气体传感器制造技术

公开了一种独特的ＮＤＩＲ气体传感器模块的光腔和从１００ｐｐｍ到２０００ｐｐｍ的ＣＯ↓［２］浓度的测试结果。所提出的传感器模块在５００ｍｓ的脉冲持续时间时显示出最大峰值电压，然而，在２００ｍｓ脉冲持续时间时具有最大的相对电压改变以及１８０００倍的放大增益。从１００ｐｐｍ至２０００ｐｐｍ，传感器模块的电压差值（Ｖ）在脉冲持续时间为２００ｍｓ并且关断时间为３秒时为２００ｍＶ。

【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光学气体传感器并且尤其涉及一种非色散红外气体传感器。
技术介绍
传统的光学气体传感器的工作原理如下。通常的，光强度由于光路径上光线的衍射、反射、折射以及吸收而增强或者减弱。当入射光线通过光路径时，该光路径上的气体吸收光线并且初始的光强度降低。当气体浓度J为各向同性并且在光路径上均匀分布时，红外线通过光路径L，最终光强度I可以通过Beer-Lambert定律解释，该定律是气体吸收系数k、路径长度L以及初始光强度Io的函数。即，I＝Io·e-KJL(x)—————公式(1)Beer-Lambert定律表达为上面的公式(1)。如果初始光强度Io和待测气体的吸收系数恒定，则最终光强度I表达为光路径上的气体浓度J和路径长度L的函数。如果在上述公式(1)中没有气体，即如果J＝0，则最终光强度等于初始光强度。即I＝Io-———————公式(2)因此，当没有气体和气体浓度为J时光学强度的差值通过公式(3)得到ΔI＝Io·(1-e-KJL(x))—————公式(3)然而，由于传统的红外传感器输出与光强度成正比的电压，根据存在或者不存在气体时的传感器的输出表达为公式(4)ΔV＝α·ΔI＝α·Io·(1-e-KJL(x))—————公式(4)为了得到具有从低浓度到高浓度很宽的测量范围的光学气体传感器，首先，应当提供具有很长的光路径L的光腔(或者气体室)；其次，应当使用最低可检测光强度Ith足够低的红外线传感器；或者第三，具有相对较高并且略低于从红外源发射的初始光强度IO的饱和光强度Isat的红外线传感器。然而，由于商用的红外线检测传感器(例如温差电堆(Thermopile)红外传感器或者无源红外传感器)不足以满足上述所有条件，因此需要提供具有足够长路径的光腔的优选方法。因此提出了在有限的光腔内延伸光路径的各种方法，其中一者为Jacob Y.Wong专利技术的名称为“NDIR GAS ANALYSIS USING SPECTRALRATIONING TECHNIQUE”的美国专利No.5,341,214。如图1所示，该专利技术旨在提供光路径管状结构，该结构引起多次反射，从而平均路径长度大于光波导的物理长度。并且，其试图通过将从光源发射的红外线导向任何方向而增加光路径。然而，红外线气体传感器通常具有有限的接收入射光线的视场。由于视场有限，完全到达红外线传感器进行测量的光线量非常小。因此，光腔效率很低，并且缺乏实用性。另一种使用White’s Cell原理的方法在名称为“MIRRORARRANGEMENT FOR A BEAM PATH IN A MULTIPLE-REFLECTIONMEASURING CELL.”的美国专利No.5,009,493中公开。如图2所示，多个焦点位于镜面的反射表面上，从而入射光可以通过设置的三个反射镜面而反射预定次数，并且可以延伸光路径的长度以分析光路径上很少量的气体。然而，由于这种系统使用激光作为光源，因此不适合于测量CO2等气体。而且，由于反射面之间的长距离，因此很难在较小的气体检测器中使用。另一种方法为Christopher R.Sweet在名称为“GAS ANALYZER”的美国专利No.5,488,227中提出的，其中通过凸面反射镜和凹面反射镜的组合形成气体传感器。为了确保较长的有效光路径，该方法的特点在于在气体闭室中安装移动的凸面反射镜，如图3所示。根据该方法的气体分析器包括结构12用于确保气体传感器内的一定空间并且防止内部污染，盖子13，圆筒光学反射镜15，步进电机16用于旋转所述反射镜，红外线传感器24，具有多个过滤器的旋转圆盘21以及旋转所述圆盘的步进电机23。然而，由于很难得到这样的系统并且反射镜的旋转需要步进电机，因此在小型便携式的、使用简单的气体分析器中不容易使用。