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KR101108497B1 - NDIR Gas Sensor - Google Patents

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KR101108497B1
KR101108497B1 KR1020090114131A KR20090114131A KR101108497B1 KR 101108497 B1 KR101108497 B1 KR 101108497B1 KR 1020090114131 A KR1020090114131 A KR 1020090114131A KR 20090114131 A KR20090114131 A KR 20090114131A KR 101108497 B1 KR101108497 B1 KR 101108497B1
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KR
South Korea
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light
optical cavity
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infrared
light source
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KR1020090114131A
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Korean (ko)
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Inventor
문성욱
임영근
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한국과학기술연구원
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Publication date
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Abstract

본 발명은 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a non-dispersive infrared gas sensor.

본 발명에서는 고 종횡비를 갖는 육면체 다각형 형태의 광 동공과, 상기 광 공동 내부에 설치되는 적외선 광을 방사하기 위한 광원 램프와, 상기 광원 램프의 반대 측의 광 공동 내부에 설치되는 적외선 광을 측정하기 위한 볼로미터 센서와, 상기 볼로미터 센서에 인접한 위치에 설치되는 상기 광 공동을 진행한 광을 집광, 초점을 맺기 위한 프레넬 렌즈와, 상기 광원 램프의 광을 평행광으로 전환시키기 위한 타원경을 포함하고, 상기 광 동공의 상단부, 좌우측면 및 하단부는 반사율이 높은 금속으로 코팅 또는 도금되었고, 상기 광 동공의 상부 또는 하부에는 가스의 출입이 가능한 통기구가 형성되어 있는 비분산 적외선 가스 센서가 제시된다. In the present invention, measuring the optical pupil of the form of a hexahedral polygon having a high aspect ratio, a light source lamp for emitting infrared light provided inside the optical cavity, and infrared light installed inside the optical cavity on the opposite side of the light source lamp A bolometer sensor, a Fresnel lens for focusing and focusing the light traveling through the optical cavity installed at a position adjacent to the bolometer sensor, and an ellipsoid mirror for converting the light of the light source lamp into parallel light; The upper end, left and right sides and the lower end of the optical pupil are coated or plated with a highly reflective metal, and a non-dispersive infrared gas sensor having a vent for allowing gas to enter or exit is provided above or below the optical pupil.

비분산, 가스센서, NDIR, 적외선 Non-Dispersion, Gas Sensor, NDIR, Infrared

Description

적외선 가스 센서{NDIR Gas Sensor}Infrared gas sensor {NDIR Gas Sensor}

본 발명은 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것이다. 더 상세하게는 광 경로 상에서 특정 가스에 흡수되는 광량을 최대화 할 수 있도록 구성된, 고종횡비 일직선 형태의 광 공동과, 가스에 흡수 된 후 볼로미터 센서 부분에 단위 면적당 도달되는 광량을 최대화할 수 있도록, 초점을 맺을 수 있는 프레넬 렌즈가 구비되며, 광 검출효율을 높일 수 있도록 비냉각형 볼로미터 센서를 구비한 비분산 적외선 가스센서에 관한 것이다.The present invention relates to a non-dispersive infrared gas sensor. More specifically, high aspect ratio straight-line optical cavities, configured to maximize the amount of light absorbed by a particular gas on the optical path, and focus to maximize the amount of light reached per unit area in the bolometer sensor portion after being absorbed by the gas. The present invention relates to a non-dispersive infrared gas sensor provided with a fresnel lens capable of forming a non-cooling bolometer sensor to increase light detection efficiency.

적외선은 전자기적 방사 스펙트럼(Electromagnetic radiation spectrum)의 한 부분으로 0.75μm에서 1mm까지의 특정 파장 범위를 가진다. 가스 분자들은 상호 결합된 여러 개의 원자들로 구성되고, 이런 결합들은 항상 각각의 고유진동수(Natural frequency)를 가지는 진동(Vibration)과 회전(Rotation)을 수행하는데, 진동운동과 회전운동의 주파수들은 원자들의 크기와 결합 힘이 크게 작용하는 함수관계를 갖는다. 이때 고유진동수는 원자 상호간 결합과 분자구조에 의한 기계적 파에서 오지만 이론적으로는 전자기파와 비슷하다. 그리고 고유진동수는 가스들의 화학적 분자구조에 의해 서로 다른 값을 가지며, 주어진 분자와 결합구조에서는 항상 같다. 따라서 가스의 구성 물질과 분자구조에서 나타나는 고유진동수 특성들은 각각의 지문처럼 사용되어, 주어진 가스의 분자구조를 확인하는 단서를 제공한다.Infrared is part of the electromagnetic radiation spectrum and has a specific wavelength range from 0.75 μm to 1 mm. Gas molecules are composed of several atoms that are bonded together, and these bonds always carry out vibrations and rotations with their respective natural frequencies, the frequencies of which are the atoms They have a functional relationship in which the size and the coupling force are large. The natural frequency comes from mechanical waves by the atomic bonds and molecular structures, but is theoretically similar to electromagnetic waves. Natural frequencies have different values due to the chemical molecular structure of the gases and are always the same for a given molecule and bond structure. Thus, the frequency characteristics of the constituents and molecular structures of the gases are used as individual fingerprints, providing clues to the molecular structure of a given gas.

