專利名稱：小型長光程紅外氣體傳感器模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型長光程紅外氣體傳感器模塊，用于氣體檢測、監(jiān)控的紅外氣體傳感器。
背景技術(shù)：
目前現(xiàn)有紅外氣體傳感器的光學(xué)腔體多采用直筒光路和簡單折疊光路，為達到較長的光程，其光學(xué)腔體一般都比較大，致使長光程、高靈敏度的紅外氣體傳感器體積較大， 不利于隨身攜帶，實現(xiàn)高性能紅外氣體傳感器的便攜化，無法滿足某些場合檢測便攜化的要求。為此人們一直致力于小體積長光程、靈敏度高、便攜式紅外氣體傳感器的研究。在小面積長光程設(shè)計方面，美國專利US 7609375公布了一種氣體傳感器腔體，其紅外光源發(fā)出的光在腔體內(nèi)表面經(jīng)多次折疊反射到達探測器表面從而在小體積上實現(xiàn)了長光程。CN 101634627A公布了一種微型防爆非色散紅外氣體傳感器，其底面紅外光源發(fā)出的光經(jīng)頂部2次弧面反射后到達探測器表面以增加光程。CN 101004380A公布了一種折疊式光路結(jié)構(gòu)的紅外氣體傳感器，其紅外光源發(fā)出的光經(jīng)第1橢球面匯聚反射后傳播經(jīng)2次平面鏡反射后通過第2橢球面反射匯聚后到達探測器表面以增加光程。在這些設(shè)計中紅外光源發(fā)出的光分散性較大，不利于小體積上長光程的實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述傳感器存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種小型長光程紅外氣體傳感器模塊，亦即提供一種具有多次匯聚反射結(jié)構(gòu)的光學(xué)腔體/氣室的紅外氣體傳感器模塊，拋物柱面實現(xiàn)了紅外光源發(fā)出的紅外光的匯聚和反射，結(jié)合多次柱面匯聚反射一方面有效地實現(xiàn)了小體積長光程，另外一方面有效提高了發(fā)射光的利用率，有利于高分辨率、便攜式紅外氣體傳感器的實現(xiàn)。本發(fā)明所提供的一種小型長光程紅外氣體傳感器模塊，主要包括紅外光源2、熱電堆探測器6、光學(xué)腔體/氣室、紅外光源電源引線連接板1、探測器信號引線連接板8、主電路板7。所述光學(xué)腔體/氣室包括腔體上蓋3和腔體下蓋5兩部分，透氣孔17設(shè)置在腔體上蓋主光學(xué)通道外，表面貼有防水透氣膜9，腔體下蓋側(cè)壁右上端開設(shè)備用透氣孔20。本發(fā)明所述多次反射光學(xué)腔體/氣室包括腔體上蓋3、腔體下蓋5兩部分，腔體上蓋左端設(shè)置左臺階孔13用于安裝紅外光源2，腔體上蓋左側(cè)面和底面左半部分構(gòu)成的半拋物柱面12用于紅外光源發(fā)出紅外光的準直反射，左臺階孔13的右側(cè)設(shè)置擋板21用于防止紅外光源發(fā)出的散射光直接照射到熱電堆探測器6的表面，腔體上蓋頂端設(shè)置m(m > 1)個反射前柱面，光學(xué)腔體上蓋底端設(shè)置m-l(m> 1)個反射后左和后右柱面，腔體上蓋底面右半部分設(shè)置斜面16用于將紅外光反射到熱電堆探測器表面。腔體上蓋底平面主光學(xué)通道外設(shè)置臺階式通氣孔17，實現(xiàn)氣室內(nèi)外氣體交換，同時減少不必要的光損耗。
防水透氣膜9貼在臺階式通氣孔17表面，用于防止水汽的干擾。腔體上蓋側(cè)面設(shè)有備用透氣孔20，結(jié)合堵頭4方便實現(xiàn)擴散式和泵吸式氣體交換的轉(zhuǎn)換。紅外光源2發(fā)出的光經(jīng)半拋物柱面12匯聚準直后在腔體內(nèi)經(jīng)腔體上蓋頂端柱面和腔體上蓋底端柱面η (η ^ 2)次反射后經(jīng)上蓋底面斜面16匯聚反射到達熱電堆紅外探測器6表面，熱電堆探測器6將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過第二連接板8將檢測信號送入主電路板7，主電路板7將信號濾波放大、采集、處理后送到顯示端顯示輸出。第二連接板為熱電堆探測器信號引線連接板，第一連接板為紅外光源與電源引線間的連接板。


