具有溫度補償的樣品濃度檢測器的製作方法

2023-10-08 06:00:24 3

專利名稱：具有溫度補償的樣品濃度檢測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於檢測樣品混合物中樣品的濃度的樣品傳感器，該樣品 傳感器包括用於產生光束以激發樣品的分子的光源，用於檢測樣品的受激 分子數量並且提供指示該數量的檢測器電流的檢測器元件，以及耦合至該 檢測器元件且用於處理該檢測器電流以生成表示濃度的輸出信號的處理部 件，該樣品傳感器進一步包括用於補償光源的溫度相關的波長漂移的裝置。
背景技術：
從美國專利6,552,792中可以得知這種樣品傳感器。該美國專利描述了 一種用以測量氣體混合物中痕量氣體的濃度的波長調製的光聲光譜系統和 方法。該方法包括從光源產生光；將光透過樣品區域；利用聲波檢測器 對由光透過樣品區域而產生的聲音進行採樣；以及使用波長控制器來控制 光的波長。在痕量氣體的最優吸收波長附近，以頻率f進行波長調製。當來 自光源的光的平均波長由於溫度變化而改變時，檢測波長漂移。波長控制 器通過調節平均波長來補償這一效應。
實現溫度補償如下。部分光透過具有相對較高濃度的痕量氣體的參考 氣室。參考氣室後面的光電二極體提供取決於參考氣室中的吸收的信號。 採用頻率f的波長調製導致光電二極體信號以頻率2f變化(每個調製周期 內兩個吸收峰值)。當光源產生的光的波長由於溫度變化而發生漂移時，恰 好不在最優吸收值附近進行調製。結果，調製頻率的奇次諧波(3f)被引入 到檢測信號中。當平均波長漂移穿過痕量氣體的吸收光譜時，光檢測器上 的3f信號變化並且在雷射平均波長對應於吸收線的中心時等於零。為了最 小化光電二極體信號中的3f分量，波長控制器調節光源的平均波長。
雖然這種方法可以用於研究機構的基礎研究中，但對於商業產品而言 使用參考氣室並不是優選的方法。因為參考氣室信號是基於吸收的，這就 要求一個長的參考氣室，而長的參考氣室對於緊湊的傳感器而言是沒有什
6麼吸引力的，或者在需要使用高濃度的例如二氧化氮的情況下，當參考氣 室意外破裂時，這非常危險的。另外，參考氣室的問題在於，由於例如壁
粘附(wall sticking)或者分解， 一些氣體的濃度在較長時間內是不穩定的。

發明內容
本發明的一個目的在於提供一種樣品傳感器，其在不使用參考氣室的 情況下能夠針對溫度變化校正輸出信號。
根據本發明的第一方面，通過提供如起始段落所述的樣品傳感器來實 現這一目的，其中處理部件包括溫度補償模塊，該溫度補償模塊被配置為 基於光源的除輸出波長以外的溫度相關的參數的至少一個測量值來補償光 源的溫度相關的波長漂移，並且其中該樣品傳感器還包括用於獲得該至少 一個測量值的參數測量裝置。
本發明基於以下構思不僅所發出的光的波長取決於溫度，而且其它 光源參數也是溫度相關的，以及該相關性可以被用來補償光源的溫度相關 的波長漂移。通過參數測量裝置獲得該至少一個測量值。光源參數的值是 溫度的直接結果並且溫度對於光源的輸出波長是決定性的。因而，所需的 溫度補償從光源的測量參數中是可導出的。本發明的樣品傳感器適用於溫 度補償，而不需要參考氣室來確定溫度相關的波長漂移。
溫度的變化與從光源發出的光的波長的變化有關。波長的變化對應於 檢測器電流的偏離。這些關係可用於根據至少一個測量值來補償溫度相關 的波長漂移。
在一個實施例中，樣品傳感器是光聲檢測器並且包括光調製器，該光 調製器用於調製光束以改變受激分子的量並因此產生樣品混合物中的壓力 變化，並且檢測器元件包括用於將壓力變化轉換為檢測器電流的壓力傳感 器。
在另一實施例中，基於樣品對於光束的光吸收來進行檢測，並且樣品 傳感器包括光電二極體，該光電二極體用於測量由樣品的分子激發而引起 的光吸收，並且用於將光吸收轉換為檢測器電流。
