一種礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器的制作方法

專利名稱：一種礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及紅外氣體探測器，具體涉及一種礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器。
背景技術：
基于非分光紅外(NDIR)技術原理的紅外氣體傳感器廣泛應用于氣體分析的各個領域，為改變煤礦井下安全監測系統一直使用需頻繁校對的催化瓦斯傳感器的現狀，越來越多的研究機構相繼開發出用于煤礦井下的基于NDIR原理的紅外氣體傳感器，表明用更為先進的紅外氣體傳感器來替代長期以來一直在煤礦使用的催化瓦斯傳感器已經成為發展趨勢。
盡管基于NDIR技術的紅外氣體傳感器在上世紀90年代初就引入我國煤礦試用，但經過了 20多年，紅外氣體傳感器仍然未能在煤礦廣泛普及推廣使用，主要原因之一是行業內一直沒有既適應于煤礦井下惡劣環境，同時又具有較高性價比，并且能充分體現紅外傳感器優越性的產品。將現有的廣泛應用于實驗室的紅外氣體傳感器應用于煤礦井下，需要解決的重要問題是傳感器必須適應煤礦井下的惡劣工作環境。這個問題如果不能很好得到解決，紅外氣體傳感器在實驗室環境中具有的優勢將會被煤礦井下惡劣環境所導致的劣勢所取代。紅外氣體傳感器屬于光學傳感器，與可見光光學系統類似，塵埃是光學系統的最大克星。煤礦井下特別是采煤工作面的工作環境相對于實驗室潔凈的環境而言，發生了本質的變化。在煤礦井下，紅外氣體傳感器如果不解決較小尺寸空間與較高的紅外光吸收量要求的矛盾、快速響應與高質量防塵的矛盾、潮濕水汽影響與低功耗要求的矛盾、高性能與低價格要求的矛盾、環境溫度變化與傳感器穩定度要求的矛盾，紅外氣體傳感器在煤礦井下使用就毫無優勢可言。針對以上問題，不少研究機構都提出了各自的應對辦法。為解決潮濕水汽影響問題，中國專利CN101825566A在微小的傳感器內增加加熱以及恒溫裝置，使探測器工作于一個較高的、溫度相對穩定的條件下，使水汽不至于凝結。中國專利200720307032. I通過在光學腔體內設置保溫隔熱材料，使腔體內的溫度比外環境高3°C左右，讓水汽不在腔體內凝結。中國專利200710062967. 2通過設置微孔直徑在O. 2至3微米的疏水性微孔過濾膜來阻礙水汽進入光學氣室。為克服煤塵污染的影響，中國專利200710063467. O、200710062967. 2、200710062968. 7、200720103593. X均通過設置微孔納米過濾膜，讓氣體通過的同時阻礙塵
埃通過。為了克服溫度變化導致的紅外光源光強以及紅外探測器的輸出變化，中國專利200620098454. 8分別在紅外發射組件與紅外接收組件中安置微型加熱器使發射光源和紅外探頭處于恒溫狀態。中國專利 200720307032. 1,200710063467. 0,200720188521. X、200620111569. 6均通過增設溫度傳感器來校準傳感器濃度。
