專利名稱：光學氣體傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及氣體探測裝置領域，特別涉及用于氣體探測的光學設備領域，具 體是指一種光學氣體傳感器。
背景技術：
氣體傳感器經(jīng)常用于有害氣體檢測和火災報警等方面。傳統(tǒng)的氣體傳感器包括電 化學氣體傳感器和催化燃燒可燃氣體傳感器。在電化學氣體傳感器的應用中，當被測量的氣體進入傳感器內部，被測量氣體和 電化學傳感器內部的電解液進行化學反應，電解液由于電離和分解，產(chǎn)生了一個正向電流， 通過外部采樣電路對該電流進行采樣，得到了一個電壓信號和內部氣體濃度的對應關系。 由于被測量氣體消耗電化學傳感器內部電解液，因此這一過程是無法逆轉的。當被測量氣 體進入傳感器內部的濃度大于該傳感器的允許最大測量濃度，傳感器內部的電解液將會被 耗盡，整個傳感器將失效。電化學氣體傳感器的另一缺點在于，其對氣體種類分辯能力差， 使用起來對環(huán)境的選擇是有針對性的，如在對氣體進行檢測的情況下，當使用環(huán)境種存 在吐(1氣體時，這兩種氣體均會消耗傳感器內部的電解液，導致該傳感器對氣體濃度的 誤判斷。也既是說，在H2S氣體濃度的檢測的環(huán)境中，不允許存在其他干擾氣體，否則無法正 常反映真實的氣體濃度。電化學氣體傳感器在長期工作過程中或不通電長期放置的過 程中，其自身內部的電解液也會慢慢的自然分解直至失效，而在正常使用過程中需要利用 外界手段進行定期的校正和校準。用戶一般需要2到3個月對產(chǎn)品進行一次校正和檢查， 2到3年需要更換該電化學氣體傳感器，這就增加了用戶的成本，也給用戶的使用帶來了不 便。催化燃燒可燃氣體傳感器的工作原理是，當被檢測的可燃氣體進入該傳感器內 部，可燃氣體和內部的催化劑進行燃燒反應，消耗該傳感器內部的催化劑，可燃氣體被燃燒 分解，產(chǎn)生電流，利用外部的采樣電路對所產(chǎn)生的電流進行采樣，得到了一個電壓信號和內 部氣體濃度的對應關系。由于測量可燃氣體需要消耗該傳感器內部催化劑，因此該過程也 是無法逆轉的，而當被測量可燃氣體進入傳感器內部的濃度大于該傳感器的允許最大測量 濃度，傳感器內部的催化劑將會被耗盡，整個傳感器將失效。另外，由于催化劑不能和被測 量可燃氣體直接進行反應，需要對催化劑和被測量可燃氣體進行加熱才能進行燃燒反應， 由此直接導致整體產(chǎn)品的功耗大增，增加了對現(xiàn)場供電的布線的要求。由于傳統(tǒng)的電化學氣體傳感器和催化燃燒可燃氣體傳感器具有上述的缺點，因 此，目前相關應用中也開始采用紅外氣體傳感器。紅外氣體傳感器的優(yōu)點在于，其利用紅外 光對氣體進行濃度檢測，在測量過程中被測量氣體只吸收紅外光源發(fā)出來的紅外光信號， 并不存在不可逆轉的化學反應或燃燒反應，傳感器可以重復使用，壽命長；其可以允許進入 傳感器內部的被測量氣體濃度遠大于該傳感器的最大測量濃度，實際使用過程中，紅外氣 體傳感器可以在長期存在被測量氣體的環(huán)境中工作；其所具有的紅外光源功耗低、壽命長、 發(fā)光穩(wěn)定、低漂移，不需要定期對產(chǎn)品進行調整和校正，使用壽命一般可以達到5年以上，節(jié)省了用戶的維護和維修成本，降低了現(xiàn)場供電的布線要求。同時，紅外氣體傳感器還具有 檢測精度高，對被測氣體類型分辯能力強，基本不受干擾氣體的影響，可測量多種氣體，且 產(chǎn)品的靈活性好等優(yōu)點，因此可以廣泛地替代傳統(tǒng)的電化學氣體傳感器和催化燃燒可燃氣 體傳感器。