
圖2是本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2右視氣室和紅外探測器半剖結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是紅外探測器半剖放大結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是圖4紅外探測器左視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是圖2A—A向結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
參見圖2 圖6所示 一種雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測傳感器，它包括 兩個紅外發(fā)光二極管l、 2、紅外探測器3、氣室4、反射鏡5、金屬過濾網(wǎng)6;
所述的氣室4為筒狀，該氣室4的底部成凹球面15，該氣室4的中部為圓柱 面，在氣室的頂端口處連接有金屬過濾網(wǎng)6，在金屬過濾網(wǎng)后部設(shè)置有反射鏡5， 該反射鏡5的內(nèi)表面呈拋物面，所述的紅外發(fā)光二極管l、 2與紅外探測器3位于 氣室底端同一平面且以氣室中心線為軸對稱放置；紅外發(fā)光二極管盡可能置于凹球 面氣室底的焦點處，作用是將散射的紅外光反射到反射鏡。
所述的紅外探測器3由筒狀外殼13、紅外敏感元件9、隔光板10、濾光片11 和透12組成；所述的隔光板10設(shè)于筒狀外殼的紅外探測器中心線處，兩個紅外敏 感元件對稱分布在隔光板兩側(cè)，且置于筒狀外殼13的底部，分別作為探測單元和 參考單元，紅外探測器的筒狀外殼13的前端設(shè)有密封的透窗12,在透窗內(nèi)表面探 測器中心線兩邊分別粘貼對應(yīng)待測氣體特征波段和非特征波段波長的兩片透射濾 光片11。
在氣室4的底部外端設(shè)置有引腳焊接基板7，在引腳焊接基板7上連接出有兩
個紅外發(fā)光二極管l、 2的光源調(diào)制信號輸入引腳16、兩個紅外敏感元件的電源引
腳14及信號輸出引腳8。
反射鏡及氣室內(nèi)表面材料采用黃銅鍍金或鋼鍍鉻。 所述的透窗的材料是氟化鋰或氟化鈣或藍寶石單晶體。 所述的紅外敏感元件是熱電偶型或熱釋電型或光電導(dǎo)型紅外光譜吸收材料。 使用時，氣體從金屬過濾網(wǎng)擴散進入氣室；可將傳感器直接焊接于電路板上或
置于特制底座中。
該雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測傳感器具有體積小、功耗低、靈敏度高、 穩(wěn)定性好，易批量生產(chǎn)等優(yōu)點，通過使用空間雙光束和時間雙光束混合探測模式， 解決了現(xiàn)有單光源雙探測紅外傳感器探測元件失配、體積大等缺點，使檢測精度提 高一個數(shù)量級以上。通過改變對應(yīng)不同氣體特征吸收峰的濾光片和響應(yīng)波段不同的 敏感元件材料，即可以檢測不同種類的氣體。
權(quán)利要求
1、一種雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測傳感器，其特征在于它包括兩個紅外發(fā)光二極管(1、2)、紅外探測器(3)、氣室(4)、反射鏡(5)、金屬過濾網(wǎng)(6)；所述的氣室(4)為筒狀，該氣室(4)的底部成凹球面(15)，該氣室(4)的中部為圓柱面，在氣室的頂端口處連接有金屬過濾網(wǎng)(6)，在金屬過濾網(wǎng)后部設(shè)置有反射鏡(5)，該反射鏡(5)的內(nèi)表面呈拋物面，所述的紅外發(fā)光二極管(1、2)與紅外探測器(3)位于氣室底端同一平面且以氣室中心線為軸對稱放置；所述的紅外探測器(3)由筒狀外殼(13、紅外敏感元件(9)、隔光板(10)、濾光片(11)和透窗(12)組成；所述的隔光板(10)設(shè)于筒狀外殼的紅外探測器中心線處，兩個紅外敏感元件對稱分布在隔光板兩側(cè)，且置于筒狀外殼(13)的底部，分別作為探測單元和參考單元，紅外探測器的筒狀外殼(13)的前端設(shè)有密封的透窗(12)，在透窗內(nèi)表面探測器中心線兩邊分別粘貼對應(yīng)待測氣體特征波段和非特征波段波長的兩片透射濾光片(11)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測傳感器，其特征在 于在氣室(4)的底部外端設(shè)置有引腳焊接基板(7)，在引腳焊接基板(7)上連接出有 兩個紅外發(fā)光二極管(l、 2)的光源調(diào)制信號輸入引腳(16)、兩個紅外敏感元件的電源 引腳(14)及信號輸出引腳(8)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測傳感器，其特 征在于反射鏡及氣室內(nèi)表面材料采用黃銅鍍金或鋼鍍鉻。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測傳感器，其特征在 于所述的透窗的材料是氟化鋰或氟化鈣或藍寶石單晶體。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測傳感器，其特征在 于所述的紅外敏感元件是熱電偶型或熱釋電型或光電導(dǎo)型紅外光譜吸收材料。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測傳感器，其特征在 于采用時間雙光路和空間雙光路混合探測模式，所述的兩個紅外發(fā)光二極管交替發(fā)光，兩個紅外敏感元件得到四路檢測信號。
全文摘要
一種雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測傳感器，它包括兩個紅外發(fā)光二極管、紅外探測器、氣室、反射鏡、金屬過濾網(wǎng)；所述的氣室為筒狀，該氣室的底部成凹球面，該氣室的中部為圓柱面，在氣室的頂端口處連接有金屬過濾網(wǎng)，在金屬過濾網(wǎng)后部設(shè)置有反射鏡，該反射鏡的內(nèi)表面呈拋物面，所述的紅外發(fā)光二極管與紅外探測器位于氣室底端同一平面且以氣室中心線為軸對稱放置；上述的紅外探測器由筒狀外殼、紅外敏感元件、隔光板、濾光片和透窗組成；本發(fā)明與現(xiàn)有紅外氣體傳感器相比，其突出的實質(zhì)性特點是設(shè)計了非隔離式反射氣室及采用了雙光源雙敏感元件的探測原理，解決了現(xiàn)有紅外雙探測器氣體傳感器探測元件失配的弊病，減小了體積、使探測精度大大提高。
文檔編號G01N21/59GK101105449SQ200710120069
公開日2008年1月16日 申請日期2007年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月8日
發(fā)明者付東波, 毛德兵, 秦海濤, 鄧志剛, 齊慶新 申請人:天地科技股份有限公司