在一個實施例中，樣品傳感器還包括耦合至溫度補償模塊的波長調節 裝置，用於通過控制輸出波長來執行補償。
7在計算波長漂移後，通過調節光源的輸出波長來補償溫度相關的波長 漂移，從而補償波長漂移。
在另一實施例中，溫度補償裝置被配置為通過針對溫度相關的波長漂 移校正輸出信號來執行補償。
與US 6,552,792中先前的實施例和系統相比，根據本實施例的樣品傳 感器並未防止溫度相關的波長漂移，而是接受該波長漂移並且基於光源的 另一個溫度相關的參數的至少一個測量值來校正輸出信號。
該至少一個測量值可以是光源的光輸出功率，並且參數測量裝置包括 用於直接測量光輸出功率的內部光電二極體。
雷射功率的直接測量比測量參考氣室中參考氣體的吸收更加容易。
可替換或額外地，光源是半導體雷射二極體，並且至少一個測量值是 流過半導體雷射二極體的閾值正向電流，當小於該閾值電流時光輸出功率 基本為0，且當大於該閾值電流時光輸出功率基本上增加。在具有半導體激 光二極體的樣品傳感器的另一實施例中，至少一個測量值是該半導體雷射 二極體的正向電壓。
對於半導體雷射器而言可以看出，固定電流下的閾值電流和輸出功率 以作為雷射器溫度的函數的明確方式變化。電壓也在固定電流下以明確方 式變化。所以通過確定特定雷射器電流下的閾值電流、功率或者雷射器電 壓，可以導出溫度。從(已知或先前測量的)波長與溫度相關性和吸收光 譜可以容易地獲得波長(變化)和相關的吸收變化。
或者，溫度補償模塊使用來自校準測量的校準係數，其中使用樣品的 已知的校準濃度和光源的已知的校準驅動電流，測量不同溫度下的光輸出 功率和檢測器電流。
根據本發明的第二個方面，提供了一種方法，該方法用於確定在前面 段落中所述的光聲檢測器中輸出信號的溫度補償的校準係數。該方法包括: 使用樣品的已知的校準濃度和光源的已知的校準驅動電流，測量不同溫度 下的光輸出功率和檢測器電流，以及根據所測量的光輸出功率和所測量的 檢測器電流來確定校準係數。
或者，校準係數與半導體雷射器的正向電壓有關，而不與它的光輸出 功率有關。根據本發明的另一個方面，提供了一種方法，該方法針對光源的溫度 相關的波長漂移來校正根據本發明的光聲檢測器的輸出信號，該方法包括: 測量光源的另一個溫度相關的參數的至少一個值，並且基於所測量的至少 一個值來校正該輸出信號。
參照下文所述的實施例，本發明的這些和其4也方面將予以闡明並且顯 而易見。


在附圖中
圖1示意性地示出根據本發明的光聲檢測器的實施例；
圖2a示出在不同溫度下流過雷射二極體的正向電流和該雷射二極體的 輸出功率之間的關係；
圖2b示出在不同溫度下流過雷射二極體的正向電流和加在該雷射二極 管上的正向電壓之間的關係；
圖3示出雷射二極體的溫度和峰值波長之間的關係；
圖4a示出流過光源的正向電流的示例性波形和由此得到的輸出功率波
形；
圖4b是圖4a中部分波形的放大圖5、 6和7示出根據本發明的校準方法的結果。
具體實施例方式
圖1示意性地示出根據本發明的樣品傳感器200的實施例。如圖1所 示的樣品傳感器200是光聲檢測器，其也被配置用於根據光吸收來檢測樣 品濃度。下文中主要描述該光聲檢測器，但是本領域的技術人員容易理解, 當使用光吸收來測量濃度時溫度補償以相同的方式實現。可選地，並行地 使用兩種技術來獲得更可靠的測量。
下文中所描述的光聲痕量氣體檢測器200檢測氣體混合物中的痕量氣 體濃度，但是本發明也適用於檢測組織，其他樣品混合物中的液態或固態 樣品。待檢測的氣體混合物被包含在氣室107中。氣室107可包括用於填充和排空氣室107的進氣口 104和出氣口 105。在呼氣試驗裝置中，用戶可 以將待驗的空氣吹過氣室107。
