[发明专利]一种基于光学读出技术的红外气体传感器

说明书

技术领域：

本发明属于将气体浓度转换为数字输出的装置，具体涉及一种红外气体传感器。

技术背景：

气体传感器是采用对所检测的气体具有敏感特性的元件将气体的浓度转化为对应电信号的装置。根据所采用的气体敏感元件的不同，气体传感器有半导体气体传感器、电化学气体传感器、固体电解质气体传感器、载体催化燃烧式气体传感器、光学型气体传感器、高分子气体传感器等不同的类型。

在这些不同类型的传感器中，光学型气体传感器中的红外气体传感器是用途最广泛、发展最为迅速的气体传感器。

尽管红外气体传感器具有响应速度快、测量精度高、寿命长、校准标定周期长等优点，但同样具有不可忽视的弱点。主要表现为各种气体对红外光谱的吸收十分微弱，浓度越低，红外信号的变化量越小。就甲烷气体传感器而言，基于载体催化工作原理的传感器对应于1％浓度变化时输出的电压达到毫伏级，而基于红外气体吸收原理工作的传感器对应于1％浓度变化时的输出仅能达到微伏级，两者相比，后者低了三个数量级，极大地提高了传感器前端及后续放大器的设计要求，难以实现低成本的高灵敏度、高精度气体浓度检测。

如何才能有效提高红外气体传感器的灵敏度和分辨率，降低传感器前端和后续放大器的设计要求以及制造成本，是提高传感器稳定性和可靠性并使之能以较低的成本取代载体催化传感器所必须解决的重要问题。

技术内容：

本发明的目的在于提供一种能显著提高红外气体传感器灵敏度和分辨率，并能在降低制造成本的同时保证传感器稳定、可靠工作的新型红外气体传感器。

本发明采用光学读出技术，将微弱的气体浓度变化转换成可见光的波长变化，并用RGB彩色数字传感器将可见光的波长变化以数字信号表示出来。

本发明采用如下技术方案来构成基于光学读出技术的红外气体传感器。

一种基于光学读出技术的红外气体传感器，由上盖、下盖、被测气体偏转薄膜、参比偏转薄膜、导光块、数据处理电路板、被测气体滤光片、参比滤光片、隔热块、被测气体白色LED光源、参比气体白色LED光源、被测气体RGB彩色数字传感器、参比RGB彩色数字传感器、恒温环组成，其特征在于：所述偏转薄膜的一个表面是具有凸凹相间的反射型光栅结构的可见光反射面，另一个表面是由与可见光反射面组成材料的热伸缩系数有较大差别的材料构成的红外吸热面，所述的偏转薄膜悬臂固定。

白色LED光源采用公知的贴片封装白色发光二极管，滤光片采用公知的产品，如perkinelme公司的G20、G5滤光片，RGB彩色数字传感器采用公知的贴片型封装产品，如AVGO公司的ADJD-S371-QR999彩色数字传感器。

由红外光源发出的广谱红外光穿过含有被测气体的气室到达传感器的滤光片，经滤光片过滤后得到特定波长的红外光；该特定波长的红外光辐射到偏转薄膜的吸热面上，由于红外光线的热作用，使薄膜弯曲偏转，偏转角的大小反映了照射到薄膜上红外光的强弱，红外光越弱，薄膜偏转角越小，表明被测气体的浓度越高，被气体吸收的红外光越多。以固定角度照射到薄膜光栅反射面上的复合白色光的入射角因薄膜的偏转而发生变化，随之在特定方向上产生的衍射光的波长也发生改变，由此，完成了被测气体浓度变化转换成在特定方向上衍射光的不同波长的变化。随后，RGB彩色数字传感器将特定方向上不同波长的衍射光转换成三个AD转换器量化数位宽度均为10bit的高分辨数字信号输出。

与现有技术相比，本发明具有以下优点。

传感器的灵敏度、分辨率、测量精度、稳定性、可靠性都得到了提高，同时，降低了传感器的成本。

现有的热释电红外甲烷气体传感器的红外热量响应度通常低于600V/W，红外光源的功率低于500mW，光源全向发散后，照射到传感器上的有效功率随着照射距离的增加成2次方的关系衰减，甲烷气体1％的浓度变化所导致的热释电传感器上的电压变化约为10微伏。由于气体浓度变化与传感器上的电压变化呈正相关，相应于0.01％气体浓度变化条件下，传感器上的电压变化大约是0.1微伏，要检测这一微弱的电压变化，放大器增益至少要高达140DB以上。实际上，现有的红外甲烷传感器所能实现的最高检测精度只能达到0.1％的浓度变化，大约与传感器上1微伏的电压变化相当。由于传感器输出的电压变化极小，很多情况下信号被淹没在噪声中，由于放大器总增益极高，任何微小的噪音或电压波动、温度变化都会将噪音放大，引起传感器的测量精度和靠性下降。