激光甲烷探测传感器的制作方法

1.本实用新型属于气体探测器技术领域，具体是一种激光甲烷探测传感器。


背景技术：

2.甲烷是城市燃气管网和工业化工园区等领域天然气的主要组成部分，在空气中的爆炸极限为5％～15％，在9.5％左右爆炸最为剧烈。近五年来，我国燃气管网实现了40万公里到80万公里的飞速增长，与此同时，燃气管网泄漏引起爆炸和大火事件频发，给人民的生命和财产造成了重大损失。已发生多起天然气爆炸事故而导致人员伤亡的案例，因此设置甲烷气体检测器是必不可少的。
3.相关技术中，已有的甲烷气体检测器如半导体式气体探测器、电化学式探测器、接触式气敏传感等，用在城市地下相邻空间燃气泄漏的实时在线探测时，有一些固有的缺点：检测灵敏度低、精度低、响应慢、寿命短、容易发生误报、不耐腐蚀且不耐氧化等，难以满足恶劣环境条件的应用要求。也有的甲烷气体检测器虽然具有较长的吸收光程、精度较高，但结构尺寸大、功耗高、可适应的环境检测温度较窄，也无法满足恶劣环境下的探测需求。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种激光甲烷探测传感器，所述激光甲烷探测传感器可实现多次反射、具有较长的吸收光程、布置结构紧凑、灵敏度高、精度好。
5.根据本实用新型实施例的一种激光甲烷探测传感器，包括：壳体，所述壳体上设有进气口，所述壳体中设有安装腔；气室座，所述气室座连接所述壳体，所述气室座的至少部分设在所述安装腔中，所述气室座内朝向所述进气口开设有气室，所述气室连通所述进气口；位于所述气室中的激光器和光电探测器，间隔布置在所述气室座上；多个反射镜，间隔设在所述气室座上，所述激光器发射出的光束经过各个所述反射镜依次反射后由所述光电探测器接收；控制电路板，连接在所述气室座远离所述进气口的一面，所述控制电路板与所述激光器和所述光电探测器分别电连接，以控制所述激光器发射激光，并接收所述光电探测器产生的探测信号。
6.根据本实用新型实施例的激光甲烷探测传感器，待测甲烷气体可从进气口进入到壳体中，并扩散至气室内。在需要检测待测甲烷气体的具体浓度时，控制电路板可控制激光器发射激光光束，激光光束经过多个反射镜反射后射向光电探测器，控制电路板控制光电探测器探测反射镜反射的光束，最终由控制电路板解调待测甲烷气体的浓度。由于气室座上设有多个反射镜用于反射激光器发射出的光束，从而可实现光束的多次折叠反射，延长对待测甲烷气体的吸收光程，使光电探测器探测到的信号更能反映待测甲烷气体的浓度，提升对待测甲烷气体检测的准确度和灵敏度。由于多个反射镜可使激光器发射出的光束多次改变传播途径后再传递到光电探测器上，激光器和光电探测器之间的距离无需过远，两者可以与多个反射镜相配合灵活调整布置位置，使得激光甲烷探测传感器的结构紧凑、便
于装配、占用安装空间小。
7.根据本实用新型一些实施例的激光甲烷探测传感器，每个所述反射镜均对同一个入射的光束反射一次，所述激光器发射出的光束至少经过三次反射射入到所述光电探测器。
8.可选地，所述激光器发射出的光束经过四次反射后射入到所述光电探测器。
9.根据本实用新型一些实施例的激光甲烷探测传感器，所述气室座具有朝向所述进气口的第一安装面和远离所述进气口的第二安装面，所述反射镜均连接在所述第一安装面上，所述控制电路板连接在所述第二安装面上；部分所述反射镜倾斜安装在所述第一安装面上，部分所述反射镜垂直安装在所述第一安装面上。
10.可选地，所述激光器和所述光电探测器垂直设在所述第一安装面上；所述反射镜包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，所述第一反射镜设在所述激光器的正上方，所述第一反射镜与所述第一安装面成锐角安装，所述激光器发出的光束射向所述第一反射镜；所述第二反射镜和所述第三反射镜垂直安装在所述第一安装面上，所述第二反射镜接收从所述第一反射镜反射的光束并射向所述第三反射镜；所述第四反射镜设在所述光电探测器的正上方，所述第四反射镜与所述第一安装面成锐角安装，所述第三反射镜将接收到的光束射向所述第四反射镜，所述第四反射镜将接收到的光束射向所述光电探测器。
11.根据本实用新型一些实施例的激光甲烷探测传感器，所述反射镜为镀金反射镜或镀银反射镜。
12.根据本实用新型一些实施例的激光甲烷探测传感器，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述下壳体上设有所述进气口，所述气室座的两端均设有螺纹，所述上壳体与所述气室座的一端螺纹连接，所述下壳体与所述气室座的另一端螺纹连接；所述控制电路板连接在所述气室座朝向所述上壳体的一侧。