為解決與小空間與較大紅外光吸收量要求的矛盾，歐洲專利EP1509759B、中國專利200710063467. O、200710062967. 2均采用了橢球方式，利用由空心橢球一個焦點發出的光線經橢球內表面反射后會匯聚于另一焦點的特性來延長光程；中國專利200810113176. 2,200810113178. I均采用兩片鍍金球面鏡使光源經多次反射才到達接收器，在延長了光程的同時還具有使到達接收器的光線基本滿足等光程的特性，使接收器上的光分布均勻，提高了光信號的信噪比；中國專利CN101825566A用鍍金的阿基米德螺旋槽光路來延長光程；中國專利200720307032. I通過一個不封口的e型結構來延長光程；中國專利200910105832. 9通過在氣室內設置表面鍍金的斜面槽型反射面來延長光程。以上專利技術在一定程度上解決了紅外氣體傳感器應用于煤礦井下所面臨的問題。遺憾的是，往往在解決了一個問題的同時又導致了新問題的產生。為了解決小空間與較大紅外光吸收量的矛盾，所有開發用于煤礦的紅外氣體傳感器均采用了氣室內壁采用極高加工精度和光潔度并鍍金作為反射面的辦法來延長光程。這樣做的結果又導致了三個問題需要解決。其一是現有設計用于煤礦的紅外氣體傳感器的探頭均采用直徑小于30毫 米，高小于40毫米的圓柱體結構。探頭的進氣通道多為圓柱體頂(底)部的進氣窗口，進氣窗口的直徑小于30毫米，防潮防塵主要依賴孔隙在200-3000納米的微孔疏水過濾膜來實現。過濾膜面積通常小于800_2，在煤礦井下，特別是在采掘工作面，潮濕煤塵的濃度非常高，面積很小的過濾膜易于被潮濕的煤塵堆積封堵，導致傳感器的響應時間大幅度延長；其次，由于利用微小氣室內的曲面作為反射鏡來多次反射紅外光，以達到延長光程的目的，需要對氣室內形狀復雜的曲面進行高精度、高光潔度的磨削、拋光加工并鍍以對紅外光有較高反射率的貴金屬——金形成反射面，這就導致了氣室成本大幅度上升，進一步加大了低價格與高性能的矛盾；第三，盡管在理論上過濾膜的孔隙很小，塵埃無法進入，但實際使用過程中，顆粒尺度低于微米級的煤塵塵埃仍然會進入到氣室并附著在反射內壁上，致使紅外光的反射率大幅度下降，氣室內壁的反射率下降到一定程度后，傳感器就無法繼續工作，導致實際工作壽命遠遠小于預定壽命。為了說明本發明的基本原理，有必要對現有技術中所應用的蘭博-比爾定律的假設前提條件做簡要介紹。NDIR紅外氣體傳感器的基本工作原理是蘭博-比爾定律。該定律表述為當一束平行單色光通過均勻的非散射樣品時，樣品對光的吸光度與樣品的濃度及厚度成正比。數學表達式為1/10= exp-ECL。式中
10:入射光強(平行單色光)。I :透射光強(被吸光物質吸收后的光強)。E :吸光系數(氣體分析時常用百分吸光系數。指在一定波長時，濃度為1%賺)、厚度為Icm時的吸光度)。L 吸光物質厚度(光程)。C :吸光物質濃度。以上數學表達式推導的前提是吸光物質的單位截面積在光程內是一個不變的常量，也就是說，入射光強位置的截面積與透射光強位置的截面積是相等的，在此情況下，吸光物質的單位截面積dS、光程L、和體積V有如下關系dS=V/L,
根據吸光物質濃度的定義，吸光物質濃度(C)的物理意義是單位體積(V)內的吸光質點(原子、離子或分子)數U)，
即C=n/V。由以上關系，得到光在空間傳播時，在某一波平面單位截面上的吸光質點(原子、離子或分子)數取決于吸光物質的濃度和厚度(也稱光程) η/dS = VC/(V/L) = LC0在其數學表達式I/I0=exp_Ea的顯式中，僅僅包含了光程L、入射光強10、透射光強I、濃度C以及吸光系數E等參數，并不包含面積S參數，給人的感覺就是濃度僅僅與光強的變化、吸光物質的吸光系數以及光程有關，而與面積無關。這就是現有技術在微小空間中通過多次反射來延長光程以提高吸收光線質點數的主要理論依據。