專利名稱：高分辨率紅外氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外氣體傳感器，具體地說，涉及一種高分辨率紅外氣體傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的紅外氣體傳感器因受自身體積的限制，其光學(xué)通道的光程很短，致使傳感 器的測試靈敏度較低，只能進(jìn)行定性的氣體濃度測量，很難進(jìn)行高靈敏度和高精度的氣體 測試；現(xiàn)有的紅外氣體傳感器只是對紅外吸收原理的一種簡單應(yīng)用，具有部分紅外原理特 征，還缺少一些較為完備的功能，例如抗水氣干擾、溫度補(bǔ)償、空氣校準(zhǔn)、數(shù)字輸出等功能， 還無法適應(yīng)惡劣環(huán)境，無法滿足高精度、高要求的應(yīng)用領(lǐng)域。為此，人們一直在尋求一種適于實用的技術(shù)解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種體積小巧、性價比高、功能完善、使用方 便、高靈敏度、高精度的高分辨率紅外氣體傳感器。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下一種高分辨率紅外氣體傳感器，包括防爆外殼、 設(shè)置于防爆外殼一開口端的防爆冶金粉末網(wǎng)、設(shè)置于防爆外殼另一開口端的防爆外殼蓋、 設(shè)置在防爆外殼蓋上的輸出管腳、紅外氣體探測器和紅外光源，其中，在防爆外殼內(nèi)部依次 設(shè)置有光學(xué)腔體、信號控制與采集電路板和主電路板，所述光學(xué)腔體內(nèi)設(shè)置有光學(xué)通道，所 述光學(xué)腔體靠近所述防爆冶金粉末網(wǎng)方向的腔壁上設(shè)置有通氣孔，所述光學(xué)腔體的腔壁上 設(shè)置有紅外氣體探測器安裝孔和紅外光源安裝孔，所述紅外氣體探測器和所述紅外光源分 別安裝在所述紅外氣體探測器安裝孔和所述紅外光源安裝孔內(nèi)，所述紅外氣體探測器的探 測端設(shè)置在所述光學(xué)通道內(nèi)的一端，所述紅外光源的發(fā)光端設(shè)置在所述光學(xué)通道內(nèi)的另一 端；在所述防爆外殼蓋與所述主電路板之間澆注有環(huán)氧樹脂，在所述信號控制與采集電路 板與所述主電路板之間澆注有環(huán)氧樹脂；所述信號控制與采集電路板上設(shè)置有信號控制與 采集電路，所述主電路板上設(shè)置有電源電路和主控電路；所述電源電路分別連接所述信號 控制與采集電路和所述主控電路，所述信號控制與采集電路連接所述主控電路，所述紅外 氣體探測器和所述紅外光源的管腳分別連接所述信號控制與采集電路，所述輸出管腳一端 連接所述主控電路；所述光學(xué)通道呈螺旋形?；谏鲜?，所述光學(xué)通道呈阿基米德螺旋形，所述光學(xué)通道內(nèi)壁鍍金?；谏鲜觯龉鈱W(xué)腔體包括安裝在一起的銅質(zhì)光學(xué)腔體上蓋和銅質(zhì)光學(xué)腔體下 蓋；所述紅外氣體探測器安裝孔和所述紅外光源安裝孔分別設(shè)置在所述光學(xué)腔體上蓋上， 所述通氣孔設(shè)置在所述光學(xué)腔體下蓋上?；谏鲜?，在所述光學(xué)腔體與所述防爆冶金粉末網(wǎng)之間設(shè)置有防水透氣膜?；谏鲜?，所述主控電路包括有MCU電路和連接MCU電路的加熱控制電路，所述加 熱控制電路的控制輸出端連接加熱電阻一端，所述加熱電阻另一端接地?；谏鲜?，所述信號控制與采集電路包括有可調(diào)穩(wěn)壓電源電路、場效應(yīng)管、兩路高性能運算放大器電路和溫度傳感器，其中，所述可調(diào)穩(wěn)壓電源電路的電壓輸出端連接所述 紅外光源以提供電源，所述場效應(yīng)管連接在所述紅外光源以控制紅外光源開關(guān)；所述MCU 電路連接所述場效應(yīng)管以發(fā)送控制方波；所述紅外氣體探測器的輸出端分別連接兩路高 性能運算放大器電路的輸入端，兩路所述高性能運算放大器電路的輸出端連接所述MCU電 路，所述溫度傳感器的輸出端連接所述MCU電路?；谏鲜?，所述光學(xué)腔體上蓋上設(shè)置有加熱電阻安裝槽，所述加熱電阻設(shè)置在所 述加熱電阻安裝槽內(nèi)?；谏鲜?，所述電源電路是電壓可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源電路；所述電源電路的電壓輸出 端連接所述MCU電路的ADC參考電壓輸入腳?；谏鲜?，所述主控電路還包括有連接MCU電路的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，所述MCU電路還 包括有MCU外部晶振電路和MCU編程接口。