적외선 광원램프에 의해 방사된 적외선이 가스 분자들과 상호 영향을 미칠 때, 에너지 영역대의 특정 부분은 가스 분자의 고유진동수와 같은 진동수를 가지며, 나머지 다른 에너지 영역의 적외선이 투과되는 동안 흡수된다. 가스 분자가 동일한 진동수를 갖는 특정 영역대의 적외선 에너지를 흡수할 때, 분자는 에너지를 얻고 더욱 크게 진동한다. 이러한 진동은 가스 분자의 온도가 상승하는 결과를 가져오며, 가스 분자에 의해 흡수된 적외선은 광원 원래의 세기를 잃게 된다. 이때 온도는 가스 농도에 비례해서 증가하게 되고 광의 세기는 가스농도에 반비례해서 감소하게 되는데, 감소된 방사 에너지는 전기적 신호로써 감지된다.When infrared radiation emitted by an infrared light source lamp interacts with gas molecules, certain portions of the energy domain have the same frequency as the natural frequency of the gas molecules and are absorbed while the infrared rays of the other energy regions are transmitted. When gas molecules absorb infrared energy in certain areas with the same frequency, the molecules gain energy and vibrate more loudly. This vibration results in an increase in the temperature of the gas molecules, and the infrared rays absorbed by the gas molecules lose their original intensity. At this time, the temperature increases in proportion to the gas concentration and the light intensity decreases in inverse proportion to the gas concentration. The reduced radiant energy is detected as an electrical signal.

적외선을 이용한 가스 감지방법은 분산식(Dispersive)과 비분산식(Non Dispersive)으로 나눌 수 있다. 분산식 적외선 감지방법은 가스의 화합물들의 정성분석을 위해 사용하는 방법으로, 적외선 광원램프를 포함하여, 다양한 파장을 분석하기 위한 슬릿 선택기(Slit selector)와 광학 거울, 프리즘, 격자가 들어있는 가스 샘플 셀(Sample cell) 그리고 감지기(Detector), 전자증폭기 등으로 구성된다. 적외선을 화학화합물에 주사(Scanning)하면서 시간에 따라 파장을 변화시키면, 화합물의 흡수띠와 파장에 대한 곡선을 얻을 수 있다. 하지만 이 기술을 사용하는 장비들은 대부분 고정식으로 되어있고, 그 사이즈가 크기 때문에 가정용이나 산업용으로 사용하기 어렵다.Infrared gas detection can be divided into Dispersive and Non Dispersive. The distributed infrared detection method is used for qualitative analysis of compounds in gas.Slit selector, optical mirror, prism and grating for analyzing various wavelengths including infrared light source lamp It consists of a sample cell, a detector, and an electronic amplifier. If the wavelength is changed over time while scanning infrared rays into a chemical compound, the absorption band and wavelength of the compound can be obtained. However, most of the equipment using this technology is fixed and its size is difficult to use for home or industrial use.

비분산적외선 감지 방법은 가스 샘플 내에 측정대상 가스의 유무에 따라 감 지기에 도달하는 적외선 손실 정도의 비율을 측정하므로 정량적인 분석이 가능하며, 적외선을 분산시키기 위해 프리즘이나 격자가 필요하지 않고, 구성장치가 간단하기 때문에 센서로써 소형화할 수 있다.Non-dispersion infrared detection method measures the ratio of infrared loss to the detector according to the presence or absence of the gas to be measured in the gas sample, so quantitative analysis is possible, and no prism or grating is needed to disperse infrared rays. Since the device is simple, it can be miniaturized as a sensor.

이와 같은 비분산적외선 가스센서(NDIR)는 측정대상 가스를 통과할 수 있도록 적외선을 방사하는 광원(Infrared source)과, 방사된 광원이 가스 혼합 분위기 내에서 외부로 분산되지 않고 측정 가스와 충분한 반응을 일으킬 수 있도록, 반사경으로 구성된 광 공동(Optical cavity)과, 측정 가스 분위기를 통과한 적외선 중 특정 파장영역 대의 감소량을 선택적으로 감지하기 위한 적외선 감지센서(IR Detecting Sensor)로 구성된다.Such a non-dispersion infrared gas sensor (NDIR) is a light source (Infrared source) that emits infrared rays to pass through the gas to be measured, and the emitted light source is sufficient to react with the measurement gas without dispersing to the outside in the gas mixture atmosphere In order to be generated, it consists of an optical cavity consisting of a reflector and an IR Detecting Sensor for selectively detecting the amount of reduction in a specific wavelength range of the infrared rays passing through the measurement gas atmosphere.

이때 우수한 감지특성을 갖는 비분산적외선 가스센서를 제작하기 위해서는, 광 공동에서 광 흡수량을 증가시키기 위해 광 경로(Optical path) 길이가 길어야 하고, 광이 적외선 감지센서에 집중(Focusing)되어야 하며, 측정 파장 영역에 대한 적외선 감지센서의 민감도가 우수해야 한다.In this case, in order to fabricate a non-dispersive infrared gas sensor having excellent sensing characteristics, the optical path length should be long to increase the amount of light absorption in the optical cavity, and the light should be focused on the infrared sensor. The sensitivity of the infrared sensor to the wavelength range should be excellent.

