專利名稱：一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光聲光譜氣體傳感裝置，尤其是涉及一種用于氣態(tài)物質(zhì)濃度傳感檢測(cè)的便攜式低成本紅外氣體傳感裝置。
背景技術(shù)：
氣體的探測(cè)，尤其是可燃、易爆、有毒有害氣體的探測(cè)，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活、 科學(xué)研究和國(guó)家安全至關(guān)重要。在氣體傳感器中，利用光聲光譜特性檢測(cè)氣態(tài)分析物濃度的檢測(cè)方法已經(jīng)為公眾所周知，如美國(guó)專利No. 4740086描述了在光激發(fā)氣態(tài)分析物時(shí)用光聲氣體傳感器把調(diào)幅光源的光能轉(zhuǎn)換成聲能的情況。當(dāng)入射到氣室的光能被待測(cè)氣體吸收后，就生成強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于氣室內(nèi)待測(cè)氣體濃度的聲壓力波，該聲壓力波被電容微音器檢測(cè)。光聲氣體傳感技術(shù)具有靈敏度高、氣室所需體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛研究和應(yīng)用。中國(guó)專利CN101303^8A公開(kāi)了一種氣體傳感裝置，其采用了樣品檢測(cè)室和參考?xì)怏w室隔離的方式進(jìn)行氣體檢測(cè)，從而省掉了高精度光學(xué)濾波片的使用，降低了該裝置的成本，但其仍采用的麥克風(fēng)來(lái)采集聲波信號(hào)，雖說(shuō)具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其靈敏度、抗電磁干擾性能、以及由于水分子存在造成的誤差補(bǔ)償?shù)确矫嫒圆荒軡M足一些高端的要求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏度高，同時(shí)具有一定的抗電磁干擾能力，以及較好的應(yīng)用前景。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于包括外部殼體以及設(shè)置在外部殼體內(nèi)部左側(cè)的紅外光源，所述外部殼體內(nèi)部還設(shè)置有用于包含待測(cè)氣體的待測(cè)腔和用于包含參考?xì)怏w的參考腔，所述參考?xì)怏w中至少有一種氣體與待測(cè)氣體在紅外光源所發(fā)出的紅外波段的光信號(hào)上具有相同的吸收波長(zhǎng)，所述待測(cè)腔與參考腔之間設(shè)置有寬帶光學(xué)窗口，所述參考腔外部套設(shè)有補(bǔ)償腔， 所述參考腔的外壁上螺旋纏繞有曲線形殼體，所述曲線形殼體內(nèi)側(cè)相對(duì)的兩個(gè)面上分別設(shè)置有多個(gè)變形齒一和多個(gè)變形齒二，所述變形齒一與變形齒二之間呈交錯(cuò)對(duì)應(yīng)布設(shè)，所述變形齒一與變形齒二之間夾持有信號(hào)光纖，所述信號(hào)光纖通過(guò)延長(zhǎng)光纖連接測(cè)試單元，所述測(cè)試單元還連接處理單元，所述處理單元還連接顯示單元，所述處理單元還通過(guò)傳輸線與紅外光源接。上述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述紅外光源與寬帶光學(xué)窗口之間設(shè)置有前置光學(xué)窗口，所述前置光學(xué)窗口安裝在待測(cè)腔左側(cè)，所述前置光學(xué)窗口與紅外光源之間設(shè)置有透鏡組。上述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述寬帶光學(xué)窗口和前置光學(xué)窗口的表面上均鍍覆有光學(xué)濾波涂層。[0009]上述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述待測(cè)腔上設(shè)置有用于接收待測(cè)氣體的入口和用于排出待測(cè)氣體的出口，所述入口和出口均與外部殼體的外部相通。上述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述信號(hào)光纖兩端中至少有一端設(shè)置有光反射鏡。