一种低功耗宽温度范围的激光气体传感器的制作方法

1.本实用新型涉及气体传感技术领域，尤其涉及一种低功耗宽温度范围的激光气体传感器。


背景技术：

2.现阶段激光气体传感技术被大范围应用在煤矿、石油、城市地下管道、化工工业等领域。与传统催化式传感技术相比，激光气体传感技术响应时间快，使用寿命长，检测浓度范围广，抗干扰能力强，客户无需定期标定，且无防爆问题，其优点无法被传统催化式传感技术所替代。
3.但是，激光气体传感器受反应原理影响，对使用温度要求较为严格，无法在较大温差的情况下精确测量。即使能测到气体，也会产生较大的功耗，会严重影响产品的使用寿命。
4.目前，采用的技术手段只能精确定位一个吸收峰，通过制冷或加热的方式将激光器波长定位在该吸收峰上。半导体制冷器加热和制冷时都会增加整个系统的功耗，其控制温度变化的量越大，产生的功耗就越大。过高的功耗会影响激光器的测试精度和使用寿命，甚至对整个系统上的其他设备产生影响。
5.当实际温度和半导体制冷器所要控制的温度相等时，半导体制冷器处于不工作的状态，此时整体功耗最低。需要测量气体的环境通常都十分复杂，温度变化范围也较大，高温时能达到几十度，低温时能达到零下，因此需要设备在一个很宽的温度范围内都可以精确的测量到气体。多数设备使用一个激光器只能做到在高温或者低温的范围内的低功耗，必定会舍弃掉另一个温度范围。想要以低功耗兼顾两个温度范围，则需要在设备上集成两个激光器，分别控制低温区间和高温区间。激光器制造复杂且造价昂贵，不利于实际应用。
6.传统控温回路的两个核心部分为定值电阻和半导体制冷器。定值电阻的大小直接决定半导体制冷器是发热还是制冷和它变化量的多少。当使用高温芯片时，定值电阻选择一个对应的小电阻，半导体制冷器加热。当使用低温芯片时，定值电阻选择一个对应的大电阻，半导体制冷器制冷。一个定值电阻只能确认单个波长的吸收峰。
7.传统的技术手段可以测量到-10度到60度。以选择高温激光器为例，当环境温度处于高温时，功耗较低；但当环境温度处于低温时，功耗很高；当环境温度更低时，半导体制冷器超过其控温上限，激光器失效无法正常工作。且过大的温差会导致半导体制冷器过度工作以及激光器加速老化，严重影响产品的使用寿命。