일반적으로 비분산적외선 가스센서는 가스분자의 적외선 흡수율을 높이기 위해, 광원에서 방출된 광이 광 검출기에 도달하기까지 거리인 광 경로 길이를 증가시킨다.In general, non-dispersive infrared gas sensors increase the optical path length, which is the distance from the light emitted from the light source to the light detector in order to increase the infrared absorption rate of the gas molecules.

도 1은 종래의 NDIR 방식의 가스센서의 개략도이다. 등록특허 제10-0864504호(등록일: 2008년10월14일)의 “ＮＤＩＲ 가스 센서용 고감도 적외선 감지 소자 및 그 제조방법” 에 개시된 상기 도 1의 NDIR 방식의 가스 센서는 적외선 발광 램프를 이용한 적외선 발광부(1)와 광 도파로(3) 그리고 적외선을 흡수하는 적외선 감지 소자(5)로 구성된다. 그리고 상기 적외선 감지 소자 전단에는 소망하는 파장(4.6㎛)의 적외선을 필터링하는 적외선 필터(7)가 형성되어 있다. 이와 같은 종래의 기술에 따른 비분산적외선 가스센서는 광의 반사와 진행을 위한 광 도파로(3), 즉 광 공동의 길이를 늘려야 한다. 또한, 광 경로를 증가시킬 목적으로 제작되는 상기 광 공동은 그 크기가 커서 비분산적외선 가스센서의 크기가 커질 수밖에 없기 때문에 소형화를 이루는데 한계가 있다. 또한 광원으로부터의 광 신호 세기는 거리에 반비례하므로, 광 공동의 길이가 길어질 수 록 가스에 대한 적외선 흡수량은 늘어나고 수광 센서 측정 신호의 변화율은 커지지만, 입사되는 광량의 감소로 신호잡음이 커지는 단점을 가지게 된다.1 is a schematic diagram of a conventional NDIR type gas sensor. The NDIR-type gas sensor of FIG. 1 disclosed in "High Sensitivity Infrared Sensing Device for NDR Gas Sensor and Manufacturing Method Thereof" of Patent No. 10-0864504 (Registration Date: October 14, 2008) is an infrared light using an infrared light emitting lamp. It consists of a light emitting portion 1, an optical waveguide 3 and an infrared sensing element 5 that absorbs infrared rays. In front of the infrared sensing element, an infrared filter 7 for filtering infrared rays having a desired wavelength (4.6 μm) is formed. Such a non-dispersion infrared gas sensor according to the prior art has to increase the length of the optical waveguide 3, ie, the optical cavity, for the reflection and propagation of light. In addition, the optical cavity fabricated for the purpose of increasing the optical path has a limit in achieving miniaturization since the size of the optical cavity is large so that the size of the non-dispersive infrared gas sensor is large. In addition, since the light signal intensity from the light source is inversely proportional to the distance, the longer the length of the optical cavity increases the amount of infrared absorption to the gas and the rate of change of the light receiving sensor measurement signal, the greater the signal noise due to the reduced amount of incident light. Have.

또 다른 종래의 기술로써, 특정 곡률을 가진 반사경을 이용하여 광 공동을 다양한 기하학적 형태로 제작을 하게 되는데, 대부분 두 개 이상의 오목한 반사경으로 광 공동을 구성하고, 광원으로부터 평행광선을 방사하여, 두 반사경 사이를 다중 반사시키는 기술이다. 따라서 제한된 반사 공간 내부에 대하여 반사 횟수를 증가시켜, 가스에 대한 특정 적외선 파장 영역대의 흡수율을 높이게 된다. Another conventional technique is to produce optical cavities in a variety of geometric shapes using reflectors with a specific curvature, most of which consist of two or more concave reflectors, constituting the optical cavity and radiating parallel rays from the light source, It is a technique to reflect multiple reflections. Therefore, the number of reflections is increased in the limited reflection space, thereby increasing the absorption rate of the specific infrared wavelength range for the gas.

도 2는 상기 광 동공을 기하학적 형태로 제작된 특허공개번호 제10-2009-0012952(공개일: 2004년2월9일)의 “평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서”의 개략적인 구성도이다. 상기 공개특허에서는 5개의 특정 곡률을 갖는 반사경을 일체로 하여 구 형태로 제작된 구성이다. 2 is a schematic configuration diagram of a "non-dispersive infrared gas sensor with a parallel light source" of Patent Publication No. 10-2009-0012952 (published: February 9, 2004) manufactured in the shape of the optical pupil. . In the above-mentioned Patent Publication, the reflector having five specific curvatures is integrally manufactured in a spherical shape.

