一种气体传感器和报警器的制作方法

本技术涉及光学领域，尤其涉及一种气体传感器和报警器。

背景技术：

1、随着科技的不断发展，对极端环境的探索进度也不断展开，极端环境中的气体成分是该极端环境安全与否的重要指标之一。基于不同气体的吸收光谱不同这一特性，使激光穿越成分复杂的气体后，根据发射端的激光和接收端的激光可以确定该成分复杂的气体包括哪些气体成分。也就是可调谐半导体激光吸收光谱分析(tunablediode laserabsorption spectroscopy，tdlas)气体传感技术。

2、但是在窨井等恶劣环境中，环境中存在扬尘等杂质影响，使tdlas气体传感技术无法对环境中气体成分进行准确分析。

技术实现思路

1、本技术提供了一种气体传感器和报警器，用于提升气体传感器对气体成分检测的准确性。

2、第一方面，本技术提供了一种气体传感器，包括：激光发射器、光电探测器和第一散射片，该第一散射片设置于激光发射器与光电探测器之间，激光发射器到第一散射片的距离大于第一散射片到光电探测器的距离，第一散射片包括第一粗糙面。激光发射器发射的激光透过第一散射片的第一粗糙面射入光电探测器的入光口。其中，第一散射片的第一粗糙面用于对激光发射器发射的激光进行一次散射。其中，在一些对气体激光器尺寸有较高要求的场景中，例如，手持式气体传感器中，此处的激光发射器和光电探测器应当为尺寸较小器件，激光发射器可以为激光二极管(laser diode，ld)，光电探测器可以为光电二极管(photo-diode，pd)。

3、本技术实施例中，将第一散射片设置于激光发射器与光电探测器之间，向光电探测器发射的激光传输路径中引入了更多的散射，使激光发射器发射的激光在目标气体中进行至少一次散射，中断了激光发射器与第一散射片之间可能出现的干涉光路，或，第一散射片与光电探测器之间可能出现的干涉光路，或，激光发射器与第一散射片之间可能出现的干涉光路和第一散射片与光电探测器之间可能出现的干涉光路。不仅如此，由于第一散射片向气体传感器中引入了一定的光损耗，气体传感器在恶劣环境中遭受的污染引发的光损耗相对于第一散射片引入的光损耗对光信号的影响有限，也就是恶劣环境中遭受的污染无法造成光路的明显波动，从而无法影响气体传感器对目标气体的气体成分检测的准确性，也就提升了气体传感器对目标气体的气体成分检测准确性。

4、在第一方面一种可能的实施方式中，第一散射片的法线与激光发射传感器发射的激光夹角为第一角度，第一角度大于5°小于75°。

5、本技术实施例中，通过设置第一散射片的法线与ld发射的激光之间的夹角区域，可以有效避免第一散射片的法线与ld发射的激光夹角过小造成的第一散射片的镜面反射将ld发射的激光反射回ld的入光口的情况，而第一角度小于75°可以减少经第一散射片散射后无法射入pd的激光范围，有效保障pd接收光的功率，减少不必要的光损耗。

6、在第一方面一种可能的实施方式中，第一粗糙面为第一散射片中面向光电探测器的面。例如，在激光发射器向光电探测器发射第一激光的情况下，第一激光透过第一散射片的第一粗糙面射入光电探测器的入光口，将第一激光在第一散射片中的出射面称为第一散射片中面向光电探测器的面，也即第一粗糙面。

7、本技术实施例中，将第一粗糙面设置于第一散射片中面向光电探测器的面，且该第一散射片与光电探测器的距离小于该第一散射片与激光发射器的距离。可以有效缩短散射起始点到光电探测器的入光口之间的距离，在更小的空间范围利用第一粗糙面进行散射可以有效减少激光发射器出光口到光电探测器的入光口之间产生的光路损耗，可以有效提升气体传感器对气体成分检测的准确性。

8、在第一方面一种可能的实施方式中，第一散射片还包括第二粗糙面，第二粗糙面位于ld的出光口和所述第一粗糙面之间。也就是，第一散射片包括两个粗糙面，激光发射器射出的激光通过第一散射片的两个粗糙面的散射后，射入光电探测器。其中，第二粗糙面可以为颗粒度大于或等于500目且小于或等于4000目的面，且第一散射片需要具有一定的厚度，例如，第一散射片的厚度需要大于1mm，以使第一粗糙面和第二粗糙面之间存在一定缝隙实现一次散射(在具体实施中，第一粗糙面和第二粗糙面之间也可以为不平行的两个平面)，此处不做限制。