痕量氣體檢測器200採用雷射二極體101作為光源。選擇雷射113的 波長使其能夠激發痕量氣體分子。或者，可以使用能夠產生具有足夠能量 的光束以激發痕量氣體分子的其他類型的雷射源或其他光源。雷射驅動器 102為雷射二極體101提供驅動信號。在這一實施例中，雷射驅動器102也 用作調製光束的調製器。通過改變由雷射驅動器102提供的電流，光束113 的強度隨時間變化。通過操控具有連續強度的光束也可以實現光束強度的 調製。例如，我們已知有用於從連續波光束中產生強度調製光束的機械斬 波器(chopper)。
較高強度的雷射束113使得痕量氣體中的更多分子被激發，這導致更 高溫度的氣體混合物。較大振幅的驅動信號導致更多的激發和更大的溫度 波動。經由痕量氣體分子的增強激發，更高濃度的痕量氣體也造成更大的 溫度波動。溫度波動造成氣體混合物中的壓力變化或者聲波。通過檢測器 元件103，諸如麥克風或者振蕩器元件來檢測壓力變化。如果以振蕩器元件 的諧振頻率來調製雷射，聲波會激發振蕩器。優選地，振蕩器元件是晶體 振蕩器，諸如石英音叉。石英音叉具有高靈敏度並且以高頻工作。此外， 石英音叉並不很貴，因為它們廣泛用於例如數字手錶的製造。
將來自檢測器103的信號發送至處理部件106，以生成表示痕量氣體濃 度的輸出信號109。根據本發明，光源的一些參數由參數測量裝置111來測 量並且這些參數也提供給處理部件106。例如，將流過雷射二極體101的驅 動電流或者加在雷射二極體101上的正向電壓發送至處理部件106。也可以 從雷射驅動器102直接得到正向電流。可以提供給處理部件106的另一參 數是光源101的輸出功率。在本實施例中，通過直接放置在^[光二極體101 後面的內部光電二極體110來測量輸出功率。如下文將闡明的，這些光源 參數被處理部件106的溫度補償模塊112用於補償溫度相關的波長漂移。 由於這些參數直接由光源101獲得，所以溫度補償比上述現有技術中需要 具有參考氣體的參考氣室的光聲檢測器更加容易。光電二極體108放置在光束離開氣室的位置處。該光電二極體108用 於根據光吸收來測量濃度。當利用氣室中存在的樣品或不利用該樣品進行 測量時光電二極體信號的差隨後被用作處理單元的輸入。
圖2a示出在不同溫度下(20°C、 40°C和60°C)流過雷射二極體101 的正向電流和雷射二極體101的輸出功率之間的關係。在所有溫度下，較 低的正向電流If不會產生任何雷射輸出功率P^。當If大於閾值電流Ith時， 雷射二極體開始發光。閾值電流Ith取決於雷射二極體的溫度。從圖2a可以 看出，在低溫(20°C)時lth24小於高溫(60°C)時的L23。因此，如果 對於不同溫度而言的Ith是已知的，可以通過確定Ith來確定雷射二極體的溫 度。通常，Ith和溫度之間的關係由雷射二極體的供應商來提供。如果沒有 提供，該關係可以通過校準測量來獲得。可替換或額外地，也可以通過測 量對於已知正向電流下的P ^來確定二極體溫度，該正向電流優選大於可 能的最高溫度下的Ith。從圖2a中可以看出，在固定的正向電流處，低溫 (20°C)時的P輸出22大於高溫(60°C)時的P輸出21。對於預定的正向電 流下P觸和溫度之間的關係也可以由雷射二極體的供應商來提供，或者通 過校準測量獲得。
圖2b示出在不同溫度下流過雷射二極體的正向電流和加在該雷射二極 管上的正向電壓Vf之間的關係。從圖2b中可以看出，在固定的正向電流處， 低溫(20°C)時的Vf26大於高溫(60°C)時的Vf25。對於預定的正向電 流下Vf和溫度之間的關係也可以由雷射二極體的供應商來提供，或者通過 校準測量獲得。