그러나 상기 광 공동의 반사경은 플라스틱 사출이나 금속의 가공, 도금을 통해 제작되어지는데, 정밀한 금형기술, 사출성형 기술, 도금 기술들이 요구되며, 실 제 가공 및 제작에 있어 설계되어진 오목 반사경의 곡률을 만족하지 못했을 경우 광 진행 경로의 예측 범위를 벗어나게 되고, 대량 생산 측면에 있어서도 높은 수율을 기대하기 어려운 단점이 있다. 또한 각각의 반사경은 수차를 가지기 때문에 반사 횟수가 증가 할 수 록, 광 진행 경로의 예측 범위를 벗어나며, 수광 센서 측정부에 집광 및 입사되는 광량의 감소로 측정 정밀도가 떨어지는 문제점이 발생한다.However, the reflector of the optical cavity is manufactured through plastic injection, processing of metal and plating, and requires precise mold technology, injection molding technology, and plating technology, and satisfies the curvature of the concave reflector designed in actual processing and fabrication. If not, it is out of the forecasting range of the optical path, and it is difficult to expect high yield in terms of mass production. In addition, since each reflector has an aberration, as the number of reflections increases, it is out of the prediction range of the light propagation path, and the measurement accuracy decreases due to the reduction of the amount of light collected and incident on the light receiving sensor measurement unit.

따라서, 광손실이 적고 높은 감도를 가지는 동시에 소형화된 적외선 가스센서가 요망된다. Accordingly, there is a need for an infrared gas sensor having a low light loss and a high sensitivity and at the same time miniaturizing.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 다면체 일자형태의 반사경을 가지는 고종횡비 광 공동을 제공하여, 단순한 구조 내부에서 광을 다중 반사시키고, 다중 반사 후 프레넬 렌즈를 통해 광을 집광시킴으로써 적외선 감지센서로 입사되는 광량을 최대로 하여, 높은 신호감도와 함께 잡음이 작은 비분산적외선 가스센서를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a high aspect ratio optical cavity having a reflector of a polyhedral straight shape, to multi-reflect light inside a simple structure, and to have a Fresnel lens after multiple reflections. By condensing the light through to maximize the amount of light incident to the infrared sensor, to provide a high signal sensitivity and low noise non-dispersive infrared gas sensor.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 해결 수단으로서, 본 발명에서는 고 종횡비를 갖는 육면체 다각형 형태의 광 동공과, 상기 광 공동 내부에 설치되는 적외선 광을 방사하기 위한 광원 램프와, 상기 광원 램프의 반대 측의 광 공동 내부에 설치되는 적외선 광을 측정하기 위한 볼로미터 센서와, 상기 볼로미터 센서에 인접한 위치에 설치되는 상기 광 공동을 진행한 광을 집광, 초점을 맺기 위한 프레넬 렌즈와, 상기 광원 램프의 광을 평행광으로 전환시키기 위한 타원경을 포함하고, 상기 광 동공의 상단부, 좌우측면 및 하단부는 반사율이 높은 금속으로 코팅 또는 도금되었고, 상기 광 동공의 상단부에는 가스의 출입이 가능한 통기구가 형성되어 있는 비분산 적외선 가스센서가 제시된다.As a technical solution for achieving the object of the present invention, in the present invention, a light pupil having a high aspect ratio polygonal polygonal shape, a light source lamp for emitting infrared light installed inside the optical cavity, and the light source lamp A bolometer sensor for measuring infrared light provided inside the optical cavity on the opposite side, a fresnel lens for condensing and focusing the light traveling through the optical cavity provided at a position adjacent to the bolometer sensor, and the light source lamp And an ellipsoidal mirror for converting the light into parallel light, and the upper, left and right sides and the lower end of the optical pupil are coated or plated with a highly reflective metal, and an air vent is formed at the upper end of the optical pupil. A non-dispersive infrared gas sensor is presented.

일반적으로 비분산 적외선 가스 센서는 적외선 광을 방사하기 위한 광원램프와, 광원으로부터 방사된 광이 가스에 흡수될 수 있는 광 공동, 광 공동 내부에서 가스에 흡수되지 않은 적외선을 감지하여 전기적 신호로 바꾸는 수광 센서로 이루 어지는데, 본 발명에서는 상술한 기술적 사상으로 광 공동의 크기를 소형화 하면서도 다중 반사 횟수를 늘림으로써 가스에 대한 적외선 흡수율을 높이고, 렌즈를 통해 집광함으로써 높은 신호와 저잡음 특성을 얻기 위한 발명이 제시된다.In general, non-dispersive infrared gas sensor detects and converts a light source lamp for emitting infrared light, an optical cavity in which light emitted from the light source can be absorbed into the gas, and infrared rays not absorbed by the gas inside the optical cavity to be converted into an electrical signal. In the present invention, the invention provides a high signal and low noise characteristic by increasing the infrared absorption rate of the gas by condensing the size of the optical cavity while increasing the number of multiple reflections and condensing through the lens. This is presented.

본 발명에 의하면, 우선 광 공동이 일직선 형태를 가지므로 다수의 곡률 반사경을 사용한 광 공동에 비해 가공, 제작이 단순하다. 따라서 제작 시 발생하는 반사경에서의 곡률 오차가 작다. 또한 기존의 일직선 광 공동에 비해 동일한 길이 또는 그 이하의 길이로 제작하더라도, 광 공동의 두께를 광원 크기 수준으로 줄임으로써, 종횡비를 크게 늘이기 때문에, 광원으로부터 방사된 광이 공동 내부에서 반사하는 횟수를 크게 증가시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, first, since the optical cavity has a straight form, processing and fabrication are simpler than optical cavities using a large number of curvature reflectors. Therefore, the curvature error in the reflector generated during manufacturing is small. In addition, even if manufactured to the same length or less than the conventional straight optical cavity, by reducing the thickness of the optical cavity to the light source size level, the aspect ratio is greatly increased, so that the number of times the light emitted from the light source is reflected inside the cavity There is an effect that can be greatly increased.