采用延長光程的方式來提高吸收光線質點數的辦法帶來的弊端除了需要極高的加工高精度和光潔度來加工光學通道，同時，還需涂鍍貴金屬金形成反射率較高的光學反射面，這樣，將導致氣室的成本高昂；此外，還由于當發射功率一定時，光程的增長將導致光強信號以幾何級數的數量級衰減，多次反射后，將引起探測器信噪比迅速下降；更重要的是由于探測器光敏元的尺寸通常都很小，一般約為I X 2_2，意味著僅僅有2_2截面積乘以光程這樣一個體積內的質點能對光的吸收做出貢獻，敏感元面積以外的其它體積內的質點所產生的吸收由于不被探測器接收，而被白白浪費掉了。氣室空間越大，無效吸收質點越多，效率越低。增加光程可以理解為用光敏元面積乘以光程這樣一個體積單位的串聯方式來增加吸收光線的有效氣體質點數。如果采用截面積不相同的設計，以類似于并聯的方式讓氣室空間內所有吸收光線的氣體質點均對探測器的輸出產生貢獻，是否同樣可以在不增加光程的情況下達到增加吸收光線的有效氣體質點數的目的呢。根據幾何光學光強定律
I1ClS1=I2ClS20式中，I1為光線在單位截面ClS1處的光強，I2為光線在單位截面dS2處的光強。幾何光學光強定律表明，IdS沿著一個光線管保持不變。dS面元減小，I光強必然增大。dS面元相同時，光強不變。這表明，具體討論光源的光強時，是與光線在空間傳播過程中某一波平面上的面積密切相關的。在推導蘭博-比爾定律時，假設條件是光線是平行傳播并且入射光強位置處的面積與透射光強位置處的面積是相等的，因而得出濃度僅僅與厚度、光強的變化有關的結論。當光線不是平行光，入射光強處的面積與透射光強處的面積不相等的情況下，濃度不僅與厚度有關，同時與面積也有關。采用截面不相同的設計，可以達到在不增加光程的情況下達到增加吸收光線的有效氣體質點數的目的。通過一個簡單試驗可以證明這一點，用平面反射鏡把陽光反射到光電探測器上，探測器輸出的光信號強度與陽光直射探測器的強度基本相近，其接近程度取決于反射鏡的反射率，在此情況下，不論陽光多強，探測器都不會被燒毀，其原因是探測器的光敏元面積很小，對光敏元起作用的僅僅是敏感元面積范圍內的光線，敏感元面積以外的光線，并不對探測器產生貢獻，這類似于采用反射來延長光程；而用一大直徑的聚焦透鏡將陽光匯聚于探測器時，探測器會因光強太強而被燒毀。顯然，這是由于透鏡面積范圍內的光線共同作用于探測器光敏元上所造成的結果。

發明內容
針對以上現有技術存在的問題，本發明的目的是提供一種礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器，可實現不通過延長光程來達到延長光程方法所要達到的目標，可用低成本實現在較小空間獲得較高的紅外光吸收量，延長傳感器的壽命，可有效阻礙塵埃和潮濕水汽，還能使傳感器的響應時間大幅度縮短，進一步保障了煤礦生產的安全。本發明所采用的技術方案是光學氣室為圓周表面均勻分布通氣孔的套疊在一起的內管和外管，在內管和外管的環形孔腔設置有疏水型折疊過濾芯，光學氣室的一端的端面連接密封的平行廣譜光發射單元的腔體，另一端的端面連接密封的光匯聚探測器單元的腔體，探測器單元的光敏元將光強信號轉變為電信號并經放大后，通過數據線連接至信號處理電路。 廣譜光發射單元的結構是在一端封閉的發射單元腔體內裝入反光罩，反光罩的焦點設置廣譜光源，反光罩前端口封閉準直透鏡，廣譜光源同時位于準直透鏡的焦點上，發射單元腔體的前端帶有與光學氣室連接的螺紋；探測器單元的結構是在一端封閉的探測器單元腔體內依次裝入紅外探測器光敏元和匯聚透鏡，光敏元位于匯聚透鏡的焦點上且被匯聚透鏡密封于探測器單元腔體內。 