專利名稱：一種側壁進/出氣的紅外氣體傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種紅外氣體傳感器，具體為一種側壁進/出氣的紅外氣體傳感器。 屬于紅外氣體傳感器領域。
背景技術：
近些年來，隨著易燃、易爆氣體泄漏、爆炸事故的頻頻發生，人們對氣體傳感器的 需求越來越大。其中常規的氣體傳感器按工作原理一般可分為半導體式氣體傳感器、電化 學式氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、光學類氣體傳感器等。半導體式氣體傳感器長期穩定性較差，受環境影響較大，對氣體選擇性不高。電化學式氣體傳感器測量時受環境影響較大、校正周期短、穩定性差、容易中毒。催化燃燒式氣體傳感器選擇性差，容易中毒，暗火工作有引燃爆炸的危險。基于以上情況，出現了紅外氣體傳感器為代表的光學類氣體傳感器，紅外氣體傳 感器具有精度高、選擇性好、壽命長、不中毒、不依賴于氧氣、受環境干擾小等優點。當氣體分子吸收了特定波長的紅外輻射，并由其產生振動或轉動運動從而引起偶 極矩的凈變化，產生氣體分子振動和轉動能級從基態到激發態的躍遷，使相應于這個波長 吸收區域的透射光強度減弱。紅外氣體傳感器便是基于氣體對特定波長的紅外光存在吸 收，吸收滿足Lmabert-Beer定律，即I = I0exp (-μ CL)(1)式中Ici 入射光強度，I 透射光強度；μ 吸收系數；L 光路長度；C 被測氣體濃 度由(1)式可推出，AC=-ΔΙ/(Ι。μυ(2)熱電堆探測器輸出的電壓與照射到其上的光強成正比，有V = GI，I為光強，G為 比例系數，若探測器電壓分辨率為Δν，則有AV = GAI,得出AV/V0 = ΔΙ/Ι0(3)把(3)式代入⑵式得到ACmin = -AV/(V0UL)(4)由上式看出可通過增加光路長度L即增長光程的方法來增加氣體的吸收，提高傳 感器的分辨率。美國專利US 7488942Β2公布了一種頂部進氣氣體傳感器，其光源和探測器放在 兩個橢圓的焦點上，通過多次反射增加光程。美國專利us 7609375Β2公布了一種氣體傳感 器用光學腔體，其光源放在橢圓的焦點上，利用多次放射增加光程，提高傳感器精度；同時 在腔體上下表面分別設置通氣孔，提高傳感器響應時間。CN 101592599Α中采用準光學諧振 腔設計了一種由上凹球面反射鏡和下凸球面反射鏡組成的吸收腔，其光源和探測器裝在互 為共軛位置，通過多次反射來增加光程。CN 201373848Υ公布了一種通過多斜面反射實現光 路增長的頂部進氣擴散式的紅外氣體傳感器。以上專利設計精巧，但工程化實現不易。同時 目前已經商用化的擴散式紅外氣體傳感器采用頂部進氣，其響應時間相對較長，英國City公司的4R系列的CO2和CH4紅外氣體傳感器響應時間(T9tl)小于35秒，英國Dynament公司 紅外傳感器響應時間(T9tl)小于30s，國內河南漢威生產的紅外氣體傳感器響應時間(T9tl) 小于30s。腔體加工工程化不易，響應時間略長，直接影響了紅外氣體傳感器的普及應用。

發明內容
