專利名稱：長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非色散紅外甲烷傳感器，具體是一種長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器。
背景技術(shù)：
目前，通過在地面上檢測城市天然氣泄露的直接檢測法，無需開挖覆土，是使用最為廣泛的一種方法。由于城市天然氣管道一般掩埋在地下2 : 深處，泄露的天然氣擴(kuò)散至地表時濃度已經(jīng)很低。因此，直接檢測法要求使用的氣體檢測器具有很低的濃度測量下限。天然氣的主要成分是甲烷(CH4),低濃度的甲烷檢測器即可用來檢測天然氣管線的泄露。常用的甲烷氣體傳感器，如催化燃燒式、金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)氣敏電阻式的甲烷氣體傳感器，不能準(zhǔn)確的測量IOppm以下濃度的甲烷；基于光電原理的甲烷傳感器， 一類基于可調(diào)波長激光吸收光譜原理(TDLAS)，其測量下限可達(dá)lppm-m，但是，這類傳感器采用的可調(diào)波長激光器的價格昂貴，限制了其廣泛應(yīng)用；另一類基于非色散紅外吸收原理， 通常采用紅外光傳感器，如電熱堆、熱釋電等，元器件成本低，但此類中較好的產(chǎn)品分辨率為IOOppm 500ppm，測量下限較高。如果天然氣管線的泄露情況不嚴(yán)重，傳感器即檢測不出來，由此造成能源損失和環(huán)境污染，且存在火災(zāi)和爆炸等惡性事故的隱患。非色散紅外吸收式的熱釋電探測器的甲烷傳感器具有穩(wěn)定度高、精度高、響應(yīng)快、 成本低的優(yōu)點(diǎn)，為此有必要設(shè)計(jì)一種針對低濃度的甲烷，在常規(guī)便攜式傳感器允許的功耗和體積內(nèi)，具有更大的信號強(qiáng)度及更低的測量下限的甲烷傳感器。利用非色散紅外吸收光譜的方法測量氣體濃度的基本原理是比爾定律 /(i) = /0(^)e-a(J)a (1)
其中m為透射光強(qiáng)，IMi為入射光強(qiáng)，α(Λ)為分子吸收系數(shù)C為氣體濃度，ι為吸
收光程。由(1)式可知，吸收光程/越長，透射光強(qiáng)代為變化越大，越有利于氣體的檢測。將 (1)式微分得到
dl (I) = —α(Λ)Π0、adC(2)
可以看出，當(dāng)I固定時，透射光強(qiáng)的變化也⑷正比于4⑶。4(. 可以近似地看成是
沒有待測氣體時光探測器接收的光強(qiáng)，hW越大，因氣體濃度變化引起的越大，越有利于氣體的檢測。由上述原理性的分析可以看出，在設(shè)計(jì)非色散紅外氣體傳感器時，從獲取最大信號的角度考慮，應(yīng)在傳感器具體應(yīng)用場合允許的范圍內(nèi)，盡量增大光強(qiáng)AW)和吸收光程/。增大光強(qiáng)的常用方法之一，是將光源和探測器置于一個球面反射鏡的一側(cè)，使光源發(fā)出的光會聚到探測器的光接收窗口(參考中國專利“雙光源雙敏感元件紅外多氣體檢
3測傳感器”，申請?zhí)?00710120069. 8)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，一是球面鏡使光會聚使入射光強(qiáng)大幅提高；二是其反射光路使吸收光程加倍。不過，這種結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用時也存在著不利方面，當(dāng)傳感器受震動或環(huán)境溫度劇烈變化時，球面鏡，光源和探測器之間相對位置的變化可能會大幅度影響入射光強(qiáng)，從而影響檢測氣體濃度的一致性。而且，光在探測器光接收窗口上聚焦光斑越小，入射光強(qiáng)因相對位置變化而引起的改變也越大。如需較長的吸收光程，較經(jīng)濟(jì)的方法是采用直管型氣室。北京航空航天大學(xué)申請的實(shí)用新型專利“新型紅外二氧化碳分析儀”(專利號ZL95215459.5)，該分析儀把光源和探測器分別置于內(nèi)徑8mm，長度30mm 的直管兩端，并給光源配裝球面反射鏡以增加光強(qiáng)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于加工安裝，光強(qiáng)受震動的影響小。不過，與反射型光路相比，此結(jié)構(gòu)的吸收光程對空間的利用效率略顯不足。目前非色散紅外氣體傳感器增加光程的研發(fā)思路，多是通過在較小體積內(nèi)的精巧結(jié)構(gòu)來增加光程。例如‘Π’型折疊光路(專利一種側(cè)壁進(jìn)/出氣的紅外氣體傳感器，申請?zhí)?01010M06M. 5)；相對球面反射鏡光路(專利高效小體積紅外氣體傳感器， 申請?zhí)?00810113178. 1)；阿基米德螺旋形光路(專利高分辨率紅外氣體傳感器，申請?zhí)?201010131273. 1)等。這雖然迎合人們對傳感器“輕薄短小”的喜好，但由于小體積內(nèi)能容納的光程較小，其傳感器適合較高濃度的氣體檢測，不是針對很低濃度氣體(如IOOppm以下甲烷)檢測的用途。另外，光在復(fù)雜光路內(nèi)往往要經(jīng)過多次反射，而每次反射光強(qiáng)都會有一定衰減。