在廣譜光發射單元中，廣譜光源發射驅動電路板與發射光源電路板定位塊緊密粘結，并將廣譜光源焊接于廣譜光源發射驅動電路板上，發射光源電路板定位塊與反光罩螺紋連接或粘結，反光罩卡在發射單元腔體內的臺階卡口上，由橡膠墊圈和反光罩壓緊環固定，準直透鏡由橡膠墊圈和透鏡壓緊環固定于發射單元腔體內；在探測器單元中，光敏元焊接于其前端的放大器電路板上，放大器電路板又被電路板壓緊環固定在探測器單元腔體內壁，匯聚透鏡通過兩側的橡膠墊圈和匯聚透鏡壓緊環固定于探測器單元腔體內壁。本發明所述的信號處理電路包括了公知的電源電路、信號控制處理器、振蕩電路、LED顯示和驅動電路、IXD顯示和驅動電路、聲光報警輸出電路、溫度監測電路、非易失存儲電路、信號輸出電路。所述的廣譜光發射單元和探測器單元中采用的透鏡由可以透過3飛微米波長紅外光的材料制成，例如硒化鋅、氟化鈣、聚乙烯。所述透鏡為球面透鏡或非球面透鏡或菲涅爾透鏡。本發明內容的實質特點就是讓光學氣室內盡可能多的吸光質點都作用于探測器的敏感元上，這樣即可在較小的空間內不通過增加光程而增加有效吸光質點數。本發明由于完全不依賴反射，因此不會產生完全依賴反射來延長光程結構的傳感器所遇到的反射面被污染后傳感器很快失效的故障；與傳統的基于多次反射來增加光程的辦法需要高光潔度、高精度并涂鍍昂貴的金反射膜結構的高成本光學腔體制造工藝相比較，在本發明中起匯聚作用的鏡片制造工藝成熟，大批量生產后可大幅度降低制造成本，隨著材料、設計和加工技術的不斷進步，新型材料和非球面或菲涅爾結構的透鏡可以實現低成本的大直徑和大面積匯聚，從而可進一步提高光強和降低發射光源的功耗，用低成本實現在較小空間獲得較高的紅外光吸收量；由于探測器和光源均為封閉結構，即使鏡片被污染后，也可以通過搽拭和清洗很快恢復其功能，大大延長傳感器的壽命；由于發射和接收單元均為封閉結構，潮濕水汽并不會進入到發射光源單元和紅外探測器單元內，不會對探測器的輸出信號產生影響；由于氣室內外管之間的折疊過濾芯具有比現有結構的過濾膜大I個數量級的比表面積，在有效阻礙塵埃和潮濕水汽的同時，還能使傳感器的響應時間大幅度縮短，進一步保障了煤礦生產的安全。


圖I為高光源利用效率的紅外氣體傳感器的結構示意 圖2為廣譜光發射單元結構 圖3為探測器單元結構圖； 圖4為信號處理電路框圖。圖中探測器單元I、廣譜光發射單元2、內管3、過濾芯4、外管5、通氣孔6、發射單元腔體201、反光罩202、發射光源電路板定位塊203、廣譜光源發射驅動電路板204、廣譜光源205、橡膠墊圈206、反光罩壓緊環207、準直透鏡208、透鏡壓緊環209、探測器單元腔體101、放大器電路板102、光敏元103、電路板壓緊環104、匯聚透鏡105、橡膠墊圈106、匯聚透鏡壓緊環107。
具體實施例方式下面將結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步的說明。如圖I所示，本發明所述的傳感器包括探測器單元I、廣譜光發射單元2、內管3、過濾芯4和外管5，由廣譜光發射單元I發出的光譜光經過由內管3、過濾芯4和外管5組成的光學氣室到達探測器單元1，在內管3和外管5的圓周表面均勻分布通氣孔6。參見圖2，廣譜光發射單元2包括發射單元腔體201、反光罩202、發射光源電路板定位塊203、廣譜光源發射驅動電路板204、廣譜光源205、橡膠墊圈206、反光罩壓緊環207、準直透鏡208、透鏡壓緊環209。