氣體檢測方法和氣體檢測器設備的製作方法
2023-10-08 06:02:44 3
專利名稱：氣體檢測方法和氣體檢測器設備的製作方法
技術領域：
本發明特別涉及低成本紅外(IR)氣體檢測。該領域中的標準技術包括熱IR光源、幹涉線路濾波器、樣品室、及IR檢測器。該線路濾波器對應於待檢測氣體的特徵吸收波長，使得只有特定波長的光入射到檢測器上。如果樣品室中存在待檢測的氣體，部分光線被氣體吸收，檢測器信號因此被減弱。為了考慮光源由於老化、水分、或灰塵所致的光源強度變化，部分發射光線被導向到樣品室外部而入射到參考檢測器上(所謂的雙束或參考束技術)。
這種非衍射IR(NDIR)氣體檢測器遭受兩個缺點。首先，熱光源具有高的功耗和低的光效率，這使得難以實現電池驅動的操作並產生了冷卻問題。第二，幹涉線路濾波器的中心波長和溫度相關，使得對於不同的氣氛溫度，在氣體吸收峰的不同位置進行檢測，這反過來使校準變得困難。
垂直腔面發射雷射器(VCSEL)的最近發展表明有一種方法可以改進低成本的單氣體檢測器。VCSEL波長是精確定義的，並可通過VCSEL驅動電流的改變而在幾納米的範圍內調整該波長。這種VCSEL二極體同時可用於1.3至2.05μm的近紅外(NIR)波長範圍。IR吸收檢測的許多種氣體在該波長範圍內具有其吸收峰的第一或第二諧波。儘管這些諧波基本上弱於主峰，氣體檢測是非常敏感的，因為VCSEL通常供應的光強約為熱光源的1000倍。VCSEL的一個重要優點為幾毫瓦的功耗，該功耗低於熱光源幾瓦的功耗。
標準NDIR檢測和基於VCSEL檢測之間的一個主要差別在於，NDIR技術具有低的光譜解析度，因此測量氣體吸收峰通常為幾百納米寬。這些寬吸收峰實際上包括許多非常尖銳的吸收線。VCSEL發射非常尖銳的波長峰，可在幾納米範圍內調製該峰。出於這個原因，基於VCSEL的氣體檢測器測量單個吸收線，而非寬吸收峰。
許多作者已經描述了使用VCSEL源的氣體檢測設備，其中VCSEL的波長掃描經過氣體的吸收線，如圖2所示。使用特定的調製頻率F完成該掃描。通過在高於光激射閾(通常為幾個mA)的恆定電流上疊加頻率為F的小交變電流(通常為100μA)而獲得這個調製。對於一些測量技術，該「恆定電流」被緩慢地掃過VCSEL的整個工作範圍，以便檢測隨後的吸收線。採用這種設備，就不再需要線路濾波器，這是低成本產品一個重要的成本降低因素。
本發明基於由波長調製VCSEL形成的源，並利用這一事實，即該波長的調製直接和VCSEL輸出強度的調製相關聯。因此當波長掃過氣體吸收線時，經過該氣體體積的光強和入射到檢測器上的光強顯示了和該VCSEL強度相關的第一調製以及和該氣體吸收相關的第二調製。
使用發出的信號和入射輻射成比例的標準紅外檢測器，該信號處理包括使用鎖定技術在調製頻率的兩倍處測量檢測器信號(2F檢測)。由此，源於在整個調製範圍內檢測到的偏移光的直流信號分量受抑制。然而，仍要使用參考束以獲得和該源提供的初始光束的整體光強有關的信息，從而獲得氣體濃度的精確值。通常通過使用第二專用檢測器檢測該參考束。因此，參考束的產生和檢測使該設備變得複雜並提高其製作成本。
本發明的一個目標是提供低成本的有效的氣體濃度測量設備或檢測器。特別地，本發明的目的是解決和參考束相關的上述問題。
