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專利名稱：雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測(cè)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(cè)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(cè)傳感器。
背景技術(shù)：
一束紅外光的強(qiáng)度在通過(guò)一個(gè)氣體容器時(shí)將會(huì)減少，強(qiáng)度損失是一定體積內(nèi)活 動(dòng)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(zhǎng)發(fā)生，與這一事實(shí)結(jié)合，可以設(shè)計(jì)一種儀器用來(lái)測(cè)量特定氣體的 濃度。紅外線分析器是根據(jù)氣體對(duì)紅外線吸收原理制成的一種物理式分析儀器。通 常看來(lái)，紅外線分析器能連續(xù)測(cè)量，且測(cè)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(jià)格高。早期 由于器件的限制，例如為了達(dá)到較高的精度，傳感器本身需要大的氣室，無(wú)法實(shí)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(cè)器)和微光學(xué)器件(MEMS光柵，MEMS紅外熱敏探測(cè)器)的出現(xiàn)，紅 外光學(xué)氣體檢測(cè)系統(tǒng)的小型化已成為可能。
德國(guó)法蘭克福哈特曼，希勞恩股份公司申請(qǐng)的"能同時(shí)測(cè)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(hào)ZL90109218.5),包括兩個(gè)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(guò)樣品池。一個(gè)結(jié)構(gòu)相同的第二個(gè)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(gè) 輻射濾波器，該濾波器能透過(guò)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(gè)隔離樣品池，體積較大。實(shí)用新型專利"雙探測(cè)器紅外氣體分析儀"
(專利號(hào)ZL02274241.7)，采用了單光源雙探測(cè)器原理結(jié)構(gòu)和反射式氣室，兩個(gè) 探測(cè)器很難加工得完全一樣，存在探測(cè)器失配的問(wèn)題。其氣室同樣互相隔離，體積 較大。實(shí)用新型專利"紅外光多種氣體分析儀光學(xué)裝置"(專利號(hào)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(qǐng)了一種紅外六氟化硫檢測(cè)儀專利
(申請(qǐng)?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(duì)設(shè)置 在檢測(cè)氣室兩側(cè)，電可調(diào)紅外光源發(fā)射紅外光穿過(guò)檢測(cè)氣室由光學(xué)接收單元接收， 溫度補(bǔ)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(hào)放大單元連接，信號(hào)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(bǔ)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(wú)法克服紅外光源輸出功率變化、探測(cè)器偏置等帶來(lái) 的問(wèn)題，檢測(cè)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(duì)設(shè)置的直線式氣室結(jié)構(gòu)同時(shí)又要在兼顧足夠信噪比的前提下保留一定的氣室長(zhǎng) 度，故傳感器體積相對(duì)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(wèn)題，提供一種 雙光源、雙敏感元件和開(kāi)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(cè) 傳感器。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測(cè)傳感器，它包括兩個(gè)紅外發(fā)光二極管、 紅外探測(cè)器、氣室、反射鏡、金屬過(guò)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(guò)濾網(wǎng)，在金屬過(guò)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(cè)器位于氣室底端同一平面且以氣
室中心線為軸對(duì)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(diǎn)處，作用 是將散射的紅外光反射到反射鏡；
上述的紅外探測(cè)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(cè)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(gè)紅外敏感元件對(duì) 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(cè)單元和參考單元， 紅外探測(cè)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(cè)器中心線兩邊分 別粘貼對(duì)應(yīng)待測(cè)氣體特征波段和非特征波段波長(zhǎng)的兩片透射濾光片。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還可以采用以下技術(shù)措施來(lái)進(jìn)一步實(shí)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(gè)紅外 發(fā)光二極管的光源調(diào)制信號(hào)輸入引腳引腳、兩個(gè)紅外敏感元件的電源引腳及信號(hào)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(duì)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(lán)寶石單晶體，使透過(guò)的光的波長(zhǎng)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(guò)濾網(wǎng)方便氣體擴(kuò)散進(jìn)入氣室，同時(shí)起到防塵功能。
本發(fā)明采用時(shí)間雙光路和空間雙光路混合探測(cè)模式，所述的兩個(gè)紅外發(fā)光二極 管交替發(fā)光，兩個(gè)紅外敏感元件得到四路檢測(cè)信號(hào)。
本發(fā)明的光路圖為空間雙光束和時(shí)間雙光束混合探測(cè)模式(見(jiàn)圖l所示)；
光路圖中主要參數(shù)兩個(gè)發(fā)光二極管LED1、 LED2的光強(qiáng)分別為Ir、 Im，兩個(gè)
敏感元件的響應(yīng)率分別為R" Rm。，被測(cè)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(zhǎng)遠(yuǎn)離被測(cè)氣體特征吸收峰的窄帶透射濾光
片，貼在探測(cè)單元2上的濾光片為中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)被測(cè)氣體特征吸收峰的窄帶透射濾
光片。通過(guò)集成對(duì)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(cè)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(dòng)。兩個(gè) 發(fā)光二極管交替發(fā)光時(shí)間間隔為5ms，探測(cè)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(gè)光路，這樣就實(shí)現(xiàn)了光路為空間雙光束和時(shí)間雙光束混合探測(cè) 模式，即探測(cè)光路和參考光路。
假設(shè)氣體的透射比為L(zhǎng)。氣室的透射比為To，當(dāng)發(fā)光二極管LED1發(fā)出脈沖光
