專利名稱：一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光聲光譜氣體傳感裝置，尤其是涉及一種用于氣態(tài)物質(zhì)濃度傳感檢測的便攜式低成本紅外氣體傳感裝置。
背景技術(shù)：
氣體的探測，尤其是可燃、易爆、有毒有害氣體的探測，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活、 科學(xué)研究和國家安全至關(guān)重要。在氣體傳感器中，利用光聲光譜特性檢測氣態(tài)分析物濃度的檢測方法已經(jīng)為公眾所周知，如美國專利No. 4740086描述了在光激發(fā)氣態(tài)分析物時用光聲氣體傳感器把調(diào)幅光源的光能轉(zhuǎn)換成聲能的情況。當(dāng)入射到氣室的光能被待測氣體吸收后，就生成強度對應(yīng)于氣室內(nèi)待測氣體濃度的聲壓力波，該聲壓力波被電容微音器檢測。光聲氣體傳感技術(shù)具有靈敏度高、氣室所需體積小等一系列優(yōu)點，得到了廣泛研究和應(yīng)用。中國專利CN101303^8A公開了一種氣體傳感裝置，其采用了樣品檢測室和參考?xì)怏w室隔離的方式進行氣體檢測，從而省掉了高精度光學(xué)濾波片的使用，降低了該裝置的成本，但其仍采用的麥克風(fēng)來采集聲波信號，雖說具有成本低的優(yōu)點，但其靈敏度、抗電磁干擾性能、以及由于水分子存在造成的誤差補償?shù)确矫嫒圆荒軡M足一些高端的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏度高， 同時具有一定的抗電磁干擾能力，以及較好的應(yīng)用前景。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于包括外部殼體以及設(shè)置在外部殼體內(nèi)部左側(cè)的紅外光源，所述外部殼體內(nèi)部還設(shè)置有用于包含待測氣體的待測腔和用于包含參考?xì)怏w的參考腔，所述參考?xì)怏w中至少有一種氣體與待測氣體在紅外光源所發(fā)出的紅外波段的光信號上具有相同的吸收波長，所述待測腔與參考腔之間設(shè)置有寬帶光學(xué)窗口，所述參考腔外部套設(shè)有補償腔，所述參考腔的外壁上螺旋纏繞有曲線形殼體，所述曲線形殼體內(nèi)側(cè)相對的兩個面上分別設(shè)置有多個變形齒一和多個變形齒二，所述變形齒一與變形齒二之間呈交錯對應(yīng)布設(shè)，所述變形齒一與變形齒二之間夾持有信號光纖，所述信號光纖通過延長光纖連接測試單元，所述測試單元還連接處理單元，所述處理單元還連接顯示單元，所述處理單元還通過傳輸線與紅外光源接。上述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述紅外光源與寬帶光學(xué)窗口之間設(shè)置有前置光學(xué)窗口，所述前置光學(xué)窗口安裝在待測腔左側(cè)，所述前置光學(xué)窗口與紅外光源之間設(shè)置有透鏡組。上述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述寬帶光學(xué)窗口和前置光學(xué)窗口的表面上均鍍覆有光學(xué)濾波涂層。
上述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述待測腔上設(shè)置有用于接收待測氣體的入口和用于排出待測氣體的出口，所述入口和出口均與外部殼體的外部相通。上述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述信號光纖兩端中至少有一端設(shè)置有光反射鏡。上述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述信號光纖有一段為具有聚酰亞胺涂層的信號光纖，且該段信號光纖暴露于待測氣體中。上述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述夾持有信號光纖的變形齒一和變形齒二均為聚酰亞胺變形齒或表面上鍍覆聚酰亞胺層的變形齒，且該段變形齒暴露于待測氣體中。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明的氣體傳感裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、操作方便且使用方式靈活、 靈敏度高等特點。