因此，本發明的第一實施例所涉及的氣體檢測器設備包括波長調製雷射源和光傳感器，該光源和傳感器分別排列在用於接收濃度待確定的至少一種氣體的檢測區域周圍，所述源提供在所述氣體吸收線附近受特定頻率波長調製的初始光信號，所述光傳感器接收由初始光信號經過所述檢測區域後形成的結果光信號，其中該光傳感器是這樣類型的，即提供的檢測信號基本上和所述結果光信號的時間導數成比例，由此形成和所述結果光信號的時間導數基本上成比例的電信號，所述設備進一步包括在所述特定頻率產生第一調製參考信號的第一裝置以及在所述第一頻率的兩倍處產生第二調製參考信號的第二裝置，所述電信號乘以所述第一調製參考信號並隨後對時間積分以提供第一測量信號，該第一測量信號為所述初始光信號強度的函數，並基本上和所述氣體的濃度無關，所述電信號還被乘以所述第二調製參考信號並隨後對時間積分以提供第二測量信號，該第二測量信號為所述氣體吸收的函數，並基本上和所述初始光信號在所述特定第一頻率的強度調製無關。
此外，本發明的第二實施例所涉及的氣體檢測器設備包括分別排列在用於接收至少一種氣體的檢測區域周圍的波長調製雷射源和光傳感器，所述氣體的濃度或存在與否待確定，所述源提供在所述氣體吸收線附近受特定頻率的波長調製的初始光信號，所述光傳感器接收該初始光信號經過所述檢測區域後形成的結果光信號，其中該光傳感器是這樣類型的，即提供的檢測信號和所述結果光信號成比例，該設備進一步包括電子時間求導設備，該檢測信號被提供給該電子時間求導設備，該電子時間求導設備產生基本上和所述結果光信號的時間導數成比例的電信號，所述設備進一步包括在所述特定頻率產生第一調製參考信號的第一裝置以及在所述特定頻率的兩倍處產生第二調製參考信號的第二裝置，所述電信號乘以所述第一調製參考信號並隨後對時間積分以提供第一測量信號，該第一測量信號為所述初始光信號強度的函數，並基本上和所述第一氣體的濃度無關，所述電信號還被乘以所述第二調製參考信號並隨後對時間積分以提供第二測量信號，該第二測量信號為所述氣體吸收的函數，並基本上和所述初始光信號在所述特定頻率的強度調製無關。
由於本發明的氣體檢測器設備的特徵，一個雷射源只需要一個傳感器單元，通過處理和傳感器單元接收到的經過所限定氣體樣品後光信號的導數成比例的所產生電信號而給出用於確定精確氣體濃度值所需的所有信息。
通過非限制性的實施例，參考下述描述和附圖描述本發明的其它具體特徵和優點，其中
圖1示意性示出了根據本發明的氣體檢測器；圖2示出了用於檢測這種氣體濃度的氣體吸收線附近的VCSEL源的波長調製；圖3示出了由VCSEL源提供並由圖2的波長調製產生的初始光束的光強調製；圖4給出了穿過氣體樣品的結果光束的圖示；圖5為和圖4所示信號的時間導數成比例的信號的圖示；圖6和7分別示出了頻率為F和2F的第一和第二調製參考信號，其中F為圖2中給出的波長調製的頻率；圖8示出了將圖5的信號乘以圖6的第一調製參考所產生的第一結果信號；圖9示出了將圖5的信號乘以圖7的第二調製參考所產生的第二結果信號；圖10和11示出了本發明的氣體檢測器設備提供的第一測量信號和第二測量信號的變化與和吸收線相關的VCSEL源中心調製波長之間的函數關係；圖12示出了第二測量信號的變化和VCSEL調製的振幅之間的函數關係；圖13為根據本發明的氣體檢測器設備的第一實施例的示意圖；以及圖14為根據本發明的氣體檢測器設備的第二實施例的示意圖。
將參考圖1至9描述根據本發明的氣體濃度檢測方法。
如圖1示意性所示，根據本發明的氣體檢測器設備包括由VCSEL 2形成的光源、可將待檢測氣體引入其中的樣品室或檢測區域4、提供兩個測量信號SMP和SM2P以定義氣體濃度的光檢測器6和處理裝置8。VCSEL產生波長受調製的初始光束S0。這個光束穿過區域4。由於氣體的吸收，該初始光信號在經過氣體檢測區域4之後出現強度變化，因此檢測器6接收到結果光信號SG。該檢測器向處理裝置8提供相應的檢測信號SD。