圖3示出雷射二極體的溫度和峰值波長X峰值之間的關係。在使用圖2a 或圖2b中的信息確定雷射二極體的溫度後，使用圖3的信息確定雷射二極 管的溫度相關的波長漂移。根據樣品的吸收光譜，該波長漂移對樣品分子 的光吸收具有或多或少的影響。處理部件106的溫度補償模塊112隨後可 調節光的平均輸出波長或者可以對輸出信號109進行校正。如本領域所公 知地，可以採用幾種方法來修改光源101的輸出波長。通過確定波長漂移 對初始未校正的輸出信號109的貢獻來執行輸出信號109的校正。使用除 了輸出波長以外的其他參數中，光源101的溫度相關的參數的測量值來計 算這一貢獻。圖4a示出流過光源的正向電流42， If (實線)和由此得到的光輸出功 率41， P翻(虛線)的示例性波形。利用圖4a中所示的調製方案，可以獲 得雷射二極體的兩個不同的溫度相關的參數。如何獲取這些參數將參照圖 4b進行闡明。
圖4b是圖4a中部分波形的放大圖。如以上參照圖2a所述的，可以利 用預定的正向電流If處的閾值電流Ith或者光輸出功率P ^來確定雷射二極 管的溫度，這兩個溫度相關的參數可以從圖4b所示的波形信號41和42中 得到。Ith是P輸a開始增加的時刻43或者P ^達到其最小值的時刻46所對 應的If值。如果If波形42的形狀是已知的，Ith也可以由時間延遲45獲得， 該時間延遲為If開始增加的時刻直到P ,也開始增加的時刻。該方法非常 有用，因為If由雷射驅動器102控制並因此If波形42的形狀是已知的。在 P輸m和If達到它們各自的最小值的時刻之間存在相等的時間延遲。當Ith己 知時，利用圖2a中的信息來確定雷射二極體101的溫度。
該溫度也可替換地或額外地從預定的正向電流If處的光輸出功率P輸出 來獲得。原則上，這可以在驅動電流調製的幅度內任何If處進行。優選地， 基於If的預定最大值處的P觸來確定雷射二極體101的溫度。P輸a的這一值 44是調製期間P輸出的最大值。知道If和P輸a的最大值後，利用圖2a中的信 息確定雷射二極體101的溫度。或者，在調製正向電流If時測量正向電壓 Vf。知道If和Vf的最大值(或其它對應值)後，禾擁圖2b中的信息確定激 光二極體101的溫度。
圖5、 6和7示出根據本發明的溫度補償校準方法的結果。在該校準測 量中，雷射二極體101外罩(housing)被放置在珀耳帖(Peltier)元件上以控 制其溫度。圖5示出由內部光電二極體110的響應確定的測量功率51 (實 線)和輸出信號52 (虛線)，兩者作為雷射外罩溫度的函數。在校準測量期 間，樣品混合物中的樣品濃度穿過或保持在室107中，並且雷射二極體101 的正向電流調製幅度都是固定的。溫度降低導致雷射輸出功率P觸51增 大，但是光聲輸出信號52減小，這是由於光源IOI的波長漂移和樣品吸收 光譜的形狀(精細結構)。從功率和輸出信號52對溫度的相關性，可以得 到如圖6所示的溫度補償校準曲線61。校準曲線61示出通過內部光電二極 管110測量的輸出功率與光聲檢測信號之間的關係。為了能夠在沒有雷射二極體的溫度控制的情況下利用光聲氣室來測量未知氣體的濃度，執行濃
度校準。為此將已知的樣品濃度[Sw]施加至氣室並且在溫度補償校準期間 採用相同的電流調製幅度。然後，確定光聲信號PA^以及內部光電二極體
110上的信號Pref。隨後通過在P-Pref處將光聲信號歸一化為1，從校準曲線 61推導出如圖7所示的溫度補償曲線。
利用圖7，使用下列公式，通過向雷射二極體施加與校準測量期間相同
的正向電流調製幅度，測量輸出信號以及校準所測量的輸出信號，可以確 定未知的樣品濃度-
其中，[S]為樣品濃度，[SW為已知的校準濃度，PA為輸出信號，PAw為濃 度校準測量期間的輸出信號，並且C(P)為測量未知的樣品濃度期間光輸出 功率的溫度補償係數。在濃度校準測量期間，樣品濃度是[S]ref並且由內部 光電二極體測量的光功率是Pref。
參照圖5、圖6和圖7，上述的校準方法也可以使用光源101的另一個 溫度相關的參數來執行。例如，可以測量加在雷射二極體101上的正向電
壓而不是輸出功率p舢。