2、本發(fā)明的氣體傳感裝置，因使用光纖型聲波采集裝置替代了傳統(tǒng)的微音器，使得本裝置具有抗電磁干擾性能、靈敏度高、電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕等諸多優(yōu)點。3、本發(fā)明的氣體傳感裝置，由于可以采用光源-光功率法測試，從而可以大幅度降低測試單元的成本，從而使本裝置的整體成本大幅度降低。4、本發(fā)明的氣體傳感裝置，通過選取合適長度的夾持于變形齒間的具有聚酰亞胺涂層的信號光纖，或是夾持有一段信號光纖的由聚酰亞胺材料構(gòu)成的變形齒、或夾持有一段信號光纖的變形齒的表面鍍覆有聚酰亞胺材料層。在暴露于待測氣體中時，由于聚酰亞胺材料具有吸收空氣中水份而膨脹的性能，而待測腔中的待測氣體中含有水份在許多情況下會吸收部分紅外光波信號，造成參考腔的聲波壓力信號的降低，對測試結(jié)果造成誤差，通過具有聚酰亞胺涂層的信號光纖或具有聚酰亞胺材料的變形齒暴露于待測氣體中吸收其水份出現(xiàn)膨脹而造成信號光纖的一定彎曲以補償參考腔的聲波壓力信號的降低，從而對測試結(jié)果進行了修正。綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏度高、 使用效果好，成本低等優(yōu)點，使得發(fā)明具有良好的應(yīng)用前景。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實施例1中曲線形殼體的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3中A處的局部剖視圖。圖5為實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為圖5的A-A剖視圖。附圖標(biāo)記說明1-延伸光纖；3-傳輸線；4-曲線型殼體；4-1-變形齒一； 4-2-變形齒二；5-測試單元；
6-信號光纖；10-外部殼體；13-前置光學(xué)窗口；16-入口；19-補償腔；22-外柱形腔體；32-夾具；
40-波紋管型參考腔;
7-處理單元； 11-透鏡組； 14-待測氣體； 17-待測腔； 20-參考腔； 23-參考?xì)怏w；
8-顯示單元； 12-紅外光源； 15-出口； 18-寬帶光學(xué)窗口 ； 21-內(nèi)柱形腔體； 30-螺絲； 42-管壁。
具體實施例方式實施例1如圖1和2所示的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，包括外部殼體10以及設(shè)置在外部殼體10內(nèi)部左側(cè)的紅外光源12，所述外部殼體10內(nèi)部還設(shè)置有用于包含待測氣體14的待測腔17和用于包含參考?xì)怏w23的參考腔20，所述參考?xì)怏w23中至少有一種氣體與待測氣體14在紅外光源12所發(fā)出的紅外波段的光信號上具有相同的吸收波長，所述待測腔17與參考腔20之間設(shè)置有寬帶光學(xué)窗口 18，所述參考腔20外部套設(shè)有補償腔19， 所述參考腔20的外壁上螺旋纏繞有曲線形殼體4，所述曲線形殼體4內(nèi)側(cè)相對的兩個面上分別設(shè)置有多個變形齒一 4-1和多個變形齒二 4-2，所述變形齒一 4-1與變形齒二 4-2之間呈交錯對應(yīng)布設(shè)，所述變形齒一 4-1與變形齒二 4-2之間夾持有信號光纖6，所述信號光纖 6通過延長光纖1連接測試單元5，所述測試單元5還連接處理單元7，所述處理單元7還連接顯示單元8，所述處理單元7還通過傳輸線3與紅外光源12相接。本實施例中，所述待測腔17上設(shè)置有用于接收待測氣體14的入口 16和用于排出待測氣體14的出口 15，所述入口 16和出口 15均與外部殼體10的外部相通。優(yōu)選的，所述紅外光源12與寬帶光學(xué)窗口 18之間設(shè)置有前置光學(xué)窗口 13，所述前置光學(xué)窗口 13安裝在待測腔17左側(cè)，所述前置光學(xué)窗口 13與紅外光源12之間設(shè)置有透鏡組11。其檢測過程是紅外光源12以脈沖形式發(fā)射的紅外波長信號穿過前置光學(xué)窗口 13進入待測腔17，在待測腔17中，待測氣體14對紅外波長信號的部分能量進行了吸收，然后紅外波長信號繼續(xù)穿過寬帶光學(xué)窗口 18進入?yún)⒖记?0，參考腔20中的參考?xì)怏w23又吸收了部分紅外波長信號并出現(xiàn)膨脹，由于紅外波長信號是脈沖信號，所以參考?xì)怏w23出現(xiàn)了波動，并引起參考腔20的振動。