針對上述傳感器存在的不足，本發明的目的是提供一種側壁進/出氣的紅外氣體 傳感器，側壁進/出氣的氣體交換方式有利于提高氣室內外氣體的交換速度，縮短傳感器 的響應時間。本發明是一種側壁進/出氣的紅外氣體傳感器，主要包括具有側壁進/出氣的敏 感頭、信號采集模塊、信號處理模塊、信號顯示模塊。所述具有側壁進/出氣的敏感頭包括 防塵罩1、具有側壁進/出氣兼具光學通道和氣室功能的腔體2、右第一反光鏡3、左第二反 光鏡4、熱電堆探測器5、紅外光源6、聚光鏡7、加熱電阻8、信號放大電路9。本發明所述防塵罩1為不銹鋼粉末與不銹鋼外殼配合燒結而成。本發明所述腔體2為黃銅圓柱加工而成。本發明所述光學通道/氣室功能的腔體2包括右端第一通孔10、前端第二通孔 11、左端第三通孔12、右第一反光鏡3和左第二反光鏡4組成。本發明所述右端第一通孔10內壁進行拋光、鍍金處理；側壁設置若干個通氣孔與 外界空氣進行氣體交換；后端設置聚光鏡7，其內安裝紅外光源6。本發明所述前端第二通孔11內壁進行拋光、鍍金處理；側壁設置若干個通氣孔與 外界空氣進行氣體交換；左、右兩端分別貼有右第一反光鏡3和左第二反光鏡4。本發明所述左端第三通孔12內壁進行拋光、鍍金處理；側壁設置若干個通氣孔與 外界空氣進行氣體交換；后端安裝熱電堆紅外探測器5。本發明所述熱電堆探測器5、紅外光源6直接與信號放大電路9相連。本發明所述氣室內外氣體交換方式為側壁進/出氣方式，氣室內氣體和外界空氣 可以直接形成良好的對流，內外氣體交換所需時間明顯減少，傳感器響應時間明顯縮短。本發明所述光路為‘Π’形折疊光路，紅外光源6發出的光通過右端第一通孔10經 右第一反光鏡3反射后進入前端第二通孔11，沿前端第二通孔11經到達左第二反射鏡4， 經反射后進入左端第三通孔12，最后到達熱電堆探測器5接收表面。紅外光在傳播過程中 經過多次反射，增加了光程，使得待測氣體對紅外光的吸收比較充分，提高了傳感器的分辨 率。本發明所述熱電堆探測器5設置兩片窄帶濾光片，其中一片不包含待測氣體特征 吸收峰，另一片為包含待測氣體特征吸收峰的濾光片。根據Lmabert-Beer定律，當氣體分 子吸收了特定波長的紅外輻射，并由其產生振動或轉動運動從而引起偶極矩的凈變化，產 生氣體分子振動和轉動能級從基態到激發態的躍遷，使相應于這個波長吸收區域的透射光 強度減弱，特定的分子對紅外光有選擇性吸收，因此，通過采用包含不同特征吸收峰波長的 窄帶濾光片就可以實現不同氣體的檢測。本發明的有益效果是通過氣室側壁設置若干個通氣孔，采用側壁進/出氣的氣體 交換方式，提高了氣室內外氣體交換的速度，減小了傳感器響應時間；另外采用長光程、易 工程化的‘Π’形折疊光路，有利于傳感器分辨率的提高，有助于紅外氣體傳感器的普及。


圖1為本發明提供側壁進/出氣的紅外氣體傳感器敏感頭內部結構示意圖；圖2為本發明所述側壁進/出氣的紅外氣體傳感器工作原理示意圖。
具體實施例方式圖1示出了本發明實施例提供的側壁進/出氣的紅外氣體傳感器敏感頭內部的 結構。防塵罩1為60-80目不銹鋼粉末與不銹鋼外殼配合燒結制成的外徑為40mm，內徑為 34. 5mm,高為18mm圓筒；防塵罩1內嵌直徑為34mm，高為16mm的圓柱形黃銅腔體2 ；腔體2 右端開設有直徑為5mm的右端第一通孔10，右端第一通孔10的后端設置聚光鏡7，聚光鏡 7內安裝紅外光源6，右端第一通孔10側壁開有至少2個直徑為l-3mm的通氣孔14 ；腔體2 前端開設有直徑為5mm的前端第二通孔11，前端第二通孔11與右端第一通孔10成90度夾 角，在其相交面上第一切凹槽17中放置右第一反光鏡3，切凹槽17的底面分別與右端第一 通孔10和前端第二通孔11成45度夾角，在前端第二通孔11的側壁開有至少2個直徑為 l-3mm的通氣孔15 ；腔體2左端開有直徑為6mm的左端第三通孔12，第三通孔12與第一通 孔10平行，與第二通孔11成90度夾角，在其相交面上切凹槽18放置左第二反光鏡4，切凹 槽18的底面分別與前端第二通孔11和左端第三通孔12成45度夾角，左端第三通孔12的 后端安裝熱電堆探測器5，在第三通孔12側壁開有至少2個直徑為l_3mm的通氣孔16 ；腔 體2的底部開有凹槽19，放置加熱電阻8。