一种小体积风管插入式红外二氧化碳检测装置的制作方法

【技术领域】

本发明属于气体浓度检测技术领域，特别是涉及一种小体积风管插入式红外二氧化碳检测装置。

背景技术：

二氧化碳密度较空气大，当二氧化碳少时对人体无危害，但其超过一定量时会影响人(其他生物也是)的呼吸，原因是血液中的碳酸浓度增大，酸性增强，并产生酸中毒。

二氧化碳浓度含量会影响人类的生活作息，二氧化碳浓度含量与人体生理反应如下：

350～450ppm：同一般室外环境，

350～1000ppm：空气清新，呼吸顺畅，

1000～2000ppm：感觉空气浑浊，并开始觉得昏昏欲睡，

2000～5000ppm：感觉头痛、嗜睡、呆滞、注意力无法集中、心跳加速、轻度恶心，

大于5000ppm：可能导致严重缺氧，造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡。

二氧化碳检测仪器已成为各种行业中一项不可或缺的设备，例如空调管道中需要对吹出的气体中的二氧化碳浓度进行检测，避免吹入室内的气体二氧化碳浓度过高危害人体健康，然而，空调风管的直径较小，而现有的风管式二氧化碳传感器通常由一个带有风管检测探棒的传感器壳体构成，传感器体积较大，传感器内部集成了一个数字输出的红外传感器探头，外接直流或交流电供电，通讯接口方式为4-20ma或rs-485接口，功耗较大，无法通过电池供电，电源和通讯线布线成本高；在空调中的空间占用大。

因此，有必要开发一种小体积风管插入式红外二氧化碳检测装置来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种小体积风管插入式红外二氧化碳检测装置，大大减小了整体的体积，能够直接插接在风管内部，不额外占用设备外部空间，功耗小，可采用干电池直接供电。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种小体积风管插入式红外二氧化碳检测装置，其包括外壳体、气室筒、光源组件、主控板组件、电池、窗口盖板以及端部盖板，所述外壳体呈圆柱状结构且内部设置有收纳槽与收纳腔，所述收纳槽为开放式结构且在所述外壳体的外周表面上形成有一个窗口，所述窗口盖板可拆卸的盖合在所述窗口上封闭所述收纳槽；所述主控板组件上设置有光电探测器，所述光源组件与所述主控板组件分别设置在所述气室筒两端，所述光源组件的光线射出端、所述光电探测器的接收端均与所述气室筒内部连通；所述气室筒、所述光源组件以及所述主控板组件可拆卸的设置在所述收纳槽内，所述电池设置在所述收纳腔内，且一端通过所述端部盖板封闭所述收纳腔。

进一步的，还包括一个安装件，所述外壳体通过螺丝锁紧在所述安装件上，或穿插在所述安装件的插孔内，所述安装件通过螺丝锁紧在通风管道上。

进一步的，所述气室筒内部形成有气腔；所述气室筒上设置有与所述气腔连通的进气孔和出气孔；所述进气孔靠近所述光源组件设置，所述出气孔靠近所述光电探测器设置；所述外壳体上设置有与所述进气孔或所述出气孔位置对应的第一通气孔，所述窗口盖板上设置有与所述进气孔或所述出气孔位置对应的第二通气孔。

进一步的，所述气腔的内壁表面涂有镀金层。

进一步的，所述光源组件包括光源固定板、设置在所述光源固定板上的led光源；所述led光源为窄带led光源，光源波长范围为0～5μm，功率小于1mw。

进一步的，所述led光源与所述光电探测器的中心位于同一直线上，且所述直线与所述气室筒的轴线平行或共线。

进一步的，所述主控板组件上集成有微处理器mcu、led光源驱动模块、探测器信号处理模块、通讯模块、以及电源电路，所述微处理器mcu与所述led光源驱动模块、所述探测器信号处理模块、所述通讯模块以及所述电源电路电连接；所述电源电路将所述电池输出的电压进行转换和稳压后给所述微处理器mcu、所述通讯模块、所述led光源驱动模块以及所述探测器信号处理模块进行供电。