13.可选地，激光甲烷探测传感器还包括密封圈，所述密封圈连接在所述上壳体和所述下壳体之间的间隙中；和/或，还包括温压传感器，所述温压传感器与所述控制电路板电连接，所述温压传感器伸入所述气室中。
14.根据本实用新型一些实施例的激光甲烷探测传感器，还包括防水透气膜和过滤网，所述过滤网和所述防水透气膜依次布置在所述进气口处。
15.可选地，激光甲烷探测传感器还包括弹性限位件，所述弹性限位件将所述防水透气膜限位在所述壳体中；和/或，还包括密封件，所述密封件设在所述防水透气膜朝向所述气室座的一侧，以密封所述防水透气膜的周缘与所述壳体的内壁之间的间隙。
16.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
17.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
18.图1为本实用新型一些实施例的激光甲烷探测传感器的爆炸示意图。
19.图2为本实用新型一些实施例的激光器、光电探测器、温压传感器在气室座上的布
置示意图。
20.图3为本实用新型一些实施例的各个反射镜在气室座上的布置示意图以及反射光路示意图。
21.附图标记：
22.1000、激光甲烷探测传感器；
23.100、壳体；102、安装腔；
24.110、上壳体；111、螺纹安装部；112、第一密封环；120、下壳体；
25.200、气室座；
26.220、第一安装面；230、第二安装面；231、安装柱；240、第二密封环；
27.300、激光器；
28.400、光电探测器；
29.500、控制电路板；510、线束；520、紧固件；
30.600、反射镜；
31.610、第一反射镜；620、第二反射镜；630、第三反射镜；640、第四反射镜；
32.700、密封圈；
33.800、温压传感器；
34.910、防水透气膜；920、过滤网；930、弹性限位件；940、密封件。
具体实施方式
35.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
36.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
37.下面参考说明书附图描述本实用新型实施例的激光甲烷探测传感器1000，结构紧凑，激光器300和光电探测器400可灵活布置，吸收光程长，甲烷浓度的探测准确、灵敏度高。
38.根据本实用新型实施例的激光甲烷探测传感器1000，包括：如图1所示出的壳体100、气室座200、多个反射镜600和控制电路板500，以及图2所示出的激光器300和光电探测器400。
39.其中，壳体100上设有进气口(图未示出)，进气口中可进入待测甲烷气体，壳体100中设有安装腔102，安装腔102中可置入相关部件，为内部的各部件提供安装位点和充分的保护作用。
40.如图1所示，气室座200连接壳体100，气室座200的至少部分设在安装腔102中，气室座200内朝向进气口开设有气室，气室连通进气口，那么从进气口中进入的待测甲烷气体，会停留在气室中。
41.进一步地，激光器300和光电探测器400位于气室中，间隔布置在气室座200上，在
激光器300发射激光光束时，需要经过一定的光程才会到达光电探测器400上。
42.如图3所示，多个反射镜600间隔设在气室座200上，激光器300发射出的光束经过各个反射镜600依次反射后由光电探测器400接收，当光束被一个反射镜600反射一次后，其传播路径就会改变，从而使光程变长；多个反射镜600可对激光器300所发出的光束进行多次反射，有效提升光程。
43.如图1所示，控制电路板500连接在气室座200远离进气口的一面，控制电路板500与激光器300和光电探测器400分别电连接，以控制激光器300发射激光，并接收光电探测器400产生的探测信号。控制电路板500可以与激光器300、光电探测器400通过锡焊连接，或者还可以通过激光器300上的引脚、光电探测器400上的引脚分别与控制电路板500进行连接。
44.在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
45.由上述结构可知，本实用新型实施例的激光甲烷探测传感器1000，待测甲烷气体可从进气口进入到壳体100中，并扩散至气室内，以供检测。在需要检测待测甲烷气体的具体浓度时，控制电路板500可控制激光器300发射激光光束，激光光束经过多个反射镜600反射后射向光电探测器400，控制电路板500控制光电探测器400探测反射镜600反射的光束，最终由控制电路板500解调待测甲烷气体的浓度。
46.由于气室座200上设有多个反射镜600用于反射激光器300发射出的光束，从而可实现光束的多次折叠反射，延长对待测甲烷气体的吸收光程，使光电探测器400探测到的信号更能反映待测甲烷气体的浓度，提升对待测甲烷气体检测的准确度和灵敏度。