作為本發明的實施例第一通孔10、第二通孔11、 第三通孔12、聚光鏡7內壁進行拋光處理，光潔度達到0. 1，且對其內壁進行鍍金處理，提高 對紅外光的反射率，并起到防治銅被氧化、腐蝕的作用。本發明所用的熱電堆探測器為中國科學院上海微系統與信息技術研究所研制的 雙通道熱電堆紅外探測器或德國PerkinElmer公司生產的TPS2534系列雙通道熱電堆探測 器5，設置有Χ. Χμ m和Y. Yym兩片濾光片，其中與Χ. Χμ m波長對應的熱電堆輸出信號為測 量信號，與Y. Yym波長對應的熱電堆輸出信號為參考信號；探測器內部設有熱敏電阻，提 供傳感器溫度補償所需的溫度信號。熱電堆探測器的輸出包括測量信號、參考信號和溫度 信號。圖2示出了本發明側壁進/出氣的紅外氣體傳感器工作原理示意圖，攜帶有易燃、 易爆等待測氣體的空氣通過傳感器側壁上的通氣孔14、15、16擴散進入并充滿氣室，紅外 光源6發出的調制紅外光通過右端第一通孔10經右第一反光鏡3反射后進入前端第二通 孔11，并沿前端第二通孔11到達左第二反射鏡4，經反射后再進入左端第三通孔12，紅外 光經多次反射，待測氣體吸收，濾光片選擇性吸收后，最后到達雙通道熱電堆探測器5的核 心元件熱電堆芯片的表面，被熱電堆感知吸收并轉化為電信號。熱電堆探測器輸出的兩路 信號經放大電路9放大后，得到穩定信號，然后被A/D信號采集模塊采集后送入信號處理模 塊，信號處理模塊借助單片機利用相應程序對兩路信號進行分析處理，得到空氣中待測氣 體的濃度，經信號顯示模塊直觀的顯示出來。本發明所述側壁進/出氣的紅外氣體傳感器所用紅外光源6可以采用但不僅限于 PerkinElmer 公司的 IRL715。本發明所述側壁進/出氣的紅外氣體傳感器所用右第一反光鏡3和左第二反光鏡4為硅片上濺射但不僅限于濺射200納米的金，右第一反光鏡3和左第二反光鏡4尺寸分別 與第一切凹槽17、第二切凹槽18的底面的尺寸相同。本發明所述側壁進/出氣的紅外氣體傳感器通過更換封裝有不同特征吸收波長 濾光片的熱電堆探測器可以實現不同氣體的監測。其中作為參考濾光片的中心波長可以選 擇但不僅限于3. 9 μ m、4. 0 μ m等；常見氣體的特征吸收峰見但不僅限于下表
氣體特征峰(um)CO21.41.62.02.74.34.85.29.410.415CO2.34.6CH43.316.57.65NO5.3N2O3.94.054.57.78.617.1H2O0.941.11.381.872.75.26.27O34.78.99.614SO27.3 最后應當強調說明的是以上實施例僅用于說明本發明技術方案而不是對其限 制，盡管實施例對本發明進行了詳細的說明，所述領域的技術人員仍可對本發明的技術方 案進行更改或部分替換，其方案更改或替換不脫離本發明技術方案精神的均應包括在本發 明申請保護的范圍內。
權利要求
1.一種側壁進/出氣的紅外氣體傳感器，依次包括敏感頭、信號采集模塊、信號處理模 塊、信號顯示模塊，其特征在于所述的敏感頭具有側壁進/出氣結構，它包括防塵罩(1)、具 有側壁進/出氣兼具光學通道和氣室功能的腔體2、右第一反光鏡(3)、左第二反光鏡0)、 熱電堆探測器(5)、紅外光源(6)、聚光鏡(7)、加熱電阻(8)、信號放大電路(9)；①所述具有側壁進/出氣兼具光學通道和氣室功能的腔體內設置由右端第一通孔(10)、前端第二通孔(11)、左端第三通孔(12)、右第一反光鏡C3)和左第二反光鏡(4)組成 的‘Π’形折疊光路；②左端第一通孔(10)、前端第二通孔(11)和左端第三通孔(1 的側壁設置若干個通 氣孔與外界進行氣體交換；③右端第一通孔(10)后端設置聚光鏡(7)，其內安裝紅外光源(6)；前端第二通孔(11)兩端分別安裝右第一反光鏡(3)和左第二反光鏡；左端第三通孔(12)后端安裝熱 電堆探測器(5)；腔體底部開凹槽(19)，其內安裝加熱電阻⑶；④熱電堆探測器、紅外光源直接與信號放大電路相連。