但目前市場上的紅外氣體傳感器仍存在不少缺點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面a)傳統(tǒng)紅外氣體傳感器一般采用鉬銠合金絲作為紅外發(fā)射光源，鉬銠合金絲表面 涂有很多防氧化涂層，體積大、抗氧化性能差、工作電流高；b)由于鉬銠合金絲發(fā)熱過程中存在熱滯后性，不能采用脈沖供電方式工作，熱效 率低；為適應氣體濃度檢測要求，必須在鉬銠合金絲紅外光輸出口增加一個斬光器進行紅 外光調制，由此增加了整機的體積和功耗，不利于產(chǎn)品的小型化生產(chǎn)；c)由于鉬銠合金絲需要長期供電，容易發(fā)生漂移現(xiàn)象，需要定期調整和維護；且 壽命短，需要定期更換鉬銠合金絲紅外發(fā)射光源；d)傳統(tǒng)的紅外氣體檢測方式一般采用對射的方式進行氣體濃度檢測，為保證氣體 濃度檢測的精度，需要一個長度較長的檢測氣室，增加的產(chǎn)品的體積和成本；e)由于檢測氣室長度較長，檢測氣室內部溫度分部不均勻，同時鉬銠合金絲一直 處在發(fā)熱狀態(tài)，無形中增加了探測器、放大器和其它元件的寄生熱，極大降低系統(tǒng)的可靠性 和穩(wěn)定性；為保證氣體濃度檢測的精度、排除水蒸汽對氣體濃度檢測精度的影響，必須對整 個氣體探測氣室進行高溫恒溫控制，勢必增加了產(chǎn)品的成本、功耗和降低了可靠性；因為需 要高溫恒溫控制，產(chǎn)品從開機到正常使用需要比較長的時間。

實用新型內容本實用新型的目的是克服了上述現(xiàn)有技術中的缺點，提供一種結構簡單，減少寄 生熱單元，使探測器整體的穩(wěn)定性和可靠性得到提升，同時體積小、功耗低、免校準、壽命 長、檢測精度高、生產(chǎn)成本低廉，且應用范圍廣泛的光學氣體傳感器。為了實現(xiàn)上述的目的，本實用新型的光學氣體傳感器具有如下構成該光學氣體傳感器，包括傳感器殼體，其主要特點是，所述的殼體內具有連通殼體 外部的氣室，所述的氣室內設置有紅外光源、反射座、溫度傳感器和紅外接收傳感器，所述 的紅外光源、反射座、溫度傳感器和紅外接收傳感器均通過固定部件與所述的殼體固定連 接，該光學氣體傳感器還包括微處理器，所述的微處理器的信號輸入端連接所述的溫度傳 感器和紅外接收傳感器，所述的微處理器還具有氣體探測信號輸出端，所述的紅外光源為 寬波段半導體黑體紅外光源。該光學氣體傳感器中，所述的紅外光源還包括脈沖式開關，所述的脈沖式開關連 接所述的寬波段半導體黑體紅外光源。該光學氣體傳感器中，所述的微處理器為溫度補償及氣體濃度線性化處理單元。該光學氣體傳感器中，所述的氣體探測信號輸出端口包括數(shù)字輸出端口和直流電 壓輸出端口，所述的數(shù)字輸出端口和直流電壓輸出端口均連接于所述的微處理器的信號輸 出端。該光學氣體傳感器中，所述的光學氣體傳感器還包括金屬網(wǎng)，所述的金屬網(wǎng)設置 于所述的氣室和殼體外部之間。[0019]該光學氣體傳感器中，所述的固定部件包括定位套和插針，所述的紅外光源、溫度 傳感器和紅外接收傳感器通過所述的定位套與所述的反射座嵌合固定，所述的紅外光源、 溫度傳感器、反射座、紅外接收傳感器及定位套均通過所述的插針固定于所述的傳感器殼 體。該光學氣體傳感器中，所述的氣室內表面上覆蓋有鍍金層。該光學氣體傳感器中，所述的紅外接收傳感器為熱釋電紅外傳感器。該光學氣體傳感器中，所述的熱釋電紅外傳感器為雙窗口熱釋電紅外傳感器。該光學氣體傳感器中，所述的雙窗口熱釋電紅外傳感器的窗口上設置有濾光片， 所述的濾光片為具有白寶石基材的多層鍍膜窄帶濾光片。該光學氣體傳感器中，所述的雙窗口熱釋電紅外傳感器的紅外感應電路包括紅外 接收靈敏元和紅外信號輸出端，所述的紅外信號輸出端連接于所述的紅外接收靈敏元和微 處理器的信號輸入端之間。該光學氣體傳感器中，所述的紅外接收靈敏元為鉭酸鋰晶體薄片，所述的雙窗口 熱釋電紅外傳感器包括四片相同的鉭酸鋰晶體薄片，所述的四片相同的鉭酸鋰晶體薄片兩 兩反極性串聯(lián)形成兩組紅外接收單元，每組紅外接收單元中包括一片紅外探測用鉭酸鋰晶 體薄片和一片補償用鉭酸鋰晶體薄片，所述的紅外探測用鉭酸鋰晶體薄片設置于所述的雙 窗口熱釋電紅外傳感器的窗口的位置，所述的補償用鉭酸鋰晶體薄片設置于偏離窗口的位 置。采用了該實用新型的光學氣體傳感器，由于其具有寬波段半導體黑體紅外光源， 使得該紅外光源的熱滯后小，可使用脈沖供電方式工作，且該光源功耗低、壽命長、漂移小、 體積小；開關頻率約為2Hz 10Hz，燈絲能在毫秒級時間內被加熱或降溫。同時，脈沖紅 外光源可以利用一個干涉濾波窗口來濾掉要求波長之外的光，脈沖紅外光源減少帶外發(fā)射 (尤其減少短波和可見光)，以使在整個探測過程，光源燈絲保持暗，而且根本不產(chǎn)生可見 光；在氣體傳感器中，其可以減少探測器、放大器和其它元件的寄生熱，極大提高系統(tǒng)的可 靠性和穩(wěn)定性。

