專利名稱：氣體檢測方法和氣體檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用具有激光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(diào)幅激光源、接收要檢測的氣體的氣 室、連接到氣室的麥克風、用于接收通過充有氣體的氣室的激光的光電 探測器、包括為至少一個激光源提供調(diào)制信號的調(diào)頻發(fā)生器的處理裝置 和用于確定氣體濃度的控制裝置。
背景技術(shù)：
光聲氣體檢測的原理是公知的(圖1):使用位于寬帶發(fā)射體1，(通 常是燈泡)前的紅外濾光器2來選擇波長對應(yīng)于目標氣體的吸收線的光。 具有所選波長的光通過氣體區(qū)域4 (通常在管5中)傳播，氣體區(qū)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(shù)。目標氣體所吸收的光會輕微的增加氣體區(qū)域4的溫度，如果該區(qū)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(diào)制 的，目標氣體的吸收會調(diào)制吸收區(qū)域4內(nèi)的壓力，這種調(diào)制會被麥克風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 二極管6測量。所謂的共振光聲會強烈的提高吸收區(qū)域內(nèi)的氣體的敏感性和擴散 性。這時，選擇調(diào)制頻率和吸收區(qū)域的長度，使得由目標氣體吸收所產(chǎn) 生的聲音對應(yīng)于區(qū)域4的聲共振。如果準確的選擇聲本征模，那么吸收 區(qū)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(diào)制頻率，其大約是 100Hz。在這樣的頻率下，裝置會拾取環(huán)境的噪音。這會強烈的妨礙它的 性能。使用調(diào)制盤進行調(diào)制可以有較高的頻率，但盤的振動會產(chǎn)生正好 是調(diào)制頻率的噪音。低頻的第二個缺點是，為了共振吸收，吸收區(qū)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激光 器1 (通常是激光二極管)代替，它會在基本吸收線的諧波處檢測目標氣
體。NIR激光二極管很大的優(yōu)點是能夠使用頻率范圍高達MHz的開關(guān)調(diào) 制。
與上面描述的其中濾光器允許通過大約lOOnm范圍的波長的紅外光 聲學相反，使用NIR光聲學的激光二極管具有典型的0. lnm的波長寬度。 這意味著要維持氣體傳感器的校準，激光波長必須準確地鎖定到對于目 標氣體的吸收波譜為已知的波長。
對于具有分離的窄線的目標氣體，以及對于沒有分離的線而是如同 在對于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(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)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(quán)利要求中的方法和傳感器來實現(xiàn)。進一步有益的實施 例在各個從屬權(quán)利要求中提出保護。根據(jù)本發(fā)明，對激光源進行調(diào)幅， 使得激光源對于在最小波長和最大波長之間的調(diào)幅的每個循環(huán)，都會改 變它的輸出波長。光聲近紅外氣體傳感器包括調(diào)頻發(fā)生器，它為激光源 提供調(diào)制信號，其對于在最小波長和最大波長之間的調(diào)幅的每個循環(huán)， 都會改變激光源的輸出波長。這可以通過使用幾個合適的調(diào)制信號和相 應(yīng)的裝置來實現(xiàn)?？傊景l(fā)明依據(jù)的事實是，激光源的波長由激光源 驅(qū)動電流和激光器基片的溫度來控制。
由激光源的溫度將激光源調(diào)節(jié)到對應(yīng)于感興趣的吸收特征的波長。 根據(jù)一個實施例，激光器的電流調(diào)制不是使用具有5 0%的占空比的開關(guān)調(diào) 制進行的，而是根據(jù)
具有優(yōu)選50%的占空比的開關(guān)調(diào)制，和