在名称为“GAS SENSOR”的PCT/SE97/01366(WO 98/09152)中Martin提出了又一种方法。为了在具有有限尺寸的光腔中提供相对长的光路径，所述方法如图4所示设置3个凹面镜。换言之，Martin提出的气体传感器包括三个椭圆凹面，并且具有光学气体传感器闭室结构(cell structure)，采用White’sCell概念以将各个凹面的反射光线的焦点设置在相反反射面上或者其附近。然而，所述具有三个反射面的气体传感器闭室很复杂。并且，由于从位于主镜面(主体的镜面)的表面上的光源发射穿过光腔的入射光在其入射角上可以具有微小变化，因此很难确定光学传感器的适当位置。本专利技术涉及一种光学气体传感器，并且尤其涉及一种非色散红外NDIR气体传感器。测量CO2浓度有两种方式。一种是NDIR系统，另一种是公开的固态电解系统，例如K.Kaneyasu等人的“A carbon dioxide gas sensor based on solidelectrolyte for air quality control”(Sensors and Actuators B.vol.66，pp.55-66，2000)。尽管固态电解传感器比NDIR传感器便宜，但是NDIR传感器在长期稳定性、高精度以及低功耗等方面优于固态电解传感器。并且，NDIR传感器具有良好的选择性和灵敏度，因为其采用了目标气体会吸收一定波长的红外线的物理传感原理。NDIR传感器的光学特性如下。通常的，光强度通过光路径上光线的衍射、反射、折射和吸收而减小或者增大。对于NDIR传感器，随着入射光穿过光路径，光路径上的气体吸收光线并且初始光强度减小。当气体浓度J为各向同性并且在光路径上均匀分布时，红外线通过光路径L，最终光强度I可以通过Beer-Lambert定律解释，即是气体吸收系数k、路径长度L以及初始光强度Io的函数。即，I＝Io·e-KJL(x)—————公式(5)Beer-Lambert定律表达为上面的公式(5)。如果初始光强度Io和待测气体的吸收系数恒定，则最终光强度I表达为光路径上的气体浓度J和路径长度L的函数。如果在上述公式(5)中没有气体，即如果J＝0，最终光强度等于初始光强度。即I＝Io———————公式(6)因此，当没有气体和气体浓度为J时光学强度的差值通过公式(7)得到ΔI＝Io·(1-e-KJL(x))—————公式(7)然而，由于传统的红外传感器输出与光强度成正比的电压，根据存在或者不存在气体时的传感器的输出表达为公式(8)ΔV＝α·ΔI＝α·Io·(1-e-KJL(x))—————公式(8)其中α为比例常数。为了得到具有从低浓度到高浓度很宽的测量范围的光学气体传感器，首先，应当提供具有很长的光路径L的光腔(或者气体室)；其次，应当使用最低可检测光强度Ith足够低的红外线传感器；以及第三，具有相对较高并且略低于从红外源发射的初始光强度IO的饱和光强度Isat的红外线传感器。然而，由于商用的红外线检测传感器(例如温差电堆(Thermopile)红外传感器或者无源红外传感器)不足以满足上述所有条件，因此需要提供具有足够长路径的光腔的优选方法。现有的NDIR气体传感器系统中应用了四种光腔。第一，如同在1995年8月22日发布的Jacob Y.Wong的美国专利No.5,444,249中公开的，提供了一种具有一个红外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学气体传感器，包括：气室，用于容纳样本气体；气体开口，用于将样本气体注入到所述气室内或者用于从所述气室释放样本气体；光源，用于向所述样本气体投射红外线；以及红外线传感器，用于感测穿过所述样本气体的红外线的强度，其特征在于：所述 气室的壁包括两个相对的具有不同焦距但是具有公共焦点的凹面镜，并且所述凹面镜具有如下曲率，即使得平行于所述凹面镜的光轴的入射光在所述凹面镜的表面上反射并且通过所述凹面镜的焦点，并且使得通过所述凹面镜的焦点的入射光在凹面镜的表面上反射并且平行于所述凹面镜的光轴传播。

【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：李承焕，朴正翼，姜智贤，
申请(专利权)人：ELT株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[]