圖1為本實用新型的光學氣體傳感器的結構示意圖。[0028]圖2為本實用新型的光學氣體傳感器中的紅外接收傳感器內部電路結構示意圖。圖3為本實用新型的光學氣體傳感器中的紅外光源以及紅外接收傳感器的電路 連接方式結構示意圖。圖4為本實用新型的光學氣體傳感器中的微處理器的電路連接方式結構示意圖。圖5為本實用新型的光學氣體傳感器的封裝結構示意圖。
具體實施方式
為了能夠更清楚地理解本實用新型的技術內容，特舉以下實施例詳細說明。請參閱圖1所示，為本實用新型的光學氣體傳感器的結構示意圖。該光學氣體傳感器，包括傳感器殼體1，殼體1內具有連通殼體外部的氣室2，所述 的氣室2內表面上覆蓋有鍍金層。氣室內設置有紅外光源5、反射座4、溫度傳感器(圖中未示出)和紅外接收傳感器3，所述的紅外光源5、反射座4、溫度傳感器和紅外接收傳感器 3均通過固定部件與所述的殼體1固定連接。該光學氣體傳感器還包括微處理器，該微處理 器為溫度補償及氣體濃度線性化處理單元，所述的微處理器具有信號輸入端和氣體探測信 號輸出端口，所述的信號輸入端連接所述的溫度傳感器和紅外接收傳感器3。所述的紅外光 源5為寬波段半導體黑體紅外光源，該寬波段半導體黑體紅外光源連接一沖式開關。在該實施方式中，如圖2所示，所述的紅外接收傳感器為雙窗口熱釋電紅外傳感 器，其窗口上設置有濾光片G1、G2，所述的濾光片G1、G2為具有白寶石基材的多層鍍膜窄帶 濾光片。該雙窗口熱釋電紅外傳感器的紅外感應電路包括紅外接收靈敏元和紅外信號輸出 端，所述的紅外信號輸出端連接于所述的紅外接收靈敏元和微處理器的信號輸入端之間。 所述的紅外接收靈敏元為四片相同的鉭酸鋰晶體薄片Si、S2、S3和S4，所述的四片相同的 鉭酸鋰晶體薄片Si、S2、S3和S4兩兩反極性串聯(lián)形成兩組紅外接收單元，每組紅外接收單 元中包括一片紅外探測用鉭酸鋰晶體薄片Si、S4和一片補償用鉭酸鋰晶體薄片S2、S3，所 述的紅外探測用鉭酸鋰晶體薄片Si、S4設置于所述的雙窗口熱釋電紅外傳感器的窗口的 位置，所述的補償用鉭酸鋰晶體薄片S2、S3設置于偏離窗口的位置。在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖1所示，所述的光學氣體傳感器還包括金屬網(wǎng)8， 所述的金屬網(wǎng)8設置于所述的氣室2和殼體1外部之間。在另一種優(yōu)選的實施方式中，如圖1所示，所述的固定部件包括定位套6和插針7， 所述的紅外光源5、溫度傳感器和紅外接收傳感器3通過所述的定位套6與所述的反射座4 嵌合固定，所述的紅外光源5、溫度傳感器、反射座4、紅外接收傳感器3及定位套6均通過 所述的插針7固定于所述的傳感器殼體1。在又一種優(yōu)選的實施方式中，如圖5所示，所述的氣體探測信號輸出端口包括數(shù) 字輸出端口 T)(D、RXD和直流電壓輸出端口 V0UT，所述的數(shù)字輸出端口和直流電壓輸出端口 均連接于所述的微處理器的信號輸出端。根據(jù)紅外光譜理論，一些非對稱極性氣體分子，如C02、C0、CH化合物、S的氧化物、 N的氧化物等，由于其內部電偶極距轉動、振動等因素，對穿過這些氣體分子的紅外光進行 多次反射、折射和吸收；由于不同類型氣體分子的不一致性，使得這些氣體分子對特定波長 的紅外光有明顯的吸收作用。這些非對稱極性分子所對應的吸收紅外光的波長如下表1所 示
