[发明专利]一种微型防爆非色散红外气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型防爆非色散红外气体传感器，适用于安全气体检测。

背景技术

目前，用于气体检测的方法主要有光干涉、载体催化、热导、红外等几种方法。

光干涉型气体检原理是依据被测气体浓度不同折射率不同，由同一光源发出的两束光分别经过充有空气的参比气室和充有待测气体的测量气室后，再相遇时两束光将产生干涉条纹。测量气室中的被测气体浓度不同，干涉条纹的位置就不同，根据干涉条纹的位置就可以测定被测气体的浓度。这种类型的气体传感器的优点是原理简单，易于实现，但是也存在很大的缺点，如，光干涉信号转化为电信号目前还难以实现，只能人工读数，另外受氧气和二氧化碳含量的影响，选择性较差；测量范围有限；受温度与气压影响，人为读数影响而产生误差等。

载体催化气体检测原理是根据被测气体和氧气在载体催化元件表面反应，放出反应热，使元件温度上升，元件的温度增量将引起元件的电阻增加，通过测量电阻增量就可以测定被测气体浓度。载体催化原理传感器以其信号输出易于处理、结构坚固、便于使用、价格低廉等优点，成为目前国内气体检测的主流。但是，载体催化气体传感器也有很多缺点，如，精度较低，检测范围窄，稳定性差，响应时间长，调校频繁，使用寿命短等。

热导检测原理是通过测量被测气体与空气的热导率差异，得到与被测气体浓度相关的电信号，确定气体浓度。采用热导原理的气体检测装置一般用于检测高浓度气体。但是，热导气体传感器的输出信号很小，检测装置的零点漂移是一个较难克服的缺点，同时热导型气体检测装置对低浓度气体反应不准确，并且易受水蒸气和氧气浓度的影响。

非色散红外技术(NDIR)是较色散红外而言的，传统的色散红外技术是指通过一定的方式取得为气体吸收的单色光，再用切光片进行机械调制，经过气体时光的能量减少，通过测量为气体吸收的光能量来计算气体的浓度值，近年来窄带干涉滤光片、光源等领域的发展，将窄带干涉滤光片集成在传感器上，形成滤光、检测一体化的新型传感器，为非色散红外提供了极大的方便。

非色散红外技术是由光源发出红外光，波长位于气体吸收峰值段的一部分红外光被气体吸收，再经过窄带干涉滤光片滤光后，通过热释电元件检测出吸收后的光的强度，并和未被吸收的光的强度对比，从而计算出气体的浓度。

红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，它在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。通常特征频率的光并非单一频率的光，它是有一定频率范围内的光组成的，也就是说，特征频率是有带宽的。带宽范围内的各个频率的光被吸收的程度也是不一样的，计算红外光穿过气体的能量被吸收的能量，需要计算带宽内各个频率被吸收的气体的总和，这个关系式满足朗伯-比尔定律，即：

I＝I₀×e^-klc

式中：

I₀——红外光的初始能量；

I——红外光被气体吸收后的能量；

k——与气体有关的常数；

l——光程，即红外光通过气体层的厚度；

c——待测气体的浓度。

由上式可以看出，只要知道光通过待测气体的光程长l以及待测气体的吸收系数k，就可通过测量I与I₀的比值求得待测气体的浓度。

为了得到具有从低浓度到高浓度的测量范围的光学气体传感器，首先，具有足够长的光路径L的光腔(气室)，其次，光腔能够保证光源发出的光的最低强度I能够被红外光探测器检测到；第三、为了消除时间性引起的一些差异，应具有用作参考的红外探测，以提高测量精度。

在NDIR检测的设计和制造方面，欧洲专利EP1 509 759 B1中，光源和传感器放在两个椭圆的焦点上，通过三次反射，来增加光程。美国专利US 6194735设计了一个反射曲面来制造光程。但是，通过曲面多次对焦的方法工程化难度很大。而欧洲和美国的已经商用化的传感器还存在一些问题，例如在实现传感器小型化的过程中，光的强度和光被待测气体吸收后的衰减度是一个矛盾。另外，传感器测量的一致性也有不足。目前，国内设计开发的传感器，大多体积庞大，精度低，一致性差，所以一直没有可工程应用的产品被普遍使用。

发明内容

1、所要解决的技术问题：

针对以上不足本发明提供了一种传感器信号强、精度高、测量范围宽并实现了传感器的微型化的微型防爆非色散红外气体传感器。

2、技术方案：