專利名稱：陣列式紅外氣體傳感器的制作方法
專利說明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實用新型涉及一種傳感器，進一步涉及一種陣列式紅外氣體傳感器。
常用的氣體分析傳感器的方法有(1)電化學(xué)法，選擇性好，精度高，但是壽命太短，一般三月到一年。
(2)色譜法(層析法)，就是基于各種物理化學(xué)過程把待測氣體組分分離檢測，從而實現(xiàn)對待測氣體的定性識別和定量分析，精度高，但是只能用于實驗室，目前還沒有走向現(xiàn)場應(yīng)用。
(3)光學(xué)方法，包括1)紅外吸收和紫外吸收型，前者易受水分和二氧化碳干擾；后者受紫外發(fā)射光源的限制，不能探測某些易燃氣體，如C2H2、C2H4；2)化學(xué)發(fā)光型，國外已有化學(xué)發(fā)光法NOx氣體分析儀。3)紫外脈沖熒光型，國外已有紫外脈沖熒光SO2分析儀商品。
其中紅外光學(xué)式應(yīng)用最為引人注目，一直是的研究熱點之一。紅外光學(xué)式的特點1)能測量多種氣體除了單原子的惰性氣體(Ar、Ne、He等)和具有對稱結(jié)構(gòu)元極性的雙原子分子氣體(如N2、H2、O2)外，大多數(shù)有機和無機多原子分子氣體，如SO2、、O3、CO、CO2、HC、NOx、NH3、C2H2、CH4等烷烴、烯烴和其它烴類等都可用紅外線分析器進行分析。
2)測量范圍寬紅外線氣體分析器能夠分析氣體的上限為100％，下限可PPM。
3)靈敏度高紅外線氣體分析器有很高的檢測靈敏度，氣體濃度有微小的變化，儀器都能分辨出來。
4)精度高紅外線氣體分析器的精度一般都是3-5級，目前國外比較好的儀器有2級的，也有優(yōu)于1級的。與其它的分析手段相比較。它的精度比較高穩(wěn)定性好。
5)響應(yīng)快反應(yīng)90％值的時間一般可在10s以內(nèi)，與其它分析手段相比較要快好幾倍。
6)紅外線分析器有良好的選擇性(有很高的選擇性系數(shù))特別適于對多組分氣體混合氣中某一待分析組分的測定，而且當(dāng)混合氣中一種或幾種組分的濃度發(fā)生變化時，并不影響待分析組分的測量。
7)可靠性高，壽命長。
8)可實現(xiàn)連續(xù)分析和自動控制。
正是由于以上特點，紅外氣體分器在石油化工生產(chǎn)工藝流程、機械工業(yè)熱處理工序、易燃易爆的危險場所(廠房、倉庫、船艙、擊區(qū)、油井等地方的甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、丙烯、甲醉、乙醇、丙酮、苯、汽油、市用煤氣等)氣體濃度監(jiān)視或報警、工業(yè)窯爐的燃燒效率的控制、大氣中的SO2、、O3、CO、NH3、烴類及某些有毒氣體的含量進行監(jiān)測、原子能發(fā)電站中測量反應(yīng)堆循環(huán)氣體中的水蒸汽、CO、CO2、研究作物生長情況、對汽車排氣中的CO、CO2、HC、SO2、NOx的濃度進行測定等方面具有十分廣泛的應(yīng)用。
特別是作為污染源連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)中核心部分紅外分析單元，更是發(fā)揮了獨特的作用。煙囪煙道的廢氣成份具有時變性、組分濃度和流速大小隨機、煙油污染、溫度變化范圍大等惡劣條件，使得其他測量方法無法實現(xiàn)在線測量。法國ESA公司的固定源CEMS采用MIR 9000型GFC紅外多氣體分析儀可同時分析1～10種氣體；法國OLDHAM公司的E6200型CEMS采用E6200采用紅外線直接測量法可測SO2、CO2、NOx、NO、NO2、HCl、CO、CH4、NH3、HC、H2O；英國XENTRA4900型CEMS采用非分散紅外線法測NO、SO2、CO2、CO；日本HORIBA公司的ENDA-600型系列CEMS采用非分散紅外線法NOx、SO2、CO2、CO。
紅外氣體分析儀從物理特征分為分光型和不分光型(非分散)兩種。分光型是借助分光系統(tǒng)分出單色光，使通過介質(zhì)層的紅外線波長與被測組分的特征吸收光譜相吻合。探測器頭均采用寬范圍響應(yīng)的熱輻射探測器、光電導(dǎo)檢測器，分析能力強，但是分光系統(tǒng)復(fù)雜，多用于實驗室目前還不能走向現(xiàn)場。不分光型指光源的連續(xù)光輻射全部投射到樣品上，樣品對紅外輻射具有選擇性吸收和積分性質(zhì)，同時采用與樣品具有相同吸收光譜的檢測器(微音電容探測器)來測定樣品對紅外光吸收量。不分光型功能單一，但比較可靠，多用于工業(yè)現(xiàn)場。一般采用氣體相關(guān)技術(shù)或濾波氣室等方法消除背景氣體干擾。微音探測器缺點在于功能單一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護困難。
