一種氣體傳感器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種氣體傳感器系統(tǒng)，包括：氣體單元，可操作以接收樣品氣體；真空系統(tǒng)，與該氣體單元流體地聯(lián)接，可操作以將該氣體單元內(nèi)的該樣品氣體維持在低于周圍的壓強；壓強傳感器，可操作以感知該樣品氣體的壓強；隔熱外殼，該氣體單元位于其中；熱源或熱交換器，可操作以影響該隔熱外殼的內(nèi)部溫度；該隔熱外殼內(nèi)部的光源，可操作以提供進入并穿過該氣體單元的中紅外（中IR）光；該隔熱外殼內(nèi)部的光檢測器，可操作以接收衰減的中IR；以及控制系統(tǒng)，與該真空系統(tǒng)并與該壓強傳感器電子地聯(lián)接，可操作以將在預定壓強下的該氣體單元內(nèi)部的該樣品氣體維持到133.3Pa以內(nèi)。
【專利說明】一種氣體傳感器系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及用于環(huán)境空氣監(jiān)測和工業(yè)空氣監(jiān)測的氣體傳感器，并且更具體地涉及此類能夠通過測量歸屬于目標氣體種類的紅外光吸收來監(jiān)測該目標氣體種類隨時間推移的濃度變化的氣體傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]對基于光學的高精度微量氣體傳感器的需要與許多學科有關(guān),包括溫室氣體監(jiān)測、污染監(jiān)測、工業(yè)過程監(jiān)測、工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)測和臺式化學分析系統(tǒng)。來自(例如)填埋地、農(nóng)業(yè)用地和公路的氣體種類分散模式的現(xiàn)場測定包括溫室氣體監(jiān)測和污染監(jiān)測的重要方面。就這一點而言，尤其感興趣的微量氣體包括一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N20)、一氧化碳(CO),二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和甲烷(CH4)。
[0003]氣體吸收光譜法是一種用于微量氣體種類(比如上面列出的那些)的現(xiàn)場測定的重要技術(shù)。此類光譜法測量是通過測量在給定波長穿過一個氣體樣品的光的百分比而進行的。該技術(shù)利用了當穿過氣體的光的波長變化時具體氣體展示出特有的光吸收響應的事實。從而可以通過這些響應識別氣體種類。
[0004]微量氣體種類識別通常是通過識別歸屬于一個氣體樣品中的種類的一個或多個吸收“譜線”的存在而進行的。吸收譜線是氣體吸收或衰減光的光波長(或相應地，頻率或波數(shù))的一個窄帶。一種給定氣體通常在不同的波長(或可替代地，頻率或波數(shù))具有多個吸收譜線。一種典型的氣體傳感器系統(tǒng)可以通過在對應于一個吸收譜線的一個波長處進行兩測量來確定氣體樣品中的一種目標氣體的分子濃度s:(1)測量透射通過該目標氣體的光強；以及⑵測量當該目標氣體不存在時沿著相同的路徑透射的光強。這兩個測量結(jié)果的比值被定義為透射率。
[0005]多個未決的法規(guī)將要求在各種發(fā)射源處監(jiān)測溫室氣體，開始于目前要求監(jiān)測其他大氣污染物的上千個地點。以高置信度(例如，1000:1的保真度)檢測各種溫室氣體的環(huán)境微量級別(預期為百萬分之幾(ppm)或十億分之幾(PPb)的級別)需要實時實現(xiàn)PPb檢出水平的高精度傳感器。例如，為了大體測量從地面上的一個源到大氣的一種污染物或溫室氣體的豎直通量，可以將一個氣體傳感器裝置與一個風速設備和其他大氣測量儀器(例如，溫度計和氣壓計)一起放置在假定的源上方的一個升高的位置，比如，例如一個牧場上方的塔上。對于一個完全渦流通量，該氣體種類的平均豎直通量F可以通過將一種目標氣體種類的豎直風速w和分子濃度s的測量結(jié)果相組合，根據(jù)“漩渦通量”(或“漩渦方差”)等式計算，
[0006]F = PaWS = Pa WS 等式I其中，P a是平均空氣密度，W'和s'分別是豎直風速和目標氣體濃度的時間導數(shù)，并且上劃線表示平均值。在上述等式右手側(cè)的近似解決了與風速的和氣體濃度的測量同時并且以相同的重復率來測量空氣密度的實際實驗困難。然而，為了使用這個近似，必須計算出該濃度的時間導數(shù)。由于各種目標種類的期望的典型濃度是在百萬分之幾(ppm)或十億分之幾(ppb)的級別，s'的精確計算需要這些測量結(jié)果的精確度至少在幾十PPb (或更好)的級別。進一步地，因為豎直風速可以在遠小于一秒的時間標尺上改變，必須在相同的時間標尺上可得到同時的精確的氣體濃度測量。
[0007]對于此類漩渦方差測量結(jié)果尤其需要快速儀器。已確立的IR光譜學傳感器技術(shù)(比如，基于非分散的紅外吸收的儀器)不能實現(xiàn)要求的精確度級別，因為干擾的存在(t匕如，水蒸汽)會混淆此類測量結(jié)果。此外，許多現(xiàn)有的氣體傳感器系統(tǒng)采用了笨重的超高反射率多通光學單元(比如，像散赫里奧特(Herr1t)或光腔衰蕩單元)以便得到近紅外(0.7-3 μ m)中的測量結(jié)果，并因此對可能由通常發(fā)生的微量級微粒導致的鏡面的光學污染和其他污染比較敏感。因此，盡管目前存在一種運行在近紅外的開路甲烷傳感器，它需要通過以高速旋轉(zhuǎn)該反射鏡的同時用一種溶液沖洗該多通單元光學器件來對鏡面進行周期性清潔，從而對傳感器增加了消耗品、尺寸、和成本。額外地，這種常規(guī)傳感器的尺寸并不理想，因為可能發(fā)生樣品氣體的局部加熱。