如圖2所示，VCSEL波長λ(光強峰10的中心)在特定氣體吸收線12附近的小範圍內受到調製。該波長調製直接被耦合到初始光強的振幅調製，在圖2中用不同強度峰高度表示。圖3示出了在氣體吸收線附近的另一個掃描形成的初始光信號S0隨時間的強度變化。
在圖4中示出了從氣體吸收室或區域4逃逸的結果光信號SG的強度變化。信號SG因此具有兩個貢獻第一個貢獻來源於VCSEL的強度隨其波長發生(近似線性的)變化的事實。該貢獻和氣體吸收無關，且即使沒有氣體時仍存在這一貢獻。
第二個貢獻來源於跨過氣體吸收線進行波長掃描時的氣體吸收。該貢獻和VCSEL發射的光強成線性比例關係，且為氣體吸收區域內氣體濃度的函數。
為了分離這兩個貢獻，本發明的測量原理首先提出獲得結果光信號SG的時間導數，接著使用將在下文中更詳細描述的所謂鎖定放大器來處理圖5所示的時間導數信號18。
在鎖定放大器中，調製信號被乘以對稱的矩形信號(「調製參考」)，該矩形信號相對於調製信號具有嚴格定義的相位。隨後在多個調製周期內對結果電信號積分，從而在鎖定放大器的輸出產生測量信號。
圖6示出了頻率為F的第一調製參考信號20，該頻率對應於VCSEL源的掃描頻率，即對應於初始光信號S0的強度調製22的頻率。圖6還示出了強度調製信號22和由此信號22產生的第一調製參考20之間的相位關係。圖7示出了頻率為所述頻率F兩倍的第二調製參考信號24。圖7還示出了強度調製信號22和由信號22產生的第二調製參考24之間的相位關係。
根據本發明，通過使用熱釋傳感器直接獲得結果光信號SG的時間導數，其中該熱釋傳感器產生與其接收的光強變化基本上成比例的信號；或者使用電子求導設備獲得該結果信號的時間導數，此時所採用的傳感器產生與入射光信號SG基本上成比例的信號SD(即光電二極體、熱電偶、輻射熱測量計)。
圖8示出了(圖5的)強度信號18的時間導數與頻率為VCSEL調製頻率F的第一調製參考信號20乘積的結果曲線26。顯然，氣體吸收最終的正、負貢獻在結果曲線26的時間積分中相抵消，稱之為F檢測。該時間積分的結果為第一測量信號SMP,該信號為VCSEL強度調製的函數，並和總VCSEL強度有關，但該信號和檢測區域中氣體的存在無關。
圖9示出了時間導數強度信號18(圖5的)乘以所述頻率F兩倍的第二調製參考信號24得到的結果曲線28。這裡，VCSEL強度調製的貢獻在結果曲線28的時間積分中被抵消，稱之為2F檢測，而氣體吸收的各個貢獻將相加。該積分的結果為第二測量信號SM2F，該信號為氣體吸收並因此為氣體濃度的函數。所述積分刪除了與氣體吸收無關的貢獻。
第二測量信號SM2F實際上基本上和來自VCSEL的總光強成比例。將第二測量信號SM2F除以第一測量信號SMF，可得到為氣體濃度的函數但與檢測器上入射光強無關的值。
根據本發明的基於VCSEL和雙通道鎖定放大器的氣體傳感器，使用單個檢測器提供了氣體吸收信號和VCSEL強度參考，因而抑制了傳統NDIR傳感器中使用的分離的物理參考通道的需求。此外，直接從檢測器上的入射光獲得該強度參考值，而雙束NDIR傳感器從分離的光束獲得該參考，這無法給出和測量束改變相關(即光學元件的老化或由熱起伏所致的未對準)的信息。
對測量信號SMF和SM2F的分析表明，圖6和7中所描述的VCSEL的強度調製信號和調製參考信號20及24之間的相位關係對測量原理而言是關鍵的。偏離這一特定相位關係將導致氣體吸收信號(SM2F)對強度參考信號(SMF)有貢獻，或者後者對前者有貢獻。
對信號進行更深入的分析表明前述信號處理不依賴於VCSEL交流調製的形狀，即圖3中描述的三角形調製，該調製還可以為正弦、鋸齒、或另一種形狀。