进一步的，所述led光源驱动模块包括脉冲发生器、脉冲信号功率驱动放大器以及单片机脉宽调整发生器；

所述探测器信号处理模块包括光电流电压转换器、小信号放大器、以及滤波器；所述光电流电压转换器由运算放大器电流电压转换电路构成，所述光电探测器将光能转换成微小的电流信号，微小的电流信号经过所述小信号放大器放大之后，在经过所述滤波器，滤除信号里面的直流成分和高频噪音，最后把信号转换成电压信号。

进一步的，所述通讯模块为lora通讯模块。

进一步的，所述通讯模块还包括一天线组件；所述天线组件为带引出线的吸盘天线，通过吸盘的方式固定在通风管道上。

与现有技术相比，本发明一种小体积风管插入式红外二氧化碳检测装置的有益效果在于：

1)将传统结构中的光源驱动mcu、探测器信号处理mcu工作和通讯mcu工作集成到一个主控板里面，省去了一个电路板的安装成本和空间，大大缩小了整体大小，降低了成本；

2)将光源组件、主控板组件以及气室筒形成一个整体结构设置在一个圆柱筒体内部，进一步的缩小了检测装置整体的体积，大大减小了空间占用，扩大了适用范围；

3)在圆柱筒体状的外壳端部设置安装件，采用螺栓安装方式直接将其安装在通风管内部，安拆方便；且通过在圆柱筒体外壳表面开设窗口和设置窗口盖板，方便对内部的光源组件、主控板组件以及气室筒进行维修更换，提供了检修的便捷度；

4)同时采用微小功耗led光源，并且采用低功耗lora通讯，整机的功耗为3～5mw，大大减低了传感器的功耗，实现了使用一节干电池供电；传感器光路采用直线光路，避免了一般风管式二氧化碳传感器采用的平面或球面反射式光路结构造成的光波能量损失，能显著传感器提高分辨率；

5)大大降低了制作成本，提高了市场竞争力。

【附图说明】

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的爆炸结构示意图；

图3为本发明实施例的侧方透视结构示意图；

图4为本发明实施例中主控板组件的框架原理示意图；

图中数字表示：

100小体积风管插入式红外二氧化碳检测装置；

1外壳体，11收纳槽，12收纳腔，13第一通气孔；2气室筒，21气腔，22进气孔，23出气孔；3光源组件，31光源固定板，32led光源；4主控板组件，41光电探测器；5电池；6窗口盖板，61第二通气孔；7端部盖板；8安装件，81安装面板，82螺纹孔座，83插孔座；9天线组件，91天线固定座，92天线；10过滤膜。

【具体实施方式】

实施例一：

请参照图1-图4，本实施例为一种小体积风管插入式红外二氧化碳检测装置100，其包括外壳体1、气室筒2、光源组件3、主控板组件4、电池5、窗口盖板6以及端部盖板7，外壳体1呈圆柱状结构且内部设置有收纳槽11与收纳腔12，收纳槽11为开放式结构且在外壳体1的外周表面上形成有一个窗口，窗口盖板6可拆卸的盖合在所述窗口上封闭所述收纳槽11；光源组件3与主控板组件4分别设置在气室筒2的轴向两端，且光源组件3的光线射出端与气室筒2内部连通，主控板组件4上设置有接收光能的光电探测器41，所述光电探测器41的接收端与气室筒3内部连通；气室筒2、光源组件3以及主控板组件4构成一个整体可拆卸的设置在收纳槽11内，电池5设置在收纳腔12内，且一端通过端部盖板7封闭所述收纳腔12。

为了便于外壳体1的安装，所述二氧化碳检测装置100还包括一个安装件8。

本实施例中，安装件8包括一安装面板81、设置在安装面板81上的一螺纹孔座82，外壳体1的一端通过螺钉锁紧在安装面板81上，安装件8则通过螺丝拧入螺纹孔座82内锁紧在通风管管壁上。

