基于NDIR氣體分析儀的光錐設(shè)計(jì)

章若冰

摘要：本文基于NDIR氣體分析儀的氣室設(shè)計(jì)，在傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到檢測(cè)誤差的影響因素，分析傳感氣室結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，探討了光錐的概念，并針對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)際的需要，對(duì)光錐進(jìn)行了設(shè)計(jì)，探討了光錐改進(jìn)的要點(diǎn)，為后續(xù)傳感器的研究提供了理論基礎(chǔ)。通過(guò)在實(shí)際工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)的光錐可行。達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：氣體傳感器；傳感氣室；光錐；聚光元件

中圖分類號(hào)：TN108 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）27-0262-03

Abstract：The NDIR gas analyzer gas chamber is designed based on， in sensor design process， considering the influence factors of error detection， analysis of the sensing chamber structure based， and probes into the concept of the light cone and is designed in the light of the actual needs， the light cone design， discusses the key points of the improved light cone， provides a theoretical basis for the subsequent sensor research. Through the application in the practical engineering project， the design of the light cone is feasible. Meet the design requirements.

Key words： gas sensor； sensing chamber； light cone； condenser element；

NDIR氣體分析儀的紅外池如圖1所示。整個(gè)紅外池由紅外光源部分，鍍金氣室、濾光片、待測(cè)氣體通道以及紅外接收裝置組成。本傳感氣室的檢測(cè)誤差主要由兩部分組成，其一是紅外光源的穩(wěn)定性，紅外光源芯片本身的不穩(wěn)定或者溫度的變化都會(huì)引起紅外光源的不穩(wěn)定，從而造成誤差；其二是探測(cè)器的采集程度，由氣室的光潔度和是否使用合適的光錐有關(guān)，氣室的光潔度主要由制造工藝決定，一般在制造過(guò)程中采用鍍金的方式提高其光潔度。合適的光錐同樣可以提高探測(cè)器的精度，本文基于此，設(shè)計(jì)一款合適氣體分析儀的光錐。

1 光錐的概念

光錐是一種圓錐體狀或者棱錐狀的聚光元件，有空心和實(shí)心兩種類型。使用時(shí)將大端放在光學(xué)系統(tǒng)的聚光面附近聚集光束，利用錐形內(nèi)壁的高反射比特性，將光束引到小端輸出，將探測(cè)器置于小端，接收集中后的光束，它是一種非成像的聚光元件，可以增加光照度和減小探測(cè)器面積。在應(yīng)用中，要根據(jù)光束的形狀以及光電接收器件的尺寸形狀來(lái)選擇圓錐體狀或者棱錐狀。本設(shè)計(jì)根據(jù)項(xiàng)目情況，選擇圓錐體狀空心光錐。

2 光線傳輸?shù)臈l件

光錐錐頂角為2，光線進(jìn)入光錐前與光錐軸的夾角為（入射角）。經(jīng)折射后的折射角為。光線從光錐大端入射以后，在光錐壁上進(jìn)行反射，每反射一次，在光錐壁上的入射角就減小2，光線在光追內(nèi)部第n次反射時(shí)對(duì)應(yīng)的入射角，（n=1，2，3，…）光線在光錐壁上每反射一次，光線與錐軸夾角就增大2，光線第n次反射后對(duì)應(yīng)的反射光線與錐軸夾角（n=1，2，3，…）。入射角隨著反射次數(shù)的增加而迅速減小，小到一定程度光線就不能傳輸了，光線繼續(xù)傳輸和向后返回的條件是：

1）繼續(xù)傳輸條件：

2）向后返回條件：

即當(dāng)時(shí)，光線能一直在光錐內(nèi)向前傳輸。

3 光錐設(shè)計(jì)主要要解決的問(wèn)題

光錐設(shè)計(jì)主要需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題：

1）確定光錐的兩端半徑：和；

2） 確定光錐的長(zhǎng)度和錐頂角。

根據(jù)以上分析，參照本項(xiàng)目的具體要求，擬說(shuō)明和需要解決的問(wèn)題如下：

（1）大端半徑的確定：由于氣室的拋光管內(nèi)徑已經(jīng)確定為7mm，所以在設(shè)計(jì)時(shí)選擇

光錐的大端半徑為3.5mm。

（2）小端半徑的確定：由于探測(cè)器的感光區(qū)域是一個(gè)邊長(zhǎng)為2mm的正方形區(qū)域，而

感光器的外層硅片的尺寸為帶r=1.5mm圓角的邊長(zhǎng)為5mm的正方形區(qū)域，為了盡最大可能的使得聚光效果好，應(yīng)該使得聚光到探測(cè)器上感光區(qū)域的面積小到越接近越好。在確定小端半徑時(shí)，為了與圓錐形狀對(duì)應(yīng)，可考慮如下兩種方法：

① 先計(jì)算出在探測(cè)器表面區(qū)域中最大的圓是多少，然后為了對(duì)應(yīng)正方形的感光區(qū)域，在這個(gè)最大的圓中做最大的正方形，最后因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是圓錐形的光錐，還應(yīng)設(shè)計(jì)在對(duì)應(yīng)這個(gè)正方形中的最大的圓。