9、本技术实施例中，通过使用具有两个粗糙面的散射片进行激光的散射，可以为气体传感器提供更强的散射能力，由于两个粗糙面之间仍具有一定的距离，还能够提供更好的匀光作用，有助于更好的消除杂散，从而更好的提升气体传感器的测量稳定性。

10、在第一方面一种可能的实施方式中，所述第一散射片还包括光滑面，所述光滑面位于所述ld的出光口和所述第一粗糙面之间，所述光滑面与所述第一粗糙面相对。其中，光滑面为颗粒度大于或等于10000目的面，且第一散射片需要具有一定的厚度，例如，第一散射片的厚度需要大于1mm，以确保第一粗糙面和光滑面之间存在一定缝隙。

11、本技术实施例中，通过将第一散射片的一个面设置为光滑面，在气体传感器应用于水浸场景时，在非密封环境中的第一散射片被水浸后，粗糙面会被水渍填平，从而成为光滑面，本技术提供的方案中将第一散射片中的一个面设置为光滑面，可以减少环境因素对气体传感器的工作状态的影响，进一步提升了窨井场景等可能出现水浸情况的场景中气体传感器对目标气体的成分检测可靠性。

12、在第一方面一种可能的实施方式中，气体传感器还包括窗片，窗片与激光发射器的发射顶点之间的距离大于1mm，窗片设置于激光发射器与第一散射片之间，激光发射器发射的激光依次透过窗片和第一散射片射入光电探测器的入光口。

13、本技术实施例中，通过向气体传感器中增设窗片，使窗片设置于激光发射器与第一散射片之间，有效阻挡环境对激光发射器的出光口的污染，通过增加脏污点与激光发射器之间的直线距离，减少脏污点在激光照射面积中的占比，从而降低脏污对光路的影响，降低环境脏污对气体传感器工作性能的影响。

14、在第一方面一种可能的实施方式中，气体传感器还包括第二散射片；

15、第二散射片设置于激光发射器与光电探测器之间，激光发射器的出光口到第二散射片的距离大于第二散射片到光电探测器的入光口的距离，第二散射片包括第三粗糙面，第三粗糙面与光电探测器的入光口相对，第二散射片与第一散射片相邻并具有一定间距，此间距大于1mm。

16、本技术实施例中，通过增设第二散射片的方式增加激光发射器与光电探测器之间光路上的散射，提升了气体传感器在激光发射器与光电探测器之间光路上的匀光效果，使该气体传感器具备了更好的杂散消除效果。

17、在第一方面一种可能的实施方式中，第一散射片包括点胶区域和磨砂区域，点胶区域的内轮廓与磨砂区域的外轮廓相接，点胶区域为光滑平面。其中，第二散射片与第一散射片的设计和形状类似，此处不再赘述。

18、本技术实施例中，提供的第一散射片相对于单面毛玻璃的情况，向第一散射片中增设了光滑的点胶区域，解决了点胶对第一散射片和第二支撑模块进行粘合时，由于胶本身的表面张力较大使胶水难以充分渗透至第一散射片中与第二支撑模块连接的每个缝隙，从而使得点胶对第一散射片和第二支撑模块组成的腔体的气密性贡献有限，本技术提供的方案中，使该第一散射片的点胶区域与第二支撑模块粘合，使胶水充分粘合第一散射片的点胶区域和第二支撑模块，从而提升了第一散射片和第二支撑模块粘合获得的腔体的气密性。

19、在第一方面一种可能的实施方式中，气体传感器还包括第一透镜，第一透镜设置于激光发射器与目标散射片之间，目标散射片为气体传感器中与激光发射器距离最近的散射片，第一透镜包括凸透镜或凹透镜。在距离应用中，该第一透镜也可以为激光发射器的出光口的透镜，此处不做限制。

20、本技术实施例中，通过在目标散射片与激光发射器之间增设第一透镜的方式调节激光发射器发射的激光在目标散射片上的光斑直径大小，在保障目标散射片的散射效率的同时，无需对气体传感器的尺寸进行调节，在提升气体传感器的检测效果的同时，也满足了气体传感器的尺寸需求，使气体传感器在特定场景中具有实用性。

21、在第一方面一种可能的实施方式中，气体传感器还包括第二透镜，第二透镜设置于光电探测器与预设散射片之间，预设散射片为气体传感器中与光电探测器距离最近的散射片，第二透镜包括凸透镜或凹透镜。