VCSEL源可在幾Hz到好幾MHz的大頻率範圍內進行波長調製。因此，根據本發明的氣體傳感器可被構建成產生從幾秒到幾微秒的響應時間(取決於所要求規格)。
圖10和11示出了相對於氣體吸收線中心的VCSEL中心波長的位置(受VCSEL直流電流調整)對兩個測量信號的影響。通過提高VCSEL直流電流同時施加小的交流調製(對應於0.15nm的波長調製)而得到這些曲線。顯而易見的是，只有在VCSEL波長嚴格地位於氣體吸收線的中心且交流調製對稱地掃過氣體吸收線時，前述的測量原理才成立。偏離該中心位置會導致吸收信號減小且參考信號出錯。然而，後一種情形隨著氣體濃度減小而降低。
如圖12所示，VCSEL交流調製的振幅對第一和第二測量信號都有影響。信號分析表明，氣體吸收信號SM2F具有調製振幅最大值，約為氣體吸收線的寬度(0.1至0.15nm)。強度參考信號SMF的誤差隨調製振幅的增大而減小。結果，可以針對氣體傳感器的特定規格而優化調製振幅。
由於VCSEL的波長為環境溫度的函數，VCSEL的中心波長必須保持在吸收線的確切波長上(見圖10和11)。將密封透明單元包括在含有待檢測氣體的光程中可以實現這一點。接通氣體傳感器時，VCSEL直流電流緩慢地從默認直流值開始上升，同時用交流頻率F進行掃描，直到氣體吸收線落在交流調製範圍之內。從這點開始，氣體吸收信號將變為非零，直流電流源的反饋迴路將該信號保持在其最大值，所述最大值對應於將VCSEL中心波長鎖在氣體吸收線的中心。然而，由於特定VCSEL的波長變化有限，需要將VCSEL源近似保持在預定溫度。對於空氣氛圍中CO2檢測器的情形，該密封單元可以省略，因為350至400ppm的CO2自然濃度對於所述鎖定目的來講已經足夠高了。
VCSEL發射的光具有高的方向性，這一事實使得可實現多氣體傳感器的簡單設計而無需另外的光學元件。在這種設備中，將多個VCSEL(各個波長對應於不同氣體)安裝在雷射頭內，而該檢測器為當雷射頭包括VCSEL時的多個光傳感器陣列。以這樣的方式完成安裝，即使得各個VCSEL的雷射束瞄準不同的傳感器，這形成了用於兩種、三種、或更多種氣體的非常緊湊的多氣體檢測設備。
至於雷射源，還可以在本發明的框架內選用分布反饋雷射器(DFB雷射器)。VCSEL和DFB雷射器為優選的雷射源。
圖13示出了根據本發明的氣體檢測器設備的第一實施例。該設備包括雷射發光頭32，其中排列了兩個VCSEL源34和36。因此，這個設備形成了用於兩種不同氣體的檢測器，兩個源分別選擇為和這兩種氣體的選定吸收線相對應。頭32還包括填充了所述兩種不同氣體的密封單元，以用於精確地確定提供給各個源34和36的電流值，從而如前所述地使所提供的光線峰的中心波長對應於各種氣體的吸收線中心。最後，頭32包括溫度傳感器40，其電連接到位於布置有所述源的區域內的加熱裝置44的電源裝置42。
該氣體檢測器設備具有樣品室或氣體檢測區域48，由兩個雷射源提供的兩個雷射束50和52穿過該區域。這兩個雷射束隨後被排列在公共基底58上的各個光傳感器54及56所接收。在該第一實施例中，兩個傳感器屬於這樣的類型，即提供基本上和傳感器上入射光信號成比例的電檢測信號，例如熱電偶或輻射熱測量計或者優選為光電二極體。根據本發明，兩個檢測器54和56通過電子選擇器62連接到電子時間求導設備64。該求導設備因此將基本上和所述入射光信號的時間導數成比例的電信號提供給前置放大器裝置66。