廣譜光源205在廣譜光源發射驅動電路板204的驅動下，發射出紅外熱釋電所需的光強受調制的光線。廣譜光源205位于反光罩202的焦點，使發出的光經反光罩202的反射后成為平行光，廣譜光源205同時位于準直透鏡208的焦點上，這樣，由廣譜光源205發出的光線經準直透鏡208準直后，形成平行光線射出。廣譜光源205焊接于廣譜光源發射驅動電路板204上，廣譜光源發射驅動電路板204與發射光源電路板定位塊203用螺紋連接或粘結，發射光源電路板定位塊203與反光罩202螺紋連接或粘結，反光罩202與發射單元腔體201螺紋連接，以實現廣譜光源205以及反光罩202徑向準確定位，保證廣譜光源205位于光線傳播的中心軸線上；反光罩壓緊環207用于對反光罩202、發射光源電路板定位塊203、廣譜光源發射驅動電路板204和廣譜光源205進行軸向定位；透鏡壓緊環209用于對透鏡進行軸向定位，橡膠墊圈206用于微調準直透鏡208與廣譜光源205的軸向距離，以保證廣譜光源205位于準直透鏡208的焦點上；透鏡壓緊環209、橡膠墊圈206、準直透鏡208、發射單元腔體201共同構成一個封閉的廣譜光源發射單元，不僅可以保證在爆炸氣體環境中光源與氣體完全隔離，而且還可以當鏡面受污染后便于清洗和搽拭，同時還可以進一步匯聚廣譜光源的光能，提高光效。如圖3所示，探測器單元包括探測器單元腔體101、放大器電路板102、光敏元103、電路板壓緊環104、匯聚透鏡105、橡膠墊圈106、匯聚透鏡壓緊環107。由發射單元發射的光線經過匯聚透鏡105匯聚于光敏元103上；根據幾何光強定律，在光線傳播過程中，IdS始終為一常量，當光線從匯聚透鏡105的位置傳播到光敏元103時，由于匯聚透鏡的面積遠大于光敏元的面積，因此，光敏元處的光強遠大于匯聚透鏡處的光強，光學氣室空間中所有參與吸收光線的氣體質點均對光敏元的輸入產生作用，增加了氣體吸收光線的有效質點數，提高了探測器的信噪比。光敏元103焊接于放大器電路板102上，放大器電路板102被電路板壓緊環104緊密壓接于探測器單元腔體101上，放大器電路板102的外圓與探測器單元腔體101緊密配合連接，保證了紅外探測器的光敏元103的徑向定位，電路板壓緊環104與探測器單元腔體101螺紋連接，保證了放大器電路板102和光敏元103的軸向定位。匯聚透鏡壓緊環107與探測器單元腔體101螺紋連接，匯聚透鏡105在匯聚透鏡壓緊環107的作用下壓緊在橡膠墊圈106上，實現對匯聚透鏡105的軸向定位，橡膠墊圈106用于微調會聚透鏡105與光敏元103的距離，以保證匯聚透鏡105匯集的光斑完全覆蓋光敏元103。匯聚透鏡壓緊環107、匯聚透鏡105、橡膠墊圈106、探測器單元腔體101共同構成封閉的探測器單元，不僅可以在較小的空間內不通過增加光程而達到增加有效吸光質點數的目標，而且還可在透鏡被污染的情況下便于清洗和搽拭鏡面，提高使用壽命。 如圖4所示，信號處理電路與廣譜光發射單元電路連接，信號處理電路根據程序設定的頻率、電壓和電流參數，輸出控制信號到廣譜光發射單元，控制廣譜光發射單元的光線發射；處理電路還與探測器單元電路連接，信號處理電路對探測器單元輸出的信號的光強信號進行處理，得到待測氣體的濃度信號，用計算的濃度值與預先設定的報警值進行比較，產生相應的聲光報警信號，同時，計算出的濃度值通過信號輸出電路傳輸的煤礦井下監控分站，供分站進行進一步的分析處理。信號處理電路還包括公知的電源電路、信號控制處理器、振蕩電路、LED顯示和驅動電路、IXD顯示和驅動電路、聲光報警輸出電路、溫度監測電路、非易失存儲電路、信號輸出電路，不再贅述。