[0008]電磁譜的中紅外(中IR)范圍(波長在3-8 μ m的范圍內(nèi))對此類微量氣體測量有更大作用，因為大多數(shù)重要的感興趣的微量氣體種類(在這個范圍內(nèi))展現(xiàn)出顯著的吸收譜線，這些吸收譜線可能與歸屬于水蒸汽(H2O)和其他干擾性種類的譜線相區(qū)分。通常，這些中IR吸收譜線遠遠強于在近IR中發(fā)現(xiàn)的吸收譜線。例如，甲烷在3.3 μ m附近展現(xiàn)出若干較強的旋轉(zhuǎn)分辨式的(旋振的(ro-vibrat1nal))和無干涉的紅外吸收譜線。同樣,二氧化碳在4.3 μ m附近展現(xiàn)出類似有用的譜線，并且一氧化碳和二氧化氮在4.6 μ m附近展現(xiàn)出類似有用的譜線。
[0009]激光器是最適合用于在旋轉(zhuǎn)分辨式的紅外吸收譜線的波長下測量透射率的光源。激光器可以提供包括一個波長的強烈的單色光，該波長在一些情況下可以被調(diào)諧以與一個吸收譜線特征匹配并且包括一個比該吸收譜線特征的帶寬更窄的帶寬。由于其小尺寸、耐用性和低功率性要求，對于現(xiàn)場可攜帶儀器來說二極管激光器是優(yōu)選的。
[0010]不幸的是，常規(guī)的二極管激光器不能被直接用在許多重要的中IR光譜應用中，因為它們產(chǎn)生在I到1.5 μ m范圍(近紅外)內(nèi)的光頻率。所謂的“鉛鹽”二極管激光器可用于在要求的波長范圍處發(fā)射。然而，這些激光器不適合用于現(xiàn)場可攜帶的氣體傳感器，因為它們比較貴并且因為它們需要低溫冷卻，這增加了額外的復雜性并且限制了該氣體傳感器無人運行的能力。所謂的“量子級聯(lián)”激光器也是可獲得的但是基本不適合可攜帶的氣體傳感器系統(tǒng)，因為它們相對高成本、低產(chǎn)出并且不能接近3-4微米光譜范圍。通過光學參數(shù)振蕩器(OPO)提供偏移的頻率的光源目前太過昂貴和笨重而不能被考慮用在現(xiàn)場可攜帶儀器中。
[0011]上述考慮的結(jié)果是，通過差頻生成(DFG)來產(chǎn)生中IR光的光源是目前唯一可獲得的適合用于現(xiàn)場可攜帶的自動運行氣體傳感器系統(tǒng)中的光源。此類光源可以利用兩個(或更多)近IR光源與一種非線性晶體一起產(chǎn)生中IR光。然而，基于中IR吸收并具有必要的(氣體通量的長期無人現(xiàn)場測量所要求的)靈敏度、精度和穩(wěn)定性的氣體傳感器系統(tǒng)還未加以描述。本發(fā)明解決了這種需要。
[0012]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本披露教導了各種用于以高精確度測量氣體樣品中給定微量氣體種類的濃度的氣體傳感器。這些氣體傳感器是基于中紅外光的光學吸收，這種中紅外光特定地在一種獨特的差頻生成(DFG)激光源中生成。該激光源本身具有許多屬性，這些屬性使其成為比可替代的激光器或其他中紅外光源更好的選擇，尤其是關(guān)于光譜純度、穩(wěn)定性、和產(chǎn)生的光的傳播質(zhì)量。當這個光源與合適的光學成像和檢測子部件、高性能模擬控制電子器件、微處理器控制裝置、和軟件聯(lián)接時，會產(chǎn)生高精確度和高度專門自治的傳感器。
[0014]根據(jù)本教導的實施例展示了，當不需要有效長的路徑長度(除非通過該超高反射率多通單元本身)以實現(xiàn)一個可檢測的吸收水平時，明顯降低的對污染物的敏感度(例如，乘以一個十到一千的因子)。基本上，這是由于在本發(fā)明中監(jiān)測的中紅外吸收與在其他儀器中監(jiān)測的近紅外吸收相比固有地更強。甲烷吸收在中紅外中的吸收與在近紅外相比強近200倍，從而使得根據(jù)本教導的儀器在實現(xiàn)為靈敏的或比其他途徑更好的準確度和精密度同時穩(wěn)健得多。
[0015]根據(jù)不同的實施例，為了確定感興趣的種類的濃度，進行了直接光學吸收測量。樣品氣體流過一個氣體單元，并且一個中紅外激光源被引導穿過該氣體單元。該中紅外光離開該氣體單元之后，被引導到一個檢測器上。對該中IR激光波長進行調(diào)諧時，可以測量來自感興趣的種類的吸收峰。來自該檢測器的信號被一個計算機放大、捕捉、數(shù)字化和分析。根據(jù)計算出的一條或多條吸收譜線的強度，確定感興趣的種類的濃度。樣品氣體連續(xù)地流過該氣體單元，并且該傳感器實時地對該種類濃度進行連續(xù)測量。
[0016]實際上，當激光頻率被改變以揭示吸收光譜時，激光可以在中紅外DFG源中產(chǎn)生，被光學成像到一個氣體詢問區(qū)中，該氣體詢問區(qū)可以是(i)被包圍并被泵用于引入氣體的光學元件或(ii)不需要泵，完全對周圍環(huán)境敞開，并且在該樣品穿過之后被檢測以測量光的衰減。具體地，以高保真度檢測的、作為頻率的函數(shù)的目標氣體的旋振(旋轉(zhuǎn)分辨式)吸收光譜，通常在本領(lǐng)域被描述為高分辨率“直接吸收”測量。該方法不需要在高頻(KHz)進行頻率或波長調(diào)制，如通常在常規(guī)途徑中被用來實現(xiàn)靈敏度或克服那些途徑中遇到的其他限制。該激光源的穩(wěn)定的頻率和幅度輸出使得能夠使用一種簡單的直接吸收途徑，部分是由于唯一地并直接地以高保真度確定該吸收光譜的“零水平”的能力，這在頻率或波長調(diào)制的途徑中沒有完成。
