[发明专利]气体传感器光学腔

说明书

技术领域

本发明涉及一种非分光红外(以下简称“NDIR”)气体传感器。

背景技术

基于非分光红外(NDIR)探测原理的传感器利用气体的光吸收特性来测量在以目标气体吸收的特定波长时发生的光吸收量，并可以计算目标气体浓度。NDIR气体传感器通常包括一个由光学腔、光源和光探测器组成的气室，还包括用于分析光探测器输入的电信号，从而获得气体浓度。

一般来讲，为了获得优质高精度的NDIR气体传感器，重要的是延长特定光学腔室内的光程长度，从而增加光传播期间光学腔内光的吸收量。

但是，仅仅增加光学腔的光程可能会降低产品的竞争性，因为气体传感器的体积和相关制造成本都会因此而相应增加。增加有限尺寸的光学腔光程的一个有效方法就是合理地设置各个平面镜和透镜在光学腔内的几何位置。

由于上述原因，传统光学腔的设计和分析采用的最普通的方式，就是使用光学模拟技术通过试验和误差来找出平面镜和透镜的最佳几何设置。但是，在光学模拟中，影响光学腔性能的因素太多，在光学腔设计和制造过程中发生的许多小的误差因素的累积都可能会导致每个产品性能的极大变化，而且误差出现后的恢复需要大量时间和经费开支。此外，在使用光学模拟技术设计光学腔时，人们不得不通过试验和误差工艺来对光学腔进行重新设计，目的是通过特定尺寸的光学腔来增加或减小光程的长度，进而可能获得的是一种不切实际的光学腔，这种光学腔可能无法应用到某个特定气体传感器电路。

此外，为了设计具有较长光程和较小光学腔体积的高效光学腔，光源辐射的光在光学腔内充分循环后应能被探测器探测到，以便最充分地应用特定光学腔的内部空间。但是，在这种情况下，气体通风口的空间就相对减小，导致响应时间(即一次测量所要求的时间范围)过长。这就是说，测量气体浓度一次可能需要几分钟时间，这样，传统式气体腔由于用作气体通风口的空间小，在要求快速测量速度(或者较短响应时间)的检测环境下是无法使用的。

此外，当使用NDIR探测技术来测量对热红外具有良好吸收特性的气体时(即当测量可吸收4.2微米红外的CO²气体时)，热红外会导致腔室材料的热振动，从而增加了光学腔的温度。例如，当光源辐射能量在100的光束时，因为光学腔内温度的升高，就可能形成一个超过100的较大能量，这会造成测量误差。为了将这种误差降到最低，人们可以使用脉冲式光束。然而，由于光探测器辐射强度小，采用小脉冲宽度的脉冲式光束时，则可能无法获得有效的气体测量结果。相反，宽脉冲宽度的脉冲式光束的使用又会影响光学腔内温度的升高，进而，会导致气体传感器测量出现误差。

此外，由于包括光程长度在内的光学腔特性会受到多种因素的影响，在设计了一个光学腔之后通过多次实验来对设计变量进行修改是很不容易的，或者说很难预测光学腔的特性变化以及将这种变化反映到光学腔的设计上。

因为光源辐射的光束具有预定的波束宽度或波束尺寸，所以不容易使所有辐射光都具有一个可穿过光焦点的理想光程。因此，在考虑了光学腔内会出现的各种光程后，也就很难设计出一种光学腔。

尽管与其它类型的传统气体传感器相比，NDIR气体传感器的优点很多，但上述问题还是会影响这种传感器的实际使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学腔，该光学腔具有延长光程和有效通风的特性。

本发明的另一个目的是有效设计作为NDIR气体传感器一个主要部件的光学腔，该光学腔具有延长光程特性，可以增加测量精度；另外，该光学腔的通风口尺寸明显增加，便于目标气体流入和流出光学腔，从而降低每次测量气体浓度所需要的响应时间。

本发明的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔采用了有效的平面镜几何设置，保证了一种同时既具有延长光程又具有加大通风口尺寸这种似乎矛盾的目标要求。

本发明的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔具有一个较大尺寸的通风口，便于通过该通风口进行热辐射，防止由于光学腔内温度升高而出现的测量误差。

本发明的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔在平面反射镜的预定部分引导辐射光反射并在平面反射镜其它无光反射的区域应用了通风口，便于气体能够流入和流出，并能防止光学腔内由于一些并非需要光程引起的温度升高，这些并非需要的光程具有许多光探测器探测不到的光反射点。

本发明的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔具有一个有效光探测特性，该特性是通过将光学腔的平面镜设置成一种会聚系统并将光探测器定位到会聚系统的会聚点上来实现的。