技术实现要素：

8.本实用新型主要解决现有技术的激光气体传感器的常温功耗与高温功耗无法做到很低，同时低温功耗会很高，且温差过大影响激光气体传感器使用等技术问题，提出一种低功耗宽温度范围的激光气体传感器，能够以更低的功耗应用在更宽的温度范围，拓宽测试温度范围，延长激光器寿命。
9.本实用新型提供了一种低功耗宽温度范围的激光气体传感器，包括：传感器壳体、探测气室、温湿度探测器以及主控板；
10.所述主控板设置在传感器壳体上；所述探测气室和温湿度探测器分别设置在主控板上，且探测气室和温湿度探测器分别与主控板电连接；
11.所述主控板上设置控温模块、mcu和供电模块；所述控温模块，包括：数字电位器u11、第一上拉电阻r25、第二上拉电阻r26和滤波电容c41；
12.所述第一上拉电阻r25的第一端子与供电模块连接、第二端子与数字电位器u11的scl端连接；
13.所述第二上拉电阻r26的第一端子与供电模块连接、第二端子与数字电位器u11的sda端连接；
14.所述数字电位器u11的scl端和sda端还与mcu连接；所述数字电位器u11的vdd端分别与供电模块和滤波电容c41连接；
15.所述滤波电容c41和数字电位器u11的vss端分别接地。
16.优选的，所述探测气室内设置激光器、第一光学反射面、第二光学反射面以及激光探测器；
17.所述探测气室设置多个使气体流通的开口；
18.所述激光器发射激光，经第一光学反射面和第二光学反射面反射回激光探测器，由激光探测器接收；
19.所述激光器和激光探测器分别与主控板电连接。
20.优选的，所述探测气室内设置分光挡板。
21.优选的，所述激光器和激光探测器分别设置在探测气室下部，所述第一光学反射面、第二光学反射面分别设置在探测气室上部；
22.所述第一光学反射面、第二光学反射面的倾斜角度为45
°
；
23.所述第一光学反射面与激光器位置对应，所述第二光学反射面与激光探测器位置对应。
24.优选的，所述数字电位器u11采用mcp4561-103e/ms型号数字电位器。
25.优选的，所述温湿度探测器采用sht20型号温湿度传感器。
26.本实用新型提供的一种低功耗宽温度范围的激光气体传感器，与现有技术相比具有以下优点：
27.1、数字电位器可以由mcu控制，通过对数字信号的调节来改变其阻值。确认目标的两个相邻的吸收峰的波长，所选择的激光器波长为这两个波长之间的值。mcu控制数字电位器的值，直到找到这两个峰值点，记录下这两个阻值。
28.2、所选波长处于目标波长之间，记录的阻值必定为一小一大的两个阻值。当温度高时使用小电阻，低温时使用大电阻。这样在只使用了一个激光器的情况下可以达到两个激光器的效果。
29.3、本实用新型通过设置控温模块，可以解决现阶段功耗一边高一边低的问题，可以将温度范围拓宽-30度到70度，增加激光器使用寿命，拓宽使用的温度范围且有利于控制成本。本实用新型功耗低，测量精确，测试温度范围宽，延长激光器寿命，整体结构变化小不影响成本。
附图说明
30.图1是本实用新型提供的低功耗宽温度范围的激光气体传感器的结构示意图；
31.图2是本实用新型提供的探测气室的结构示意图；
32.图3是本实用新型提供的控温模块的电路连接示意图；
33.图4是本实用新型提供的低功耗宽温度范围的激光气体传感器与传统单吸收峰模式功耗对比的示意图。
34.附图标记：1、传感器壳体；2、探测气室；3、温湿度探测器；4、主控板；201、激光器；202、分光挡板；203、第一光学反射面；204、第二光学反射面；205、激光探测器。
具体实施方式
35.为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。
36.如图1所示，本实用新型实施例提供的低功耗宽温度范围的激光气体传感器，包括：传感器壳体1、探测气室2、温湿度探测器3以及主控板4。
37.所述主控板4设置在传感器壳体1上；所述探测气室2和温湿度探测器3分别设置在主控板4上，且探测气室2和温湿度探测器3分别与主控板4电连接；所述温湿度探测器3可以采用sht20型号温湿度传感器。温湿度探测器3具体与主控板4的mcu电连接，由mcu进行控制。
38.如图2所示，所述探测气室2内设置激光器201、第一光学反射面203、第二光学反射面204以及激光探测器205。所述探测气室2设置多个使气体流通的开口；所述激光器201发射激光，经第一光学反射面203和第二光学反射面204反射回激光探测器205，由激光探测器205接收。所述探测气室2内设置分光挡板202。激光器201和激光探测器205分别与主控板4电连接，具体与主控板4的mcu电连接，由mcu进行控制。
39.具体的，所述激光器201和激光探测器205分别设置在探测气室2下部，所述第一光学反射面203、第二光学反射面204分别设置在探测气室2上部；所述第一光学反射面203、第二光学反射面204的倾斜角度为45
°
；所述第一光学反射面203与激光器201位置对应，所述第二光学反射面204与激光探测器205位置对应。
40.所述主控板4上设置控温模块、mcu(microcontroller unit，微控制单元)和供电模块。如图3所示，所述控温模块，包括：数字电位器u11、第一上拉电阻r25、第二上拉电阻r26和滤波电容c41。所述数字电位器u11可以采用mcp4561-103e/ms型号数字电位器。
41.具体的，所述第一上拉电阻r25的第一端子与供电模块连接、第二端子与数字电位器u11的scl端连接；所述第二上拉电阻r26的第一端子与供电模块连接、第二端子与数字电位器u11的sda端连接。所述数字电位器u11的scl端和sda端还与mcu连接；所述数字电位器u11的vdd端分别与供电模块和滤波电容c41连接；所述滤波电容c41和数字电位器u11的vss端分别接地。
42.在本实施例中，供电模块可以采用3.3v电源。第一上拉电阻r25和第二上拉电阻r26是数字通信的上拉电阻，用来保证通信的稳定。数字电位器u11通过iic通信方式与mcu
进行数据交互；数字电位器u11的p0a端与ref_tec端是数字电位器u11的电阻输出端，通过这两个引脚把调整好的电阻串联到峰值调整电路中，用以对电路中的电流进行调整和控制。峰值调整电路通过调整运算放大器同相输入的两个电平之间的差值，从而改变运算放大器的输出电平，而这个输出电平又会控制峰值的左移和右移，达到峰值调整的目的。数字电位器u11的hvc端是该芯片的地址设定管脚，不做设置时可以悬空。滤波电容c41是数字电位器u11的滤波电容，用以保证数字电位器u11供电的稳定性。
43.本实用新型的控温模块的工作原理：由于测量被测气体的红外吸收光谱，每种物质的红外吸收光谱是一定的，即一次测量记录数据即可，以后可以根据数据直接使用。将气体通入探测气室2，再依次改变数字电位器u11的阻值，直至出现两个明显的吸收峰。出现吸收峰时的阻值就是本实用新型需要的阻值。mcu记录这两个阻值，数值存储进mcu。温湿度传感器3实时检测环境温度；当前温度与哪个控温点(数字电位器阻值)相近，mcu就调用哪个阻值用于当前测量。将本实用新型与传统单吸收峰模式功耗进行对比，如图4所示，由于工作电压相同，所以功耗以各个温度情况下的瞬时最大电流代替。由图可知本实用新型在不同温度下的功耗要优于传统的单吸收峰模式。
44.本实用新型的激光气体传感器的工作过程：给温湿度传感器3供电(3.3v-5v)，mcu启动控制全部电路。温湿度传感器3实时进行探测，mcu根据当前温度进行判断，来调用适当的数字电位器阻值。激光器201发光，激光探测器205收光，mcu根据激光探测器205接收到的光信号进行计算，输出浓度值。
45.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。