[0017]該傳感器采用中紅外中的與低噪聲信號放大器組合的非低溫光伏檢測器，當正確配對時這些非低溫光伏檢測器運行在一個使得能夠快速獲取光譜而不使本征吸收譜線形狀發(fā)生畸變的時間帶寬下。相對于在高速率時的激光能量零點的關(guān)聯(lián)的積分的吸收分數(shù)的精確確定為該傳感器提供了一個良好的占空比，同時也提供了在光譜特性可能互相干涉的情況下測量吸收的能力。在此類情況下，頻率或波長已調(diào)制的途徑在精確確定關(guān)聯(lián)的吸收強度時可能失敗，并且因此精確確定目標分子的濃度失敗。根據(jù)本教導的實施例可能在小于一分鐘的時間標度中進行PPt級別的檢測以及在幾秒中進行單位數(shù)的PPb級別檢測。在不同的實施例中，該氣體傳感器采用了由于環(huán)境壓強和溫度的變化而減少系統(tǒng)漂移的若干種穩(wěn)定特征。這種穩(wěn)定減小了校準間隔和關(guān)聯(lián)的校準氣體消耗。本發(fā)明有效地消除了被稱為“零氣體”的需要，因為使用激光的每次掃描有效地了測量激光的零點(在幾百Hz到kHz進行)。
[0018]相應地，在一個方面，提供了一種用于檢測和測量具有周圍溫度和周圍壓強的環(huán)境中的氣體分子種類的濃度的氣體傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:氣體單元，可操作以從該環(huán)境接收該樣品氣體；與該氣體單元流體地聯(lián)接的真空系統(tǒng)，可操作以將該氣體單元內(nèi)的該樣品氣體維持在小于環(huán)境壓強的預定壓強；壓強傳感器，可操作以感應該氣體單元內(nèi)部的樣品氣體的壓強；隔熱外殼，該氣體單元被安置在其中；熱源或熱交換器，可操作以影響該隔熱外殼的內(nèi)部的溫度；該隔熱外殼內(nèi)的光源，可操作以提供進入該氣體單元以便被透射穿過其中的樣品氣體的中紅外(中IR)光，其中，該中IR光的波長與該氣體分子種類的旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線一致；該隔熱外殼內(nèi)部的光檢測器，可操作以接收傳輸穿過該氣體單元中的樣品氣體的中IR光；以及與該真空系統(tǒng)并與該壓強傳感器電子地聯(lián)接的控制系統(tǒng)，可操作以將該氣體單元內(nèi)的在該預定壓強的樣品氣體維持到一托(I托或133.3Pa)以內(nèi)。
[0019]在不同實施例中，溫度傳感器和與該熱源或熱交換器以及該溫度傳感器兩者電子地聯(lián)接的控制系統(tǒng)，可以用來將該氣體單元內(nèi)的在預定溫度的該樣品氣體維持到一度開爾文(1° K)以內(nèi)。該預定溫度可以大于周圍溫度，比如在約30°C到約40°C的范圍內(nèi)。在一些實施例中，該熱源或熱交換器可以包括安置于該隔熱外殼的孔徑內(nèi)的熱電元件，該熱電元件可操作以將熱向或從該隔熱外殼傳遞。分別被安置在該隔熱外殼外部或內(nèi)部的第一和第二散熱器和風扇組件可以被設置成與該熱電元件熱接觸。
[0020]在不同的實施例中，該氣體傳感器系統(tǒng)在該隔熱外殼內(nèi)可以進一步包括激光器模塊，該光源或其一部分被安置在該激光器模塊內(nèi)；該隔熱外殼內(nèi)的光學模塊，該光檢測器被安置在該光學模塊內(nèi)，該光學模塊與該氣體單元光學地聯(lián)接；以及與該激光器模塊并與該光學模塊聯(lián)接的一個或多個光導纖維，其中，該一個或多個光導纖維可操作以將從該光源提供的光引導到該光學模塊中。
[0021]該光源可以包括第一和第二激光器，可操作以分別提供具有第一波長的第一近紅夕卜(近IR)光和具有第二波長的第二近IR光；波分復用器(WDM)，與該第一激光器并與該第二激光器光學地聯(lián)接并且可操作以從其接收這些第一和第二近IR光；光學上非線性的晶體，(可能通過一種或多種干涉光導纖維)與該WDM光學地聯(lián)接，并且可操作從其接收這些第一和第二近IR光并通過差頻生成來產(chǎn)生該中IR光；以及濾光片，與該非線性晶體光學地聯(lián)接并可操作以透射該中IR光，同時阻斷這些第一和第二近IR光的透射。這些第一和第二激光器中之一或兩者可以包括一個二極管激光器或多個二極管激光器。在這種情況下，可以提供激光二極管電流驅(qū)動器，可操作以對供應給這些第一和第二二極管激光器中之一的驅(qū)動電流進行反復調(diào)制，這樣使得該中IR光的波長反復地跨過(traverses across)該旋轉(zhuǎn)分辨式的光吸收譜線的波長范圍。此類實施例可以進一步包括數(shù)字化器，與該光檢測器的輸出電子地聯(lián)接，這樣使得該光檢測器的輸出在該驅(qū)動電流的每次調(diào)制期間在多個離散時間點中的每一個被數(shù)字化，以便產(chǎn)生與直接吸收光譜對應的多個數(shù)字檢測器信號值；以及數(shù)字記憶存儲裝置，可操作以存儲該多個數(shù)字檢測器信號值。
[0022]在不同實施例中，該第一激光器可以發(fā)射具有在100-1lOOnm范圍內(nèi)的波長的光，并且該第二激光器可以發(fā)射具有1500-1600nm波長范圍的光。在不同的其他實施例中，該第一激光器可以發(fā)射具有在1100-1200nm范圍內(nèi)的波長的光，并且該第二激光器可以發(fā)射具有1500-1600nm波長范圍的光。在不同實施例中，該中IR光的波長在近似3.0微米到4.8微米的范圍內(nèi)。