上述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述信號(hào)光纖有一段為具有聚酰亞胺涂層的信號(hào)光纖，且該段信號(hào)光纖暴露于待測(cè)氣體中。上述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述夾持有信號(hào)光纖的變形齒一和變形齒二均為聚酰亞胺變形齒或表面上鍍覆聚酰亞胺層的變形齒，且該段變形齒暴露于待測(cè)氣體中。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型的氣體傳感裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、操作方便且使用方式靈活、靈敏度高等特點(diǎn)。2、本實(shí)用新型的氣體傳感裝置，因使用光纖型聲波采集裝置替代了傳統(tǒng)的微音器，使得本裝置具有抗電磁干擾性能、靈敏度高、電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)ο3、本實(shí)用新型的氣體傳感裝置，由于可以采用光源-光功率法測(cè)試，從而可以大幅度降低測(cè)試單元的成本，從而使本裝置的整體成本大幅度降低。4、本實(shí)用新型的氣體傳感裝置，通過(guò)選取合適長(zhǎng)度的夾持于變形齒間的具有聚酰亞胺涂層的信號(hào)光纖，或是夾持有一段信號(hào)光纖的由聚酰亞胺材料構(gòu)成的變形齒、或夾持有一段信號(hào)光纖的變形齒的表面鍍覆有聚酰亞胺材料層。在暴露于待測(cè)氣體中時(shí)，由于聚酰亞胺材料具有吸收空氣中水份而膨脹的性能，而待測(cè)腔中的待測(cè)氣體中含有水份在許多情況下會(huì)吸收部分紅外光波信號(hào)，造成參考腔的聲波壓力信號(hào)的降低，對(duì)測(cè)試結(jié)果造成誤差，通過(guò)具有聚酰亞胺涂層的信號(hào)光纖或具有聚酰亞胺材料的變形齒暴露于待測(cè)氣體中吸收其水份出現(xiàn)膨脹而造成信號(hào)光纖的一定彎曲以補(bǔ)償參考腔的聲波壓力信號(hào)的降低，從而對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了修正。綜上所述，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏度高、使用效果好，成本低等優(yōu)點(diǎn)，使得實(shí)用新型具有良好的應(yīng)用前景。下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施例1中曲線形殼體的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3中A處的局部剖視圖。圖5為實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為圖5的A-A剖視圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明1-延伸光纖；3-傳輸線；4-曲線型殼體；[0028]4-1-變形齒一；6-信號(hào)光纖；10-外部殼體；13-前置光學(xué)窗口；16-入口；19-補(bǔ)償腔；22-外柱形腔體；32-夾具；
4-2-變形齒二 ； 7-處理單元； 11-透鏡組； 14-待測(cè)氣體； 17-待測(cè)腔； 20-參考腔； 23-參考?xì)怏w；
40-波紋管型參考腔;
5-測(cè)試單元； 8-顯示單元； 12-紅外光源； 15-出口； 18-寬帶光學(xué)窗口 ； 21-內(nèi)柱形腔體； 30-螺絲； 42-管壁。