因此，小體積復(fù)雜光路的實(shí)質(zhì)是通過犧牲光的利用效率來達(dá)到縮小體積和增加光程的目的，換句話說，單純放大現(xiàn)有多數(shù)非色散紅外氣體傳感器的體積來大幅度增加光程的方法，不能達(dá)到較合理的光強(qiáng)的利用效率。需要有新的紅外氣體傳感器的結(jié)構(gòu)以應(yīng)對長光程的特殊應(yīng)用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的非色散紅外甲烷傳感器只能測量較高濃度OlOOppm)的甲烷氣體的問題，提供了一種針對低濃度甲烷氣體測量的長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器， 包括由紅外光源和球面反射鏡構(gòu)成的紅外發(fā)射器、設(shè)有信號及參比窗口的熱釋電甲烷探測器、以及直管氣室；直管氣室的兩端分別蓋封有探測器固定接頭和平面反射鏡接頭；直管氣室兩端側(cè)壁各設(shè)有一個通氣孔；所述熱釋電甲烷探測器和紅外發(fā)射器安裝于探測器固定接頭上；緊貼平面反射鏡接頭內(nèi)側(cè)設(shè)有鐵質(zhì)平面反射鏡；平面反射鏡接頭外側(cè)端面開有凹槽；所述凹槽內(nèi)設(shè)有圓片小磁鐵；平面反射鏡接頭上部開有通孔，穿過通孔從外向內(nèi)旋置有調(diào)節(jié)螺釘。使用時，紅外光源設(shè)于球面反射鏡的球形凹面焦點(diǎn)，將散射的紅外光反射到球面反射鏡上，使得出射的平行光強(qiáng)最大。平面反射鏡的設(shè)計(jì)使得光路成反射式，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是紅外輻射能夠兩次穿過被測氣體，增大了吸收光程。由于平面反射鏡接頭上的凹槽內(nèi)設(shè)有圓片小磁鐵，可將鐵質(zhì)的平面反射鏡緊緊吸附于平面反射鏡接頭內(nèi)側(cè)。具體使用前，可根據(jù)直管氣室的長度，通過旋轉(zhuǎn)平面反射鏡接頭以及調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘?shù)穆輻U露在平面反射鏡接頭內(nèi)表面外的長度，調(diào)整平面反射鏡的最佳傾角，使得熱釋電甲烷探測器接收到的光強(qiáng)最大。采用圓片小磁鐵固定平面反射鏡的方式，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，避免了在直徑較小的氣室內(nèi)設(shè)計(jì)過度復(fù)雜的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。具體使用時，紅外光源與電源電路連接，熱釋電甲烷探測器作為傳感器裝置的輸出端連接信號處理電路的輸入端，直管氣室的通氣孔連接于采樣氣泵。使用時，采用外配的采樣氣泵送氣的方式將含有甲烷的氣體送入直管氣室，甲烷氣體被紅外光源吸收，并被熱釋電甲烷探測器探測，探測到的信號傳輸?shù)叫盘柼幚黼娐返妮斎攵?。本發(fā)明與多數(shù)現(xiàn)有紅外氣體傳感器相比，其突出的特點(diǎn)是大幅度增加了吸收光程，同時由于對氣室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，初步試驗(yàn)顯示光源的功耗并不需要明顯增加。 其有效吸收光程比多數(shù)現(xiàn)有紅外氣體傳感器的大一個數(shù)量級，從而測量濃度下限也相應(yīng)地下降一個數(shù)量級?；诖?，本發(fā)明解決了現(xiàn)有的非色散紅外甲烷傳感器只能測量較高濃度 OlOOppm)的甲烷氣體的問題。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所述的探測器固定接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所述的平面反射鏡接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-紅外光源，2-球面反射鏡，3-探測器固定接頭，4-熱釋電甲烷探測器， 5-信號及參比窗口，6-平面反射鏡，7-調(diào)節(jié)螺釘，8-平面反射鏡接頭，9-圓片小磁鐵， 10-通氣孔，11-直管氣室。
具體實(shí)施例方式長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器，包括由紅外光源1和球面反射鏡2構(gòu)成的紅外發(fā)射器、設(shè)有信號及參比窗口 5的熱釋電甲烷探測器4、以及直管氣室11 ；直管氣室11的兩端分別蓋封有探測器固定接頭3和平面反射鏡接頭8 ；直管氣室11兩端側(cè)壁各設(shè)有一個通氣孔10 ；所述熱釋電甲烷探測器4和紅外發(fā)射器安裝于探測器固定接頭3上； 緊貼平面反射鏡接頭8內(nèi)側(cè)設(shè)有鐵質(zhì)平面反射鏡6 ；平面反射鏡接頭8外側(cè)端面開有凹槽； 所述凹槽內(nèi)設(shè)有圓片小磁鐵9 ；平面反射鏡接頭8上部開有通孔，穿過通孔從外向內(nèi)旋置有調(diào)節(jié)螺釘7 ；