[0023]在不同實施例中，該氣體分子種類可以選自下組:一氧化碳(CO)、一氧化二氮(N2O)和二氧化碳(CO2),并且該旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的中心波長在近似4.2微米到4.7微米的范圍內(nèi)。在一些實施例中，該氣體分子種類是甲烷(CH4),并且該旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的中心波長在近似3.2微米到3.4微米的范圍內(nèi)。在一些實施例中，該氣體分子種類是一氧化碳(CO)，并且該旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的中心波長在近似4.57微米到4.65微米的范圍內(nèi)。在一些實施例中，該氣體分子種類是一氧化二氮(N2O),并且該旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的中心波長在近似4.510微米到4.555微米的范圍內(nèi)。
[0024]在不同實施例中，該氣體單元與該光學模塊流體地聯(lián)接，這樣使得在運行中該樣品氣體從該氣體單元流到該光學模塊中。在不同的其他實施例中，可以在該氣體單元和該光學模塊之間設置一個窗口，這樣使得該樣品氣體通過該氣體單元的引出端口而排出。
[0025]在另一個方面中，提供了一種用于檢測和測量在具有周圍溫度和周圍壓強的環(huán)境中的氣體分子種類的方法，該方法包括:(a)提供能夠提供發(fā)射的中IR光的光源，可以致使該中IR光的波長跨過該氣體分子種類的旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的波長范圍；(b)提供氣體單元；(c)提供溫度穩(wěn)定的光學系統(tǒng)，用于將該中IR光從該光源引導到該氣體單元中以便從其穿過，并且隨后從該氣體單元引導到光檢測器；(d)提供一個系統(tǒng)，用于將流過在小于該周圍壓強的壓強下的該氣體單元的樣品氣體的壓強穩(wěn)定到一托(I托或133.3Pa)以內(nèi)；(e)提供一個系統(tǒng)，用于將流過在大于該周圍溫度的溫度下的該樣品氣體單元的樣品氣體的溫度穩(wěn)定到一度開爾文(1° K)以內(nèi)的樣品氣體溫度；(f)使來自該環(huán)境的該樣品氣體在該樣品氣體壓強和該樣品氣體溫度下流過該氣體單元；(g)運行該光源以便使發(fā)射的中IR光的波長反復地跨過旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的波長范圍；(h)運行該光學系統(tǒng)以便使所發(fā)射的中IR光穿過該氣體單元中的樣品氣體并被其衰減，并且以便使已衰減的中IR光傳到該光檢測器；(i)在多個離散數(shù)據(jù)點中的每一個處用該檢測器檢測被衰減的中IR光，每個數(shù)據(jù)點對應于一次波長跨越期間的具體波長；(j)根據(jù)該多個數(shù)據(jù)點構(gòu)建該旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的直接吸收光譜；以及(k)根據(jù)該直接吸收光譜確定該氣體分子種類的濃度。
[0026]上面列出的步驟(a)可以包括下列步驟:(al)提供一個能夠提供第一近IR光的第一二極管激光器，該近IR光包括在第一頻率范圍內(nèi)的第一頻率；(a2)提供一個能夠提供第二近IR光的第二二極管激光器，該第二近IR光包括在第二頻率范圍內(nèi)的第二頻率，其中，該第二近IR光的頻率可以在該第二頻率范圍內(nèi)調(diào)諧，其中，該第一和第二頻率范圍是這樣，使得該第一和第二頻率之間存在運算可得到的差的范圍，該范圍跨越(spans)該旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的頻率范圍；以及(a3)提供非線性晶體，可操作以接收這些第一和第二近IR光并產(chǎn)生該中IR光。在此類實例中，上面列出的步驟(g)可以包括下列步驟:(gl)將供應給該第二二極管激光器的驅(qū)動電流設置為零，以便消除該中IR光的發(fā)射；(g2)將將供應給該第二二極管激光器的驅(qū)動電流設置為對應于該中IR光的開始波長的非零值；以及(g3)改變供應給該第二二極管激光器的該驅(qū)動電流，這樣使得該中IR波長從該開始波長到一個結(jié)束波長連續(xù)地變化，其中，該開始波長和該結(jié)束波長跨越旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的該波長范圍。一些實施例可以包括一個進一步的步驟:(g4)改變供應給該第二二極管激光器的該驅(qū)動電流，這樣使得該中IR波長從該結(jié)束波長到該開始波長連續(xù)地變化。
[0027]上面列出的步驟(C)可以包括下列步驟:(Cl)提供隔熱外殼；(c2)在該隔熱外殼內(nèi)提供該光學系統(tǒng)的多個部件；(c3)在該隔熱外殼的孔徑內(nèi)提供熱電元件，用于將熱傳遞到該隔熱外殼中或者將熱傳遞到該隔熱外殼外；(c4)提供第一和第二散熱器和風扇組件，與該熱電元件熱接觸并分別被安置在該隔熱外殼外部和內(nèi)部；(c5)為溫度傳感器提供該隔熱外殼；以及(c6)提供溫度控制器電路，該溫度控制器電路與該溫度傳感器和該熱電元件處于電聯(lián)通，該溫度控制器電路基于從該溫度傳感器接收的電子信號為該熱電元件提供電流。在此類實例中，上面列出的步驟(e)可以包括下列步驟:(el)將該氣體單元定位在該隔熱外殼內(nèi)；以及(e2)使該溫度控制器將該隔熱外殼的內(nèi)部維持在該樣品氣體溫度。