圖1、本發(fā)明提供的傳感器的分解結(jié)構(gòu)示意圖。圖2、本發(fā)明提供的傳感器的腔體上蓋結(jié)構(gòu)示意圖。圖3、本發(fā)明提供的傳感器的腔體下蓋結(jié)構(gòu)示意圖。圖4、本發(fā)明提供的傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1.第一連接板；2.紅外光源；3.光學(xué)氣室上蓋；4.堵頭；5.光學(xué)氣室下蓋；6.熱電堆探測器；7.主電路板；8.第二連接板；9.防水透氣膜；10.第一電路板安裝槽；11.第二電路板安裝槽；12.半拋光面柱面；13.左臺階孔；14.前柱面；15.右臺階孔； 16.上蓋底面/斜面；17.臺階式通氣孔；18.后左柱面；19.后右柱面；20.備用通氣孔; 21.擋板；22. 4個圓柱；23.環(huán)形槽；24.光學(xué)腔體下蓋3個裝配孔；25.腔體上蓋的3個凸臺。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖以光學(xué)腔體/氣室內(nèi)部經(jīng)3次柱面匯聚反射形成“Μ”形腔體小型長光程紅外氣體傳感器模塊為例。圖1給出了本發(fā)明的分解結(jié)構(gòu)示意圖，其中多次反射M形光學(xué)腔體/氣室包括腔體上蓋3和腔體下蓋5兩部分，腔體上下蓋扣合后組成紅外氣體傳感器模塊的光學(xué)腔體/ 氣室。光學(xué)腔體上蓋3和光學(xué)腔體下蓋5內(nèi)表面光潔度要求不低于0.08，外表面不低于 6. 4 ；光學(xué)腔體上蓋3和光學(xué)腔體下蓋5鍍金層厚度應(yīng)滿足內(nèi)表面紅外反射率不低于95% 要求。圖2給出了傳感器的光學(xué)腔體上蓋結(jié)構(gòu)示意圖，其中腔體上蓋底端主要包括左臺階孔13、擋板21、前柱面14、右臺階孔15 ；光學(xué)腔體上蓋頂端主要包括后左柱面18和后右柱面19 ；左側(cè)為拋物柱面；右側(cè)平面設(shè)置備用透氣孔20。左臺階孔13用于安裝紅外光源2。擋板21用于防止紅外光源2發(fā)出的散射光直接照射到熱電堆探測器6的表面。前柱面14用于紅外光的第二次匯聚反射。左臺階孔15用于安裝熱電堆紅外探測器。后左柱面18用于紅外光的第一次匯聚反射。后右柱面19用于紅外光的第三次匯聚反射。腔體上蓋內(nèi)的前柱面14、后左柱面18和后右柱面19均為拋物柱面。
腔體上蓋左側(cè)面和底面左半部分構(gòu)成的半拋物柱面12用于紅外光源2發(fā)出紅外光的匯聚反射。臺階式通氣孔17設(shè)置在腔體上蓋底平面主光學(xué)通道外，實現(xiàn)氣室內(nèi)外氣體交換同時不會對光的傳輸產(chǎn)生不利的影響。防水透氣膜9貼在透氣孔17臺階孔表面，用于透氣并防止外界水氣進入氣室。光學(xué)腔體上蓋右側(cè)面為平面，設(shè)置備用透氣孔20。堵頭4安裝于備用透氣孔20處，拆掉堵頭4可以方便地安裝氣泵實現(xiàn)氣體交換方式從擴散式到泵吸式的轉(zhuǎn)換，加快氣體交換的速度，提高模塊響應(yīng)時間。腔體上蓋底面右側(cè)設(shè)置斜面16將紅外光反射到熱電堆探測器表面。左臺階孔13后端設(shè)置第一電路板安裝槽10，右臺階孔15后端設(shè)置第二電路板安裝槽11。在腔體上蓋的左側(cè)面、右側(cè)面和前側(cè)面底端各設(shè)置1個凸臺25用于腔體上下蓋咬合后的鎖緊。圖3給出了傳感器的光學(xué)腔體下蓋5的結(jié)構(gòu)示意圖，其中腔體下蓋的上表面設(shè)置環(huán)形23槽用于腔體上蓋的嵌入；光學(xué)腔體下蓋左側(cè)面、右側(cè)面、底端設(shè)置裝配孔對，與光學(xué)腔體上蓋的3個凸臺位置。