基于NDIR气体分析仪的光锥设计

章若冰

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：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气体分析仪的红外池如图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，（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，…）。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）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锥形的光锥，还应设计在对应这个正方形中的最大的圆。

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），硅片的厚度为2mm，可以估算由于折射而产生的光路偏移的距离相对于光锥小端直径的改变为0.3mm左右，故可以选择底端直径为3mm（=1.5mm）进行计算，如计算不合适再进行一定的调整。

②直接采用探测器表面带r=1.5mm圆角的边长为5mm的正方形区域中能做的最大的圆的直径做光锥小端的直径。即=2.5mm，同理，需要考虑因硅片而产生的偏移，然后由计算得出是否合适。

3） 光锥长度的确定和锥顶角的确定：

经过上面光线传输条件分析可以知道，光线经光锥聚集，它边缘的入射光是最不容易传输到光锥小端的，要使得通过椎体大端的光线都能传输到光锥小端，边缘的那两束光线就是临界光束，有因为本方案设计中，光线都假设是平行光，光锥的设计只要保证这束光线传输到光锥小端，就能使穿过大端的光线都能传输到光锥小端。

光线经过折射的次数越多，能量损失的越多，对系统信号的信噪比影响越大。所以在设计时刻，如果可以设计比较合适的经过一次折射以后就能通过光锥小端的话尽量采用只经过一次反射的情况。

⑴ 设计情况一：（=1.5mm）

平行光入射，选择小端半径为1.5mm时，临界光线经过一次反射正好到达的对边底端。如图所示：

计算如下：

当入射角为 时，根据硅的折射率和硅片的的厚度，计算由于硅片而产生的偏移距离如下：，（其中x为在24度的入射角下，在硅中产生的折射角），=0.1189，设产生的偏移距离为y，则，得y=0.24mm，由上面计算可得，这种情况角度与光锥的长度设计比较合理。

⑵设计情况二：（=2.5mm）

当选择小端半径为2.5mm时，临界光线经过一次反射正好到达的对边底端。

如图5所示：计算如下：

在此情况下，不需要再去计算因为折射而产生的偏移，此时由于光锥的长度太短，不易加工，且加工的误差对光线强度的影响较大，故本情况不合适。

⑶特殊情况：

由于所设计的锥体的中心横截面是一个等腰梯形，当等腰梯形中长边所在的角度正好为60度时，光锥的长度和小端直径有一个比例关系，但此时当入射角为30度时，折射线正好垂直等腰梯形腰所在的边，从而造成光线不能向前传输，此类情况在设计时一定要避免。

4 总结与思考

1）参照手电筒聚光原理，不仅仅在探测器一端可以采用光锥，在光源的一侧，可以采用椭圆型的聚光。

2）在光锥大端面考虑加一个具有聚光作用的具有一定曲率的凸球面，这样也减小了光线在端面上的入射角，同理也就减小了折射角了，根据光路传输条件，就能在满足光锥传输条件的情况下增加传输次数，同时也可以在减小光锥长度的情况下，尽可能地减小了探测器的面积。

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