一種四系列非分光紅外氣體傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是涉及氣體傳感器，特別是針對當氣室中包含待測氣體時，通過檢測氣體對光學(xué)輻射通過氣室時的吸收，測量氣體濃度的氣體檢測設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)礦井生產(chǎn)中瓦斯(主要成分是甲烷)爆炸事故是安全生產(chǎn)的重大威脅，目前國內(nèi)煤礦安全監(jiān)控普遍采用催化燃燒傳感器檢測瓦斯?jié)舛?。催化燃燒傳感器具有靈敏度高，線性輸出，不易受溫濕度影響，價格便宜的優(yōu)點，但催化元件易受有機硅或硫化物的毒化，靈敏度會無征兆的急劇降低，帶來極大的安全隱患。而且傳感器長時間工作，零點漂移和靈敏度衰減不可避免，必須每隔一段時間調(diào)整零點，利用標準氣體進行靈敏度校正，有很高的維護成本。
[0003]隨著國內(nèi)安全法律法規(guī)不斷健全，對甲烷氣體的檢測提出了更高的要求。紅外檢測技術(shù)具有測量范圍寬，精度高，選擇性好，不會中毒，使用壽命長，功耗低，便于操作和維護等優(yōu)點，使用越來越廣泛。但由于催化燃燒傳感器在氣體檢測儀表中已經(jīng)廣泛使用，如要實現(xiàn)紅外檢測技術(shù)的升級替代，除了控制成本，必須滿足機械尺寸和電氣接口的完全兼容。
[0004]紅外甲烷傳感器光路檢測部分，主要由紅外光源，氣室和檢測器構(gòu)成。其中紅外光源要求輻射的光譜成分穩(wěn)定，輻射的能量集中在甲烷特征吸收波段范圍，時間參數(shù)短，體積小，壽命長。目前國內(nèi)外成熟商業(yè)產(chǎn)品采用鎢絲燈熱輻射型光源，較典型的是德國PerkinElmer Optoelectronics公司的IRL715光源，圓柱狀半球面封頂，球面直徑3.2mm,高度6.4mm η
[0005]檢測器將通過氣室被甲烷吸收后剩余的紅外光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺┖罄m(xù)放大測量用。要求探測率值大，響應(yīng)速度迅速，可采用高頻調(diào)制，體積小，壽命長，比較有代表性的是德國InfraTec公司的UM252熱釋電檢測器，采用Τ039封裝，直徑8.2mm，高度3.5mm。檢測器端面有兩個2.7 X 1.5mm的檢測和參考窗口。
[0006]由于紅外檢測光線易受溫濕度影響，檢測器的輸出與甲烷濃度非線性，只有在傳感器內(nèi)部實現(xiàn)溫濕度補償，以及輸出信號與濃度線性化，才能真正發(fā)揮紅外檢測技術(shù)的優(yōu)勢。為實現(xiàn)上述功能，傳感器內(nèi)部必須包括信號調(diào)理電路，該電路包括檢測器信號前置放大/濾波電路，光源調(diào)制電路，溫濕度信號放大電路，微處理器單元電路(計算/判斷/控制等功能)。該部分需要兩塊直徑20_的雙面電路板，高度6_左右。
[0007]由于傳感器工作在易燃易爆環(huán)境，須達到隔爆設(shè)計要求:底部需要有3mm左右厚度的灌封膠粘劑密封設(shè)計；頂部進氣端需要有金屬隔爆網(wǎng)，疏水性防塵過濾膜(孔徑范圍0.25?0.45 μ m)，和多孔鍍金金屬反射板串聯(lián)安裝設(shè)計，這樣既保證甲烷自擴散進入氣室內(nèi)部，又能屏蔽大部分外界環(huán)境(粉塵和水汽)的干擾。頂部串聯(lián)設(shè)計高度約1.5_。
[0008]目前國內(nèi)外主流的催化燃燒傳感器均采用英國城市技術(shù)(CityTechnology)的四系列設(shè)計:傳感器直徑20.4_，高度16.6_。紅外甲烷傳感器要做成四系列尺寸，如何在此狹小空間內(nèi)，將紅外光源，檢測器，信號調(diào)理電路合理布局，氣室的微型化設(shè)計，是技術(shù)重點和難點。