相對應(yīng)用于腔體上下蓋的裝配；光學(xué)腔體下蓋底面設(shè)置4個圓柱22用于腔體的支撐。紅外光源2裝配在左臺階孔13中，同時將紅外光源2引腳插入第一連接板1中， 利用膠黏劑將連接板1安裝固定于第一電路板固定槽10中。熱電堆探測器6安裝左右臺階孔15中，同時將熱電堆探測器引腳插入第二連接板 8，利用膠黏劑將連接板8安裝固定于第三電路板固定槽11中。光學(xué)腔體/氣室的四個支撐柱插入主電路板7的4個定位孔中，將第一連接板1 同主電路板7焊接在一起，實現(xiàn)紅外光源2和主電路板7的電氣連接；將第二連接板8同主電路板7焊接在一起，實現(xiàn)熱電堆探測器6和主電路板7的電氣連接。圖4給出了本發(fā)明模塊氣室剖面構(gòu)示意圖，紅外光源2發(fā)出的光經(jīng)半拋物面12匯聚后照射到后左柱面18上，經(jīng)后左柱面18反射后到達前柱面14，再經(jīng)前柱面14反射后到達后右柱面19，再經(jīng)后左柱面19反射及上蓋底面匯聚后到達紅外探測器6表面，同時熱電堆敏感元件表面以外的紅外光經(jīng)上蓋的斜面16匯聚反射到熱電堆探測器6表面，經(jīng)熱電堆探測器6轉(zhuǎn)化為電信號，通過連接板8將信號送入主電路板7，主電路板7完成信號放大、采集、處理和輸出。本發(fā)明所述光學(xué)腔體可以采用但不僅限于黃銅材料表面鍍金。本發(fā)明所述紅外光源2可以采用但不僅限于PerkinElmer公司的IRL715。本發(fā)明所述熱電堆探測器6可以為但不僅限于PerkinElmer公司TPS2534系列熱電堆探測器。最后應(yīng)當說明的是以上實施例僅用于說明本發(fā)明技術(shù)方案而不是對其限制，雖然實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，但是所述領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可對本發(fā)明的技術(shù)方案進行更改或部分替換，其方案更改或替換等不脫離本發(fā)明技術(shù)方案精神的均應(yīng)包括在本發(fā)明申請保護的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種小型長光程紅外氣體傳感器模塊，其特征在于包括紅外光源O)、熱電堆探測器(6)、光學(xué)腔體/氣室、紅外光源電源引線第一連接板(1)、探測器信號引線第二連接板 (8)、主電路板(7)，所述的光學(xué)腔體/氣室包括光學(xué)腔體上蓋C3)和光學(xué)腔體下蓋( 兩部分，光學(xué)腔體上蓋左端設(shè)置左臺階孔(1 用于安裝紅外光源O)；光學(xué)腔體上蓋左側(cè)面和底面左半部分構(gòu)成的半拋物面(1 用于紅外光源發(fā)出紅外光的準直反射，左臺階孔(13) 的右側(cè)設(shè)置擋板用于防止紅外光源發(fā)出的散射光直接照射到熱電堆探測器(6)的表面，上蓋頂端設(shè)置反射柱面，腔體上蓋底端設(shè)置反射柱面，腔體上蓋底面右半部分設(shè)置斜面 (16)用于將紅外光反射到熱電堆探測器表面；左臺階孔(1 后端設(shè)置第一電路板安裝槽 (10)，右臺階孔(1 后端設(shè)置第二電路板安裝槽(11)；主電路板(7)通過第一連接板(1) 將電源和調(diào)制信號接入紅外光源⑵；熱電堆探測器(6)通過第二連接板⑶將檢測信號送入主電路板(7)，主電路板(7)實現(xiàn)檢測信號濾波放大、等周期采樣、處理和輸出；紅外光源(2)發(fā)出的紅外光經(jīng)半拋物柱面準直后經(jīng)多次柱面匯聚反射及1次斜面匯聚反射后到達紅外探測器(6)表面，在小面積內(nèi)完成多次反射達到了長光程，進而實現(xiàn)了高分辨率紅外氣體傳感器的小型化。
