氣體檢測方法和氣體檢測裝置的製作方法

2023-12-04 19:50:41 1

專利名稱：氣體檢測方法和氣體檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用具有雷射源的光聲近紅外氣體傳感器的氣體檢測方 法，這種氣體傳感器包括至少一個調幅雷射源、接收要檢測的氣體的氣 室、連接到氣室的麥克風、用於接收通過充有氣體的氣室的雷射的光電 探測器、包括為至少一個雷射源提供調製信號的調頻發生器的處理裝置 和用於確定氣體濃度的控制裝置。
背景技術：
光聲氣體檢測的原理是公知的(圖1):使用位於寬帶發射體1，(通 常是燈泡)前的紅外濾光器2來選擇波長對應於目標氣體的吸收線的光。 具有所選波長的光通過氣體區域4 (通常在管5中)傳播，氣體區域4 可能含有目標氣體。如果存在目標氣體的話，它就會吸收部分的光，是目標氣體濃度的函數。目標氣體所吸收的光會輕微的增加氣體區域4的溫度，如果該區域幾乎是封閉的，溫度的增加會引起氣體壓力的增加。如果光源l，是調製 的，目標氣體的吸收會調製吸收區域4內的壓力，這種調製會被麥克風3 拾取。麥克風3拾取的聲音與目標氣體的濃度成正比。光的強度由光電 二極體6測量。所謂的共振光聲會強烈的提高吸收區域內的氣體的敏感性和擴散 性。這時，選擇調製頻率和吸收區域的長度，使得由目標氣體吸收所產 生的聲音對應於區域4的聲共振。如果準確的選擇聲本徵模，那麼吸收 區域(即管5的端部)可以是開放的。這種測量方法的明顯的缺點是燈泡有限的調製頻率，其大約是 100Hz。在這樣的頻率下，裝置會拾取環境的噪音。這會強烈的妨礙它的 性能。使用調製盤進行調製可以有較高的頻率，但盤的振動會產生正好 是調製頻率的噪音。低頻的第二個缺點是，為了共振吸收，吸收區域的長度需要超過1米。使用近紅外(NIR)光聲學(圖2)，熱燈泡和濾光器由近紅外雷射 器1 (通常是雷射二極體)代替，它會在基本吸收線的諧波處檢測目標氣
體。NIR雷射二極體很大的優點是能夠使用頻率範圍高達MHz的開關調 制。
與上面描述的其中濾光器允許通過大約lOOnm範圍的波長的紅外光 聲學相反，使用NIR光聲學的雷射二極體具有典型的0. lnm的波長寬度。 這意味著要維持氣體傳感器的校準，雷射波長必須準確地鎖定到對於目 標氣體的吸收波譜為已知的波長。
對於具有分離的窄線的目標氣體，以及對於沒有分離的線而是如同 在對於高級烴情況中那樣的擴展語(extended spectrum)的目標氣體， 這種鎖定很重要。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提供能夠確定具有擴展譜的目標氣體的 方法和傳感器。
這個目的由權利要求中的方法和傳感器來實現。進一步有益的實施 例在各個從屬權利要求中提出保護。根據本發明，對雷射源進行調幅， 使得雷射源對於在最小波長和最大波長之間的調幅的每個循環，都會改 變它的輸出波長。光聲近紅外氣體傳感器包括調頻發生器，它為雷射源 提供調製信號，其對於在最小波長和最大波長之間的調幅的每個循環， 都會改變雷射源的輸出波長。這可以通過使用幾個合適的調製信號和相 應的裝置來實現。總之，本發明依據的事實是，雷射源的波長由雷射源 驅動電流和雷射器基片的溫度來控制。
由雷射源的溫度將雷射源調節到對應於感興趣的吸收特徵的波長。 根據一個實施例，雷射器的電流調製不是使用具有5 0%的佔空比的開關調 制進行的，而是根據
具有優選50%的佔空比的開關調製，和