本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有突出的實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，具體說，該傳感器能在 直徑為28. 5mm、高度為24mm的微小空間內(nèi)，利用呈阿基米德螺旋形的光學(xué)通道實現(xiàn)紅外氣 體探測的功能；在有限的空間內(nèi)，采用阿基米德螺旋形的光學(xué)通道，可使光程得以大幅度提 高，進(jìn)而可提高傳感器的測試靈敏度和精度；該紅外傳感器采用的防爆外殼、防爆冶金粉末網(wǎng)和防爆外殼蓋構(gòu)成了一個防爆性 能良好的防爆體，且在所述防爆外殼蓋與所述電路板之間澆注有環(huán)氧樹脂，更進(jìn)一步的增 強(qiáng)了傳感器的密封性能和防爆性能；該傳感器在狹小的空間內(nèi)增加了智能加熱功能，保證氣體不在傳感器內(nèi)凝結(jié)，達(dá) 到了抗?jié)駳獾哪康?，具有不受水氣影響的能力；該傳感器具有為紅外光源獨立供電的電路，使電源電壓的波動對紅外光強(qiáng)的影響 降低到最小，利于提高傳感器精度；該傳感器根據(jù)傳感器的特性進(jìn)行了電路改進(jìn)，提高了電路的精度和穩(wěn)定性，進(jìn)而 利于提高傳感器的精度和靈敏度；該傳感器的輸出方式同時兼顧數(shù)字接口和模擬接口，具有使用方便、兼容性好的 優(yōu)點，適合更多的用戶；該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計科學(xué)、性能穩(wěn)定、精度高、壽命長、易于制造、使用方 便、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點，其具有數(shù)字輸出和溫度補(bǔ)償功能，能在-20°C 60°C范圍內(nèi)正常工 作，且抗?jié)駳飧蓴_能力強(qiáng)，適應(yīng)潮濕的工作環(huán)境。


圖1是本發(fā)明的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的拆分結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是所述光學(xué)腔體上蓋的外側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是所述光學(xué)腔體上蓋的內(nèi)側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是所述光學(xué)腔體下蓋的內(nèi)側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明所述主控電路和電源電路的電路原理示意圖；圖7是本發(fā)明所述信號控制與采集電路的電路原理示意圖。
具體實施例方式下面通過具體實施方式
，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，一種高分辨率紅外氣體傳感器，包括防爆外殼 2、設(shè)置于防爆外殼2—開口端的防爆冶金粉末網(wǎng)1、設(shè)置于防爆外殼2另一開口端的防爆外 殼蓋9、設(shè)置在防爆外殼蓋9上的輸出管腳10、紅外氣體探測器5和紅外光源6 ；其中，在防爆外殼2內(nèi)部依次設(shè)置有光學(xué)腔體、信號控制與采集電路板7和主電路板8，所述光學(xué)腔體內(nèi)設(shè)置有光學(xué)通道13，所述光學(xué)腔體靠近所述防爆冶金粉末網(wǎng)1方向的 腔壁上設(shè)置有通氣孔17，所述光學(xué)腔體的腔壁上設(shè)置有紅外氣體探測器安裝孔15和紅外 光源安裝孔16，所述紅外氣體探測器5和所述紅外光源6分別安裝在所述紅外氣體探測器 安裝孔15和所述紅外光源安裝孔16內(nèi)，所述紅外氣體探測器5的探測端設(shè)置在所述光學(xué) 通道13內(nèi)的一端，所述紅外光源6的發(fā)光端設(shè)置在所述光學(xué)通道13內(nèi)的另一端； 基于密封和防爆考慮，在防爆外殼蓋9與主電路板8之間澆注有環(huán)氧樹脂，在信號 控制與采集電路板7與主電路板8之間澆注有環(huán)氧樹脂；所述信號控制與采集電路板7上設(shè)置有信號控制與采集電路，所述主電路板8上 設(shè)置有電源電路和主控電路；所述電源電路的電壓輸出端分別連接所述信號控制與采集電路和所述主控電路 以便于為有源器件提供穩(wěn)壓電源，所述信號控制與采集電路連接所述主控電路，所述紅外 氣體探測器5和所述紅外光源6的管腳分別連接所述信號控制與采集電路，所述輸出管腳 10—端連接主控電路；所述光學(xué)通道13呈阿基米德螺旋形，即所述光學(xué)通道13呈阿基米德螺旋線狀，利 用阿基米德螺線原理大幅度增長了光程，大大提高了測試靈敏度；所述光學(xué)通道13內(nèi)壁鍍