[0028]在不同實例中，上面列出的步驟(d)可以包括下列步驟:(dl)在該氣體單元與該環(huán)境處于流體聯(lián)通的第一端設置樣品氣體引入端口 ；(d2)在該氣體單元的第二端設置樣品氣體引出端口 ；(d3)設置與該樣品氣體引出端口并與樣品氣體排出端口處于流體聯(lián)通的一個真空泵；(d4)設置與該氣體單元內(nèi)部處于流體聯(lián)通的壓強換能器；以及(d5)設置與該壓強換能器和該真空泵處于電聯(lián)通的壓強控制器電路，該壓強控制器電路使該真空泵的泵送率基于從該壓強換能器接收的電子信號而變化。在不同實例中，上面列出的步驟(j)可以包括下列步驟:(jl)確定對應于該光源無中IR光發(fā)射的一個空檢測器響應；(j2)從該多個數(shù)據(jù)點逐點減去該空檢測器響應；(j3)使用該旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的該波長范圍之外的該多個數(shù)據(jù)點的子集擬合一個模型多項式基線；以及(j4)從在每個相應數(shù)據(jù)點的波長處計算出的擬合多項式的值逐點減去該多個數(shù)據(jù)點中的每個的值。
[0029]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]從以下僅以舉例的方式并且參照不必按比例繪制的附圖所給出的說明中，本發(fā)明的以上所述的和各種其他方面將變得清楚，在附圖中:
[0031]圖1是根據(jù)本發(fā)明傳授內(nèi)容的氣體傳感器的一組外部視圖；
[0032]圖2是根據(jù)本發(fā)明傳授內(nèi)容的氣體傳感器的一個熱外殼和其他選定部件的視圖；
[0033]圖3是圖2的熱外殼內(nèi)的隔熱材料的視圖；
[0034]圖4A是根據(jù)本發(fā)明傳授內(nèi)容的用于控制一個熱外殼內(nèi)部的溫度并使其均勻的一個熱交換器組件的透視圖；
[0035]圖4B是圖4A的熱交換器的另一個透視圖，其中外殼被移除以顯示內(nèi)部部件；
[0036]圖4C是圖4A的熱交換器的另一個透視圖，其中一個上部部分被移除以顯示內(nèi)部部件；
[0037]圖5A是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的一個氣體傳感器內(nèi)部的光學通路的一種第一可替代配置的示意性圖解；
[0038]圖5B是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的一個氣體傳感器內(nèi)部的光學通路的一種第二可替代配置的示意性圖解；
[0039]圖5C是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的一個氣體傳感器內(nèi)部的光學通路的一種第三可替代配置的示意性圖解；
[0040]圖6是是根據(jù)依據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的不同實施例的用于產(chǎn)生中紅外光的激光源的詳細的示意性圖解；
[0041]圖7是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的方法的流程圖，用于設計一種用于目標氣體濃度的近紅外吸收測量的激光源；
[0042]圖8A和圖8B是根據(jù)本發(fā)明的傳授的內(nèi)容的不同實施例的用于差頻生成的一種晶體、濾光片、透鏡組件的示意性平面圖和正視圖；
[0043]圖9是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的用于氣體傳感器的氣體單元的一個正面入口的透視圖；
[0044]圖1OA是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的一個氣體傳感器內(nèi)部的樣品氣體流的一種第一可替代配置的示意性圖解；
[0045]圖1OB是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的一個氣體傳感器內(nèi)部的樣品氣體流的一種第二可替代配置的示意性圖解；
[0046]圖1lA是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的應用到氣體傳感器系統(tǒng)的光源的激光器的、示例性的重復的激光電流掃描波形圖的單個循環(huán)的曲線圖；
[0047]圖1IB是將圖1OA的電流掃描波形圖應用到該系統(tǒng)的一個光源的激光器時一個檢測器信號的一個示例的曲線圖，該信號可以由一個根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的氣體傳感器系統(tǒng)生成；
[0048]圖12A是使用根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容氣體傳感器系統(tǒng)從甲烷的檢測得到的檢測器信號的曲線圖；
[0049]圖12B是通過將基線擬合到圖1lA中所展示的檢測器信號數(shù)據(jù)以及將擬合的基線從其移除得到的甲烷的校正的信號的曲線圖，并進一步展示了波峰對該校正的信號的特征的擬合質(zhì)量；
[0050]圖13是一組展示了假想的由于壓強增寬導致的光譜改變的洛倫茲曲線；
[0051]圖14是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的用于進行測量中紅外氣體吸收的氣體傳感器的操作的方法的流程圖；
[0052]圖15是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的用于根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的氣體傳感器的系統(tǒng)檢查的方法的流程圖；以及