本實用新型結(jié)合分光型儀器高精度、高選擇性和不分光型儀器的可靠結(jié)構(gòu)特點，采用濾波片陣列、光錐陣列、熱釋電探測器陣列集成結(jié)構(gòu)，使得探測器具有分光選擇性和維護方便性。主要用于工業(yè)現(xiàn)場作為紅外分析器的核心部件，可以解決氣體交叉敏感、水氣、系統(tǒng)、背景等噪聲干擾等傳統(tǒng)紅外分析儀器難以克服的問題。通過適當(dāng)選擇濾光片波長，可以實現(xiàn)紅外區(qū)域的DOAS(DifferentialOptical Absorption Spectroscopy)，當(dāng)代最新監(jiān)測技術(shù)的代表技術(shù)開放式差分紅外吸收光譜法(DOAS)技術(shù)為基礎(chǔ)研制局域環(huán)境多組分有害氣體(SO2，NO，NO2，CO，CO2，CH，O3等)的在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的技術(shù)方案是(以六組分氣體測定為例)該傳感器由一帶有固定孔的壓板1，一氣體特征波長窄帶濾光片濾光片2，用以分別接收不同特征波長紅外線的光錐3和用于放置若干個光錐的光錐套4，一電路板5，蓋板6和套管7；壓板1通過周邊四個螺栓與光錐套4連接，光錐3通過過渡配合安裝在光錐套4的臺階孔中，電路板5上焊接有若干組雙元型熱釋電紅外探測器、電阻和電容，和兩片LM324集成放大器，裝配在光錐套4的臺階小孔中，與前端光錐3對應(yīng)，所有電子元器件均采用表貼元件，元件及其焊點均在電路板后端面；由套管7與蓋板6隔開，通過螺栓把蓋板6、電路板5、光錐3緊固連接；電路板5上的電源線與信號輸出線采用屏蔽電纜線由蓋板6的中心孔引出。
本實用新型的其他一些特點是，氣體特征波長窄帶濾光片陣列2采用大于2個的組合，不同波長的濾光片組合可以實現(xiàn)多種不同氣體的同時測定。
所述光錐陣列3采用大于2個組合，通過過渡配合安裝在光錐套4的臺階孔中，所述光錐套4放置有光錐，所述電路板5上對應(yīng)焊接了雙元型熱釋電紅外探測器、電阻和電容以及放大器。
該傳感器是工業(yè)紅外氣體分析儀器的核心部件，由于采用雙元型熱釋電紅外探測器，可以作為任意類型的紅外氣體分析器的探測部分?？赏瑫r測定若干種(根據(jù)不同紅外氣體分析器在該系列中選擇)氣體組分，并大幅度地消除水汽的干擾。通過方便地更換傳感器紅外窗口波片，可實現(xiàn)對三十多種工業(yè)氣體的定量與定性分析。本傳感器采用正負12V供電，輸出7路伏級信號，在研制紅外氣體分析儀中通過適當(dāng)?shù)剡x擇該系列中不同類型，可以大大提高紅外氣體分析儀器的分析能力、分析精度和性價比。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
實施例參見

圖1～8，傳感器結(jié)構(gòu)(以六組分氣體傳感器為例)陣列式紅外氣體傳感器裝配圖圖1a結(jié)構(gòu)剖面圖中組件1為壓板，材料為塑料ABS，厚度0.2mm。通過周邊四個M2螺栓與光錐套組件4連接，目的為壓緊濾光片。
組件2為待測氣體特征波長窄帶濾光片(半帶寬0.05um，透過率大于80％)，平放在光錐組件3端部的沉孔中，與光錐3是間隙配合。當(dāng)需要測量不同氣體時，擰下螺栓，去掉壓板1，更換特征波長濾光片。
組件光錐3材料為黃銅，內(nèi)表面光潔度達 ，通過過渡配合安裝在光錐套4的7個臺階孔中。
組件光錐套4材料為合金鋁。
組件電路板5上焊接了7個雙元型熱釋電紅外探測器，裝配在光錐套臺階小孔中，與前端光錐對應(yīng)，用以分別接收不同特征波長紅外線。其它所有電子元器件均采用表貼元件，元件及其焊點均在電路板后端面。由套管7與后蓋板隔開，通過螺栓把蓋板、電路板、光錐緊固連接。
組件蓋板6材料為合金鋁，中間開空便于引出線，并且有屏蔽電磁干擾作用。
電路原理圖中的R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、為10k精密電阻(0.1％，25ppm)，類型為表貼元件。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7為GL202熱釋電探測器，C1、C2、C3、C4、C5、C6 C7為0.01uF的電容；IC1A、IC1B、IC1C、IC1D、IC2A、IC2B、IC2C為LM324的放大器；電源線(正負12V和地線)與7根信號輸出線采用一根10芯屏蔽電纜線由蓋板6中心孔引出。