^^ ο如圖3、圖4和圖5所示，基于上述，為了安裝與生產(chǎn)制造方便，所述光學(xué)腔體包括 密封安裝在一起的銅質(zhì)光學(xué)腔體上蓋4和銅質(zhì)光學(xué)腔體下蓋3 ；在銅質(zhì)光學(xué)腔體上蓋4和 銅質(zhì)光學(xué)腔體下蓋3上設(shè)置有螺絲孔22，通過螺絲12將銅質(zhì)光學(xué)腔體上蓋4和銅質(zhì)光學(xué)腔 體下蓋3緊固在一起；所述紅外氣體探測器安裝孔15和所述紅外光源安裝孔16分別設(shè)置在所述光學(xué)腔 體上蓋4上，所述通氣孔17設(shè)置在所述光學(xué)腔體下蓋3上；安裝在一起的所述光學(xué)腔體上蓋4和所述光學(xué)腔體下蓋3采用阿基米德螺線原理 構(gòu)成所述銅質(zhì)鍍金螺旋形光學(xué)通道。基于上述，如圖1和圖2所示，在光學(xué)腔體與防爆冶金粉末網(wǎng)1之間設(shè)置有防水透 氣膜11，具體說，防水透氣膜11設(shè)置于防爆冶金粉末網(wǎng)1的內(nèi)側(cè)?；谏鲜觯鐖D6所示，所述主控電路包括有MCU電路，分別連接MCU電路的數(shù)模 轉(zhuǎn)換電路和加熱控制電路；所述MCU電路包括有MCU、電阻R6、電容C9、M⑶外部晶振電路和M⑶編程接口， MCU 采用 dsPIC30F3013 ；所述MCU外部晶振電路包括晶振Y1、電容C7和電容C8，在微小的空間內(nèi)使用外部 晶振，利于提高傳感器精度；所述MCU編程接口 J3連接上拉電阻R7，實現(xiàn)了直接PCB在線編程；
所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片U2、電容C3、電容ClO和電阻Rl，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片U2采用MCP4822芯片；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路用于將MCU輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信 號并提供給輸出管腳，使得本傳感器同時兼顧模擬接口和數(shù)字接口；如圖7所示，所述加熱控制電路的控制輸出端連接加熱電阻R12—端，所述加熱電 阻R12另一端接地；所述加熱控制電路包括電源芯片Ul和電容Cl，電源芯片Ul采用Rl 170 電源芯片；所述電源芯片Ul用于給所述加熱電阻R12獨立供電；所述MCU輸出高低電平信 號控制所述電源芯片Ul的工作與停止，從而達(dá)到控制加熱的目的；基于上述，如圖1和圖3所示，所述光學(xué)腔體上蓋4上設(shè)置有加熱電阻安裝槽24， 所述加熱電阻14設(shè)置在所述加熱電阻安裝槽24內(nèi)；當(dāng)光學(xué)腔體內(nèi)的溫度小于40度時就啟 動加熱，保證氣體不在光學(xué)腔體內(nèi)凝結(jié)，達(dá)到了抗?jié)駳獾哪康?，使本傳感器具有抗?jié)駳飧蓴_ 的功能。基于上述，如圖6所示，所述電源電路是電壓可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源電路，采用此電路可 將有源芯片供電的電壓降至到2. 7V ；所述電源電路包括電源穩(wěn)壓芯片U3、電容C2、電容C4、電容C5和電容C6、電阻R2、 電阻R3、電阻R4、零歐電阻R5 ；所述電源穩(wěn)壓芯片U3采用MIC5205BM5可調(diào)電源穩(wěn)壓芯片； 輸入電壓經(jīng)所述電源穩(wěn)壓芯片U3處理后輸出穩(wěn)定電壓，以提供給信號控制與采集電路和 主控電路使用；所述電源電路的電壓輸出端連接所述MCU電路的ADC參考電壓輸入腳，即ADC參 考電壓輸入腳直接連接到電源穩(wěn)壓芯片U3的2. 7V輸出端。基于上述，如圖7所示，所述信號控制與采集電路包括有可調(diào)穩(wěn)壓電源電路、場效 應(yīng)管Q1、兩路高性能運算放大器電路(U2A，U2B)、基準(zhǔn)電壓芯片U5、溫度傳感器U9、電容 C20、電容C21、電容C14、電容C22、電容C13、電容C16、電容C17和電容C19、電阻R16、電阻 R13、電阻R14、電阻R15、電阻R6、電阻R19、電阻R21、三端濾波器附和N2 ；場效應(yīng)管采用 NDS331N場效應(yīng)管；溫度傳感器U9采用TC1047A溫度芯片；基準(zhǔn)電壓芯片U5采用ZXRE125 電源基準(zhǔn)芯片；兩路高性能運算放大器電路(U2A，U2B)采用AD8629集成運放；其中，所述可調(diào)穩(wěn)壓電源電路的電壓輸出端連接所述紅外光源以提供電源；為了 提高紅外光源的光強(qiáng)，電源芯片U7把電壓穩(wěn)至在紅外光源的最佳電壓值4. 