紅外發(fā)射器安裝于熱釋電甲烷探測器4的前上方，且紅外發(fā)射器的下側(cè)邊緣與熱釋電甲烷探測器4的上側(cè)邊緣緊貼；采用上述結(jié)構(gòu)使得直管氣室的內(nèi)徑減小，從而使到達(dá)熱釋電甲烷探測器的光強(qiáng)最大，提高了光的利用率；
所述直管氣室11為內(nèi)壁拋光鍍金的銅質(zhì)直管或不銹鋼質(zhì)直管； 所述平面反射鏡6為經(jīng)拋光和鍍金的圓形鐵質(zhì)的金屬薄片，有利于提高光的利用效
率；
所述熱釋電甲烷探測器4選用設(shè)有“參比”和“信號”的兩個信號窗口的產(chǎn)品。“參比” 信號可用于校正光源光強(qiáng)波動對“信號”信號的影響，減小誤差來源，提高測量精度；
具體實(shí)施時，球面反射鏡2的球形凹面為鍍金的球形凹面，調(diào)節(jié)螺釘7螺桿的長度應(yīng)大于平面反射鏡接頭8的厚度。具體制造時，根據(jù)測量精度的要求，增長或縮小直管氣室11的長度；此傳感器的
5結(jié)構(gòu)可通過改變光源，探測元件以及直管氣室11的長度，測量不同的氣體。
下面結(jié)合具體實(shí)施例來說明長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器的結(jié)構(gòu)紅外光源1為Φ1 2mm的小燈泡(例如PerkinElmer公司的^L715)，直管氣室11內(nèi)徑為 Φ 12mm，長15 20cm，直管氣室11距離兩端1. 5cm側(cè)壁各設(shè)有Φ 3mm的通氣孔10，平面反射鏡接頭8外側(cè)端面的凹槽為Φ5πιπιΧ深2mm，凹槽內(nèi)相應(yīng)地放置Φ5πιπιΧ高2mm的圓片小磁鐵9。
權(quán)利要求
1.一種長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器，包括由紅外光源(1)和球面反射鏡 (2)構(gòu)成的紅外發(fā)射器、設(shè)有信號及參比窗口(5)的熱釋電甲烷探測器(4)、以及直管氣室 (11)；其特征在于直管氣室(11)的兩端分別蓋封有探測器固定接頭(3)和平面反射鏡接頭(8);直管氣室(11)兩端側(cè)壁各設(shè)有一個通氣孔(10);所述熱釋電甲烷探測器(4)和紅外發(fā)射器安裝于探測器固定接頭(3)上；緊貼平面反射鏡接頭(8)內(nèi)側(cè)設(shè)有鐵質(zhì)平面反射鏡 (6)；平面反射鏡接頭(8)外側(cè)端面開有凹槽；所述凹槽內(nèi)設(shè)有圓片小磁鐵(9)；平面反射鏡接頭(8)上部開有通孔，穿過通孔從外向內(nèi)旋置有調(diào)節(jié)螺釘(J)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器，其特征在于紅外發(fā)射器安裝于熱釋電甲烷探測器(4)的前上方，且紅外發(fā)射器的下側(cè)邊緣與熱釋電甲烷探測器(4)的上側(cè)邊緣緊貼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器，其特征在于 所述直管氣室(11)為內(nèi)壁拋光鍍金的銅質(zhì)直管或不銹鋼質(zhì)直管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器，其特征在于 所述平面反射鏡(6)為經(jīng)拋光和鍍金的圓形鐵質(zhì)的金屬薄片。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器，其特征在于所述平面反射鏡(6)為經(jīng)拋光和鍍金的圓形鐵質(zhì)的金屬薄片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器，其特征在于所述熱釋電甲烷探測器(4)選用設(shè)有“參比”和“信號”的兩個信號窗口的產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非色散紅外甲烷傳感器，具體是一種長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的非色散紅外甲烷傳感器只能測量較高濃度(>100ppm)的甲烷氣體的問題。長光程及光強(qiáng)可調(diào)型紅外甲烷氣體傳感器，包括由紅外光源和球面反射鏡構(gòu)成的紅外發(fā)射器、設(shè)有信號及參比窗口的熱釋電甲烷探測器、以及直管氣室；直管氣室的兩端分別蓋封有探測器固定接頭和平面反射鏡接頭；直管氣室兩端側(cè)壁各設(shè)有一個通氣孔。本發(fā)明與多數(shù)現(xiàn)有紅外氣體傳感器相比，其突出的特點(diǎn)是大幅度增加了吸收光程，同時由于對氣室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，初步試驗(yàn)顯示光源的功耗并不需要明顯增加。
文檔編號G01N21/35GK102507494SQ20111034150
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者朱子鵬 申請人:太原理工大學(xué)