또한, 본 발명에 의하면, 프레넬 렌즈의 적용을 통해 반사된 광 다수를 센서 측정부로 집광하기 때문에 높은 신호세기를 얻을 수 있고, 잡음이 적다. 그리고 소형화 된 광 공동에 의해 휴대성이 우수하므로, 모바일 기기로의 응용이 가능한 효과가 있다.In addition, according to the present invention, since a large amount of light reflected by the application of the Fresnel lens is focused on the sensor measuring unit, high signal strength can be obtained and noise is low. In addition, since the portability is excellent due to the miniaturized optical cavity, it is possible to apply to a mobile device.

이하에서, 본 발명의 실시예에 관한 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration of the invention according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 3은 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예의 전체 구성도이다. 적외선 가스 센서의 소형화를 이루기 위해 적합한 다각형의 일직선 형태의 광 공동으로 구성된다. 상기 광 공동(100)의 상부 또는 하부에는 가스의 출입이 가능하게 형 성된 적어도 하나의 통기구(103) 또는 멤브레인과, 상기 광 공동(100)의 일단에는 적외선 비냉각형 볼로미터 센서(107)가 설치되는 구성이다. 3 is an overall configuration diagram of an embodiment of the non-dispersion infrared gas sensor of the present invention. It consists of a polygonal, straight-line optical cavity suitable to achieve miniaturization of the infrared gas sensor. At least one vent 103 or membrane formed to allow gas to enter or exit the upper or lower portion of the optical cavity 100, and an infrared uncooled bolometer sensor 107 is installed at one end of the optical cavity 100. Configuration.

도 4는 본 발명의 비분산 적외선 가스센서의 실시예의 구성을 설명하기 위한 단면도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서는 다각형태의 소정 길이의 일직선 광 공동(100)과, 상기 광 공동(100) 내의 일단측에 설치되는 타원경(elliptic mirror)(104)과, 타단측에 설치되는 적외선 비냉각형 볼로미터 센서(107)와, 상기 타원경(104)과 가까운 위치에 설치되는 광원램프(111)와, 상기 볼로미터 센서(107)의 가까운 위치에 설치되는 프레넬 렌즈(106)와, 상기 프레넬 렌즈(106)와 상기 볼로미터 센서(107)의 사이에 설치되는 2개의 포물경(parabolic mirror)(105)을 포함하고 있다.4 is a cross-sectional view for explaining the configuration of an embodiment of a non-dispersion infrared gas sensor of the present invention. As shown in Fig. 4, the non-dispersion infrared gas sensor of the present invention includes a straight optical cavity 100 of a predetermined length and an elliptic mirror provided at one end in the optical cavity 100 ( 104, an infrared uncooled bolometer sensor 107 provided at the other end side, a light source lamp 111 provided at a position close to the ellipsoidal 104, and a position close to the bolometer sensor 107. It includes a Fresnel lens 106 and two parabolic mirrors 105 provided between the Fresnel lens 106 and the bolometer sensor 107.

상기 광 공동(100)은, 후면, 측면, 전면, 상부면 및 하부면으로 구성된 원통형을 포함하는 다면체로 이루어지고, 일직선 형태로 형성하되, 그 수직 절단면의 넓이는 광원 램프의 최소크기 수준에 맞춘, 길이가 길고 두께가 작은 고종횡비 직선 형태로 이루어진다.The optical cavity 100 is formed of a polyhedron including a cylindrical body consisting of a rear surface, a side surface, a front surface, an upper surface and a lower surface, and formed in a straight line shape, wherein the width of the vertical cut surface is adjusted to the minimum size level of the light source lamp. It is composed of high aspect ratio straight lines with long length and small thickness.

상기 본 발명의 광 공동(100)은 육면체 다각형 형태로써 수직 절단된 면적에 비해 길이가 매우 긴, 고 종횡비를 갖는 일직선으로 길게 뻗어있기 때문에, 적외선 광이 광 공동(100) 내부를 진행하는 동안 반사 횟수를 크게 증가시킬 수 있다.Since the optical cavity 100 of the present invention has a hexahedral polygonal shape and extends in a straight line having a high aspect ratio, which is very long in length compared to the vertically cut area, infrared light is reflected while traveling inside the optical cavity 100. You can greatly increase the number of times.

상기 광 공동(100)의 일단측에 설치되는 타원경(104)은 상기 광원램프(111)로부터 후방으로 방사되는 광을 평행광으로 전환시킬 수 있도록 일정한 곡률반경을 갖는 반구 또는 타원 형태로 구성되어, 광의 진행방향을 전방으로 바꾸어주기 위한 것이다.The ellipsoidal mirror 104 installed at one end of the optical cavity 100 is formed in a semi-spherical or elliptic shape having a constant radius of curvature so as to convert light emitted backward from the light source lamp 111 into parallel light. This is to change the traveling direction of the light forward.

상기 광원램프(111)는 상기 광 공동(100)의 길이 방향에서 수직 또는 수평으로 설치된다.The light source lamp 111 is installed vertically or horizontally in the longitudinal direction of the optical cavity 100.

