一种一体化小型激光气体检测组件的制作方法

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种一体化小型激光气体检测组件。

背景技术：

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)分析方法，是常用的气体分析方法，主要是利用半导体激光器的可调谐和窄线宽特性，通过选择待测气体的某条特定的吸收光谱线进行测量，可排除其他气体的光谱的干扰，实现待测气体浓度的快速在线检测。

在某些气体监测设备中，由于激光气体检测系统比较复杂，其中必须的组成部分，包括：半导体激光器、温度控制器、光电探测器等体积较大且相互之间的连接复杂，不利于做成小型化集成度较高的气体探测组件。尤其是在便携式设备以及固定点型气体报警气的应用中，由于形态的和尺寸无法小型化和集成化，限制了该技术的发展。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种一体化小型激光气体检测组件，通过高集成度的TDLAS系统设计，将各组成部分在同一个金属基板上进行封装，使得整个检测组件形成一个独立工作的激光气体传感器件。本发明所采用的技术方案如下：

本发明涉及一种激光气体检测组件，更具体地说，尤其涉及一种一体化小型激光气体检测组件，属于检测技术领域。

一种一体化小型激光气体检测组件，包括从上至下依次连接的金属板，半导体制冷器和散热器，所述金属板上方固定有作为电气连接口的接线端子，热敏电阻，半导体激光器，球面石英透镜，光电探测器和平面反射镜；所述半导体激光器发出的激光通过球面石英透镜对准平面反射镜并经过所述平面反射镜反射后由光电探测器接收；所述半导体激光器、所述半导体制冷器、所述光电探测器和所述热敏电阻分别与所述接线端子连接。

其中，接线端子可作为该传感组件的唯一电气连接口。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进：

进一步，所述半导体激光器，所述球面石英透镜，所述光电探测器位于所述金属板的同一侧，所述平面反射镜位于所述金属板的另一侧。

进一步，所述半导体激光器封装于TO管壳内。

进一步，所述半导体激光器是所述金属板是可伸缩的铝合金金属板。

进一步，所述金属板、所述半导体制冷器以及所述散热器之间通过导热硅胶粘接。

进一步，所述半导体激光器，所述平面反射镜和所述光电探测器通过环氧胶固定于金属板上。

进一步，所述半导体激光器、所述半导体制冷器、所述光电探测器和所述热敏电阻焊接在接线端子上。

进一步，所述热敏电阻为负温度系数NTC热敏电阻。

进一步，所述半导体制冷器是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的半导体制冷器。

进一步，所述半导体激光器是DFB激光器或者VCSEL激光器。

本发明提供了一种一体化小型激光气体检测组件，通过高集成度的TDLAS系统设计，将各组成部分在同一个金属基板上进行封装，使得整个检测系统形成一个独立工作的激光气体传感器件。可以方便灵活的集成在例如便携式气体检测仪，固定点型气体报警器中作为气体检测探头使用，使得基于TDLAS原理的气体传感技术更加方便灵活的应用在气体报警领域中。另外，TDLAS原理的气体传感器通常使用带制冷封装的蝶形或者双列直插的管壳，成本较高，而本发明使用的是TO封装的半导体激光器，可以降低成本。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一：使用了集成化设计，将多个组成部分安装在同一块金属板上，实现一体化设计，减少了很多组成部分之间相互连接的环节，使得整个组件具有体积小，功耗低优点，减少了各个组成部分之间作配合出故障的可能性。

第二，由于采用了热敏电阻对温度进行监控，和通过半导体制冷器配合散热器进行温度控制，使得基于该组件制作的气体传感装置可适应较大环境温度变化范围，同时，由于光电探测器也位于同一块金属基板上，使得光电探测器的工作温度稳定，避免了光电探测器温度出现误差。

第三，由于使用大面积光电探测器以及单次反射的简单光路，使得该组件的耦合难度大大降低，提高了激光气体传感器的生产效率，降低了生产过程中的损耗率。

第四，避免了使用自带制冷的蝶形激光器或者双列直插激光器的使用，而使用同轴TO封装的半导体激光器，大大降低了激光器的价格。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的一体化小型激光气体检测组件的结构示意图；

图2为本发明实施例2所述的一体化小型激光气体检测组件的结构示意图；

其中，1-半导体激光器，2-球面石英透镜，3-平面反射镜，4-金属板，5-半导体制冷器，6-散热器，7-光电探测器，8-热敏电阻，9-接线端子，10-模数转换器，11-单片机，12-继电器，13-显示屏，14-封闭壳体，15-进气口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

本发明涉及一种激光气体检测组件，更具体地说，尤其涉及一种一体化小型激光气体检测组件，属于检测技术领域。

如图1所示，一种一体化小型激光气体检测组件，包括从上至下依次连接的金属板4，半导体制冷器5和散热器6，所述金属板4上方固定有作为电气连接口的接线端子9，热敏电阻8，半导体激光器1，球面石英透镜2，光电探测器7和平面反射镜3；所述半导体激光器1发出的激光通过球面石英透镜2对准平面反射镜3并经过所述平面反射镜3反射后由光电探测器7接收；所述半导体激光器1、所述半导体制冷器5、所述光电探测器7和所述热敏电阻8分别与所述接线端子9连接。