相同頻率的三角形鋸齒調製，這二者相乘的開關調製進行的。因此， 在"開"周期期間，驅動電流使得雷射源在從閾值電流處的波長到對應 於最大驅動電流的最大波長是斜的。本發明採用4kHz的調製，這會避免 拾取旁邊的噪音，並能將吸收區域的長度減小到4cm。根據進一步的實施 例，可以^使用雷射源驅動電流的正弦調製。這個方案和上述實施例相比 結果稍微準確，然而取決於氣體傳感器的應用，結果是足夠的。另一個 實施例中，替代的是，用佔空比對雷射源驅動電流進行調製，優選50% 的佔空比，以及，在與雷射源驅動電流相同的頻率下，對雷射源的溫度
進行調製。這個方法要求溫度和各個裝置能快速改變。
測量方案的結果是，在每一調製循環期間，雷射源掃描可用的全部 的波長範圍，因此目標氣體的吸收特徵會拉平到平均值。這個平均值對 溫度變化引起的雷射中心波長的小的變化相對不敏感。
本發明的更多的特徵和優點從下面對優選實施例的描述並結合權利 要求和附圖，可以得知。單個的特徵可以單獨或與本發明的實施例相結 合來理解。


圖1是紅外氣體傳感器的原理圖； 圖2是近紅外氣體傳感器的原理圖3是對於氣體吸收特徵的每一調製循環期間掃描的雷射線；
圖4是雷射波長寬度與氣體的吸收特徵的比較；
圖5是第一實施例的氣體傳感器的框圖6是另一實施例的氣體傳感器的框圖7是又一實施例的氣體傳感器的框圖。
具體實施例方式
圖1和圖2是上面討論的不同的光聲傳感器的公知的原理。
圖3和圖4是氣體吸收強度GAS和雷射強度Ll與波長WL的關係圖。 這兩個圖顯示了氣體吸收的變化。如圖3所示，鎖定到確定的波長的激 光強度峰只檢測該確定的波長處的氣體吸收。由於寬帶波譜的吸收強度 的不同，朝雷射波長的一邊移動0. lnm會使吸收強度相差約30-50%。 因此，結果可以在很寬的範圍內變化。通過沿圖4給出的波長掃描雷射 峰，目標氣體的吸收特徵會拉平到平均值。
儘管下面本發明以雷射二極體作為雷射源來描述，但本發明不限於 該裝置，其它的具有類似特徵的合適的雷射源也可以用來獲得類似的結 果。而且，正如現有技術中已知的，可以使用具有合適的檢測裝置的多 於一個的雷射源l。
圖5給出了具有用來處理信號的處理裝置15的氣體傳感器的原理。 雷射源l，優選的是二極體雷射器，與作為加熱器或冷卻器的溫度單元7 連接，它發出的光通過室5，室5提供了用於要檢測的目標氣體的吸收區 域4。麥克風3安排在吸收區域4的附近。光電二極體6作為光電探測器 接收來自雷射源1的光。通過溫度單元7，由雷射源的溫度將雷射源1
調節到對應於感興趣的吸收特徵的波長。調頻發生器9包括用於提供方形調製信號SSM的方形調製裝置10和用於提供鋸齒調製信號SSTM的鋸齒調 制裝置11。然後用信號SSM和SSTM相乘得到的調製信號Sw來調製雷射源1的驅動電流。方形調製裝置IO為雷射源l提供具有50%的佔空比的開關調製，由於鋸齒調製11，驅動電流使其從閾值電流處的波長到對應於最 大驅動電流的最大波長是斜的。麥克風3提供信號Sx，它與吸收區域4中的氣體的吸收成比例，光 電二極體6提供信號St，它與雷射源1的光強成比例。麥克風3提供的 信號SA被饋送到鎖定放大器12，用於將這個信號與從調頻發生器9接收 的基準信號Sw相乘，最後對得到的信號進行積分。來自於光電二極體6 的信號饋送到放大器13。來自於鎖定放大器12和來自於放大器13的信 號饋送到控制單元14。在控制單元14中，已由鎖定放大器12處理的吸 收信號SA通過與來自光電二極體6並由放大器14放大後的強度信號Sz 相除，進行標準化。得到的信號S"是對於室5內的氣體濃度所需要的信 號。控制單元14還提供相應的信號St給溫度控制器8以保持雷射源1處 於與感興趣的吸收特徵相對應的波長處的溫度。圖6是另一實施例，其中調頻發生器9隻包括正弦波調製16，它提 供雷射源驅動電流調製信號Sm。正弦波調製是整流的正弦波調製。它由 例如雷射二極體等通過翻轉正弦波負的部分或者除去負的部分得到。圖7描述了又一個實施例。調頻發生器9包括方形調製裝置10和溫 度調節裝置17。方形調製裝置IO提供用於調製雷射源驅動電流的第一調 制信號SM1，溫度調節裝置17提供用於通過溫度單元7來調製雷射源1 的溫度的第二調製信號SM2。