47.多个反射镜600可使激光器300发射出的光束多次改变传播途径后再传递到光电探测器400上，激光器300和光电探测器400之间的距离无需设置过远，两者可以与多个反射镜600相配合灵活调整布置位置，便能达到对待测甲烷气体的足够长的吸收光程，使得激光甲烷探测传感器1000的结构紧凑、便于装配、占用安装空间小。
48.可以理解的是，相比于现有技术中结构尺寸大、功耗高的甲烷气体探测器，本实用新型的激光甲烷探测传感器1000结构小巧、内部部件布置紧凑、吸收光程长、检测灵敏度高、可适应不同的检测环境并满足不同环境下甲烷气体的探测需求。
49.在本实用新型的一些实施例中，如图3所示，每个反射镜600均对同一个入射的光束反射一次，图2中的激光器300发射出的光束至少经过三次反射射入到光电探测器400。也就是说，当激光器300发射出的光束射向第一块反射镜600后会发生第一次光束的反射，经过第一块反射镜600反射的光会改变路径并传播至第二块反射镜600、经第二块反射镜600反射的光束会传播到第三块反射镜600，以此类推直至反射至最后一块反射镜600后再传递到光电探测器400进行探测，使激光光束所经过的路径变得更长，也就间接地增加了光束从激光器300传播至光电探测器400上的光程，确保对待测甲烷气体进行充分的探测后再传递至光电探测器400上，实现对气室中的甲烷浓度的精准探测，提升探测的准确性。
50.可选地，结合图2和图3所示，激光器300发射出的光束经过四次反射后射入到光电探测器400，在这些示例中，经过四次反射的激光光束已经具有所需长度的传播路径，与此同时，所需的反射镜600相应的也仅需要四块，各个反射镜600布置方便、光束所传播的光路不易相互交叉，激光器300和光电探测器400可布置在气室座200朝向进气口一面的相向角落上，从而充分利用气室座200内的布置空间，尽可能保证吸收光程的前提下，还能保证缩小整体结构尺寸，使内部各部件布局紧凑。
51.在本实用新型的一些实施例中，如图2和图3所示，气室座200具有朝向进气口的第一安装面220，如图1所示，气室座200还具有远离进气口的第二安装面230，反射镜600均连接在第一安装面220上，控制电路板500连接在第二安装面230上。也就是说，控制电路板500位于气室外，控制电路板500无需与待测甲烷气体直接接触，而是与待测甲烷气体分隔开来，防止控制电路板500被腐蚀或氧化，延长控制电路板500的使用寿命，确保控制电路板500能够处于一个相对安全的环境中，控制电路板500能持续稳定工作。
52.结合图2和图3所示，部分反射镜600倾斜安装在第一安装面220上，部分反射镜600垂直安装在第一安装面220上。倾斜安装的反射镜600可与激光器300和光电探测器400进行配合，并使光束快速改变传播路径；垂直安装的反射镜600可作为中间的光束传递镜，将光束在气室内形成紧凑的反射。
53.如图2所示，激光器300和光电探测器400垂直设在第一安装面220上，那么激光器300的发射光束将垂直于第一安装面220，而光电探测器400可探测的光束也垂直于第一安装面220，使激光光束能被光电探测器400高效地检测到。
54.在具体示例中，气室座200上设有第一安装孔、第二安装孔，激光器300的引脚穿过第一安装孔连接至控制电路板500；光电探测器400的引脚穿过第二安装孔连接至控制电路板500，从而实现激光器300、光电探测器400分别与控制电路板500电连接。
55.有利地，激光器300与气室座200之间的安装缝隙采用导热硅脂进行密封，从而有效防止气室中的待测甲烷气体从缝隙中窜入到控制电路板500上；导热硅脂还能使激光器300相对于气室座200安装更加稳定，并增加激光器300与气室座200之间的接触散热面积，使激光器300工作中产生的热量较快地散发至气室座200以及壳体100上，实现有效散热，防止激光器300过热，有利于实现较宽温度范围内的激光器300的高精度的温度控制。
56.结合图1和图3所示，反射镜600包括第一反射镜610、第二反射镜620、第三反射镜630和第四反射镜640，第一反射镜610设在图2中激光器300的正上方，第一反射镜610与第一安装面220成锐角安装，激光器300发出的光束射向第一反射镜610，从而在第一反射镜610的反射下改变光束的传播路径，有效防止激光器300的光束传播到进气口的方向。
57.如图3所示，第二反射镜620和第三反射镜630垂直安装在第一安装面220上，第二反射镜620接收从第一反射镜610反射的光束并射向第三反射镜630，由于第二反射镜620和第三反射镜630均与第一安装面220垂直，那么第二反射镜620和第三反射镜630平行布置，两者之间的传播光束较为稳定，位于同一平面内或大致位于同一平面内，使光线的传播方向更易控制。