其中，接线端子9可作为该传感组件的唯一电气连接口。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进：

其中，所述半导体激光器1，所述球面石英透镜2，所述光电探测器7位于所述金属板4的同一侧，所述平面反射镜3位于所述金属板4的另一侧。

其中，所述半导体激光器1封装于TO管壳内。取代碟型或双列直插的带制冷封装的蝶形管壳，降低了成本。

其中，所述半导体激光器是所述金属板4是可伸缩的铝合金金属板。由于通光路径的长度和整个组件的测量精度相关，可以通过改变金属板4的长度来调整系统的通光路径。

其中，所述金属板4、所述半导体制冷器5以及所述散热器6之间通过导热硅胶粘接。以保证热量的顺利传导和结构的稳定。

其中，所述半导体激光器1，所述平面反射镜3和所述光电探测器7通过环氧胶固定于金属板4上。

其中，所述半导体激光器1、所述半导体制冷器5、所述光电探测器7和所述热敏电阻8焊接在接线端子9上。

其中，所述热敏电阻8为负温度系数NTC热敏电阻。

其中，所述半导体制冷器5是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的半导体制冷器5。当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热。

其中，所述半导体激光器1是DFB激光器或者VCSEL激光器。这种激光器必须具有谱线宽度小的特性，通常谱线宽度不大于0.2nm。

本发明提供了一种一体化小型激光气体检测组件，通过高集成度的TDLAS系统设计，通过将各组成部分在同一个金属基板上进行封装，使得整个检测系统形成一个独立工作的激光气体传感器件。可以方便灵活的集成在例如便携式气体检测仪，固定点型气体报警器中作为气体检测探头使用，使得基于TDLAS原理的气体传感技术更加方便灵活的应用在气体报警领域中。另外，TDLAS原理的气体传感器通常使用带制冷封装的蝶形或者双列直插的管壳，成本较高，而本发明使用的是TO封装的半导体激光器1，可以降低成本。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一：使用了集成化设计，将多个组成部分安装在同一块金属板上，实现一体化设计，减少了很多组成部分之间相互连接的环节，使得整个组件具有体积小，功耗低优点，减少了各个组成部分之间作配合出故障的可能性。

第二，由于采用了热敏电阻8对温度进行监控，和通过半导体制冷器5配合散热器6进行温度控制，使得基于该组件制作的气体传感装置可适应较大环境温度变化范围，同时，由于光电探测器7也位于同一块金属基板上，使得光电探测器7的工作温度稳定，避免了光电探测器7温度出现误差。

第三，由于使用大面积光电探测器7以及单次反射的简单光路，使得该组件的耦合难度大大降低，提高了激光气体传感器的生产效率，降低了生产过程中的损耗率。

第四，避免了使用自带制冷的蝶形激光器或者双列直插激光器的使用，而使用同轴TO封装的半导体激光器1，大大降低了激光器的价格。

本发明的工作过程是：由固定于金属板4一侧的TO管壳封装的半导体激光器1发出激光，通过球面石英透镜2将激光汇聚成空间直线光、使得该光线对准位于金属板4另一测的平面反射镜3，光线经过平面反射镜3反射后由位于和半导体激光器1同一侧位置的光电探测器7接收转换为电信号，与此同时，通过热敏电阻8采集金属板4的温度，通过半导体制冷器5对金属板4进行制冷或者加热。本发明的通光路径长度等于半导体激光器1到平面反射镜3的距离加上平面反射镜3到光电探测器7的距离。由于通光路径的长度和整个组件的测量精度相关，可以通过改变金属板4的长度来调整系统的通光路径。

实施例2

如图2所示，将实施例1所述组件包括1-9的部分置于封闭壳体14内，所述封闭壳体14上装有进气口5，在所述封闭壳体14外，单片机11分别连接模数转换器10，继电器12，显示屏13；位于所述封闭壳体14内部的接线端子9分别连接单片机11和模数转换器10，所述半导体制冷器5与所述封闭壳体14外的所述继电器12相连。

通过封闭壳体14上的进气口15将被测气体充入封闭壳体14内，使得由半导体激光器1发出的光纤在被测气体中穿过，其部分光能量被被测气体吸收，由光电探测器7将光能量的变化转化为电压变化信号，使用模数转换器10采集这个电压变化信号输入到单片机11中，电压的变化和浓度变化是满足正线性关系的，单片机11将浓度换算结果输入到显示屏13中将气体浓度数据显示出来。同时，由单片机11控制继电器12驱动半导体制冷器5对整个组件进行制冷散热。这个装置即可以实现气体浓度采集和测量。

本发明显著提高了TDLAS硬件系统的集成化程度，减小了系统体积，同时提高了系统工作的稳定性和使用便捷性，可应用于通光路径长度不超过20cm的TDLAS检测系统中，使得TDLAS技术在小型化设备例如便携式气体传感器，固定点式气体报警器等应用中得以广泛使用。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。