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖1和2所示的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，包括外部殼體10以及設(shè)置在外部殼體10內(nèi)部左側(cè)的紅外光源12，所述外部殼體10內(nèi)部還設(shè)置有用于包含待測(cè)氣體14的待測(cè)腔17和用于包含參考?xì)怏w23的參考腔20，所述參考?xì)怏w23中至少有一種氣體與待測(cè)氣體14在紅外光源12所發(fā)出的紅外波段的光信號(hào)上具有相同的吸收波長(zhǎng)，所述待測(cè)腔17與參考腔20之間設(shè)置有寬帶光學(xué)窗口 18，所述參考腔20外部套設(shè)有補(bǔ)償腔19， 所述參考腔20的外壁上螺旋纏繞有曲線形殼體4，所述曲線形殼體4內(nèi)側(cè)相對(duì)的兩個(gè)面上分別設(shè)置有多個(gè)變形齒一 4-1和多個(gè)變形齒二 4-2，所述變形齒一 4-1與變形齒二 4-2之間呈交錯(cuò)對(duì)應(yīng)布設(shè)，所述變形齒一 4-1與變形齒二 4-2之間夾持有信號(hào)光纖6，所述信號(hào)光纖 6通過(guò)延長(zhǎng)光纖1連接測(cè)試單元5，所述測(cè)試單元5還連接處理單元7，所述處理單元7還連接顯示單元8，所述處理單元7還通過(guò)傳輸線3與紅外光源12相接。本實(shí)施例中，所述待測(cè)腔17上設(shè)置有用于接收待測(cè)氣體14的入口 16和用于排出待測(cè)氣體14的出口 15，所述入口 16和出口 15均與外部殼體10的外部相通。優(yōu)選的，所述紅外光源12與寬帶光學(xué)窗口 18之間設(shè)置有前置光學(xué)窗口 13，所述前置光學(xué)窗口 13安裝在待測(cè)腔17左側(cè)，所述前置光學(xué)窗口 13與紅外光源12之間設(shè)置有透鏡組11。其檢測(cè)過(guò)程是紅外光源12以脈沖形式發(fā)射的紅外波長(zhǎng)信號(hào)穿過(guò)前置光學(xué)窗口 13進(jìn)入待測(cè)腔17，在待測(cè)腔17中，待測(cè)氣體14對(duì)紅外波長(zhǎng)信號(hào)的部分能量進(jìn)行了吸收，然后紅外波長(zhǎng)信號(hào)繼續(xù)穿過(guò)寬帶光學(xué)窗口 18進(jìn)入?yún)⒖记?0，參考腔20中的參考?xì)怏w23又吸收了部分紅外波長(zhǎng)信號(hào)并出現(xiàn)膨脹，由于紅外波長(zhǎng)信號(hào)是脈沖信號(hào)，所以參考?xì)怏w23出現(xiàn)了波動(dòng)，并引起參考腔20的振動(dòng)。其中，參考?xì)怏w23吸收了部分紅外波長(zhǎng)信號(hào)的能量后溫度升高使參考腔20內(nèi)部的壓力增大，使得參考腔20的徑向圓周周長(zhǎng)增加，導(dǎo)致纏繞在參考腔20上的曲線型殼體4內(nèi)部的相對(duì)兩側(cè)的變形齒一 4-1與變形齒二 4-2之間的距離改變，這樣改變了夾持在相對(duì)兩側(cè)變形齒一 4-1與變形齒二 4-2之間的信號(hào)光纖6的彎曲曲率變化，測(cè)試單元5通過(guò)檢測(cè)信號(hào)光纖6內(nèi)部傳輸光信號(hào)功率的變化并獲取所述參考腔20 內(nèi)部壓力的變化，由處理單元7計(jì)算得到參考腔20準(zhǔn)確的聲壓力波值，由于待測(cè)氣體14在待測(cè)腔17中對(duì)紅外波長(zhǎng)信號(hào)的能量有一定的吸收，并且吸收的能量大小與待測(cè)氣體14的濃度有關(guān)，所以處理單元7計(jì)算得到聲壓力波值相對(duì)于初始狀態(tài)待測(cè)腔17中無(wú)待測(cè)氣體14 時(shí)的聲壓力波值會(huì)有減少，處理單元7根據(jù)該聲壓力波值會(huì)減少的量計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度。此處是用曲線型殼體4以及信號(hào)光纖6為主構(gòu)成的聲波檢測(cè)元件代替了公眾熟知的微音器元件，然后通過(guò)公眾所熟知的其余檢測(cè)流程獲取待測(cè)氣體的濃度。優(yōu)選的，所述寬帶光學(xué)窗口 18和前置光學(xué)窗口 13的表面上均鍍覆有光學(xué)濾波涂層，以降寬帶光學(xué)窗口 18和前置光學(xué)窗口 13透過(guò)的紅外波長(zhǎng)信號(hào)的波長(zhǎng)寬度，提高測(cè)試的準(zhǔn)確性。優(yōu)選的，所述信號(hào)光纖6兩端中至少有一端設(shè)置有光反射鏡。優(yōu)選的，所述信號(hào)光纖6有一段為具有聚酰亞胺涂層的信號(hào)光纖，且該段信號(hào)光纖暴露于待測(cè)氣體14中，或者是所述的夾持有一段信號(hào)光纖6的變形齒是由聚酰亞胺材料構(gòu)成，該段變形齒暴露于待測(cè)氣體14中；或所述夾持有信號(hào)光纖6的變形齒一 4-1和變形齒二 4-2均為聚酰亞胺變形齒或表面上鍍覆聚酰亞胺層的變形齒，且該段變形齒暴露于待測(cè)氣體14中。