[0053]圖16是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的用于使用測量中紅外線氣體吸收的氣體傳感器獲取氣體濃度數(shù)據(jù)的方法的流程圖。
[0054]圖17是根據(jù)本傳授內(nèi)容的檢測和測量氣體分子種類濃度的方法的流程圖。
[0055]

【具體實施方式】
[0056]以下說明的提出是為了使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠進行和使用本發(fā)明，并且是在特定的應用及其要求的背景下提供的。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對所描述的實施例的各種修改將是顯而易見的，并且在此的一般原則可以應用到其他實施例。因此，本發(fā)明并非旨在局限于所示出的實施例和實例，而是要根據(jù)所示出和所描述的特征和原則而給予可能的最寬范圍。為了更為詳細地理解本發(fā)明的這些特征，請結(jié)合以下論述參照圖1至圖16。
[0057]系統(tǒng)配置
[0058]圖1是根據(jù)本發(fā)明傳授內(nèi)容的氣體傳感器的一組外部視圖，包括透視、前視和后視圖。所展示的氣體傳感器系統(tǒng)10包括一個底架12，該底架容納多個內(nèi)部電子器件，計算機部件，激光器，光學器件，一個氣體單元(測量單元)，一個真空泵，一個氣體流量計，多個用于溫度、壓強和氣體流動速率的傳感器，以及多個關(guān)聯(lián)的電子聯(lián)接和氣體管件互連。在外部，該系統(tǒng)可以提供一個用于指示儀器狀態(tài)或氣體濃度測量值的顯示窗口 14、一個電源按鈕18、一個電源指示燈16、一個交流功率電接頭端口 24、一個BNC插套30和一個冷卻風扇32。樣品或校準氣體是通過一個或多個氣體引入端口 26a、26b、26c、26d提供的，并且在穿過該系統(tǒng)之后通過一個氣體排出端口 27排出。一個內(nèi)部氣體歧管(未示出)可以從這些氣體引入端口 26a-26d中的一個或多個接收輸入樣品或氣體?？梢圆捎眠@個任選的BNC插套30輸出一個與氣體濃度成正比的模擬信號。此特征可以被用于使該系統(tǒng)10的輸出與更老的常規(guī)氣體傳感器兼容，這些氣體傳感器提供一個可以與一個數(shù)據(jù)記錄儀或一個條帶圖形記錄儀連接的模擬輸出。
[0059]該氣體傳感器系統(tǒng)10可以內(nèi)部地包括一個計算機系統(tǒng)的全部或大部分部件，比如一臺個人計算機或臺式計算機的內(nèi)部部件，包括具有一個微處理器的母板、高速緩沖存儲器、ROM存儲器、隨機存取存儲器(比如硬盤、光盤驅(qū)動或閃存)、操作系統(tǒng)、控制軟件等。相應地，系統(tǒng)10可以在其前面和后面板提供各種外部通信端口用于將信息發(fā)送給內(nèi)部計算機系統(tǒng)或從其接收信息。例如此類外部通信端口可以包括通用串行總線(USB)端口 20a、20b，用于將鍵盤、外部存儲裝置等與該系統(tǒng)連接；一個以太網(wǎng)端口 22，用于將該內(nèi)部計算機系統(tǒng)與一個外部網(wǎng)絡或其他計算機連接，和一個VGA端口 28，用于為使用者提供詳細的視覺信息顯示。
[0060]圖2展不了一個熱外殼40,該熱外殼被完全包圍在該底架12內(nèi)。該熱外殼40可以包括一個盒子，該盒子由(例如)各種片狀金屬板制作而成，這個盒子為被包圍在其中的各種光源部件、光學部件和氣體單元部件提供了一個溫度受控的環(huán)境。可以提供若干個溫度傳感器以對該氣體傳感器系統(tǒng)10的不同部分進行監(jiān)測。這些溫度傳感器中的若干個可以被設置在該熱外殼40的內(nèi)部并且可以包括在該熱外殼的內(nèi)部的該氣體單元中或上(下面進行說明)的兩個或更多個傳感器、至少一個用于監(jiān)測該熱外殼內(nèi)部的空氣溫度的傳感器、以及該熱外殼內(nèi)部的不同部件上的不同專用傳感器(下面進行更詳細的說明)。額外地，可以將一個或多個溫度傳感器定位在該熱外殼的外部。所有此類溫度傳感器都被監(jiān)測，并且另外，這些傳感器輸出中的一個(或多個)被用作對于該溫度控制器模塊52的反饋信號，該溫度控制器模塊控制并穩(wěn)定該熱外殼40的內(nèi)部溫度。該系統(tǒng)該包括不同的加熱(或冷卻)裝置，這些裝置對通過該溫度控制器模塊52或者通過專門用于局部控制該熱外殼內(nèi)的特定部件的溫度的各種溫度控制器提供的信號做出響應。在圖4中更詳細地展示的熱交換器模塊50包括一個用于控制該熱外殼40內(nèi)部的總體溫度的這種裝置。
[0061]總體上，獨立于外部溫度的波動將該氣體傳感器的這些光學核心部件保持在一個固定溫度由于若干原因而有助于提高該氣體傳感器的精確度和長期穩(wěn)定性。首先，如果氣體溫度發(fā)生變化，則氣體吸收譜線的形狀也變化。將該氣體元件和這種樣品氣體維持在一個恒定溫度消除了溫度誘發(fā)的譜線形狀變化，從而保證更精確和穩(wěn)定地對吸收數(shù)據(jù)進行擬合。第二，保持溫度恒定減少了與光學系統(tǒng)中非預期的或無意的光學標準具(etalons)或光學背反射關(guān)聯(lián)的問題。非預期的或無意的光學標準具可能是由于(有時是在分分開較寬的光學部件上的)光學表面的偶然平行導致的，從而導致了透射通過兩個表面的光的法布里-珀羅形狀的(作為波長的函數(shù))正弦干涉圖案。這種效應可能導致吸收數(shù)據(jù)明顯但虛構(gòu)的周期變化，并且這些變化可以與感興趣的真實吸收譜線相加或從其減去。由于氣體濃度與吸收譜線的大小成正比，所以這些標準可能導致氣體濃度不正確的測量。額外地，標準具可以隨著溫度移動或改變。結(jié)果是，時間相關(guān)的溫度變化可能被錯誤地解釋為氣體濃度的時間相關(guān)的變化。通過穩(wěn)定光學元件的溫度，這些標準具中溫度誘導的漂移被消除了，從而導致了更精確且隨著時間更穩(wěn)定的氣體濃度測量。