相同頻率的三角形鋸齒調(diào)制，這二者相乘的開關(guān)調(diào)制進行的。因此， 在"開"周期期間，驅(qū)動電流使得激光源在從閾值電流處的波長到對應(yīng) 于最大驅(qū)動電流的最大波長是斜的。本發(fā)明采用4kHz的調(diào)制，這會避免 拾取旁邊的噪音，并能將吸收區(qū)域的長度減小到4cm。根據(jù)進一步的實施 例，可以^使用激光源驅(qū)動電流的正弦調(diào)制。這個方案和上述實施例相比 結(jié)果稍微準確，然而取決于氣體傳感器的應(yīng)用，結(jié)果是足夠的。另一個 實施例中，替代的是，用占空比對激光源驅(qū)動電流進行調(diào)制，優(yōu)選50% 的占空比，以及，在與激光源驅(qū)動電流相同的頻率下，對激光源的溫度
進行調(diào)制。這個方法要求溫度和各個裝置能快速改變。
測量方案的結(jié)果是，在每一調(diào)制循環(huán)期間，激光源掃描可用的全部 的波長范圍，因此目標氣體的吸收特征會拉平到平均值。這個平均值對 溫度變化引起的激光中心波長的小的變化相對不敏感。
本發(fā)明的更多的特征和優(yōu)點從下面對優(yōu)選實施例的描述并結(jié)合權(quán)利 要求和附圖，可以得知。單個的特征可以單獨或與本發(fā)明的實施例相結(jié) 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是對于氣體吸收特征的每一調(diào)制循環(huán)期間掃描的激光線；
圖4是激光波長寬度與氣體的吸收特征的比較；
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和激光強度Ll與波長WL的關(guān)系圖。 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。由于寬帶波譜的吸收強度 的不同，朝激光波長的一邊移動0. lnm會使吸收強度相差約30-50%。 因此，結(jié)果可以在很寬的范圍內(nèi)變化。通過沿圖4給出的波長掃描激光 峰，目標氣體的吸收特征會拉平到平均值。
盡管下面本發(fā)明以激光二極管作為激光源來描述，但本發(fā)明不限于 該裝置，其它的具有類似特征的合適的激光源也可以用來獲得類似的結(jié) 果。而且，正如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，可以使用具有合適的檢測裝置的多 于一個的激光源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。 激光源l，優(yōu)選的是二極管激光器，與作為加熱器或冷卻器的溫度單元7 連接，它發(fā)出的光通過室5，室5提供了用于要檢測的目標氣體的吸收區(qū) 域4。麥克風3安排在吸收區(qū)域4的附近。光電二極管6作為光電探測器 接收來自激光源1的光。通過溫度單元7，由激光源的溫度將激光源1
調(diào)節(jié)到對應(yīng)于感興趣的吸收特征的波長。調(diào)頻發(fā)生器9包括用于提供方形調(diào)制信號SSM的方形調(diào)制裝置10和用于提供鋸齒調(diào)制信號SSTM的鋸齒調(diào) 制裝置11。然后用信號SSM和SSTM相乘得到的調(diào)制信號Sw來調(diào)制激光源1的驅(qū)動電流。方形調(diào)制裝置IO為激光源l提供具有50%的占空比的開關(guān)調(diào)制，由于鋸齒調(diào)制11，驅(qū)動電流使其從閾值電流處的波長到對應(yīng)于最 大驅(qū)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(qū)域4中的氣體的吸收成比例，光 電二極管6提供信號St，它與激光源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，用于將這個信號與從調(diào)頻發(fā)生器9接收 的基準信號Sw相乘，最后對得到的信號進行積分。來自于光電二極管6 的信號饋送到放大器13。來自于鎖定放大器12和來自于放大器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管6并由放大器14放大后的強度信號Sz 相除，進行標準化。得到的信號S"是對于室5內(nèi)的氣體濃度所需要的信 號。控制單元14還提供相應(yīng)的信號St給溫度控制器8以保持激光源1處 于與感興趣的吸收特征相對應(yīng)的波長處的溫度。圖6是另一實施例，其中調(diào)頻發(fā)生器9只包括正弦波調(diào)制16，它提 供激光源驅(qū)動電流調(diào)制信號Sm。正弦波調(diào)制是整流的正弦波調(diào)制。它由 例如激光二極管等通過翻轉(zhuǎn)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(diào)頻發(fā)生器9包括方形調(diào)制裝置10和溫 度調(diào)節(jié)裝置17。方形調(diào)制裝置IO提供用于調(diào)制激光源驅(qū)動電流的第一調(diào) 制信號SM1，溫度調(diào)節(jié)裝置17提供用于通過溫度單元7來調(diào)制激光源1 的溫度的第二調(diào)制信號SM2。