其中，參考?xì)怏w23吸收了部分紅外波長信號的能量后溫度升高使參考腔20內(nèi)部的壓力增大，使得參考腔20的徑向圓周周長增加，導(dǎo)致纏繞在參考腔20上的曲線型殼體4內(nèi)部的相對兩側(cè)的變形齒一 4-1與變形齒二 4-2之間的距離改變，這樣改變了夾持在相對兩側(cè)變形齒一 4-1與變形齒二 4-2之間的信號光纖6的彎曲曲率變化，測試單元5通過檢測信號光纖6內(nèi)部傳輸光信號功率的變化并獲取所述參考腔20 內(nèi)部壓力的變化，由處理單元7計算得到參考腔20準(zhǔn)確的聲壓力波值，由于待測氣體14在待測腔17中對紅外波長信號的能量有一定的吸收，并且吸收的能量大小與待測氣體14的濃度有關(guān)，所以處理單元7計算得到聲壓力波值相對于初始狀態(tài)待測腔17中無待測氣體14 時的聲壓力波值會有減少，處理單元7根據(jù)該聲壓力波值會減少的量計算出待測氣體的濃度。此處是用曲線型殼體4以及信號光纖6為主構(gòu)成的聲波檢測元件代替了公眾熟知的微音器元件，然后通過公眾所熟知的其余檢測流程獲取待測氣體的濃度。優(yōu)選的，所述寬帶光學(xué)窗口 18和前置光學(xué)窗口 13的表面上均鍍覆有光學(xué)濾波涂層，以降寬帶光學(xué)窗口 18和前置光學(xué)窗口 13透過的紅外波長信號的波長寬度，提高測試的準(zhǔn)確性。優(yōu)選的，所述信號光纖6兩端中至少有一端設(shè)置有光反射鏡。優(yōu)選的，所述信號光纖6有一段為具有聚酰亞胺涂層的信號光纖，且該段信號光纖暴露于待測氣體14中，或者是所述的夾持有一段信號光纖6的變形齒是由聚酰亞胺材料構(gòu)成，該段變形齒暴露于待測氣體14中；或所述夾持有信號光纖6的變形齒一 4-1和變形齒二 4-2均為聚酰亞胺變形齒或表面上鍍覆聚酰亞胺層的變形齒，且該段變形齒暴露于待測氣體14中。由于水分子對紅外波長信號有一定的吸收，假如待測氣體14中包含有水分子，則會對測試結(jié)果造成誤差，并且隨著水分子的增多，待測氣體14的濕度也越來越高， 對測試結(jié)果的影響也會比較嚴(yán)重，通過選取合適長度的夾持于變形齒間的具有聚酰亞胺涂層的信號光纖6，或是夾持有一段信號光纖6的由聚酰亞胺材料構(gòu)成的變形齒、或夾持有一段信號光纖6的變形齒的表面鍍覆有聚酰亞胺材料層，在暴露于待測氣體14中時，由于聚酰亞胺材料具有吸收空氣中水份而膨脹的性能，而待測腔17中的待測氣體14中含有水份在許多情況下會吸收部分紅外光波信號，造成參考腔20的聲波壓力信號的降低，對測試結(jié)果造成誤差，通過具有聚酰亞胺涂層的信號光纖6或具有聚酰亞胺材料的變形齒暴露于待測氣體14中吸收其水份出現(xiàn)膨脹而造成信號光纖6的一定彎曲以補償參考腔20的聲波壓力信號的降低，從而對測試結(jié)果進行了修正。優(yōu)選的是在曲線形殼體4上設(shè)置有透氣孔，方便待測氣體14的擴散和具有聚酰亞胺材料的部分接觸。實施例2如圖3和4所示，本實施例與實施例1不同的是所述的參考腔20以及纏繞在參考腔外壁表面的曲線形殼體4是由一波紋管型參考腔40替代，在波紋管型參考腔40的管壁42的下凹處的相對兩個面上分別布設(shè)有變形齒一 4-1和變形齒二 4-2，變形齒一 4-1和變形齒二 4-2相互交錯對應(yīng)，變形齒一 4-1和變形齒二 4-2對應(yīng)布設(shè)在信號光纖6的兩側(cè)， 信號光纖6通過延長光纖1接測試單元5。本實施例中，其余部分的結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系和工作原理均與實施例1相同。實施例3如圖5和6所示，本實施例與實施例1不同的是所述的參考腔20是由一內(nèi)柱形腔體21和外柱形腔體22構(gòu)成，在內(nèi)柱形腔體21的外表面上沿縱向分布有多個溝槽，在內(nèi)柱形腔體21外表面上橫向纏繞有信號光纖6，信號光纖6夾持在內(nèi)柱形腔體21外表面上溝槽的溝壟與外柱形腔體22內(nèi)表面上的溝壟之間，信號光纖6通過延伸光纖1接測試單元 5。優(yōu)選的，所述的內(nèi)柱形腔體21外表面上橫向上分布有螺絲30，螺絲30位置處設(shè)置有夾具32，信號光纖6纏繞在螺絲30的齒谷中。