權利要求1.一種光學氣體傳感器，包括傳感器殼體，其特征在于，所述的殼體內具有連通殼體外 部的氣室，所述的氣室內設置有紅外光源、反射座、溫度傳感器和紅外接收傳感器，所述的 紅外光源、反射座、溫度傳感器和紅外接收傳感器均通過固定部件與所述的殼體固定連接， 該光學氣體傳感器還包括微處理器，所述的微處理器的信號輸入端連接所述的溫度傳感器 和紅外接收傳感器，所述的微處理器還具有氣體探測信號輸出端，所述的紅外光源為寬波 段半導體黑體紅外光源。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學氣體傳感器，其特征在于，所述的紅外光源還包括脈沖 式開關，所述的脈沖式開關連接所述的寬波段半導體黑體紅外光源。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學氣體傳感器，其特征在于，所述的微處理器為溫度補償 及氣體濃度線性化處理單元。
4.根據(jù)權利要求1所述的光學氣體傳感器，其特征在于，所述的氣體探測信號輸出端 口包括數(shù)字輸出端口和直流電壓輸出端口，所述的數(shù)字輸出端口和直流電壓輸出端口均連 接于所述的微處理器的信號輸出端。
5.根據(jù)權利要求1所述的光學氣體傳感器，其特征在于，所述的光學氣體傳感器還包 括金屬網(wǎng)，所述的金屬網(wǎng)設置于所述的氣室和殼體外部之間。
6.根據(jù)權利要求1所述的光學氣體傳感器，其特征在于，所述的固定部件包括定位套 和插針，所述的紅外光源、溫度傳感器和紅外接收傳感器通過所述的定位套與所述的反射 座嵌合固定，所述的紅外光源、溫度傳感器、反射座、紅外接收傳感器及定位套均通過所述 的插針固定于所述的傳感器殼體。
7.根據(jù)權利要求1所述的光學氣體傳感器，其特征在于，所述的氣室內表面上覆蓋有 鍍金層。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的光學氣體傳感器，其特征在于，所述的紅外接收 傳感器為熱釋電紅外傳感器。
9.根據(jù)權利要求8所述的光學氣體傳感器，其特征在于，所述的熱釋電紅外傳感器為 雙窗口熱釋電紅外傳感器。
10.根據(jù)權利要求9所述的光學氣體傳感器，其特征在于，所述的雙窗口熱釋電紅外傳 感器的窗口上設置有濾光片，所述的濾光片為具有白寶石基材的多層鍍膜窄帶濾光片。
11.根據(jù)權利要求9所述的光學氣體傳感器，其特征在于，所述的雙窗口熱釋電紅外傳 感器的紅外感應電路包括紅外接收靈敏元和紅外信號輸出端，所述的紅外信號輸出端連接 于所述的紅外接收靈敏元和微處理器的信號輸入端之間。
12.根據(jù)權利要求11所述的光學氣體傳感器，其特征在于，所述的紅外接收靈敏元為 鉭酸鋰晶體薄片，所述的雙窗口熱釋電紅外傳感器包括四片相同的鉭酸鋰晶體薄片，所述 的四片相同的鉭酸鋰晶體薄片兩兩反極性串聯(lián)形成兩組紅外接收單元，每組紅外接收單元 中包括一片紅外探測用鉭酸鋰晶體薄片和一片補償用鉭酸鋰晶體薄片，所述的紅外探測用 鉭酸鋰晶體薄片設置于所述的雙窗口熱釋電紅外傳感器的窗口的位置，所述的補償用鉭酸 鋰晶體薄片設置于偏離窗口的位置。
專利摘要本實用新型涉及一種光學氣體傳感器，其包括殼體，殼體內具有連通外部的氣室，氣室內設置有紅外光源、反射座、溫度傳感器和紅外接收傳感器，該光學氣體傳感器還包括微處理器，所述的紅外光源為寬波段半導體黑體紅外光源。采用了該種結構的光學氣體傳感器，由于其具有寬波段半導體黑體紅外光源，使得該紅外光源的熱滯后小，可使用脈沖供電方式工作，且該光源功耗低、壽命長、漂移小、體積小，燈絲能在毫秒級內被加熱或降溫，進而脈沖紅外光源可以利用干涉濾波窗口濾除要求波長之外的光，脈沖紅外光源減少帶外發(fā)射，以使在整個探測過程，光源燈絲保持暗，從而減少探測器、放大器和其它元件的寄生熱，極大提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
文檔編號G01N21/17GK201909754SQ201020615300
公開日2011年7月27日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權日2010年11月19日
發(fā)明者于海洋, 張 杰 申請人:上海翼捷工業(yè)安防技術有限公司