[0009]為保證獲得紅外光路氣室的設(shè)計應(yīng)該遵循以下原則:紅外光路在氣室中有足夠長光程，能夠被甲烷充分吸收；減少多次反射造成折射光能損失和測量誤差，紅外光線應(yīng)平行于氣室的中心軸；氣室內(nèi)徑在20_左右，太粗會使測量滯后增大，太細削弱光強，降低靈敏度；氣室內(nèi)壁光潔，不吸收紅外光，不吸附氣體，化學(xué)惰性，一般采用黃銅鍍金。美國華瑞科學(xué)儀器(RAE Systems)將紅外光源和檢測器(含檢測窗口的端面)設(shè)計成平行于傳感器圓柱壁中軸線的軸，傳感器圓柱壁作為凹面反射鏡，光路設(shè)計成反射式，實現(xiàn)了較為緊湊的四系列尺寸的檢測結(jié)構(gòu)(US6469303B1)。但聚焦特征的反射面對紅外光源的定位要求較高，檢測器的“立式”設(shè)計，使氣室高度至少要9_，扣除掉傳感器頂部和底部隔爆結(jié)構(gòu)，留給信號調(diào)理電路的空間不足，只能在傳感器外部進行溫濕度補償和信號線性化處理，這樣造成系統(tǒng)噪聲大，傳感器的通用性差，難以廣泛應(yīng)用。
[0010]英國Dynament公司有一個非常經(jīng)典的光路設(shè)計專利號:
[0011]US2005121614A1。光路繞殼體圓周一圈后，經(jīng)過兩次鏡面反射進入檢測器，其中環(huán)形氣室壁沿軸線方向可以有輕微的凹凸，但鏡面反射面(墻)必須平整，有很高的表面光潔度。這個設(shè)計充分利用了氣室圓筒狀結(jié)構(gòu)，使光程在有限范圍內(nèi)盡量長；同時考慮到了制作成本，對表面光潔度要求高的零件，只是充當鏡面反射墻。
[0012]特別需要指出的是，尺寸較大的檢測器水平安裝在氣室正中心，3.5mm的高度，即便算上其上部的45度傾角反射墻75，整個氣室的高度可以控制在7mm;同時由于水平安置，檢測器Pin腳不需要額外空間和下部電路板電氣連接，這樣給信號調(diào)理電路留出了足夠的空間，實現(xiàn)了在傳感器內(nèi)部的溫濕度補償和信號線性化處理，將系統(tǒng)噪音降低到最低，可完全替代四系列的催化燃燒傳感器。
[0013]由于四系列氣體傳感器有限空間的限制，不改變紅外光源和熱釋電檢測器封裝尺寸，該結(jié)構(gòu)設(shè)計形成了很強的專利保護壁壘，對該技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展形成很大阻礙。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的就是在Dynament公司經(jīng)典光路設(shè)計的基礎(chǔ)上，提供一種四系列非分光紅外氣體傳感器，對空間利用更充分，加長的光路在傳感器殼體內(nèi)部分布更均勻，有利于提高傳感器靈敏度，并在氣室中設(shè)計有溫濕度傳感器位置，可以更準確的提供溫濕度補償，有利于紅外檢測技術(shù)在該領(lǐng)域的進一步推廣。
[0015]—種四系列非分光紅外氣體傳感器,包括殼體和設(shè)置于殼體內(nèi)部的檢測器和光源，所述殼體內(nèi)的底座上還設(shè)置一個檢測器圓環(huán)狀氣室壁的外壁、一個與檢測器同心的外部圓弧狀反射壁的內(nèi)壁、第一至第三偏導(dǎo)反射面，光源設(shè)置于外壁與內(nèi)壁之間，第一偏導(dǎo)反射面將光源發(fā)出的紅外光線反射依次經(jīng)過第二偏導(dǎo)反射面、第三偏導(dǎo)反射面后進入檢測器。
[0016]所述內(nèi)壁厚度為0.8?1mm。
[0017]所述包括第一和第二檢測器元件，第一和第二檢測器元件沿著一個垂直軸線間隔排列，紅外光線由第三偏導(dǎo)反射面導(dǎo)入第一和第二檢測器元件時特性是相同的。
[0018]所述第一和第二檢測器元件都包含一個濾光片
[0019]本發(fā)明白熾燈光源發(fā)射的紅外輻射有很寬的頻譜，由內(nèi)外兩個圓弧狀反射壁和三個平面反射壁形成的反射面，引導(dǎo)紅外輻