58.结合图2和图3所示，第四反射镜640设在光电探测器400的正上方，第四反射镜640与第一安装面220成锐角安装，第三反射镜630将接收到的光束射向第四反射镜640，第四反射镜640将接收到的光束射向光电探测器400，第四反射镜640可将由第三反射镜630射出的光束改变传播路径，并朝向第一安装面220出射至光电探测器400上，使光电探测器400能够有效探测到信号。
59.可选地，第一反射镜610与第一安装面220之间的夹角为45度，那么从激光器300发射到第一反射镜610上的入射角为45度，经过第一反射镜610进行第一次反射后以45度角水平出射到第二反射镜620上，第二反射镜620和第三反射镜630之间传播的光束则均在水平面内，最终经由第四反射镜640反射后从竖直方向回射到第一安装面220上的光电探测器
400上，确保对同一高度的甲烷进行有效的探测。
60.在一些具体示例中，气室座200的横截面轮廓呈圆形，第一安装面220为圆面，第一反射镜610、第二反射镜620、第三反射镜630、第四反射镜640分别均匀布设在第一安装面220的四个角上，与此同时，如图3所示，从第一反射镜610依次射向第二反射镜620、第三反射镜630、第四反射镜640的光束所组成的光路为大致的“n”形，形成立体空间折叠光路，吸收光程长、结构紧凑、灵敏度高。
61.在本实用新型的描述中，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
62.在本实用新型的一些实施例中，反射镜600为镀金反射镜或镀银反射镜。镀金反射镜600或镀银反射镜600的反射效果好，反光面不易黏附雾气和水汽，从而降低了雾气、水汽对光信号的发送和接收的影响。本实用新型中更多的选择使用镀金反射镜，其性质更稳定、不易被氧化或腐蚀。
63.在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，壳体100包括上壳体110和下壳体120，下壳体120上设有进气口，气室座200的两端均设有螺纹，上壳体110与气室座200的一端螺纹连接，下壳体120与气室座200的另一端螺纹连接；控制电路板500连接在气室座200朝向上壳体110的一侧。那么在这些示例中，分体设置的上壳体110和下壳体120方便与气室座200进行装配，便于在气室座200上安装激光器300、光电探测器400、反射镜600和控制电路板500，使结构更加紧凑的同时便于装配各个部件。
64.可选地，如图1所示，激光甲烷探测传感器1000还包括密封圈700，密封圈700连接在上壳体110和下壳体120之间的间隙中，从而使壳体100与气室座200螺纹连接后的密封性优良，不会从气室中向外漏气，确保对气室中待测甲烷气体浓度检测精准。此外，可阻止外部测量环境中灰尘及水滴通过气室座200上的安装螺纹进入气室内对反射镜600造成污染，而使光束反射的过程中受到干扰。
65.可选地，如图1所示，气室座200位于第二安装面230上朝向上壳体110的方向凸出设有安装柱231，控制电路板500上设有对应的过孔，装配时，安装柱231穿入过孔后，采用紧固件520进行固定，实现控制电路板500与气室座200的紧密连接。
66.在一些具体示例中，紧固件520为六角螺栓，安装柱231中设有螺纹孔。
67.可选地，如图1所示，上壳体110上远离气室座200的一端设有螺纹安装部111，用于与外部的检测仪器形成连接，方便激光甲烷探测传感器1000整体进行安装和固定。
68.可选地，螺纹安装部111上设有穿孔，线束510可从穿孔中穿入到上壳体110中并与控制电路板500电连接，装配方便。线束510可为控制电路板500供电，也可以进行信号传输。
69.可选地，如图1所示，螺纹安装部111与检测仪器之间设有第一密封环112，从而使上壳体110与检测仪器之间形成可靠的密封，防止外部的水汽或灰尘进入到上壳体110污染控制电路板500。
70.有利地，为了使控制电路板500的防腐蚀、防氧化、防水、防爆性能更好，在具体示例中，通过上壳体110上的过孔向着控制电路板500上进行灌胶。灌胶的种类可以为聚氨酯或双组份胶粘剂。尽可能使用常温固化胶，在常温便能完成整个灌胶过程，方便操作。
71.可选地，激光甲烷探测传感器1000还包括温压传感器800，温压传感器800与控制电路板500电连接，温压传感器800伸入气室中，使温压传感器800既能与控制电路板500形
成可靠的电连接，还能对气室中的温度和压力进行检测，所测量的温度和压力数据用于对解调的气体浓度进行实时在线参数补偿修正，从而实现控制电路板500对不同温度和不同压力下的甲烷浓度的准确解调，最终得以实现-30℃～60℃宽温范围内对甲烷气体浓度的高精度测量。