由于水分子對(duì)紅外波長(zhǎng)信號(hào)有一定的吸收，假如待測(cè)氣體14中包含有水分子，則會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成誤差，并且隨著水分子的增多，待測(cè)氣體14的濕度也越來(lái)越高， 對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響也會(huì)比較嚴(yán)重，通過(guò)選取合適長(zhǎng)度的夾持于變形齒間的具有聚酰亞胺涂層的信號(hào)光纖6，或是夾持有一段信號(hào)光纖6的由聚酰亞胺材料構(gòu)成的變形齒、或夾持有一段信號(hào)光纖6的變形齒的表面鍍覆有聚酰亞胺材料層，在暴露于待測(cè)氣體14中時(shí)，由于聚酰亞胺材料具有吸收空氣中水份而膨脹的性能，而待測(cè)腔17中的待測(cè)氣體14中含有水份在許多情況下會(huì)吸收部分紅外光波信號(hào)，造成參考腔20的聲波壓力信號(hào)的降低，對(duì)測(cè)試結(jié)果造成誤差，通過(guò)具有聚酰亞胺涂層的信號(hào)光纖6或具有聚酰亞胺材料的變形齒暴露于待測(cè)氣體14中吸收其水份出現(xiàn)膨脹而造成信號(hào)光纖6的一定彎曲以補(bǔ)償參考腔20的聲波壓力信號(hào)的降低，從而對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了修正。優(yōu)選的是在曲線形殼體4上設(shè)置有透氣孔，方便待測(cè)氣體14的擴(kuò)散和具有聚酰亞胺材料的部分接觸。實(shí)施例2如圖3和4所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是所述的參考腔20以及纏繞在參考腔外壁表面的曲線形殼體4是由一波紋管型參考腔40替代，在波紋管型參考腔40的管壁42的下凹處的相對(duì)兩個(gè)面上分別布設(shè)有變形齒一 4-1和變形齒二 4-2，變形齒一 4-1和變形齒二 4-2相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)，變形齒一 4-1和變形齒二 4-2對(duì)應(yīng)布設(shè)在信號(hào)光纖6的兩側(cè)， 信號(hào)光纖6通過(guò)延長(zhǎng)光纖1接測(cè)試單元5。本實(shí)施例中，其余部分的結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系和工作原理均與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3如圖5和6所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是所述的參考腔20是由一內(nèi)柱形腔體21和外柱形腔體22構(gòu)成，在內(nèi)柱形腔體21的外表面上沿縱向分布有多個(gè)溝槽，在內(nèi)柱形腔體21外表面上橫向纏繞有信號(hào)光纖6，信號(hào)光纖6夾持在內(nèi)柱形腔體21外表面上溝槽的溝壟與外柱形腔體22內(nèi)表面上的溝壟之間，信號(hào)光纖6通過(guò)延伸光纖1接測(cè)試單元 5。優(yōu)選的，所述的內(nèi)柱形腔體21外表面上橫向上分布有螺絲30，螺絲30位置處設(shè)置有夾具32，信號(hào)光纖6纏繞在螺絲30的齒谷中。本實(shí)施例中，其余部分的結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系和工作原理均與實(shí)施例1相同。