상기 광 공동(100)의 본체 내측의 좌우측면, 상부면(102) 및 하부면(101)은 반사율이 높은 금속을 코팅 또는 도금하여 광이 광 공동(100) 내부를 진행하는 동안 다중반사를 할 수 있도록 하는 반사경으로의 기능을 수행한다. 또한, 상기 광 공동(100)의 상부면(102) 또는 하부면(101)에 형성되는 통기구(103) 또는 멤브레인막은 광이 상기 광 공동(100) 내부를 진행 및 반사를 할 때 방해되지 않도록 그 간격이 조정되어 형성되어 있다. 상기 광 공동(100)의 내부는 상기 통기구(103) 또는 멤브레인으로 유입되는 가스에 의해 측정 가스 혼합 분위기로 형성된다.The left and right side surfaces, the upper surface 102 and the lower surface 101 of the inside of the main body of the optical cavity 100 may be coated or plated with a metal having high reflectivity so that the light may be multi-reflected while traveling inside the optical cavity 100. It functions as a reflector to make it possible. In addition, the vent 103 or the membrane film formed on the upper surface 102 or the lower surface 101 of the optical cavity 100 is so as not to be disturbed when light travels and reflects inside the optical cavity 100. The gap is adjusted and formed. The interior of the optical cavity 100 is formed in the measurement gas mixing atmosphere by the gas flowing into the vent 103 or the membrane.

상기 프레넬 렌즈(106)는 상기 광 공동(100) 내부를 진행한 광을 집광, 초점을 맺게 하여 상기 적외선 볼로미터 센서(107)로 수광시키기 위한 구성이다. 상기 2개의 포물경(105)은 상기 프레넬 렌즈(106)를 통과하여 분산되는 광을 반사시켜 상기 적외선 볼로미터 센서(107)로 수광시키기 위한 구성이다. The Fresnel lens 106 is configured to focus and focus the light traveling through the optical cavity 100 and to receive the infrared bolometer sensor 107. The two parabolas 105 are configured to reflect light dispersed through the Fresnel lens 106 to be received by the infrared bolometer sensor 107.

상기 적외선 볼로미터 센서(107)는 상기 광이 광 공동(100) 내부를 진행하는 동안 가스에 흡수되지 않은 적외선 광을 측정하기 위한 구성이다.The infrared bolometer sensor 107 is configured to measure infrared light that is not absorbed by the gas while the light travels inside the optical cavity 100.

상기 진행되어 온 광이 상기 프레넬 렌즈(106)에 의행 상기 볼로미터 센서(107) 측정지점에 초점을 형성하기 때문에, 상기 광 공동(100) 끝단 부에 상기 볼로미터 센서(107)가 존재하지 않는 면적과 대비하여, 상기 볼로미터 센서(107) 부분의 단위 면적 당 측정되는 포토메트릭(Photometric) 및 레이디오메트 릭(Radiometric) 광량을 증가시키도록 구성되어 있다.The area where the bolometer sensor 107 does not exist at the end of the optical cavity 100 because the transmitted light focuses on the measurement point of the bolometer sensor 107 by the Fresnel lens 106. In contrast, it is configured to increase the amount of photometric and radial measurement measured per unit area of the portion of the bolometer sensor 107.

도 5는 상기 광 공동(100) 내부에 설치된 상기 광원 램프(111), 타원경(104) 및 가스의 유입을 위한 통기구(103)를 구체적으로 설명하기 위한 확대도 및 광의 진행 방향을 설명하기 위한 것이다. 5 is an enlarged view for explaining in detail the light source lamp 111, the ellipsoidal mirror 104 and the vent 103 for the inflow of gas installed in the optical cavity 100 and for explaining the direction of light traveling will be.

상기 광원 램프(111)로부터 각각 전방 방향으로 118°각으로 방사되는 적외선 광은 상기 광 공동(100) 내부의 좌우측면 반사경, 하부면(101) 반사경 및 상부면(102) 반사경에 다중 반사하면서 상기 볼로미터 센서(107)를 향해 진행한다. Infrared light emitted from the light source lamp 111 at an angle of 118 ° in the front direction, respectively, while reflecting the light to the left and right side reflectors, the lower surface 101 reflector, and the upper surface 102 reflector inside the optical cavity 100 while Proceed toward the bolometer sensor 107.

또한 후방 방향으로 40°각으로 방사되는 적외선 광은 상기 타원경(104)에 반사된 후 평행광(113)으로 바뀌고, 전방 방향으로 상기 볼로미터 센서(107)를 향해 진행한다.In addition, the infrared light radiated at an angle of 40 ° in the rearward direction is reflected by the ellipsoidal 104 and then converted into parallel light 113, and proceeds toward the bolometer sensor 107 in the forward direction.

도 6은 광 공동(100)의 내부를 진행한 광을 수광하기 위한 프레넬 렌즈(106), 적어도 하나의 포물경(105) 및 볼로미터 센서(107)의 확대도 및 광의 수광 상태를 설명하기 위한 것이다.FIG. 6 is an enlarged view of the Fresnel lens 106, the at least one parabolic lens 105, and the bolometer sensor 107 for receiving the light traveling through the interior of the optical cavity 100, and for explaining the light reception state of the light. will be.