在另一实施例中，安装件8包括安装面板81、设置在安装面板81上的插孔座83，外壳体1安装在插孔座83的插孔内。安装件8通过螺丝锁紧在通风管道上。

外壳体1的一端为封闭结构，另一端通过端部盖板7密封。

气室筒2内部形成有气腔21。气室筒2上设置有与气腔21连通的进气孔22和出气孔23。进气孔22靠近光源组件3设置，出气孔23靠近所述光电探测器41设置。外壳体1上设置有与进气孔22或出气孔23位置对应的第一通气孔13，窗口盖板6上设置有与进气孔22或出气孔23位置对应的第二通气孔61。

进气孔22处设置有对进入气腔21内部的气体进行过滤的过滤膜10。

气腔21的内壁表面涂有一层具有抗氧化性的金属材质层(图中未标示)。所述金属材质层可为镀金层，镀金层具有较强的抗氧化性和耐腐蚀性，同时镀金能使气腔21的内壁表面更加光滑，从而使得光照照射到气腔21内壁表面发生反射后的损耗更小。

光源组件3包括光源固定板31、设置在光源固定板31上的led光源32。本实施例中，led光源32采用窄带led光源，光源波长范围0～5μm，峰值波长中心值4.26μm，功率小于1mw，光源可以工作在方波模式或脉冲模式。

led光源32与光电探测器41的中心位于同一直线上，且所述直线与气室筒2的轴线平行或共线，以确保光路为直线型，最大限度的减少光反射带来的损耗，同时由于气腔21内壁表面有镀金层，有部分光线借助内壁表面到达光电探测器41中。

主控板组件4上集成有微处理器mcu、led光源驱动模块、探测器信号处理模块、通讯模块、以及电源电路，所述微处理器mcu与所述led光源驱动模块、所述探测器信号处理模块、所述通讯模块以及所述电源电路电连接。所述电源电路将电池5输出的电压进行转换和稳压后给所述微处理器mcu、所述通讯模块、所述led光源驱动模块以及所述探测器信号处理模块进行供电。

所述微处理器mcu内置有flash存储器，所述flash存储器内存储有温湿度补偿函数信息，所述温湿度补偿函数信息包括通过温湿度传感器采集的标定系数、序列号、温湿度补偿函数系数。通过采集不同温湿度环境下的传感器数据，再运用线性回归方程、多次曲线拟合可得出温湿度补偿函数，把补偿函数通过单片机软件实现并写到flash存储器里面即可实现所述微处理器mcu的温湿度补偿功能。

收纳槽11与收纳腔12之间设置有连通电池5与主控板组件4对应电连接点的导通件(图中未展示)。

所述光电探测器为41为光电二极管探测器，其在0～5μm波长范围内有响应，信号响应最强的波长区域为4.2μm左右。

所述led光源驱动模块包括单片机驱动的脉冲发生器、脉冲信号功率驱动放大器以及单片机脉宽调整发生器，所述脉冲发生器由单片机中的定时模块产生脉冲信号输出，脉冲的周期为2000μs，正脉冲宽度为20μs，频率1khz；驱动脉冲宽度可由单片机软件控；所述脉冲信号功率驱动放大器由一只功率三极管构成。所述led光源驱动模块通过发射脉冲信号驱动光源组件3发射光线。

所述探测器信号处理模块包括光电流电压转换器、小信号放大器、以及滤波器。光电流电压转换器由运算放大器电流电压转换电路构成，光电探测器41工作在光伏模式，当红外光线照射到探测器敏感区域时，将光能转换成微小的电流信号，即光伏特性，微小的电流信号经过所述小信号放大器放大之后，在经过信号滤波电路，滤除信号里面的直流成分和高频噪音，最后把信号转换成0～3v之间的电压信号。

所述通讯模块为lora通讯模块，支持空闲状态深度睡眠模式，可以进一步降低待机功耗，lora通讯模块总体功耗小于1w。

所述通讯模块还包括一天线组件9。天线组件9包括天线固定座91、设置在天线固定座91上的且与主控板组件4信号连通的天线92。本实施例中，天线固定座91为吸盘式固定座结构，通过吸附方式固定在通风管道上。天线组件9为带引出线的吸盘天线，ism频段包括433、868、915mh等，天线通过吸盘的方式固定到金属通风管道上。