溫度補償係數C(P)或C(Vf)可以實現為例如溫度補償模塊112中查找表 的形式。可以多種方式獲取溫度補償曲線本身。在上述的溫度補償校準流 程中採用的是實驗性的方法。導出溫度補償曲線的另一方法是結合或者不 結合雷射二極體的反向電壓來確定波長和輸出功率的溫度相關性，以及將 這些與樣品氣體的高解析度吸收線形(line-shape)進行組合。當批量生產 傳感器以及使用初始波長變化的雷射時，通過僅確定雷射的峰值波長並從 資料庫中選擇正確的補償曲線，在一組初始波長中確定雷射的溫度補償曲 線以及為特定的傳感器模塊選擇合適的補償曲線。
應該注意，上面提及的實施例解釋而非限制本發明，並且在不偏離所 附的權利要求書範圍的情況下本領域的技術人員可以設計很多替代實施 例。在權利要求書中，括號內的任何參考標記不應當理解為限制該權利要 求。動詞"包括"及其變形的使用並不排斥除了權利要求所述之外的多個 元件或步驟的存在。元件之前的冠詞"一"或者"一個"並不排除多個此種元件的存在。本發明可以採用具有若干特徵元件的硬體實現，也可以採 用適當的編程計算機實現。在列舉了若干裝置的權利要求中，這些裝置中 的若干個可以通過同一項硬體來實施。在互不相同的從屬權利要求中記載 了特定措施的這一事實並不代表這些措施的結合不能發揮優勢。
權利要求
1、一種樣品傳感器(200)，用於檢測樣品混合物中樣品的濃度，所述樣品傳感器(200)包括-光源(101)，用於產生光束(113)以激發所述樣品的分子，-檢測器元件，用於檢測所述樣品的受激分子的數量並且提供指示所述數量的檢測器電流，-處理部件(106)，耦合至所述檢測器元件(103)並用於處理所述檢測器電流以生成表示所述濃度的輸出信號(109)，所述處理部件(106)包括溫度補償模塊(112)，該溫度補償模塊(112)被配置為基於所述光源(101)的除輸出波長以外的溫度相關的參數的至少一個測量值來補償所述光源(101)的溫度相關的波長漂移，以及-參數測量裝置，用於獲得所述至少一個測量值。
2、 根據權利要求1所述的樣品傳感器(200)，還包括光調製器(102)， 用於調製所述光束(113)以改變受激分子的所述數量並因此產生所述樣品 混合物中的壓力變化，並且其中所述檢測器元件包括用於將所述壓力變化 轉換為所述檢測器電流的壓力傳感器(103)。
3、 根據權利要求1所述的樣品傳感器(200)，其中所述檢測器元件包 括光電二極體(108)，用於測量由所述樣品的分子的激發引起的光吸收， 並且用於將所述光吸收轉換為所述檢測器電流。
4、 根據權利要求1所述的樣品傳感器(200),還包括耦合至所述溫度 補償模塊(112)的波長調節裝置，用於通過控制所述輸出波長來執行補償。
5、 根據權利要求1所述的樣品傳感器(200)，其中所述溫度補償裝置 被配置為通過針對所述溫度相關的波長漂移校正所述輸出信號(109)來執 行補償。
6、 根據權利要求1所述的樣品傳感器(200)，其中所述至少一個測量 值是所述光源(101)的光輸出功率，並且其中所述參數測量裝置包括用於 所述光輸出功率的直接測量的內部光電二極體(110)。
7、 根據權利要求4所述的樣品傳感器(200)，其中所述光源是半導體 雷射二極體，並且所述至少一個測量值是流過所述半導體雷射二極體的閾 值正向電流，當小於該閾值電流時，所述光輸出功率基本為0，且當大於該 閾值電流時，所述光輸出功率基本上增加。
8、 根據權利要求1所述的樣品傳感器(200)，其中所述光源是半導體 雷射二極體，並且所述至少一個測量值是所述半導體雷射二極體的正向電 壓。
9、 根據權利要求4所述的樣品傳感器(200)，其中所述溫度補償模塊 (112)使用來自校準測量的校準係數，其中使用所述樣品的已知的校準濃度和所述光源(101)的已知的校準驅動電流來測量不同溫度下的所述光輸 出功率和所述檢測器電流。