權(quán)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激光源(1)，其特征在于對激光源(1)進行調(diào)幅，在這期間激光源(1)對于在最小波長和最大波長之間的調(diào)幅的每個循環(huán)都會改變它的輸出波長。
2. 如權(quán)利要求l所述的氣體檢測方法，其特征在于對激光源驅(qū)動 電流進行調(diào)制，這包括優(yōu)選50%的占空比的開關(guān)調(diào)制與相同頻率的鋸齒調(diào) 制相乘。
3. 如權(quán)利要求l所述的氣體檢測方法，其特征在于對激光源驅(qū)動 電流進行正弦調(diào)制。
4. 如權(quán)利要求l所述的氣體檢測方法，其特征在于對激光源驅(qū)動 電流進行具有占空比，優(yōu)選50%的占空比的開關(guān)調(diào)制，和在與激光源驅(qū)動 電流調(diào)制相同的頻率下對激光源的溫度進行調(diào)制。
5. 如前述任何一個權(quán)利要求中的氣體檢測方法，其特征在于由激 光源的溫度將激光源調(diào)節(jié)到對應(yīng)于感興趣的吸收特征的波長。
6. —種光聲近紅外氣體傳感器，其具有 至少一個調(diào)幅激光源(1);氣室(5)，用于接收要檢測的氣體； 連接到氣室的麥克風(3);光電探測器(6)，用于檢測激光源(1)的激光強度； 處理裝置(15)，其包括用于為至少一個激光源(l)提供調(diào)制信號 (SO的調(diào)頻發(fā)生器(9)和用于確定氣體濃度的控制裝置(8， 12， 13， 14);其特征在于所述調(diào)頻發(fā)生器(9 )為激光源(1)提供調(diào)制信號(Sm )，它對于 在最小波長和最大波長之間的調(diào)幅的每個循環(huán)都會改變激光源(1)的輸 出波長。
7. 如權(quán)利要求6所述的光聲氣體傳感器，其特征在于 所述調(diào)頻發(fā)生器(9)包括用于為激光源提供調(diào)制信號(SO的方形調(diào)制裝置(10)和鋸齒調(diào)制裝置(11)，其中調(diào)制信號包括優(yōu)選50%的 占空比的開關(guān)調(diào)制信號(SsM)與相同頻率的鋸齒調(diào)制信號(SsTM)相乘的 結(jié)果。
8. 如權(quán)利要求6所述的光聲氣體傳感器，其特征在于所述調(diào)頻發(fā) 生器(9)包括為激光源提供正弦調(diào)制信號(SO的裝置(16)。
9. 如權(quán)利要求6所述的光聲氣體傳感器，其特征在于所述調(diào)頻發(fā) 生器(9)包括為激光源提供具有占空比，優(yōu)選50%的占空比的開關(guān)調(diào)制 信號(SmO的裝置(11)，以及在與激光源調(diào)制信號(S^)相同的頻率 下為激光源(1)的溫度提供溫度調(diào)制信號(SmO的裝置(17)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用具有激光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(diào)幅激光源、接收要檢測的氣體的氣室、連接到氣室的麥克風、用于接收通過充有氣體的氣室的激光的光電探測器、包括為至少一個激光源提供調(diào)制信號的調(diào)頻發(fā)生器的處理裝置和用于確定氣體濃度的控制裝置。激光源對于在最小波長和最大波長之間的調(diào)幅的每個循環(huán)都會改變它的輸出波長。測量方案的結(jié)果是，在每一調(diào)制循環(huán)期間，激光源掃描可用的全部的波長范圍，因此目標氣體的吸收特征會拉平到平均值。這個平均值對溫度變化引起的激光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(yōu)先權(quán)日2006年9月27日
發(fā)明者A·塞弗, B·威林, M·科利 申請人:Ir微系統(tǒng)股份有限公司