基于ndir气体分析仪的光锥设计

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1、基于NDIR气体分析仪的光锥设计　　摘要：本文基于NDIR气体分析仪的气室设计，在传感器设计过程中，考虑到检测误差的影响因素，分析传感气室结构的基础上，探讨了光锥的概念，并针对设计实际的需要，对光锥进行了设计，探讨了光锥改进的要点，为后续传感器的研究提供了理论基础。通过在实际工程项目中的应用，本设计的光锥可行。达到设计要求。　　关键词：气体传感器；传感气室；光锥；聚光元件　　中图分类号：TN108文献标识码：A文章编号：1009-3044（2016）27-0262-03　　Abstract：TheNDIRgasanalyze

2、rgaschamberisdesignedbasedon，insensordesignprocess，consideringtheinfluencefactorsoferrordetection，analysisofthesensingchamberstructurebased，andprobesintotheconceptofthelightconeandisdesignedinthelightoftheactualneeds，thelightconedesign，discussesthekeypointsoftheimp

3、rovedlightcone，providesatheoreticalbasisforthesubsequentsensorresearch.Throughtheapplicationinthepracticalengineeringproject，thedesignofthelightconeisfeasible.Meetthedesignrequirements.　　Keywords：gassensor；sensingchamber；lightcone；condenserelement；6　　NDIR气体分析仪的红外池如

4、图1所示。整个红外池由红外光源部分，镀金气室、滤光片、待测气体通道以及红外接收装置组成。本传感气室的检测误差主要由两部分组成，其一是红外光源的稳定性，红外光源芯片本身的不稳定或者温度的变化都会引起红外光源的不稳定，从而造成误差；其二是探测器的采集程度，由气室的光洁度和是否使用合适的光锥有关，气室的光洁度主要由制造工艺决定，一般在制造过程中采用镀金的方式提高其光洁度。合适的光锥同样可以提高探测器的精度，本文基于此，设计一款合适气体分析仪的光锥。　　1光锥的概念　　光锥是一种圆锥体状或者棱锥状的聚光元件，有空心和实心两种类型。使

5、用时将大端放在光学系统的聚光面附近聚集光束，利用锥形内壁的高反射比特性，将光束引到小端输出，将探测器置于小端，接收集中后的光束，它是一种非成像的聚光元件，可以增加光照度和减小探测器面积。在应用中，要根据光束的形状以及光电接收器件的尺寸形状来选择圆锥体状或者棱锥状。本设计根据项目情况，选择圆锥体状空心光锥。　　2光线传输的条件　　光锥锥顶角为2，光线进入光锥前与光锥轴的夹角为（入射角）。经折射后的折射角为。光线从光锥大端入射以后，在光锥壁上进行反射，每反射一次，在光锥壁上的入射角就减小2，光线在光追内部第n次反射时对应的入射角

6、，（n=1，2，3，…）光线在光锥壁上每反射一次，光线与锥轴夹角就增大2，光线第n次反射后对应的反射光线与锥轴夹角（n=1，2，3，…6）。入射角随着反射次数的增加而迅速减小，小到一定程度光线就不能传输了，光线继续传输和向后返回的条件是：　　1）继续传输条件：　　2）向后返回条件：　　即当时，光线能一直在光锥内向前传输。　　3光锥设计主要要解决的问题　　光锥设计主要需要解决以下两个问题：　　1）确定光锥的两端半径：和；　　2）确定光锥的长度和锥顶角。　　根据以上分析，参照本项目的具体要求，拟说明和需要解决的问题如下：　　（1

7、）大端半径的确定：由于气室的抛光管内径已经确定为7mm，所以在设计时选择　　光锥的大端半径为3.5mm。　　（2）小端半径的确定：由于探测器的感光区域是一个边长为2mm的正方形区域，而　　感光器的外层硅片的尺寸为带r=1.5mm圆角的边长为5mm的正方形区域，为了尽最大可能的使得聚光效果好，应该使得聚光到探测器上感光区域的面积小到越接近越好。在确定小端半径时，为了与圆锥形状对应，可考虑如下两种方法：　　①先计算出在探测器表面区域中最大的圆是多少，然后为了对应正方形的感光区域，在这个最大的圆中做最大的正方形，最后因为设计的是圆

8、锥形的光锥，还应设计在对应这个正方形中的最大的圆。6　　由图2容易计算得到其中最大的圆的直径为5mm。由最大值定理，可以计算得到其中正方形的边长可计算得到为3.535mm，因此，在此正方形中，可以做的最大的圆的直径为3.535mm。　　为了考虑因硅片而产生的偏移，根据硅的折射率（3.42）