窗口盖板6与外壳体1通过卡扣结构实现可拆卸式组装。收纳槽11内设置有对气室筒2、光源组件3以及主控板组件4进行定位紧固的若干定位部(图中未标示)。

端部盖板7通过螺纹拧紧方式与外壳体1组装在一起。

外壳体1整体径向的安装在通风管道内。

当光源组件3或主控板组件4、或气室筒2出现故障需要更换时，将安装件8携带外壳体1整体从通风管道上拧下来，然后打开窗口盖板6，显露出光源组件3、主控板组件4以及气室筒2，可方便对其进行检修更换等操作；若需要更换电池，则将端部盖板7拧下，倒出电池5，更换新的电池后在拧紧端部盖板7；部件更换完后，直接将安装件8携带外壳体1整体通过螺丝拧紧锁紧在通风管道上即可。

本实施例二氧化碳检测装置100对于co2浓度检测是基于朗伯比尔定律设计的，因为co2浓度的不同，co2对一定波长的红外光吸收能量也不同，当光线经过充满co2的气室后，光电探测器探测到的红外光线的能量也不同，从而产生不同的光伏电流，只要检测光伏电流的大小就可以计算出co2浓度。

本实施例一种小体积风管插入式红外二氧化碳检测装置100的工作原理为：通风管道内的气体顺着气流方向从气室筒2上的进气孔22进入气腔21内，所述led光源驱动模块发出脉冲激发led光源32发出红外光，经过气腔21内的气体进行光能吸收，最终到达光电探测器41端，并通过光电探测器41探测到光能信号，通过所述探测器信号处理模块将光能信号转换成电信号，并将电信号传输给所述微处理器mcu，再通过所述通讯模块无线传输给上位机或控制中心，实现对通风管道内二氧化碳浓度的测量。

本实施例提供的二氧化碳检测装置没有使用数字输出的红外传感器探头，省掉一颗mcu，把数字输出的mcu的工作放到lora通讯mcu里去完成，这样相比传统的风管式二氧化碳传感器，既节省了一颗mcu的成本又减小了传感器的体积；而数字输出的红外传感器探头内含pcb、mcu、光源驱动、探测器信号放大处理电路，体积较大，成本较高。

本实施例提供的二氧化碳检测装置省去了传统的风管式二氧化碳传感器外壳，只保留一个圆柱型的风管检测探头，较小了传感器整体的体积。该传感器把led光源、光电二极管探测器、pcb、lora通讯mcu都放到风管检测碳棒里。

本实施例提供的二氧化碳检测装置采用低功耗lora通讯方式，相比传统的风管式二氧化碳传感器采用的4-20ma或rs-485(modbus协议)通讯接口，功耗低，而且省去了布线成本，可以使用一节干电池供电。

本实施例一种小体积风管插入式红外二氧化碳检测装置100的有益效果在于：

1)将传统结构中的光源驱动mcu、探测器信号处理mcu工作和通讯mcu工作集成到一个主控板里面，省去了一个电路板的安装成本和空间，大大缩小了整体大小；

2)将光源组件、主控板组件以及气室筒形成一个整体结构设置在一个圆柱筒体内部，进一步的缩小了检测装置整体的体积，大大减小了空间占用，扩大了适用范围；

3)在圆柱筒体状的外壳端部设置安装件，采用螺栓安装方式直接将其安装在通风管内部，安拆方便；且通过在圆柱筒体外壳表面开设窗口和设置窗口盖板，方便对内部的光源组件、主控板组件以及气室筒进行维修更换，提供了检修的便捷度；

4)同时采用微小功耗led光源，并且采用低功耗lora通讯，整机的功耗为3～5mw，大大减低了传感器的功耗，实现了使用一节干电池供电；传感器光路采用直线光路，避免了一般风管式二氧化碳传感器采用的平面或球面反射式光路结构造成的光波能量损失，能显著传感器提高分辨率；

5)大大降低了制作成本，提高了市场竞争力。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。