該氣體檢測器設備進一步包括連接到電源裝置72的電源控制裝置70，其通過電子選擇器74向源34和36提供電流。電源控制裝置70具有用於定義直流電流信號的第一部分76，以及用於在特定參考頻率F定義交流電流信號從而對前述氣體吸收線附近進行交替掃描的第二部分78。該設備的處理裝置還包括在所述參考頻率F產生第一調製參考信號的第一裝置80以及在所述參考頻率F的兩倍處產生第二調製參考信號的第二裝置82。根據前述本發明的方法，這些第一和第二調製參考信號分別被提供給兩個鎖定放大器84和86，這些參考信號在所述鎖定放大器中分別被乘以時間求導設備64通過前置放大器裝置提供給這些鎖定放大器的信號，並隨後對第一調製參考信號的多個時間周期積分。第一鎖定放大器84提供第一測量信號，如前所述，該第一測量信號和氣體吸收無關。第二鎖定放大器86提供第二測量信號，該第二測量信號和各個源產生的初始光信號的調製無關，但和氣體吸收以及因此和區域48內的氣體濃度有關。
在預備步驟中，第二測量信號被用於通過檢測直流電流電平線性變化時第二測量信號的最大值而定義直流電流信號。注意，如果該設備配備了用於雷射源的非常精確的溫度控制，則可以避免這個預備步驟。
最後，在處理單元90內第二測量信號被除以第一測量信號，除法結果在該處理單元90中被進一步處理從而提供和特定氣體存在或其濃度相關的有用信號或信息。
圖14示出了根據本發明的氣體檢測器設備的第二實施例。將不再描述已經在第一實施例中描述的參考符號。第二實施例和第一實施例不同之處在於，兩個光傳感器94和96為專用類型的傳感器，並直接提供基本和這些傳感器上入射光信號的時間導數成比例的電學檢測信號。優選地，傳感器94和96為熱釋傳感器。因此，在第二實施例中不再需要電子時間求導設備。該電學檢測信號通過前置放大器86直接被提供給兩個鎖定放大器84和86。
在本發明設備的優選實施例中，源和光傳感器都位於氣體檢測區域的同一側，反射結構排列在對立側。因此，對於特定長度的氣體檢測區域，穿過氣體樣品的光程為圖13和14所示的第一和第二實施例的兩倍。此外，源、傳感器、及電子元件可以集成在公共襯底之內/上，這是非常有利的並可降低成本。該反射結構可用於聚焦光束，特別是當其數值孔徑相對高時。
在用於檢測兩種氣體的本發明另一個實施例中，該設備包括兩個雷射源，但只有一個光傳感器，所產生的兩個光束被定向以入射到該光傳感器上。和圖13及14所示的實施例相似，控制兩個源的時分復用允許測量兩種氣體的濃度。因此這兩個光束被交替地導向單個光傳感器上。
最後，如果不同氣體的吸收線足夠窄，則有可能只使用一個雷射源來檢測這些氣體。
根據本發明不同特徵的氣體檢測器具有下述優點抑制了對多種氣體測量尤為重要的參考束，對光學元件的退化或VCSEL強度沒有影響，低功耗，可實現無線設備，低熱耗散，因此沒有冷卻問題，時間解析度低至微秒，自動檢測VCSEL失效，主動溫度補償，光譜自動鎖定，多氣體檢測器的緊湊設計，大幅降低製作成本，因為VCSEL、檢測器、及讀出電子設備都可以採用批量加工技術進行製造。
權利要求
1.一種氣體檢測器設備，包括分別排列在用於接收至少第一氣體的檢測區域(48)周圍的波長調製雷射源(2；34，36)和光傳感器(94，96)，所述第一氣體的濃度或存在與否待確定，所述雷射源提供位於所述第一氣體吸收線附近受頻率為第一頻率F的波長調製的初始光信號S0，所述傳感器接收該初始光信號經過所述檢測區域後形成的結果光信號(SG)，其特徵在於，該光傳感器是這樣類型的傳感器，即提供的檢測信號基本上和所述結果光信號的時間導數成比例，由此形成和所述結果光信號的時間導數基本上成比例的電信號，所述設備進一步包括在所述第一頻率產生第一調製參考信號(20)的第一裝置(80)以及在所述第一頻率的兩倍處產生第二調製參考信號(24)的第二裝置(82)，所述電信號乘以所述第一調製參考信號並隨後對時間積分以提供第一測量信號(SMF)，該第一測量信號為所述初始光信號強度的函數，並基本上和所述第一氣體的濃度無關，所述電信號還被乘以所述第二調製參考信號並隨後對時間積分以提供第二測量信號(SM2F)，該第二測量信號為第一氣體吸收的函數，並基本上和所述初始光信號在所述第一頻率的強度調製無關。
