宽谱光源红外气体传感器吸收腔制造技术

本发明专利技术属于矿井安全的防爆气体探测设备范围的一种宽谱光源红外气体传感器吸收腔。所述红外气体传感器的吸收腔由上凹球面反射镜和下凸球面反射镜组成，光源和探测器的放置位置为互为共轭位置，下凸球面反射镜、光源和探测器固定在支架上，上凹球面反射镜固定在传感器外壳上。本发明专利技术采用了准光学谐振腔设计，使光源与探测器经多次光路折叠后符合成像关系，使成像在探测器上的光束是弥散像，光束分布均匀，提高了光信号的信噪比。既缩小了吸收腔的体积，还提高了被测气体对光的吸收效果，达到了宽谱光源高灵敏度红外气体传感器对吸收腔的要求。

Absorption cavity of infrared gas sensor with wide spectrum light source

The invention relates to a wide spectrum light source infrared gas sensor absorption cavity, belonging to the explosion-proof gas detection device of the mine safety. The absorption cavity of the infrared gas sensor consists of a concave spherical mirror and convex spherical mirror, the position of the light source and the detector for mutual conjugate position, convex spherical reflector, the light source and the detector is fixed on the bracket, on the concave spherical mirror is fixed on the sensor housing. The invention adopts the design of quasi optical resonator, the light source and the detector imaging with repeated light path folding, the imaging beam on the detector is like dispersion, beam distribution, improve the optical signal-to-noise ratio. The utility model not only reduces the volume of the absorption cavity, but also improves the absorption effect of the measured gas on the light, thus achieving the requirement of the infrared absorption sensor of the wide spectrum light source and the high sensitivity infrared gas sensor.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于矿井安全的防爆气体探测设备范l书l，特别涉及一种宽 谱光源红外气体传感器吸收腔。
技术介绍
利用待测气体对红外光谱的吸收特性，来检测S标气体浓度的技 术近年来有很大的发展。红外气体检测技术通常应用在需要实时、高 精度监控目标气体浓度的场合。如上述煤矿井下各点瓦斯浓度的监 测，石化行业的炼油厂，输油管道的监控，天然气生产与输送管道等 需要监控泄漏的场合。但随着技术的发展，成本的降低以及人们对日 常生活环境质量要求的提高，会逐渐进入家庭监测房间有害气体的存 在及其浓度，还有交通工具匕空气环境质量的监测等。当前中国国内的煤矿釆用的绝大多数的探头是催化燃烧式的。 其缺点是因中毒现象造成误报或是失效，其可靠性差，标定时间周期短，标定成本高，工作中需在有氧环境下工作，不能检测100°/。LEL (最低爆炸极限)浓度。世界先进国家多采月j红外检测类的报警器，但所采用的某些技 术对中国的国情不适合，有的产品体积大，如general monitor's的报 警器，有些产品光能利用率不高，响应时间偏长等如City的CH4红外传感器。这些产品中几乎无一例外的是高成本，导致报警器价格昂 贵，难以普及。红外气体传感器至少包括一个红外辐射源、 一个采样吸收气室和 --个探测器。通过探测器的带通滤光片选择两个不同波长的光构可 以成差分探测,目标气体对一个波长的光吸收较大，光信号随目标气 体浓度增加而减小，目标气体对另一个波长的光基本没吸收,可用来 监视红外光强度变化的参考信号。对于这类气体传感器的关键是提高 高灵敏度，提高探测精确度，从而具有探测更低浓度的能力。同时对 传感器的便携化，微功耗，微体积及低成本也提出更高的要求。对于 提高检测灵敏度，可以增加光源与探测器间的物现距离，也就是增加 有效吸收光程，可以提高气室的采样精度提高灵敏度。但增加物理空 间尺寸会带来体积增大、需要的光能量加大的弊端。其次是利用多个探测器提高灵敏度，例如，US，7， 132， 657 B2， 通过多个探测器累加信号提高灵敏度，但各探测器的差异会对灵敏度 的提高有影响，最主要的关键是增加了成本与体积。第三是利用反射 使光在吸收室内多次通过气体，增加有效光学吸收长度。例如，在 US，6， 469， 303 Bl中，将吸收气室设计成非聚焦系统，利用光学 积分球概念，使吸收腔内光密度趋于一致，光强均匀，信号稳定性好， 不受光路偏移的影响，温度工作范围宽，生产工艺简单。