6V ；由于紅外光 源的獨立供電，使電源電壓的紋波對紅外光強(qiáng)的影響降低到最小，利于提高精度。 所述可調(diào)穩(wěn)壓電源電路包括電源穩(wěn)壓芯片U7、電容Cl 1、電容C12、電容C23和電容 C24、電阻R9、電阻R10，電源穩(wěn)壓芯片U7采用MIC5205BM5可調(diào)電源穩(wěn)壓芯片；所述場效應(yīng)管Ql連接所述紅外光源U8以控制紅外光源開關(guān)，所述MCU連接所述 場效應(yīng)管Q1，所述場效應(yīng)管Ql根據(jù)所述MCU產(chǎn)生的一定頻率和占空比的方波控制所述紅外 光源開關(guān)；所述紅外氣體探測器的輸出端分別連接兩路高性能運算放大器電路的輸入端，兩 路所述高性能運算放大器電路的輸出端連接所述MCU電路，其中，芯片U6為紅外氣體探測 器，它輸出的兩路微弱電信號經(jīng)過放大后接到MCU ；U2A和U2B為高性能運算放大器，電阻 R8、電阻R20、電阻R17、電阻R18為放大電路的增益電阻；所述紅外氣體探測器根據(jù)所述紅 外光源產(chǎn)生的光波采集光學(xué)通道內(nèi)被測氣體的濃度模擬信息，所述濃度模擬信息經(jīng)兩路高 性能運算放大器電路放大后輸出給所述MCU ；
所述基準(zhǔn)電壓芯片U5為高性能運算放大器電路提供基準(zhǔn)電壓；所述溫度傳感器U9的輸出端連接所述MCU電路，所述溫度傳感器U9將采集的紅 外氣體探測器溫度模擬信息輸出給所述MCU。所述濃度模擬信息和溫度模擬信息經(jīng)所述MCU的內(nèi)設(shè)程序進(jìn)行一系列運算處理 后輸出被測氣體數(shù)字智能采集信息，所述智能采集信息連接所述輸出管腳。該傳感器具有溫度補(bǔ)償功能，所述MCU通過內(nèi)設(shè)控制程序，使本傳感器在不同溫 度下能得出不同結(jié)果，保證了在不同溫度下測試結(jié)果均具有高準(zhǔn)確性，可適應(yīng)超高溫或超 低溫條件下正常運行；該傳感器采用變溫技術(shù)，得到不同溫度下的零點，在任何條件下，都可以用空氣進(jìn) 行校準(zhǔn)；該傳感器采用全新的整體模塊化設(shè)計，在需要開發(fā)新氣體種類的時候，只需要更 換探測器，大大減少開發(fā)周期，真正實現(xiàn)智能化。最后應(yīng)當(dāng)說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制；盡 管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然 可以對本發(fā)明的具體實施方式
進(jìn)行修改或者對部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而不脫離本發(fā) 明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種高分辨率紅外氣體傳感器，包括防爆外殼、設(shè)置于防爆外殼一開口端的防爆冶金粉末網(wǎng)、設(shè)置于防爆外殼另一開口端的防爆外殼蓋、設(shè)置在防爆外殼蓋上的輸出管腳、紅外氣體探測器和紅外光源，其中，在防爆外殼內(nèi)部依次設(shè)置有光學(xué)腔體、信號控制與采集電路板和主電路板，所述光學(xué)腔體內(nèi)設(shè)置有光學(xué)通道，所述光學(xué)腔體靠近所述防爆冶金粉末網(wǎng)方向的腔壁上設(shè)置有通氣孔，所述光學(xué)腔體的腔壁上設(shè)置有紅外氣體探測器安裝孔和紅外光源安裝孔，所述紅外氣體探測器和所述紅外光源分別安裝在所述紅外氣體探測器安裝孔和所述紅外光源安裝孔內(nèi)，所述紅外氣體探測器的探測端設(shè)置在所述光學(xué)通道內(nèi)的一端，所述紅外光源的發(fā)光端設(shè)置在所述光學(xué)通道內(nèi)的另一端；在所述防爆外殼蓋與所述主電路板之間澆注有環(huán)氧樹脂，在所述信號控制與采集電路板與所述主電路板之間澆注有環(huán)氧樹脂；所述信號控制與采集電路板上設(shè)置有信號控制與采集電路，所述主電路板上設(shè)置有電源電路和主控電路；所述電源電路分別連接所述信號控制與采集電路和所述主控電路，所述信號控制與采集電路連接所述主控電路，所述紅外氣體探測器和所述紅外光源的管腳分別連接所述信號控制與采集電路，所述輸出管腳一端連接所述主控電路；其特征在于所述光學(xué)通道呈螺旋形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率紅外氣體傳感器，其特征在于所述光學(xué)通道呈阿 