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的右端第一通孔(10)與前端第二通 孔(11)成90度；前端第二通孔(11)與左端第三通孔(1 成90度；第一通孔和第三通孔 相互平行。
3.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的右端第一通孔(10)和前端第二通 孔(11)相交面設置右切凹槽(17)，其底面與右端第一通孔(10)和前端第二通孔(11)均成 45度角，在其底面安裝右第一反光鏡(3)。
4.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于前端第二通孔(11)和左端第三通孔(12)相交面設置左切凹槽(18)，其底面與前端第二通孔(11)和左端第三通孔(1 均成45 度角，在其底面安裝左第二反光鏡G)。
5.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于①所述的防塵罩(1)為不銹鋼粉末與不銹鋼外殼配合燒結而成；②所述的第一通孔、第二通孔和第三通孔的側壁上有至少2個，直徑為l_3mm的通氣孔。③所述的熱電堆探測器為雙通道熱電堆探測器。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的傳感器，其特征在于所述的第一通孔、第二通孔、 第三通孔以及聚光鏡內壁進行拋光處理，光潔度達0. 1且對內壁進行鍍金處理。
7.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于①所述的右第一反光鏡或左第二反光鏡為硅片上濺射200納米的金，且所述的反光鏡 的尺寸分別為切凹槽的底面尺寸相同；②所述的紅外光源為PerkinElmer公司的IRL715。
8.根據權利要求1所述的傳感器應用，其特征在于通過更換封裝有不同特征吸收波長 濾光片的熱電堆探測器5可實現不同氣體的檢測。
9.按權利要求8所述的應用，其特征在于濾光片的中心波長選用3.9 μ m或40 μ m，可 對 CO2、CO、CH4、NO、N2O、H2O、O3 或 檢測。
全文摘要
本發明涉及一種側壁進/出氣的紅外氣體傳感器，依次包括敏感頭、信號采集模塊、信號處理模塊、信號顯示模塊。其特征在于所述的敏感頭具有側壁進/出氣，包括防塵罩1、具有側壁進/出氣兼具光學通道和氣室功能的腔體2、反光鏡3、反光鏡4、熱電堆探測器5、紅外光源6、聚光鏡7、加熱電阻8、信號放大電路9，其中光路為第一通孔10、第二通孔11、第三通孔12、反光鏡3和反光鏡4組成的‘∏’形折疊光路。由于采用側壁進/出氣的方式，氣室內氣體和外界環境之間可以直接形成良好的對流，內外氣體交換所需時間縮短，響應時間減小；光在傳播的過程中經過側壁的多次反射，增加了光程，提高了分辨率。可望廣泛應用于在多種場合下的氣體實時監測。
文檔編號G01N21/35GK102128804SQ20101054065
公開日2011年7月20日 申請日期2010年11月12日 優先權日2010年11月12日
發明者劉延祥, 李鐵, 王東平 申請人:上海芯敏微系統技術有限公司