气体传感器光学腔制造技术

本发明专利技术涉及一种气体传感器的光学腔，而且特别涉及一种非分光红外（ＮＤＩＲ）气体传感器。根据本发明专利技术的光学腔包括两个相对设置的抛物柱面镜，所述抛物柱面镜具有公共焦点，所述焦点位于抛物柱面镜的公共光轴上；所述光学腔还包括一个平面镜，沿每个抛物柱面镜顶点之间的光轴设置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种非分光红外(以下简称"NDIR")气体传感器。
技术介绍
基于非分光红外(NDIR)探测原理的传感器利用气体的光吸收特性来测量在以 目标气体吸收的特定波长时发生的光吸收量，并可以计算目标气体浓度。NDIR气 体传麟通常包括一个由光学腔、光源和光探测器组成的气室，还包括用于分析光 探测器输入的电信号，从而获得气体浓度。一般来讲，为了获得优质高精度的NDIR气体传感器，重要的是延长特定光学 腔室内的光程长度，从而增加光传播期间光学腔内光的吸收量。但是，仅仅增加光学腔的光程可能会斷氐产品的竞争性，因为气体传感器的体 积和相关制造成本都会因此而相应增加。增加有限尺寸的光学腔光程的一个有效方 法就是合理地设置各个平面镜和透镜在光学腔内的几何位置。由于上述原因，传统光学腔的设计和分析采用的最普通的方式，就是使用光学 模拟技术通过试验和误差来找出平面镜和透镜的最佳几何设置。但是，在光学模拟 中，影响光学腔性能的因素太多，在光学腔设计和制造过程中发生的许多小的误差 因素的累积都可能会导致每个产品性能的极大变化,而且误差出现后的恢复需要大 量时间和经费开支。此外，在使用光学模拟技术设计光学腔时,人们不得不通过试验 和误差工艺来对光学腔进行重新设计,目的是通过特定尺寸的光学腔来增加或减小 光程的长度，进而可能获得的是一种不切实际的光学腔,这种光学腔可能无法应用到 某个特定气体传感器电路。此外，为了设计具有较长光程和较小光学腔体积的高效光学腔，光源辐射的光 在光学腔内充分循环后应能被探测器探测到,以便最充分地应用特定光学腔的内部 空间。但是，在这种情况下，气体通风口的空间就相对减小，导致响应时间(即一 次测量所要求的时间范围)过长。这就是说，测量气体浓度一次可能需要几分钟时 间，这样，传统式气体腔由于用作气体通风口的空间小，在要求快速测量速度(或 者较短响应时间)的检测环境下是无法使用的。此外，当使用NDIR探测技术来测量对热红外具有良好吸收特性的气体时(即当测量可吸收4.2携 红外的032气体时)，热红外会导致腔室材料的热振动，从而 增加了光学腔的温度。例如，当光源辐射能量在100的光束时，因为光学腔内温度 的升高，就可能形成一个超过100的较大能量，这会造成测量误差。为了将这种误 差降到最低，人们可以使用脉冲式光束。然而，由于光探测器辐射强度小，采用小 脉冲宽度的脉冲式光束时，则可能无纟去获得有效的气体测量结果。相反，宽脉冲宽 度的脉冲式光束的使用又会影响光学腔内温度的升高，进而，会导致气体传感器测 量出现误差。此外，由于包括光程长度在内的光学腔特性会受到多种因素的影响，在设计了 一个光学腔之后通过多次实验来对设计变量进行修改是很不容易的，或者说很难预 测光学腔的特性变化以及将这种变化反映到光学腔的设计上。因为光源辐射的光束具有预定的波束宽度或波束尺寸，所以不容易使所有辐射 光都具有一个可穿过光焦点的理想光程。因此，在考虑了光学腔内会出现的各种光程后，也就很难设计出一种光学腔。尽管与其它类型的传统气体传感器相比，NDIR气体传感器的优点很多，但上 述问题还是会影响这种传感器的实际使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光学腔，该光学腔具有延长光程和有效通风的特性。 本专利技术的另一个目的是有效设计作为NDIR气体传感器一个主要部件的光学腔， 该光学腔具有延长光程特性，可以增加测量精度；另外，该光学腔的通风口尺寸明 显增加，便于目标气体流入和流出光学腔，从而降低每次测量气体浓度所需要的响 应时间。本专利技术的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔采用了有效的平面镜几何 设置，保证了一种同时既具有延长光程又具有加大通风口尺寸这种似乎矛盾的目标 要求。本专利技术的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔具有一个较大尺寸的通风 口，便于通过该通风口进行热辐射，防止由于光学腔内温度升高而出现的测量误差。