[实用新型]一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器

说明书

技术领域：

本实用新型属于红外气体传感器的技术领域，特别是涉及一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器。

背景技术：

利用待测气体对红外光谱的吸收特性，来检测目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，还有交通工具上空气环境质量的监测等。

当前中国国内的煤矿采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。目前世界上先进的技术为采用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一个探测器。通过探测器的带通滤光片选择两个不同波长的光可以构成差分探测，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，可用作监视红外光强度变化的参考信号。对于这类气体传感器，其关键是提高灵敏度，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。首先，对于提高检测灵敏度，可以增加光源与探测器间的物理距离，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US7132657B2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US6469303B1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。

目前，利用非分光色散光谱吸收原理进行红外气体浓度检测的技术已经较为成熟，该类传感器性能的优劣主要取决于气体吸收腔的设计。吸收腔对气体浓度检测的作用，类似于电子学中AD转换器的作用。气体浓度分辨率对应AD信号采样分辨率：AD位数越高，转换的精度就越高；传感器吸收腔的等效光程越长，可以检测的气体浓度精度越高。气体传感器的响应速度对应AD信号转换频率：AD转换时间越快，能转换的信号频率也就越高；在传感器吸收腔方面，传感器的响应速度越快，可以检测浓度变化的时间也就越短。

吸收腔的设计一般均采用多次折叠光路，靠光路的多次反射延长有效吸收长度，这样做可以减少实际的物理长度。尽管如此，由于吸收腔占有一定的空间，所以气体靠扩散充满吸收腔需要一定的时间。因此，在传统的红外气体传感器中为了提高有效吸收光程，其吸收腔的空间体积通常都设计得较大，导致其传感头的响应时间一般较长。例如City的传感头，其气体扩散方向与光路传输方向占有相同的空间，结果是光路长而气体扩散路径也长。所以就会出现传感头的分辨率高而响应时间也长的现象。

传统红外气体传感器技术中响应速度与分辨率互为矛盾，如何同时实现快速响应与高分辨率成为一个急需解决的问题。本实用新型通过一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，同时实现气体的快速扩散与提高有效吸收光程，即同时实现了快速响应与高分辨率。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种具有正交型吸收腔的红外气体传感器，可以同时实现气体的快速扩散与提高有效吸收光程，即同时实现气体传感器的快速响应与高分辨率。

本实用新型的具体技术方案如下：