以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何限制，凡是根據(jù)本實(shí)用新型技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于包括外部殼體(10)以及設(shè)置在外部殼體(10)內(nèi)部左側(cè)的紅外光源(12)，所述外部殼體(10)內(nèi)部還設(shè)置有用于包含待測(cè)氣體(14)的待測(cè)腔(17)和用于包含參考?xì)怏w的參考腔(20)，所述參考?xì)怏w03)中至少有一種氣體與待測(cè)氣體(14)在紅外光源(1 所發(fā)出的紅外波段的光信號(hào)上具有相同的吸收波長(zhǎng)，所述待測(cè)腔(17)與參考腔00)之間設(shè)置有寬帶光學(xué)窗口(18)，所述參考腔00)外部套設(shè)有補(bǔ)償腔(19)，所述參考腔OO)的外壁上螺旋纏繞有曲線形殼體G)， 所述曲線形殼體(4)內(nèi)側(cè)相對(duì)的兩個(gè)面上分別設(shè)置有多個(gè)變形齒一(4-1)和多個(gè)變形齒二 G-2)，所述變形齒一 G-1)與變形齒二(4- 之間呈交錯(cuò)對(duì)應(yīng)布設(shè)，所述變形齒一(4-1) 與變形齒二(4- 之間夾持有信號(hào)光纖(6)，所述信號(hào)光纖(6)通過(guò)延長(zhǎng)光纖(1)連接測(cè)試單元(5)，所述測(cè)試單元( 還連接處理單元(7)，所述處理單元(7)還連接顯示單元(8)， 所述處理單元(7)還通過(guò)傳輸線( 與紅外光源(1 相接。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述紅外光源(1 與寬帶光學(xué)窗口(18)之間設(shè)置有前置光學(xué)窗口(13)，所述前置光學(xué)窗口 (13)安裝在待測(cè)腔(17)左側(cè)，所述前置光學(xué)窗口(1 與紅外光源(1 之間設(shè)置有透鏡組 (11)。
3.按照權(quán)利要求2所述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述寬帶光學(xué)窗口(18)和前置光學(xué)窗口(1 的表面上均鍍覆有光學(xué)濾波涂層。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述待測(cè)腔(17)上設(shè)置有用于接收待測(cè)氣體(14)的入口(16)和用于排出待測(cè)氣體(14)的出口 (15)，所述入口 (16)和出口 (15)均與外部殼體(10)的外部相通。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述信號(hào)光纖(6)兩端中至少有一端設(shè)置有光反射鏡。
6.按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述信號(hào)光纖(6)有一段為具有聚酰亞胺涂層的信號(hào)光纖，且該段信號(hào)光纖暴露于待測(cè)氣體(14) 中。
7.按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述夾持有信號(hào)光纖(6)的變形齒一(4-1)和變形齒二(4- 均為聚酰亞胺變形齒或表面上鍍覆聚酰亞胺層的變形齒，且該段變形齒暴露于待測(cè)氣體(14)中。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，包括外部殼體以及設(shè)置在外部殼體內(nèi)部左側(cè)的紅外光源，外部殼體內(nèi)部還設(shè)置有待測(cè)腔和參考腔，待測(cè)腔與參考腔之間設(shè)置有寬帶光學(xué)窗口，參考腔的外壁上螺旋纏繞有曲線形殼體，曲線形殼體內(nèi)側(cè)相對(duì)的兩個(gè)面上分別設(shè)置有多個(gè)變形齒一和多個(gè)變形齒二，變形齒一與變形齒二之間呈交錯(cuò)對(duì)應(yīng)布設(shè)，變形齒一與變形齒二之間夾持有信號(hào)光纖，信號(hào)光纖連接測(cè)試單元，述測(cè)試單元還連接處理單元，處理單元還連接顯示單元，處理單元還與紅外光源接。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏度高，同時(shí)具有一定的抗電磁干擾能力，以及較好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01N21/17GK201974367SQ20102065938
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者杜兵 申請(qǐng)人:西安金和光學(xué)科技有限公司