[0062]該熱外殼40的外部還可以作為用于各種其他部件的一個安裝平臺。例如，如圖2中所展示的系統(tǒng)包括一個印制電路板42，該印刷電路板可以充當該系統(tǒng)中用于將功率和信號路由到其他不同部件以及從這些其他不同部件路由的交換和信號調(diào)節(jié)板。分離的內(nèi)部系統(tǒng)計算機可以執(zhí)行信息處理和系統(tǒng)控制功能，這個分離的內(nèi)部系統(tǒng)計算機可以被容納在一個分尚的盒子(未不出)中，這個盒子被安置在于該底架內(nèi)部與該熱外殼40相鄰。板上內(nèi)部系統(tǒng)計算機可以包括一個主控制器板以及其他常用計算機部件。所展示的系統(tǒng)進一步包括一個光檢測器溫度控制器板44、一個使氣體在一個預定的減小的壓強下流過該傳感器系統(tǒng)的氣體單元部分的氣體真空泵或流量控制器46以及一個用于從進入的氣體中消除微粒的氣體過濾器48。不要求溫度受控的環(huán)境的各種其他標準部件可以被容納在該底架12內(nèi)但是在該熱外殼40外部或跨過該熱外殼。此類附加元件(為了清晰的目的沒有展示)可以包括一個電源模塊、多個計算機存儲裝置(比如硬盤驅(qū)動或ROM芯片存儲器)、計算機外設板(比如顯示控制器或外部通信板)、電子電纜和互連、一個氣體歧管和氣體管件的各種長度段?？梢栽谠摕嵬鈿?0的一個或多個外部表面上設置一個加熱帶和關(guān)聯(lián)的溫度傳感器(未示出)，以便控制監(jiān)測熱外殼外部的溫度。
[0063]—個部分地安置在該熱外殼40內(nèi)并部分地安置在該熱外殼外部的熱交換器模塊50安裝在該熱外殼盒子的一個部分。被用來將該熱外殼內(nèi)的內(nèi)部空氣溫度恒定在±0.1開爾文以內(nèi)的熱交換器模塊50由該溫度控制器電子模塊52控制，該溫度控制器電子模塊從附接到該熱外殼40內(nèi)的一個內(nèi)表面的一個熱敏電阻或熱電I禹接收內(nèi)部溫度信息。該熱外殼內(nèi)的緊密溫度控制由安置在該熱外殼內(nèi)的一種隔熱材料輔助，如圖3中所示，這種材料與該熱外殼的外部板直接鄰接。這種隔熱材料幫助維持該外殼的內(nèi)部與周圍熱隔離。這種絕熱材料可以(例如)包括一種形成不同板(比如泡沫板53a-53h)的合成的泡沫材料，這些泡沫板在前面、后面、頂部、底部和側(cè)面將內(nèi)部體積包圍在該熱外殼中(注意，在圖3中底部泡沫板是不可見的)。這種隔熱材料的一個頂部部分的一部分內(nèi)的一個切口 54與該熱外殼盒的一個配套的切口(未示出)使得該熱交換器50 —部分駐留在該熱外殼內(nèi)并且一部分駐留在該熱外殼外。雖然未示出，可以在該熱外殼盒和隔熱材料中提供一個或多個額外的切口以允許電線和攜帶氣體的導管(例如，通過附接到該熱外殼盒的饋電導孔或管接頭)進入該熱外殼。
[0064]圖4A到圖4C展示了與該氣體傳感器系統(tǒng)的剩余部分隔離的一個示例性熱交換器組件50的各種描繪。圖4A示出了該熱交換器組件50包括兩個分離的組件(如可商購的)，一個第一風扇和散熱器組件54a (在工作中被定位在該熱外殼的外部)以及一個第二(可能一樣的)風扇和散熱器組件54b (在工作中被定位在該熱外殼的內(nèi)部)。這些第一和第二風扇和散熱器組件被(例如)螺釘或其他緊固件附接到一個安裝板55。該安裝板55本身在最終的系統(tǒng)中類似地附接到該熱外殼盒。
[0065]該第一風扇和散熱器組件54a可以包括一個將該散熱器部分包圍的覆蓋物56a。同樣，該第二風扇和散熱器組件54b可以包括一個將其散熱器部分包圍的覆蓋物56b。這些覆蓋物輔助對由關(guān)聯(lián)的風扇在該散熱器部分上的工作所產(chǎn)生的氣流進行傳送，以便輔助各散熱器與流動的空氣之間的熱能交換。圖4B描繪了相同的熱交換器組件50，其中，這些覆蓋物被移除以便顯不該第一風扇58a、該第一散熱器60a、該第二風扇58b和該第二散熱器60bο圖4B還展不了一個被安置在該第一 54a和第二 54b風扇和散熱器組件之間的隔熱板53J0該隔熱板53j可以由一種合適的隔熱材料(比如合成泡沫)構(gòu)造而成，并用于部分地填充圖3所示的主隔熱材料的切口部分54。
[0066]圖4C描繪了相同的熱交換器組件50，其中整個第一風扇和散熱器組件54a和該安裝板被移除。圖4C展示了一個熱電冷卻器(TEC)組件62被維持在與這些第一和第二散熱器60a、60b之間并與其緊密熱接觸。例如，可以提供螺釘或其他緊固件以便固定該第一和第二散熱器60a、60b兩者，同時穿過該熱電冷卻器組件62的安裝凸緣中的穿通孔以便將該熱電冷卻器緊緊束縛在這兩個散熱器之間。眾所周知，施加流過熱電冷卻器的電流會造成熱量被從該熱電冷卻器的一個“冷側(cè)”抽到該熱電冷卻器的一個“熱側(cè)”。如果該“熱側(cè)”被暴露給一個維持在環(huán)境溫度的溫度存儲器，則該熱電冷卻器將用于冷卻與其“冷側(cè)”熱接觸的材料的目的。然而，如果該“冷側(cè)”被暴露給一個環(huán)境溫度熱存儲器，則該熱電冷卻器也可以同樣地充當一個加熱器，導致對于暴露給其“熱側(cè)”的材料的溫度上升到周圍環(huán)境以上?？梢酝ㄟ^簡單地顛倒流過該裝置的電流的極性將這些熱和冷側(cè)的位置顛倒。