2.一種氣體檢測器設備，包括分別排列在用於接收至少第一氣體的檢測區域(48)周圍的波長調製雷射源(2；34，36)和光傳感器(54，56)，所述第一氣體的濃度或存在與否待確定，所述雷射源提供位於所述第一氣體吸收線附近受頻率為第一頻率(F)的波長調製的初始光信號S0，所述光傳感器接收該初始光信號經過所述檢測區域後形成的結果光信號(SG)，其特徵在於，該光傳感器是這樣類型的傳感器，即提供的檢測信號和所述結果光信號成比例，該設備進一步包括電子時間求導設備(64)，該檢測信號被提供給該求導設備，該電子時間求導設備提供基本上和所述結果光信號的時間導數成比例的電信號，所述設備進一步包括在所述第一頻率產生第一調製參考信號(20)的第一裝置(80)以及在所述第一頻率的兩倍處產生第二調製參考信號(24)的第二裝置(82)，所述電信號乘以所述第一調製參考信號並隨後對時間積分以提供第一測量信號(SMF)，該第一測量信號為所述初始光信號強度的函數，並基本上和所述第一氣體的濃度無關，所述電信號還被乘以所述第二調製參考信號並隨後對時間積分以提供第二測量信號(SM2F)，該第二測量信號為第一氣體吸收的函數，並基本上和所述初始先信號在所述第一頻率的強度調製無關。
3.根據權利要求1或2的設備，其特徵在於，該設備進一步包括接收所述第一和第二測量信號並提供和第一氣體的濃度相關信息的處理裝置(90)。
4.根據權利要求1的設備，其特徵在於由熱釋傳感器形成所述光傳感器。
5.根據權利要求1的設備，其特徵在於由至少一個光電二極體或一個熱電偶或一個輻射熱測量計形成所述光傳感器。
6.根據任一前述權利要求的設備，其特徵在於所述源為垂直腔面發射雷射器(VCSEL)。
7根據權利要求1至5中任一項的設備，其特徵在於所述源為分布反饋雷射器(DFBL)。
8.根據任一前述權利要求的設備，其特徵在於所述雷射源和所述光傳感器都位於檢測區域的同一側，反射結構排列在該檢測區域的另一側。
9.根據權利要求8的設備，其特徵在於所述雷射源和所述光傳感器都集成在公共襯底之內/上。
10.根據任一前述權利要求的設備，其特徵在於所述設備包括用於檢測至少兩種不同氣體的至少兩個雷射源和單個光傳感器，所產生的兩個雷射束交替地導向該單個光傳感器以提供和兩種氣體中每一種氣體相關的信息。
全文摘要
氣體檢測器設備包括至少一VCSEL源(34，36)和至少一光傳感器(54，56)，該光傳感器用於檢測經過含有待檢測的特定氣體的樣品室(48)之後的光束(50，52)。在第一實施例中該傳感器為光電二極體，其檢測信號被電子求導設備(64)對時間求導並隨後被提供給兩個鎖定放大器(84、86)以產生F檢測和2F檢測，其中F為源的波長調製頻率，並因此提供兩個相應的測量信號，這兩個測量信號相除給出了該氣體濃度的精確值。在第二實施例中，該源為熱釋傳感器，該傳感器直接提供和入射到該傳感器上的光束的時間導數成比例的檢測信號。這樣在最後一種情形中可以省略電子求導設備。
文檔編號G01N21/39GK1849507SQ200480026028
公開日2006年10月18日 申請日期2004年7月30日 優先權日2003年9月12日
發明者B·威林, M·科利, A·塞弗特 申請人:Ir 微系統股份有限公司