本专利技术的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔在平面反射镜的预定部分 弓l导辐射光反射并在平面反射镜其它无光反射的区域应用了通风口 ，便于气体能够流入和流出，并能防止光学腔内由于一些并非需要光程引起的温度升高，这些并非 需要的光程具有许多光探测器探测不到的光反射点。本专利技术的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔具有一个有效光探测特性， 该特性是通过将光学腔的平面镜设置成一种会聚系统并将光探领U器定位至哙聚系统 的会聚点上来实现的。本专利技术的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔能够使设计者设计的光学 腔的几何图形能够更容易进行分析，并通过小量调整光学腔设计因素就可以很方便 地改变光程，从而降低设计光学腔的试验次数和误差以及成本。本专利技术的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔的光程可以通过控制两个 二次抛物柱面镜的焦距比而很容易地进行调整，并可以基于所应用的气体类型而容 易设计。本专利技术的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔能够通过反射光透过预定 焦点来对辐射光进行会聚，所述辐射光的光束尺寸在其原来状态的基础上得到了扩 展。针对上述目的，根据本专利技术的一个方面的光学腔包括两个相对设置的抛物柱面 镜，这两个抛物柱面镜都具有位于抛物柱面镜公共光轴上的公共焦点；另外，还包 括一个沿每个抛物柱面镜顶点之间的光轴设置的平面镜。在上述的光学腔中，从具有较长焦距的抛物柱面镜的一个任意点上辐射的光在 光学腔内循环，沿光轴到正负方向，最后会聚到光轴中。因此，与光轴并行设置的 光探测器就可以探测到光源辐射的所有光。在上述的光学腔中，光的反射只在平面镜上的抛物柱面镜的焦点处出现。由于 光的反射只在位于平面镜上的焦点处发生，所以，平面镜的其它部分不会反射光。 因此，可以在平面镜上不会产生光反射的其余部分提供通风口。根据本专利技术，人们可以设计出一种光学腔，该光学腔的会聚系统光程相当长， 而且通过使用两个二次抛物柱面镜，从而形成相当大的通风口，所述两个二次抛物 柱面镜的焦距不同，而且二者之间还设置有一个平面镜。根据上述结构的光学腔具有一种通过改变两个抛物柱面镜焦距比来调整光程长 度的特性。根据抛物线的原理，在两个抛物柱面镜的焦距比为l:l时，可以形成一 根无限长的光程。当该焦距比设定为l:n时，根据所应用的气体类型，人们可以很容易地设计出这种光学腔，即如果气体的吸收率较高时，可降低"n"值来縮短光程长度，或者如果气体的吸收率较低时，可增加"n"值来延长光程长度。想情况下，所有被辐射的光都到达光轴上的焦点。但是，实际上，光源辐射 的具有预定宽度或尺寸的光束不能到达理想光程提出的一个焦点上。因此，光学腔 应该设计成这样的，即带有预定光束尺寸或与其原来光程偏离的辐射光束可以会聚 成焦点，最后再会聚到光探测器内。根据本专利技术，提供了一种ND工R气体传感器用的光学腔，该光学腔具有延长光程 和有效通风的特性。由于本专利技术所提出的光学腔是一种使用两个抛物柱面镜和一个平面镜来形成光 程的光学会聚系统，其中，光的反射只有在光学腔内的预定区域进行，光学腔内的 无光反射的某些区域使用了通风口为气体的通风提供了方便，使得延长光程的会聚 系统具有光聚焦功能特性，而有效通风的特性使得光学腔具有快速反应的功能。根据本专利技术的光学腔具有延长的光程，可提高测量精度，通风口尺寸的实质性加 大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体传感器光学腔，包括：具有第一焦距的第一抛物柱面镜；具有第二焦距的第二抛物柱面镜，该第二焦距大于第一焦距，且第二抛物柱面镜设置在与第一抛物柱面镜相对的位置；以及平面镜，设置在第一抛物柱面镜的一端和第二抛物柱面镜的一端之间，其中：两个相对设置的抛物柱面镜具有公共焦点，该公共焦点位于抛物柱面镜的共同光轴上，平面镜沿所述光轴设置，而公共焦点位于平面镜的表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴政翼，
申请(专利权)人：爱尔特公司，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]