[發明專利]一種微型防爆非色散紅外氣體傳感器

無效

• 申請號: 200910034266.7
• 申請日: 2009-09-03
• 公開（公告）號: CN101634627A
• 公開（公告）日: 2010-01-27
• 發明（設計）人: 錢吉裕;賈中璐;周仝
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十四研究所
• 主分類號: G01N21/35
• 分類號: G01N21/35
• 代理公司: 南京知識律師事務所
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及一種微型防爆非色散紅外氣體傳感器，適用于安全氣體檢測。

背景技術

目前，用于氣體檢測的方法主要有光干涉、載體催化、熱導、紅外等幾種方法。

光干涉型氣體檢原理是依據被測氣體濃度不同折射率不同，由同一光源發出的兩束光分別經過充有空氣的參比氣室和充有待測氣體的測量氣室后，再相遇時兩束光將產生干涉條紋。測量氣室中的被測氣體濃度不同，干涉條紋的位置就不同，根據干涉條紋的位置就可以測定被測氣體的濃度。這種類型的氣體傳感器的優點是原理簡單，易于實現，但是也存在很大的缺點，如，光干涉信號轉化為電信號目前還難以實現，只能人工讀數，另外受氧氣和二氧化碳含量的影響，選擇性較差；測量范圍有限；受溫度與氣壓影響，人為讀數影響而產生誤差等。

載體催化氣體檢測原理是根據被測氣體和氧氣在載體催化元件表面反應，放出反應熱，使元件溫度上升，元件的溫度增量將引起元件的電阻增加，通過測量電阻增量就可以測定被測氣體濃度。載體催化原理傳感器以其信號輸出易于處理、結構堅固、便于使用、價格低廉等優點，成為目前國內氣體檢測的主流。但是，載體催化氣體傳感器也有很多缺點，如，精度較低，檢測范圍窄，穩定性差，響應時間長，調校頻繁，使用壽命短等。

熱導檢測原理是通過測量被測氣體與空氣的熱導率差異，得到與被測氣體濃度相關的電信號，確定氣體濃度。采用熱導原理的氣體檢測裝置一般用于檢測高濃度氣體。但是，熱導氣體傳感器的輸出信號很小，檢測裝置的零點漂移是一個較難克服的缺點，同時熱導型氣體檢測裝置對低濃度氣體反應不準確，并且易受水蒸氣和氧氣濃度的影響。

非色散紅外技術(NDIR)是較色散紅外而言的，傳統的色散紅外技術是指通過一定的方式取得為氣體吸收的單色光，再用切光片進行機械調制，經過氣體時光的能量減少，通過測量為氣體吸收的光能量來計算氣體的濃度值，近年來窄帶干涉濾光片、光源等領域的發展，將窄帶干涉濾光片集成在傳感器上，形成濾光、檢測一體化的新型傳感器，為非色散紅外提供了極大的方便。

非色散紅外技術是由光源發出紅外光，波長位于氣體吸收峰值段的一部分紅外光被氣體吸收，再經過窄帶干涉濾光片濾光后，通過熱釋電元件檢測出吸收后的光的強度，并和未被吸收的光的強度對比，從而計算出氣體的濃度。

紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性質，它在介質中傳播時，由于介質的吸收和散射作用使它產生衰減。通常特征頻率的光并非單一頻率的光，它是有一定頻率范圍內的光組成的，也就是說，特征頻率是有帶寬的。帶寬范圍內的各個頻率的光被吸收的程度也是不一樣的，計算紅外光穿過氣體的能量被吸收的能量，需要計算帶寬內各個頻率被吸收的氣體的總和，這個關系式滿足朗伯-比爾定律，即：

I＝I₀×e^-klc

式中：

I₀——紅外光的初始能量；

I——紅外光被氣體吸收后的能量；

k——與氣體有關的常數；

l——光程，即紅外光通過氣體層的厚度；

c——待測氣體的濃度。

由上式可以看出，只要知道光通過待測氣體的光程長l以及待測氣體的吸收系數k，就可通過測量I與I₀的比值求得待測氣體的濃度。

為了得到具有從低濃度到高濃度的測量范圍的光學氣體傳感器，首先，具有足夠長的光路徑L的光腔(氣室)，其次，光腔能夠保證光源發出的光的最低強度I能夠被紅外光探測器檢測到；第三、為了消除時間性引起的一些差異，應具有用作參考的紅外探測，以提高測量精度。

在NDIR檢測的設計和制造方面，歐洲專利EP1?509?759?B1中，光源和傳感器放在兩個橢圓的焦點上，通過三次反射，來增加光程。美國專利US?6194735設計了一個反射曲面來制造光程。但是，通過曲面多次對焦的方法工程化難度很大。而歐洲和美國的已經商用化的傳感器還存在一些問題，例如在實現傳感器小型化的過程中，光的強度和光被待測氣體吸收后的衰減度是一個矛盾。另外，傳感器測量的一致性也有不足。目前，國內設計開發的傳感器，大多體積龐大，精度低，一致性差，所以一直沒有可工程應用的產品被普遍使用。

發明內容

1、所要解決的技術問題：

針對以上不足本發明提供了一種傳感器信號強、精度高、測量范圍寬并實現了傳感器的微型化的微型防爆非色散紅外氣體傳感器。

2、技術方案：