但其缺点为 光能利用率低，光信号中信噪比低。或设计成聚焦类光学吸收腔，通 常以光源为物通过光学系统成像于接收器上，但此类吸收腔有效光程 不易做长，由于选择了成像， 一是光学调整复杂，二是对光路偏移影响较大，随工作环境的变化，其稳定性有所牺牲，但光能利用率很高。 本专利技术兼顾上述两类吸收腔的优点，通过独特的准光学谐振腔设 计，选用两片镀金球面镜，使光源与接收器经多次光路折叠后符合成 像关系，并将折叠次数少的光线泄露出吸收腔，而到达接收器的光线 基本满足等光程的要求，此举提高了光信号的信噪比。光能利用率也 有提高，成像在接收器上的光是弥散像，使接收器上的光分布均匀， 减小了光路偏移对系统稳定性的影响。对光路调整与生产工艺没有特 殊要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的吸收腔探测灵敏度和光能利用 率低的不足而提供一种宽谱光源红外气体传感器吸收腔，其特征在 于，所述红外气体传感器的吸收腔由上凹球面反射镜和下凸球面反射 镜组成，光源和红外探测器固定在下凸球面反射镜--侧或分别固定在 上凹球面反射镜和下凸球面反射镜反射面侧，并固定在支架上，上凹 球面反射镜固定在传感器外壳上，光源发出的光束，在上凹球面反射 镜和下凸球面反射镜之间来回反射，光束在两球而反射镜之间多次反射后，使光源与红外探测器经多次光路折叠后符合成像关系；该光束 进入探测器的接收面，形成探测器在以光源为物的光学系统共轭成像 的位置，或将红外探测器设覽在光路上离焦位置上，由此提高光信号 的信噪比及提高探测数据的稳定性及测量精度， 所述吸收腔设计为准光学谐振腔。所述上凹球面反射镜和下凸球面反射镜为高反射率的反射镜。所述光源和红外探测器的电极都连接到电路板上。 所述红外探测器和光源为使多次反射的光束准确进入红外探测器，二者放置在为互为共^^的位置上，使光源与探测器经多次光路折叠后符合成像关系。所述传感器外壳上部有均匀分布的通气孔，使吸收腔内外的气体能实时交换。本专利技术的有益效果是为解决吸收腔内光能利用率低而设计了一 种新的独特的准光学谐振腔，选用髙反射率的球面反射镜，使光源与 探测器经多次光路折叠后符合成像关系，并将折叠次数少的光束泄露 出吸收腔，成像在探测器上的光束是弥散像，使探测器上的光束分布 均匀，此举增加光朿传输路程，使吸收腔内光路折叠多次，光被充分 吸收，縮小了吸收腔的体枳，提高了光信号的信噪比，提高了被测气 体对光的吸收效果。附图说明图1为实施例1传感器吸收腔结构示意图。图2为实施例1吸收腔光路原理图。图3为实施例2传感器吸收腔结构示意图。图4为实施例2吸收腔光路原理图。具体实施例方式本专利技术提供一种宽谱光源红外气体传感器吸收腔。下面结合附 图对本专利技术予以说明。在图1所示为实施例1传感器结构示意图中， 吸收腔由下凸球面反射敏1和上凹球面反射镜2组成，光源3与红外探测器探测器4位于下凸球面反射镜1一侧，下凸球面反射镜l、光 源3和红外探测器4固定在支架8上，支架8固定在底座10上，上 凹球面反射镜2固定在传感器外壳6上部，形成准光学谐振腔，因此， 从光源3发出的光束，在上凹球面反射镜2和下凸球面反射镜1来回 反射，光束在两球面反射镜之间多次反射后，使光源3与红外探测器 4经多次光路折叠后符合成像关系；该光束进入探测器4的接收面， 形成探测器在以光源为物的光学系统共轭成像的位置，或将红外探测 器设置在光路上离焦位置上，由此提高光信号的倍噪比及提高探测数 据的稳定性及测量精度，使光源像的明暗分布不至影响光束在红外探 测器4上的均匀性，(如图2所示的吸收腔光路原理图所示)。红外探 测器4将接收到光信号转换为电信号传感器的顶盖11安装在传感器外壳6上，传感器外壳6安装在 底座10上。上凹球面反射镜2和下凸球面反射镜1选用高反射率的 球面反射镜，其反射面镀金或不镀金或其他反射脱都可以。红外光窗 片5安装在红外探测器4的受光口上，阻隔被测气体通向红外探测器 4，避免影响测量精度。光源3和红外探测器4的电极都连接到电路 板9上，电路板9安装在底座10上。红外探测器4为两个红外光电 元件， 一个输出参考信号，另一个输出目标气体的测量信号。传感器 外壳6上部的圆周上、顶盖匕或圆周上与顶盖上冇均匀分布的通气孔 7，使吸收腔内外的气体能实时交换。红外探测器4可以选用型号为 Infra LIM122的红外传感器或釆用其他高灵敏度红外传感器。光源3 选用脉冲调制的细钨丝灯或其他升降温速度快的光源，产生周期性红外光，光源升降温速度快，使检査速度大大提高。均匀分布传感器的通气孔7，使气体能在气体吸收腔内部形成对流，因此提高了传感器 的反应速度。图3为实施例2传感器结构示意图。结构与上述实施例1基本相 同，原理一样，所不同的是光源3置于上凹球面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽谱光源红外气体传感器吸收腔，其特征在于，所述红外气体传感器的吸收腔由上凹球面反射镜和下凸球面反射镜组成，光源和红外探测器固定在下凸球面反射镜一侧或分别固定在上凹球面反射镜和下凸球面反射镜反射面侧，并固定在支架上，上凹球面反射镜固定在传感器外壳上，所述光源发出的光束在上凹球面反射镜反射面和下凸球面反射镜的反射面来回反射，该光束在两球面反射镜之间多次反射后，多次反射的光束准确进入红外探测器，使光源与红外探测器经多次光路折叠后符合成像关系；二者放置在为互为共轭的位置上，红外探测器将接收到光信号转换为电信号输出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明彻，
申请(专利权)人：北京市加华博来科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]