權利要求
1.一種礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器，包括信號處理電路、一個光學氣室，其特征在于光學氣室為圓周表面均勻分布通氣孔的套疊在一起的內管和外管，在內管和外管的環形孔腔設置有疏水型折疊過濾芯，光學氣室的一端的端面連接密封的平行廣譜光發射單元的腔體，另一端的端面連接密封的光匯聚探測器單元的腔體，探測器單元的光敏元將光強信號轉變為電信號并經放大后，通過數據線連接至信號處理電路。
2.按權利要求I所述的礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器，其特征在于廣譜光發射單元的結構是在一端封閉的發射單元腔體內裝入反光罩，反光罩的焦點設置廣譜光源，反光罩前端口封閉準直透鏡，廣譜光源同時位于準直透鏡的焦點上，發射單元腔體的前端帶有與光學氣室連接的螺紋；探測器單元的結構是在一端封閉的探測器單元腔體內依次裝入紅外探測器光敏元和匯聚透鏡，光敏元位于匯聚透鏡的焦點上且被匯聚透鏡密封于探測器單元腔體內。
3.按權利要求2所述的礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器，其特征在于在廣譜光發射單元中，廣譜光源發射驅動電路板與發射光源電路板定位塊緊密粘結，并將廣譜光源焊接于廣譜光源發射驅動電路板上，發射光源電路板定位塊與反光罩螺紋連接或粘結，反光罩卡在發射單元腔體內的臺階卡口上，由橡膠墊圈和反光罩壓緊環固定，準直透鏡由橡膠墊圈和透鏡壓緊環固定于發射單元腔體內；在探測器單元中，光敏元焊接于其前端的放大器電路板上，放大器電路板又被電路板壓緊環固定在探測器單元腔體內壁，匯聚透鏡通過兩側的橡膠墊圈和匯聚透鏡壓緊環固定于探測器單元腔體內壁。
4.按權利要求3所述的礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器，其特征在于廣譜光發射單元和探測器單元中采用的透鏡由可以透過3 5微米波長紅外光的材料制成。
5.按權利要求3所述的礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器，其特征在于廣譜光發射單元和探測器單元中采用的透鏡選用球面透鏡、非球面透鏡或菲涅爾透鏡。
全文摘要
本發明涉及紅外氣體探測器，具體涉及一種礦用高光源利用效率的紅外氣體傳感器。本傳感器包括信號處理電路和一個光學氣室，光學氣室為圓周表面均勻分布通氣孔的套疊在一起的內管和外管，在內管和外管的環形孔腔設置有疏水型折疊過濾芯，光學氣室的一端的端面連接密封的平行廣譜光發射單元的腔體，另一端的端面連接密封的光匯聚探測器單元的腔體，探測器單元的光敏元將光強信號轉變為電信號并經放大后，通過數據線連接至信號處理電路。本發明不依靠反射來延長光程，消除了傳感器因反射面被污染后很快失效的故障；在本發明中起匯聚作用的鏡片制造工藝成熟，大批量生產后可大幅度降低制造成本，可用低成本實現在較小空間獲得較高的紅外光吸收量。
文檔編號G01N21/15GK102721662SQ20111020225
公開日2012年10月10日 申請日期2011年7月19日 優先權日2011年7月19日
發明者普朝光, 趙捷 申請人:趙捷