由圖2容易計(jì)算得到其中最大的圓的直徑為5mm。由最大值定理，可以計(jì)算得到其中正方形的邊長(zhǎng)可計(jì)算得到為3.535mm，因此，在此正方形中，可以做的最大的圓的直徑為3.535mm。

為了考慮因硅片而產(chǎn)生的偏移，根據(jù)硅的折射率（3.42），硅片的厚度為2mm，可以估算由于折射而產(chǎn)生的光路偏移的距離相對(duì)于光錐小端直徑的改變?yōu)?.3mm左右，故可以選擇底端直徑為3mm（=1.5mm）進(jìn)行計(jì)算，如計(jì)算不合適再進(jìn)行一定的調(diào)整。

②直接采用探測(cè)器表面帶r=1.5mm圓角的邊長(zhǎng)為5mm的正方形區(qū)域中能做的最大的圓的直徑做光錐小端的直徑。即=2.5mm，同理，需要考慮因硅片而產(chǎn)生的偏移，然后由計(jì)算得出是否合適。

3） 光錐長(zhǎng)度的確定和錐頂角的確定：

經(jīng)過(guò)上面光線傳輸條件分析可以知道，光線經(jīng)光錐聚集，它邊緣的入射光是最不容易傳輸?shù)焦忮F小端的，要使得通過(guò)椎體大端的光線都能傳輸?shù)焦忮F小端，邊緣的那兩束光線就是臨界光束，有因?yàn)楸痉桨冈O(shè)計(jì)中，光線都假設(shè)是平行光，光錐的設(shè)計(jì)只要保證這束光線傳輸?shù)焦忮F小端，就能使穿過(guò)大端的光線都能傳輸?shù)焦忮F小端。

光線經(jīng)過(guò)折射的次數(shù)越多，能量損失的越多，對(duì)系統(tǒng)信號(hào)的信噪比影響越大。所以在設(shè)計(jì)時(shí)刻，如果可以設(shè)計(jì)比較合適的經(jīng)過(guò)一次折射以后就能通過(guò)光錐小端的話盡量采用只經(jīng)過(guò)一次反射的情況。

⑴ 設(shè)計(jì)情況一：（=1.5mm）

平行光入射，選擇小端半徑為1.5mm時(shí)，臨界光線經(jīng)過(guò)一次反射正好到達(dá)的對(duì)邊底端。如圖所示：

計(jì)算如下：

當(dāng)入射角為 時(shí)，根據(jù)硅的折射率和硅片的的厚度，計(jì)算由于硅片而產(chǎn)生的偏移距離如下：，（其中x為在24度的入射角下，在硅中產(chǎn)生的折射角），=0.1189，設(shè)產(chǎn)生的偏移距離為y，則，得y=0.24mm，由上面計(jì)算可得，這種情況角度與光錐的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)比較合理。

⑵設(shè)計(jì)情況二：（=2.5mm）

當(dāng)選擇小端半徑為2.5mm時(shí)，臨界光線經(jīng)過(guò)一次反射正好到達(dá)的對(duì)邊底端。

如圖5所示：計(jì)算如下：

在此情況下，不需要再去計(jì)算因?yàn)檎凵涠a(chǎn)生的偏移，此時(shí)由于光錐的長(zhǎng)度太短，不易加工，且加工的誤差對(duì)光線強(qiáng)度的影響較大，故本情況不合適。

⑶特殊情況：

由于所設(shè)計(jì)的錐體的中心橫截面是一個(gè)等腰梯形，當(dāng)?shù)妊菪沃虚L(zhǎng)邊所在的角度正好為60度時(shí)，光錐的長(zhǎng)度和小端直徑有一個(gè)比例關(guān)系，但此時(shí)當(dāng)入射角為30度時(shí)，折射線正好垂直等腰梯形腰所在的邊，從而造成光線不能向前傳輸，此類情況在設(shè)計(jì)時(shí)一定要避免。

4 總結(jié)與思考

1）參照手電筒聚光原理，不僅僅在探測(cè)器一端可以采用光錐，在光源的一側(cè)，可以采用橢圓型的聚光。

2）在光錐大端面考慮加一個(gè)具有聚光作用的具有一定曲率的凸球面，這樣也減小了光線在端面上的入射角，同理也就減小了折射角了，根據(jù)光路傳輸條件，就能在滿足光錐傳輸條件的情況下增加傳輸次數(shù)，同時(shí)也可以在減小光錐長(zhǎng)度的情況下，盡可能地減小了探測(cè)器的面積。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊禮艷.張國(guó)玉.鄭茹.等.基于光錐耦合的分光譜輻射表入射系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]光子學(xué)報(bào)，2015 44（12）：1-6.

[2] 韓躍平.李瑞紅.韓焱.基于光錐的X射線探測(cè)器耦合方法[J]探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2015 37（3）：15-18.

[3] 張俊生，王明泉.影響X射線數(shù)字成像系統(tǒng)分辨率的因素分析[J].CT理論與應(yīng)用研究，2011，20（2）：227-233.

[4] 喻春雨，常本康，魏殿修.新型X射線影像增強(qiáng)系統(tǒng)分辨率數(shù)學(xué)模型[J].光電工程，2006，33（11）：120-122.

[5] 高飛龍.基于特種光錐的空間光信號(hào)接收增強(qiáng)機(jī)理研究[D]燕山大學(xué)，2015.