本實施例中，其余部分的結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系和工作原理均與實施例1相同。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于包括外部殼體(10)以及設(shè)置在外部殼體(10)內(nèi)部左側(cè)的紅外光源(12)，所述外部殼體(10)內(nèi)部還設(shè)置有用于包含待測氣體(14)的待測腔(17)和用于包含參考?xì)怏w的參考腔(20)，所述參考?xì)怏w03)中至少有一種氣體與待測氣體(14)在紅外光源(1 所發(fā)出的紅外波段的光信號上具有相同的吸收波長，所述待測腔(17)與參考腔00)之間設(shè)置有寬帶光學(xué)窗口(18)，所述參考腔00)外部套設(shè)有補償腔(19)，所述參考腔OO)的外壁上螺旋纏繞有曲線形殼體G)， 所述曲線形殼體(4)內(nèi)側(cè)相對的兩個面上分別設(shè)置有多個變形齒一(4-1)和多個變形齒二 G-2)，所述變形齒一 G-1)與變形齒二(4- 之間呈交錯對應(yīng)布設(shè)，所述變形齒一(4-1) 與變形齒二(4- 之間夾持有信號光纖(6)，所述信號光纖(6)通過延長光纖(1)連接測試單元(5)，所述測試單元( 還連接處理單元(7)，所述處理單元(7)還連接顯示單元(8)， 所述處理單元(7)還通過傳輸線( 與紅外光源(1 相接。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述紅外光源(1 與寬帶光學(xué)窗口(18)之間設(shè)置有前置光學(xué)窗口(13)，所述前置光學(xué)窗口 (13)安裝在待測腔(17)左側(cè)，所述前置光學(xué)窗口(1 與紅外光源(1 之間設(shè)置有透鏡組 (11)。
3.按照權(quán)利要求2所述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述寬帶光學(xué)窗口(18)和前置光學(xué)窗口(1 的表面上均鍍覆有光學(xué)濾波涂層。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述待測腔(17)上設(shè)置有用于接收待測氣體(14)的入口(16)和用于排出待測氣體(14)的出口 (15)，所述入口 (16)和出口 (15)均與外部殼體(10)的外部相通。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述信號光纖(6)兩端中至少有一端設(shè)置有光反射鏡。
6.按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述信號光纖(6)有一段為具有聚酰亞胺涂層的信號光纖，且該段信號光纖暴露于待測氣體(14) 中。
7.按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，其特征在于所述夾持有信號光纖(6)的變形齒一(4-1)和變形齒二(4- 均為聚酰亞胺變形齒或表面上鍍覆聚酰亞胺層的變形齒，且該段變形齒暴露于待測氣體(14)中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種便攜式低成本紅外氣體傳感裝置，包括外部殼體以及設(shè)置在外部殼體內(nèi)部左側(cè)的紅外光源，外部殼體內(nèi)部還設(shè)置有待測腔和參考腔，待測腔與參考腔之間設(shè)置有寬帶光學(xué)窗口，參考腔的外壁上螺旋纏繞有曲線形殼體，曲線形殼體內(nèi)側(cè)相對的兩個面上分別設(shè)置有多個變形齒一和多個變形齒二，變形齒一與變形齒二之間呈交錯對應(yīng)布設(shè)，變形齒一與變形齒二之間夾持有信號光纖，信號光纖連接測試單元，述測試單元還連接處理單元，處理單元還連接顯示單元，處理單元還與紅外光源接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏度高，同時具有一定的抗電磁干擾能力，以及較好的應(yīng)用前景。
文檔編號G01N21/17GK102564957SQ20101058725
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者杜兵 申請人:西安金和光學(xué)科技有限公司