22、本技术实施例中，通过在预设散射片与光电探测器之间增设第二透镜的方式调节光电探测器接收到的激光的数值孔径大小，在保障光电探测器对激光的接收效率的同时，无需对气体传感器的尺寸进行调节，在提升气体传感器的检测效果的同时，也满足了气体传感器的尺寸需求，使气体传感器在特定场景中具有实用性。

23、在第一方面一种可能的实施方式中，粗糙面的颗粒度大于或等于500目且小于或等于4000目。例如，第一粗糙面的颗粒度可以为500目、1000目、1500目、2000目、3000目或4000目。该粗糙面包括第一粗糙面和第二粗糙面。

24、本技术实施例中，通过合理设定粗糙面的颗粒度，保障第一散射片在激光发射器至光电探测器的光路中的散射效率，从而保障第一散射片在激光发射器至光电探测器的光路中的匀光效果，使环境中的杂散无法对光电探测器接收的激光产生明显影响，从而提升了气体传感器对目标气体的气体成分检测准确性。

25、在第一方面一种可能的实施方式中，激光发射器发射的激光波长包括1640nm-1660nm、1670nm-1690nm或1515nm-1538nm。其中，1640nm-1660nm为甲烷的气体吸收波长区间，1670nm-1690nm为乙烷的气体吸收波长区间，1515nm-1538nm为乙炔的气体吸收波长区间。

26、本技术实施例中，可以根据具体的测试需求设定激光发射器发出的激光波长，以适应不同的气体密度测试环境，结合气体传感器中增设的第一散射片，可以有效适配不同气体环境下的测量目标，在对环境中甲烷或乙烷或乙炔的气体密度测量时，消除气体传感器中产生mpi干涉条纹的风险，并且提升该气体传感器对脏污的抵抗能力，从而提升对环境中甲烷的气体密度测量的准确性和可靠性。

27、在第一方面一种可能的实施方式中，气体传感器还包括第一支撑模块和第二支撑模块，第一支撑模块为中空并设置有开口的块状结构，激光发射器设置于第一支撑模块内部，且激光发射器发射的激光通过第一支撑模块的开口射出，第二支撑模块为中空并设置有开口的块状结构，光电探测器设置于第二支撑模块内部，且光电探测器通过第二支撑模块的开口接收激光发射器发射的激光。

28、本技术实施例中，气体传感器中包括第一支撑模块和第二支撑模块，第一支撑模块和第二支撑模块分别为激光发射器和光电探测器提供支撑。由于第一支撑模块和第二支撑模块均为中空且设置有开口的块状结构，激光发射器设置于第一支撑模块内部，光电探测器设置于第二支撑模块内部，且激光发射器发送的激光从第一支撑模块的开口射出，光电探测器通过第二支撑模块的开口接收激光发射器发射的激光，为气体传感器中激光发射器和光电探测器的设置提供了有效支撑。

29、在第一方面一种可能的实施方式中，第一散射片覆盖第二支撑模块的开口形成腔体，第一粗糙面为靠近光电探测器的面。在第一散射片同时包括第一粗糙面和光滑面的情况下，第一粗糙面为腔体内部的面，光滑面为腔体外部的面。

30、本技术实施例中，通过将第一散射片覆盖与第二支撑模块的开口形成腔体，并使第一粗糙面为靠近pd的面，可以确保在气体传感器的工作过程中，第一粗糙面的散射效果不受环境情况的影响。进一步保障了本技术提供的方案在水浸场景中可靠性。不仅如此，在第一散射片同时包括第一粗糙面和光滑面的情况下，本技术提供的方案可以有效模拟窨井场景中的水浸环境，减少环境因素对气体传感器的工作状态的影响，进一步提升了窨井场景等可能出现水浸情况的场景中气体传感器对目标气体的成分检测可靠性。

31、在第一方面一种可能的实施方式中，激光发射器包括ld、结合光纤腔的光纤激光器或空间型固体激光器，光电探测器包括pd、带增益的雪崩二极管或基于光敏特性的光敏电阻。

32、第二方面，本技术提供了一种报警器，包括气体传感器，气体传感器为前述第一方面或第一方面任一种可能的实施方式中所示的气体传感器。

33、第二方面所示的有益效果与第一方面或者第一方面任一种可能的实现方式类似，此处不再赘述。