상기 광원 램프(111)로부터 전방 방향으로 진행한 적외선 광은 광 공동(100) 본체의 좌우측면, 상부면(102) 반사경 및 하부면(101) 반사경에서 다중 반사한 뒤, 상기 볼로미터 센서(107) 전면에 설치된 프레넬 렌즈(106)를 통과하게 되며, 상기 포물경(105)에서 한 번 더 반사하게 되고, 상기 볼로미터 센서(107) 측정부에 집광, 상을 맺게 된다. 또한 광원 램프(111)로부터 후방 방향으로 방사된 후, 상기 타원경(104)에 의해 평행광(113)으로 바뀐 적외선 광은 상기 프레넬 렌즈(106)를 통과하여 집광되고, 상기 볼로미터 센서(107)의 측정부 면의 초점에 상을 맺게 된다.The infrared light traveling forward from the light source lamp 111 is multi-reflected from the left and right sides, the upper surface 102 reflector and the lower surface 101 reflector of the optical cavity 100 and then the bolometer sensor 107. It passes through the Fresnel lens 106 installed on the front surface, reflects once more from the parabolic mirror 105, and collects and forms an image on the bolometer sensor 107 measuring unit. In addition, the infrared light emitted from the light source lamp 111 in the rearward direction and then converted into the parallel light 113 by the ellipsoid 104 is collected through the Fresnel lens 106, and the bolometer sensor 107 The image is focused on the focus of the measuring plane of

도 7은 상기 광 공동(100) 본체의 내부를 진행하는 적외선 광을 광학 시뮬레이션(모의시험)을 이용하여 레이 트레이싱(Ray Tracing)을 한 설명도이다. 상기 광원 램프(111)로부터 118°각을 가지고 전방 방향으로 방사된 광에서 각 빛살들(112)은 일정 각을 가지며 좌우측면, 상부면 및 하부면의 반사경에 의해 다중 반사를 하게 되고, 또한 광 공동(100) 내부를 진행하는 동안 일정 간격을 두고 여러 개의 초점을 형성한다.FIG. 7 is an explanatory diagram of ray tracing of infrared light traveling through the inside of the optical cavity 100 using optical simulation (simulation test). In the light emitted from the light source lamp 111 at an angle of 118 ° in the forward direction, each of the light beams 112 has a predetermined angle and is multi-reflected by reflectors of the left and right side surfaces, the top surface and the bottom surface. Several foci are formed at regular intervals while traveling inside the cavity 100.

도 8은 상기 광원램프(111)와, 일직선 광 공동(100)과 하나의 타원경(104), 적어도 하나의 포물경(105), 프레넬 렌즈(106)와 적외선 볼로미터 센서(107)가 설치된 비분산 적외선 가스 센서에서, 광학 시뮬레이션(모의시험)을 통해 광 공동 내부를 다중 반사 및 진행하는 적외선 광의 경로 증가를 나타낸 결과의 설명도이다.8 shows the light source lamp 111, the straight light cavity 100, one ellipsoid 104, at least one parabolic 105, a Fresnel lens 106 and an infrared bolometer sensor 107. In the non-dispersive infrared gas sensor, it is an explanatory diagram showing the result of the path increase of the infrared light which multi-reflects and proceeds inside the optical cavity through optical simulation (simulation test).

따라서 본 발명은 구조가 간단한 고종횡비 일직선 형태의 광 공동 내부에서 적외선 광의 다중 반사 횟수를 증가시키며, 프레넬 렌즈, 포물경의 적용을 통해 측정 가스에 대한 높은 민감도와 저잡음 특성을 구현 할 수 있는 장점을 가진다.Therefore, the present invention increases the frequency of multiple reflections of infrared light in a high aspect ratio straight-line optical cavity with a simple structure, and realizes high sensitivity and low noise characteristics for a measurement gas by applying a Fresnel lens and a parabolic mirror. Have

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상에서 구현될 수 있는 다양한 실시예 중의 하나에 불과하다. 본 발명의 소형, 고민감도 및 저잡음을 실현하기 위한 기술적 사상에 포함되는 어떠한 변형예도 본 발명의 범주에 포함되는 것은 당연하다. Embodiment of the present invention described above is only one of various embodiments that can be implemented in the technical spirit of the present invention. It is obvious that any modifications included in the technical spirit for realizing small size, high sensitivity and low noise of the present invention are included in the scope of the present invention.

도 1은 종래의 비분산 적외선 가스 센서의 구성도이다.1 is a block diagram of a conventional non-dispersion infrared gas sensor.

도 2는 종래의 비분산 적외선 가스 센서의 다른 예의 구성도이다.2 is a configuration diagram of another example of a conventional non-dispersion infrared gas sensor.

도 3은 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예에 관한 외형도이다. 3 is an external view of an embodiment of a non-dispersive infrared gas sensor of the present invention.

도 4는 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예의 개략적인 구성도이다.4 is a schematic structural diagram of an embodiment of a non-dispersion infrared gas sensor of the present invention.

도 5는 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예의 주요부 확대 및 작용 설명도이다.Fig. 5 is an enlarged view of the principal parts of the embodiment of the non-dispersion infrared gas sensor of the present invention.