如說明書附圖中的圖9所示，在使用過程中，可同時測定六種(根據(jù)不同紅外氣體分析器在該系列中選擇)氣體組分，也可根據(jù)實際進行組合，采用不同波長的濾光片組合可以實現(xiàn)多種不同氣體的同時測定，光錐陣列也可采用組合，與濾光片組合對應(yīng)。通過過渡配合安裝在光錐套4的臺階孔中，光錐套4放置有光錐，電路板5上對應(yīng)焊接了雙元型熱釋電紅外探測器、電阻和電容以及放大器。
通過選用水分特征吸收濾光片，將其它路信號與該路信號差分輸出，可以大幅度地消除水汽的干擾。通過方便地更換傳感器紅外窗口波片，可實現(xiàn)對三十多種工業(yè)氣體的定量與定性分析。本傳感器采用正負12V供電，輸入2～15um的10赫茲左右調(diào)幅調(diào)制紅外線，輸出7路伏級信號，在研制紅外氣體分析儀中通過適當(dāng)?shù)剡x擇該系列中不同類型，本結(jié)構(gòu)可以簡化放大電路，降低信號處理的難度?？梢源蟠筇岣呒t外氣體分析儀器的分析能力、分析精度和性價比。
本實用新型是今后30-50年的主流技術(shù)和替代技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用核心部分硬件實現(xiàn)，即當(dāng)代最新監(jiān)測技術(shù)的代表技術(shù)開放式差分紅外吸收光譜法(DOAS)技術(shù)為基礎(chǔ)研制局域環(huán)境多組分有害氣體(SO2，NO，NO2，CO，CO2，CH，O3等)的在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)?？捎糜谖廴驹?、環(huán)境污染氣體、固定污染源治理過程有害氣體的在線監(jiān)測。消除因開放光路非待測大氣成份強背景干擾的；消除氣體溫度變化、壓強變化、CO2、水汽溫度變化干擾影響，而消除CO2、水汽干擾的常規(guī)方法是采用加熱、過濾措施對被測氣體導(dǎo)樣管預(yù)處理。
權(quán)利要求1.一種陣列式紅外氣體傳感器，其特征在于，包括一帶有固定孔的壓板[1]，若干氣體特征波長窄帶濾光片陣列[2]，用以分別接收不同特征波長紅外線的光錐陣列[3]和用于放置若干個光錐的光錐套[4]，一電路板[5]，一個蓋板[6]和四個套管[7]；壓板[1]通過周邊四個螺栓與光錐套[4]連接，光錐[3]通過過渡配合安裝在光錐套[4]的臺階孔中，電路板[5]上焊接有若干組雙元型熱釋電紅外探測器、電阻、電容、集成放大器，熱釋電紅外探測器裝配在光錐套[4]的臺階小孔中，與前端光錐[3]對應(yīng)，所有電子元器件均采用表貼元件，元件及其焊點均在電路板后端面；由套管[7]與蓋板[6]隔開，通過螺栓把蓋板[6]、電路板[5]、光錐[3]緊固連接；電路板[5]上的電源線與信號輸出線采用屏蔽電纜線由蓋板[6]的中心孔引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述氣體特征波長窄帶濾光片陣列[2]采用大于2個的組合，不同波長的濾光片組合可以實現(xiàn)多種不同氣體的同時測定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述光錐陣列[3]采用大于2個組合，通過過渡配合安裝在光錐套[4]的臺階孔中，所述光錐套[4]放置有光錐，所述電路板[5]上對應(yīng)焊接了雙元型熱釋電紅外探測器、電阻和電容以及放大器。
專利摘要本實用新型公開了一種陣列式紅外氣體傳感器,由一壓板、氣體特征波長窄帶濾光片濾光片陣列、光錐陣列、光錐套、電路板、蓋板和套管構(gòu)成,由于采用雙元型寬范圍響應(yīng)的熱釋電紅外探測器,可以作為任意類型的紅外氣體分析器的探測部分,可同時測定多種氣體組分,并大幅度地消除水汽的干擾,通過方便地更換傳感器紅外窗口波片,可實現(xiàn)對三十多種工業(yè)氣體的定量與定性分析。本傳感器采用單一+12V供電,輸出多路伏級信號,在研制紅外氣體分析儀中通過適當(dāng)?shù)剡x擇該系列中不同類型,可以大大提高紅外氣體分析儀器的分析能力、分析精度和性價比。
文檔編號G01N21/35GK2507011SQ0126594
公開日2002年8月21日 申請日期2001年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月6日
發(fā)明者劉君華, 張永懷 申請人:西安交通大學(xué)