權利要求
1.一種使用光聲近紅外氣體傳感器的氣體檢測方法，該光聲近紅外氣體傳感器使用近紅外雷射源(1)，其特徵在於對雷射源(1)進行調幅，在這期間雷射源(1)對於在最小波長和最大波長之間的調幅的每個循環都會改變它的輸出波長。
2. 如權利要求l所述的氣體檢測方法，其特徵在於對雷射源驅動 電流進行調製，這包括優選50%的佔空比的開關調製與相同頻率的鋸齒調 制相乘。
3. 如權利要求l所述的氣體檢測方法，其特徵在於對雷射源驅動 電流進行正弦調製。
4. 如權利要求l所述的氣體檢測方法，其特徵在於對雷射源驅動 電流進行具有佔空比，優選50%的佔空比的開關調製，和在與雷射源驅動 電流調製相同的頻率下對雷射源的溫度進行調製。
5. 如前述任何一個權利要求中的氣體檢測方法，其特徵在於由激 光源的溫度將雷射源調節到對應於感興趣的吸收特徵的波長。
6. —種光聲近紅外氣體傳感器，其具有 至少一個調幅雷射源(1);氣室(5)，用於接收要檢測的氣體； 連接到氣室的麥克風(3);光電探測器(6)，用於檢測雷射源(1)的雷射強度； 處理裝置(15)，其包括用於為至少一個雷射源(l)提供調製信號 (SO的調頻發生器(9)和用於確定氣體濃度的控制裝置(8， 12， 13， 14);其特徵在於所述調頻發生器(9 )為雷射源(1)提供調製信號(Sm )，它對於 在最小波長和最大波長之間的調幅的每個循環都會改變雷射源(1)的輸 出波長。
7. 如權利要求6所述的光聲氣體傳感器，其特徵在於 所述調頻發生器(9)包括用於為雷射源提供調製信號(SO的方形調製裝置(10)和鋸齒調製裝置(11)，其中調製信號包括優選50%的 佔空比的開關調製信號(SsM)與相同頻率的鋸齒調製信號(SsTM)相乘的 結果。
8. 如權利要求6所述的光聲氣體傳感器，其特徵在於所述調頻發 生器(9)包括為雷射源提供正弦調製信號(SO的裝置(16)。
9. 如權利要求6所述的光聲氣體傳感器，其特徵在於所述調頻發 生器(9)包括為雷射源提供具有佔空比，優選50%的佔空比的開關調製 信號(SmO的裝置(11)，以及在與雷射源調製信號(S^)相同的頻率 下為雷射源(1)的溫度提供溫度調製信號(SmO的裝置(17)。
全文摘要
本發明提供一種使用具有雷射源的光聲近紅外氣體傳感器的氣體檢測方法。這種氣體傳感器包括至少一個調幅雷射源、接收要檢測的氣體的氣室、連接到氣室的麥克風、用於接收通過充有氣體的氣室的雷射的光電探測器、包括為至少一個雷射源提供調製信號的調頻發生器的處理裝置和用於確定氣體濃度的控制裝置。雷射源對於在最小波長和最大波長之間的調幅的每個循環都會改變它的輸出波長。測量方案的結果是，在每一調製循環期間，雷射源掃描可用的全部的波長範圍，因此目標氣體的吸收特徵會拉平到平均值。這個平均值對溫度變化引起的雷射中心波長的小的變化相對不敏感。
文檔編號G01N29/02GK101153860SQ20071015310
公開日2008年4月2日 申請日期2007年9月26日 優先權日2006年9月27日
發明者A·塞弗, B·威林, M·科利 申請人:Ir微系統股份有限公司