도 6은 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예의 다른 주요부 확대 및 작용 설명도이다.Fig. 6 is an enlarged view of another principal part of the embodiment of the non-dispersive infrared gas sensor of the present invention.

도 7은 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예의 광 진행 및 통기구와의 관계 설명도이다.Fig. 7 is an explanatory view of the relationship between the light propagation and the vent of the embodiment of the non-dispersion infrared gas sensor of the present invention.

도 8은 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예의 광학 시뮬레이션을 통해 광 공동 내부를 다중 반사 및 진행하는 적외선 광의 경로 증가를 나타낸 결과의 설명도이다.FIG. 8 is an explanatory diagram showing a result of increasing the path of infrared light that multi-reflects and proceeds inside an optical cavity through optical simulation of an embodiment of the non-dispersive infrared gas sensor of the present invention. FIG.

Claims (9)

소정 길이의 원통형 또는 다각형으로 형성되고 적어도 하나의 가스 유입구가 형성된 광 공동과,An optical cavity formed of a cylinder or polygon of a predetermined length and having at least one gas inlet; 상기 광 공동의 내부의 일단측에 설치되는 일정한 곡률반경을 갖는 반구 또는 타원 형태의 타원경과,An ellipsoid in the shape of a hemisphere or an ellipse having a constant radius of curvature provided at one end of the inside of the optical cavity; 상기 광 동공의 내부의 타단측에 설치되는 비냉각형 볼로미터 센서와,An uncooled bolometer sensor installed at the other end side of the optical pupil; 상기 타원경과 상기 비냉각형 볼로미터 센서의 사이에서 상기 타원경에 근접한 위치에 설치되는 광원램프와,A light source lamp installed at a position close to the ellipsoid between the ellipsoid and the uncooled bolometer sensor; 상기 광원램프와 상기 비냉각형 볼로미터 센서의 사이에서 상기 비냉각형 볼로미터 센서에 근접한 위치에 설치되는 프레넬 렌즈와,A Fresnel lens installed between the light source lamp and the uncooled bolometer sensor at a position proximate to the uncooled bolometer sensor; 상기 비냉각형 볼로미터 센서와 상기 프레넬 렌즈의 사이에 설치되는 적어도 하나의 포물경을 포함하고,At least one parabolic diameter installed between the uncooled bolometer sensor and the Fresnel lens, 상기 광 공동은 길이가 길고 두께가 작은 고종횡비의 직선 형태이고,The optical cavity has a high aspect ratio straight form with a long length and a small thickness, 상기 적어도 하나의 가스 유입구는 상기 광 공동 내에서 광이 상기 광 공동 내부를 진행 및 반사를 할 때 방해되지 않는 위치에 형성되고,The at least one gas inlet is formed at a position in the optical cavity that is not disturbed when light travels and reflects inside the optical cavity, 상기 광원램프로부터 후방으로 방사된 광은 상기 타원경에 의해 상기 광 공동의 전방을 향하도록 반사되고, 상기 광원램프로부터 전방으로 방사된 광은 일정 각을 가지며 좌우측면, 상부면 및 하부면의 반사경에 의해 다중 반사되며 상기 광 공동의 전방을 향하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서. The light emitted backward from the light source lamp is reflected to the front of the optical cavity by the ellipsoid, and the light emitted forward from the light source lamp has a predetermined angle and reflecting mirrors on the left, right, top and bottom surfaces. Non-dispersive infrared gas sensor, characterized in that it is multi-reflected and directed forward of the optical cavity. 삭제delete 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 광 공동에 형성되는 가스 유입구는 적어도 하나의 통기구 또는 멤브레 인 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.And a gas inlet formed in the optical cavity is at least one vent or membrane. 삭제delete 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 광 공동의 내부 벽면은 반사율이 높은 금속으로 코팅 또는 도금되어 있는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.And the inner wall of the optical cavity is coated or plated with a highly reflective metal. 삭제delete 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 광원 램프로부터 일정한 각을 가지고 전방 방향으로 방사된 광에서 각 빛살들은 일정 각을 가지며, 상기 광 공동의 내부 벽면에 의해 다중 반사를 하게 되고, 상기 광 공동 내부를 진행하는 동안 일정 간격을 두고 여러 개의 초점을 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.In the light emitted in a forward direction with a constant angle from the light source lamp, each light beam has a constant angle and is multi-reflected by the inner wall of the light cavity, and at various intervals during the light cavity. Non-dispersive infrared gas sensor, configured to form two foci. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 타원경에 의해서 반사되어 진행하는 평행광은 상기 프레넬 렌즈에 의해 집광되고, 상기 광원램프로부터 전방으로 방사되어 다중 반사되면서 진행한 광은 상기 프레넬 렌즈를 통과한 후 상기 포물경에서 반사되어 상기 비냉각형 볼로미터 센서에 집광되도록 구성된 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.The parallel light reflected by the ellipsoid is collected by the Fresnel lens, and the light propagated forward by the multi-reflected light from the light source lamp is reflected by the parabolic mirror after passing through the Fresnel lens. Non-dispersive infrared gas sensor, characterized in that configured to focus on the uncooled bolometer sensor. 삭제delete
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