基米德螺旋形，所述光學(xué)通道內(nèi)壁鍍金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高分辨率紅外氣體傳感器，其特征在于所述光學(xué)腔體 包括安裝在一起的銅質(zhì)光學(xué)腔體上蓋和銅質(zhì)光學(xué)腔體下蓋；所述紅外氣體探測器安裝孔和 所述紅外光源安裝孔分別設(shè)置在所述光學(xué)腔體上蓋上，所述通氣孔設(shè)置在所述光學(xué)腔體下
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高分辨率紅外氣體傳感器，其特征在于在所述光學(xué)腔 體與所述防爆冶金粉末網(wǎng)之間設(shè)置有防水透氣膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高分辨率紅外氣體傳感器，其特征在于所述主控電路包括 有MCU電路和連接MCU電路的加熱控制電路，所述加熱控制電路的控制輸出端連接加熱電 阻一端，所述加熱電阻另一端接地。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高分辨率紅外氣體傳感器，其特征在于所述信號控制與采 集電路包括有可調(diào)穩(wěn)壓電源電路、場效應(yīng)管、兩路高性能運算放大器電路和溫度傳感器，其 中，所述可調(diào)穩(wěn)壓電源電路的電壓輸出端連接所述紅外光源以提供電源，所述場效應(yīng)管連 接在所述紅外光源以控制紅外光源開關(guān)；所述MCU電路連接所述場效應(yīng)管以發(fā)送控制方 波；所述紅外氣體探測器的輸出端分別連接兩路高性能運算放大器電路的輸入端，兩路所 述高性能運算放大器電路的輸出端連接所述MCU電路，所述溫度傳感器的輸出端連接所述 MCU電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高分辨率紅外氣體傳感器，其特征在于所述光學(xué)腔體上蓋 上設(shè)置有加熱電阻安裝槽，所述加熱電阻設(shè)置在所述加熱電阻安裝槽內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的高分辨率紅外氣體傳感器，其特征在于所述電源電路 是電壓可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高分辨率紅外氣體傳感器，其特征在于所述電源電路的電 壓輸出端連接所述MCU電路的ADC參考電壓輸入腳。
10.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7或9所述的高分辨率紅外氣體傳感器，其特征在于所述主控電路還包括有連接MCU電路的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，所述MCU電路還包括有MCU外部晶振電路和MCU編程接口。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高分辨率紅外氣體傳感器，它包括外殼、冶金粉末網(wǎng)、外殼蓋、輸出管腳、紅外氣體探測器和紅外光源，在外殼內(nèi)部依次設(shè)置有光學(xué)腔體、信號控制與采集電路板和主電路板，光學(xué)腔體內(nèi)設(shè)置有光學(xué)通道，光學(xué)腔體上設(shè)置有通氣孔，紅外氣體探測器的探測端設(shè)置在光學(xué)通道內(nèi)的一端，紅外光源的發(fā)光端設(shè)置在光學(xué)通道內(nèi)的另一端；紅外氣體探測器和紅外光源的管腳分別連接信號控制與采集電路，信號控制與采集電路連接主控電路，輸出管腳一端連接主控電路；光學(xué)通道呈阿基米德螺旋形，光學(xué)通道內(nèi)壁鍍金。該傳感器在有限的空間內(nèi)，采用阿基米德螺旋形的光學(xué)通道，使光程得以大幅度提高，進(jìn)而提高了傳感器的測試靈敏度和精度。
文檔編號G01N21/35GK101825566SQ20101013127
公開日2010年9月8日 申請日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
發(fā)明者姜朝陽, 張小水, 張永懷, 楊清永, 祁澤剛, 秦偉山, 鐘克創(chuàng) 申請人:鄭州煒盛電子科技有限公司