72.可选地，控制电路板500上贴片安装有mcu(microcontroller unit；微控制单元)主控芯片、激光器温控芯片、温压传感器800、存储芯片和电阻电容等电器件，mcu主控芯片可用于产生激光器300的扫描锯齿波调制信号、光电探测器400的探测信号采集、处理和浓度解调。激光器温控芯片用于对激光器300进行精确控温，控温精度为
±
0.01℃。
73.有利地，光电探测器400与气室座200之间的安装缝隙、以及温压传感器800与气室座200之间的安装缝隙通过第二密封环240密封，防止待测甲烷气体从气室进入到控制电路板500的一侧，也防止灌胶过程中的胶进入到气室中。
74.在一些具体示例中，第一密封环112、第二密封环240、密封圈700均可以为氟橡胶。耐热性好、耐腐蚀性好、并具有一定的抗氧化性和耐油性，具有较长的使用寿命。
75.可选地，上壳体110和下壳体120采用不锈钢材料制作，性质稳定、防腐性能强、使用寿命久。
76.可选地，气室座200采用铝材料加工，散热性能优良，激光器300在工作的过程中可通过气室座200快速传热并向外散热，实现-30℃～60℃宽温范围内激光器300的高精度温控。
77.在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，激光甲烷探测传感器1000还包括防水透气膜910和过滤网920，过滤网920和防水透气膜910依次布置在进气口处。过滤网920可过滤从进气口进入到气室中的灰尘、碎屑；防水透气膜910则仅通过气体、不通过水汽，两者相配合，使进入到气室中的甲烷的洁净度高、不易污染激光器300、光电探测器400，也不会使反射镜600变模糊或被污染，确保激光器300能够持续发出一定密度的激光光束，确保反射镜600能可靠地传播光束，确保光电探测器400也能接受反射镜600反射的光束。
78.在一些具体示例中，防水透气膜910为聚四氟乙烯(ptfe)膜，耐高温、不易腐蚀、性质稳定。
79.在一些具体示例中，过滤网920为不锈钢滤网，强度高、性质稳定，便于拆卸清洗截留的灰尘。
80.可选地，如图1所示，激光甲烷探测传感器1000还包括弹性限位件930，弹性限位件930将防水透气膜910限位在壳体100中。在这些示例中，弹性限位件930可进行一定的压缩变形，从而方便装配至壳体100中，装配完成后，弹性限位件930恢复原形，从而卡在壳体100的内壁，从而相对于壳体100的位置不变，与此同时，将防水透气膜910和过滤网920也限定在壳体100中。
81.在一些具体示例中，弹性限位件930为卡簧，将过滤网920和防水透气膜910依次装配到进气口处后，手握卡簧将卡簧卡入到壳体100中，并靠近防水透气膜910，使防水透气膜910相对于壳体100的位置不变。即使在移动激光甲烷探测传感器1000的过程中，也能实现防水透气膜910和过滤网920的位置不变，则激光甲烷探测传感器1000在使用的过程中，可稳定地处理从进气口中进入的甲烷气体，使灰尘、碎屑、水汽均阻挡在气室外。
82.可选地，卡簧的横截面为c型，节约材料，并具有良好的弹性形变性能，可适应不同
的壳体100的内壁卡接。
83.可选地，激光甲烷探测传感器1000还包括密封件940，密封件940设在防水透气膜910朝向气室座200的一侧，以密封防水透气膜910的周缘与壳体100的内壁之间的间隙。密封件940可进一步密封防水透气膜910的周缘，防止水汽从防水透气膜910的边缘漏入到气室中。
84.在一些具体示例中，密封件940为硅胶条，硅胶条不仅能实现可靠密封，还能实现对弹性限位件930进行可靠缓冲，减轻弹性限位件930对防水透气膜910的压力，防止弹性限位件930划伤防水透气膜910。
85.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
86.图1中显示了四个反射镜600用于示例说明的目的，但是普通技术人员在阅读了上面的技术方案之后、显然可以理解将该方案应用到其他数量反射镜600的技术方案中，这也落入本实用新型的保护范围之内。
87.根据本实用新型实施例的激光甲烷探测传感器1000中控制电路板500与激光器300、光电探测器400、温压传感器800的信号传递和控制对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
88.在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
89.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。