10、 根據權利要求7所述的樣品傳感器(200)，其中所述溫度補償模 塊(112)使用以下公式-廠 其中，[S]為所述樣品的所述濃度，[S]ref為所述已知的校準濃度，PA為 所述檢測器電流，PAref為所述校準測量期間的檢測器電流，以及C(P)為所 述樣品測量期間與所述光輸出功率P相對應的校準係數，PA^由所述校準測量導出。
11、 根據權利要求5所述的樣品傳感器(200),其中所述溫度補償模 塊(112)使用來自校準測量的校準係數，其中使用所述樣品的已知的校準濃度和所述光源(101)的已知的校準驅動電流來測量不同溫度下的所述正向電壓和所述檢測器電流。
12、 根據權利要求9所述的樣品傳感器(200)，其中所述溫度補償模 塊(112)使用以下公式[種L"《輝》，其中，[S]為所述樣品的所述濃度，[SW為所述已知的校準濃度，PA為 所述檢測器電流，PAJVf)為所述校準測量期間與所述正向電壓Vf相對應的 檢測器電流，以及C(Vf)為與所述正向電壓Vf相對應的校準係數，PAref(Vf)和C(Vf)由所述校準測量導出。
13、 一種用於確定用於根據權利要求5所述的樣品傳感器(200)中的 所述輸出信號(109)的溫度補償的校準係數的方法，所述方法包括-使用所述樣品的己知的校準濃度和所述光源(101)的已知的校準驅 動電流，測量不同溫度下的所述光輸出功率和所述檢測器電流，以及-根據所測量的光輸出功率和所測量的檢測器電流，確定所述校準係數。
14、 一種用於確定用於根據權利要求7所述的樣品傳感器(200)中的 所述輸出信號(109)的溫度補償的校準係數的方法，所述方法包括-使用所述樣品的已知的校準濃度和所述光源(101)的已知的校準驅 動電流，領!l量不同溫度下的所述正向電壓和所述檢測器電流，以及-根據所測量的正向電壓和所測量的檢測器電流，確定所述校準係數。
15、 一種針對所述光源(101)的溫度相關的波長漂移校正根據權利要 求1所述的樣品傳感器(200)的所述輸出信號(109)的方法，所述方法 包括-測量所述光源(101)的另一個溫度相關的參數的至少一個值，以及 -基於所測量的至少一個值，校正所述輸出信號(109)。
16、 根據權利要求13所述的方法，其中所述至少一個值是所述光束 (113)的光輸出功率。
17、 根據權利要求14所述的方法，其中所述光源是半導體雷射二極體， 並且所述至少一個測量值是流過所述半導體雷射二極體的閾值正向電流， 當小於該閾值電流時，所述光輸出功率基本為0，且當大於該閾值電流時， 所述光輸出功率基本上增加。
18、 根據權利要求13所述的方法，其中所述至少一個值是所述光束 (113)的正向電壓。
19、 根據權利要求13所述的方法，其中所述校正包括使用所述校準系 數，該校準係數通過執行權利要求11或12所述的方法而得到。
全文摘要
一種用於檢測樣品混合物中樣品的濃度的樣品傳感器(200)，該樣品傳感器(200)包括光源(101)、檢測器元件、處理部件(106)和參數測量裝置。光源(101)產生光束(113)以激發樣品的分子。檢測器元件檢測樣品的受激分子的5數量並且提供指示該數量的檢測器電流。處理部件(106)耦合至檢測器元件(103)並用於處理檢測器電流以生成表示濃度的輸出信號(109)。處理部件(106)包括溫度補償模塊(112)，該溫度補償模塊(112)被配置為基於光源(101)的除輸出波長以外的溫度相關的參數的至少一個測量值來補償光源(101)的溫度相關的波長漂移。參數測量裝置獲得該至少一個測量值。
文檔編號G01N21/39GK101563595SQ200780045779
公開日2009年10月21日 申請日期2007年12月10日 優先權日2006年12月12日
發明者H·W·范克斯特倫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司