2.按權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于所述的光學(xué)腔體上蓋底平面呈光學(xué)通道外設(shè)置臺階或通氣孔(17)，表面貼有防水透氣膜(9)。
3.按權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于所述的光學(xué)腔體上蓋右側(cè)面為平面，設(shè)置備用透氣孔(20)。
4.按權(quán)利要求3所述的模塊，其特征在于備用透氣孔(20)，結(jié)合堵頭(4)實現(xiàn)擴散式或泵吸式氣體交換的轉(zhuǎn)換。
5.按權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于在光學(xué)腔體上蓋的左側(cè)面、右側(cè)面和前側(cè)面底端設(shè)置凸臺0 用于腔體上下蓋咬合后的鎖緊；光學(xué)腔體下蓋的上表面設(shè)置環(huán)形03) 槽用于腔體上蓋的嵌入，光學(xué)腔體下蓋左側(cè)面、右側(cè)面、底端設(shè)置裝配孔(M)，用于腔體上下蓋的裝配。
6.按權(quán)利要求1或5所所述的模塊，其特征在于光學(xué)腔體下蓋底面設(shè)置4個圓柱02) 用于腔體的支撐。
7.按權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于①后左柱面(18)用于紅外光的第一次匯聚反射；②前柱面(14)用于紅外光的第二次匯聚反射；③后右柱面(19)用于紅外光的第三次匯聚反射；④前柱面、后左柱面和右柱面均為拋物柱面。
8.按權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于紅外光源(2)發(fā)出的光經(jīng)半拋物面(12)匯聚后照射到后左柱面(18)上，經(jīng)后左柱面(18)反射后到達前柱面(14)，再經(jīng)前柱面(14)反射后到達后右柱面(19)，經(jīng)后右柱面(19)反射及上蓋底面匯聚后到達紅外探測器(6)表面，在光學(xué)腔體/氣室內(nèi)部經(jīng)3次柱面匯聚反射形成“M”型。
9.按權(quán)利要求8所述的模塊，其特征在于前柱面有m個且m> 1 ；后左或后右柱面有 m-Ι個且m> 1，形成多個M型反射。
10.按權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于①所述的光學(xué)腔體可以采用但不僅限于黃銅材料表面鍍金；②所述的紅外光源2可以采用但不僅限于PerkinElmer公司的IRL715；③所述的熱電堆探測器6可以為但不僅限于PerkinElmer公司TPS2534系列熱電堆探測器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種小型長光程紅外氣體傳感器模塊，主要包括紅外光源(2)、熱電堆探測器(6)、光學(xué)腔體/氣室、紅外光源電源引線連接板(1)、探測器信號引線連接板(8)、主電路板(7)。所述光學(xué)腔體為多次反射結(jié)構(gòu)，包括腔體上蓋(3)和腔體下蓋(5)兩部分；主電路板(7)通過連接板(1)將電源接入紅外光源(2)，通過連接板(8)接收熱電堆探測器(6)的檢測信號，完成紅外光源調(diào)制、模擬信號濾波放大、等周期采樣、數(shù)據(jù)處理和輸出。紅外光源(2)發(fā)出的紅外光經(jīng)拋物面準直后經(jīng)多次柱面及1次斜面匯聚反射后到達紅外探測器(6)表面，在小面積內(nèi)完成多次反射達到了長光程，進而實現(xiàn)了高分辨率紅外氣體傳感器的小型化。
文檔編號G01N21/17GK102495003SQ20111036380
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者劉延祥, 張永懷, 李鐵 申請人:上海芯敏微系統(tǒng)技術(shù)有限公司