時(shí)，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(dòng)發(fā)光二極管LED2發(fā)出脈沖光時(shí)，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(gè)與響應(yīng)率和發(fā)射強(qiáng)度無(wú)關(guān)并且與r〗r〗成正比的信號(hào)。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(hào)只與被測(cè)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(guò)用后續(xù)檢測(cè)電路接收探測(cè)敏感元件和參考敏感元件的信號(hào)，直接對(duì)抵消后
的變量進(jìn)行處理，它通過(guò)軟件計(jì)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(lái)源，提高了測(cè)量的精度。光路設(shè)計(jì)成反射式，這種設(shè)計(jì) 的優(yōu)點(diǎn)是紅外輻射能兩次穿過(guò)被測(cè)氣體，在較小體積的同時(shí)保證了適當(dāng)?shù)墓饴肪?離，也提高了檢測(cè)精度。由于參考光路和測(cè)量光路是在同一環(huán)境下工作，取兩者的 電位差比值進(jìn)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(shí)質(zhì)性特點(diǎn)是設(shè)計(jì)了非隔離式 反射氣室及采用了雙光源雙敏感元件的探測(cè)原理，解決了現(xiàn)有紅外雙探測(cè)器氣體傳 感器探測(cè)元件失配的弊病，減小了體積，在減小體積的同時(shí)使探測(cè)精度提高了一個(gè) 數(shù)量級(jí)以上，使探測(cè)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(cè)器半剖結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是紅外探測(cè)器半剖放大結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是圖4紅外探測(cè)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(shí)施例方式
參見(jiàn)圖2 圖6所示 一種雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測(cè)傳感器，它包括 兩個(gè)紅外發(fā)光二極管l、 2、紅外探測(cè)器3、氣室4、反射鏡5、金屬過(guò)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(guò)濾網(wǎng)6，在金屬過(guò)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(cè)器3位于 氣室底端同一平面且以氣室中心線為軸對(duì)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(diǎn)處，作用是將散射的紅外光反射到反射鏡。
所述的紅外探測(cè)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(cè)器中心線處，兩個(gè)紅外敏 感元件對(duì)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(cè)單元和 參考單元，紅外探測(cè)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(cè)器中心線兩邊分別粘貼對(duì)應(yīng)待測(cè)氣體特征波段和非特征波段波長(zhǎng)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(gè)紅外發(fā)光二極管l、 2的光源調(diào)制信號(hào)輸入引腳16、兩個(gè)紅外敏感元件的電源引
腳14及信號(hào)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(lán)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(shí)，氣體從金屬過(guò)濾網(wǎng)擴(kuò)散進(jìn)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(cè)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(diǎn)，通過(guò)使用空間雙光束和時(shí)間雙光束混合探測(cè)模式， 解決了現(xiàn)有單光源雙探測(cè)紅外傳感器探測(cè)元件失配、體積大等缺點(diǎn)，使檢測(cè)精度提 高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。通過(guò)改變對(duì)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(cè)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(cè)傳感器，其特征在于它包括兩個(gè)紅外發(fā)光二極管(1、2)、紅外探測(cè)器(3)、氣室(4)、反射鏡(5)、金屬過(guò)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(guò)濾網(wǎng)(6)，在金屬過(guò)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(cè)器(3)位于氣室底端同一平面且以氣室中心線為軸對(duì)稱放置；所述的紅外探測(cè)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(cè)器中心線處，兩個(gè)紅外敏感元件對(duì)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(cè)單元和參考單元，紅外探測(cè)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(cè)器中心線兩邊分別粘貼對(duì)應(yīng)待測(cè)氣體特征波段和非特征波段波長(zhǎng)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(cè)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(gè)紅外發(fā)光二極管(l、 2)的光源調(diào)制信號(hào)輸入引腳(16)、兩個(gè)紅外敏感元件的電源 引腳(14)及信號(hào)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(cè)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(cè)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(lán)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(cè)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(cè)傳感器，其特征在 于采用時(shí)間雙光路和空間雙光路混合探測(cè)模式，所述的兩個(gè)紅外發(fā)光二極管交替發(fā)光，兩個(gè)紅外敏感元件得到四路檢測(cè)信號(hào)。
全文摘要
一種雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢測(cè)傳感器，它包括兩個(gè)紅外發(fā)光二極管、紅外探測(cè)器、氣室、反射鏡、金屬過(guò)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(guò)濾網(wǎng)，在金屬過(guò)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(cè)器位于氣室底端同一平面且以氣室中心線為軸對(duì)稱放置；上述的紅外探測(cè)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(shí)質(zhì)性特點(diǎn)是設(shè)計(jì)了非隔離式反射氣室及采用了雙光源雙敏感元件的探測(cè)原理，解決了現(xiàn)有紅外雙探測(cè)器氣體傳感器探測(cè)元件失配的弊病，減小了體積、使探測(cè)精度大大提高。
文檔編號(hào)G01N21/59GK101105449SQ200710120069
公開(kāi)日2008年1月16日 申請(qǐng)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(qǐng)人:天地科技股份有限公司