[0067]在根據(jù)本發(fā)明的一個不例性氣體傳感器系統(tǒng)中，該熱外殼40 (圖2)內(nèi)的空氣體積被維持在一個高于周圍環(huán)境的恒定溫度。該溫度控制系統(tǒng)可以被配置成將運行環(huán)境的運行溫度維持在一個從約0°C到約70°C的范圍，其中溫度偏差為約+1°C或更少。在一個示例中，該運行溫度可以被維持在約10°C到約60°C之間、約20°C到約50°C之間、或約30°C到約40°C之間。示例性溫度偏差窗口可以包括運行溫度的±1°C、±0.5°C或±0.1°C。
[0068]在不同的其他典型運行情況下，該熱外殼溫度被設定在35°C -40°C范圍內(nèi)，并且該溫度被穩(wěn)定在目標溫度的±0.1°C以內(nèi)。從而，該熱電冷卻器62 (圖4C)被典型地運行，這樣使得面向該熱外殼的內(nèi)部的一側(cè)是“熱側(cè)”。諸位發(fā)明人已經(jīng)確定使該熱外殼的設定點溫度上升到典型的室溫(?20°C -25°C )以上有幾點優(yōu)勢。第一，當運行在加熱模式而不是冷卻模式時，該TEC元件更高效。第二，將這些光學器件保持在升高的溫度避免了發(fā)生在該熱外殼內(nèi)的光學元件上的水凝結(jié)問題(下面更詳細地討論了這些光學器件的詳情)。最后，如果該外殼的設定點溫度要被設定在環(huán)境溫度附近，則該TEC元件可能會不利地反復循環(huán)在加熱和冷卻狀態(tài)之間(當它行動以穩(wěn)定該外殼溫度時)。如果允許該TEC元件在這兩個運行狀態(tài)之間切換，可能會發(fā)生小的電毛刺、可能出現(xiàn)變動或其他波動，并且這些尖峰脈沖或波動可以傳播給系統(tǒng)中的其他元件(例如，該檢測器)。因為該傳感器系統(tǒng)被設計成用于特別精確地測量非常小的吸收特征，這種類型的任何電子波動可能導致測量的氣體濃度的明顯改變或毛刺，從而導致不精確的測量。
[0069]圖5A到圖5C根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容示意性地展示了氣體傳感器系統(tǒng)的可替代光學結(jié)構(gòu)的三個示例。不應以任何方式將這些示意圖解釋為限制性的，因為這三個示例性實施例中所示的各種特征可以被組合或省略，以便根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容產(chǎn)生其他實施例。例如，可能的實施例可以包括圖5A到圖5B中所展示的示例的各種組合、混合或另外修改的版本(缺少某些部件或者具有附加的部件)。圖5中所示的實施例中的每一個總體展示了一個激光室模塊70、一個光學室模塊72和一個氣體單元74。這組三個模塊總體被完全地包圍在該溫度受控的體積內(nèi)，該溫度受控的體積被該隔熱材料包圍(圖3)。
[0070]該激光室模塊70產(chǎn)生一種輸出光發(fā)射，該發(fā)射通過至少一個光導纖維或光纖纜(圖5A到圖5B中的纖維或纜線95，和圖5B中的纖維或纜線98a_98b)優(yōu)選地被引導到該光學室模塊72中。在不同實施例中，該激光室模塊70將相干的窄帶寬中IR光發(fā)射作為一個輸出生成，該發(fā)射的波長跨過目標氣體的一個或多個旋振帶是可調(diào)諧的。在不同的其他實施例中，該激光室模塊在近IR或短波長IR產(chǎn)生兩個復用的光發(fā)射，其波長被這樣配置以使得可以在該光學室模塊內(nèi)的一個光學上非線性的晶體中產(chǎn)生一束中IR光，這樣使得所產(chǎn)生的中IR光的波長跨過目標氣體的一個或多個旋旋振動帶是可調(diào)諧的。
[0071]該光學室模塊72接收來自該激光室模塊70的光發(fā)射，進行任何需要的對接收的光的調(diào)節(jié)和過濾，將接收的光引導到該氣體單元74內(nèi)(在這個氣體單元內(nèi)光被反射多次)，從該氣體單元接收被反射的光并將其引導到一個光檢測器。至少一個纖維光學器件饋送件250用來將光導纖維或纖維光纜(圖5A到圖5B中的纖維或纜線95和圖5C中的纖維或纜線98a-98b)引導到該光學室模塊中。該光導纖維或纜線將激光從該激光室模塊遞送到該光學室模塊中。在圖5A中所展示的實施例中，激光是具有波長λ 3的中IR光，并且因此在這個實施例中光纖優(yōu)選地是一種具有充足的中IR透射特征的專用光纖(比如氧族化合物玻璃纖維)。在圖5Β到圖5C中所示的實施例中，所遞送的激光是一束包括兩個波長λ I和入2的復用光，這些波長被聚焦到該光學室模塊72內(nèi)的一個非線性晶體84中以便生成具有一個第三波長λ 3的中IR光。該光學室模塊72內(nèi)的其他部件可以包括一個或多個轉(zhuǎn)向鏡91a、91b，一個控向(steering)反射鏡88，一個拾取(pick-off )反射鏡90，一個聚焦凹面鏡92和一個光探測器93。這些反射鏡中的每一個和這個檢測器可以與合適的安裝和定位硬件相關(guān)聯(lián)，以便將每個相應的部件對齊并且將該部件維持在其對齊的位置和取向中。該光學室模塊內(nèi)的光線路徑用帶箭頭的虛線表示。
[0072]該檢測器93可以包括一個光電二極管(比如基于砷化銦(InAs )、銻化銦(InSb)或碲鎘汞(MCT))，該光電二極管具有對中紅外輻射敏感的電子響應(作為光電流或者作為電壓)。因為此類檢測器的性能在低溫的時候提高，該檢測器可以被設置成包括一個內(nèi)部熱電冷卻器和一個內(nèi)部溫度傳感器(比如一個熱敏電阻器)的一種可商購的套件。這個套件還可以包括一個信號放大器。在一個示例中，MCT檢測器從該中IR光生成一個電流，并且該光電流被饋入一個將電流轉(zhuǎn)換成一個正比的電壓的跨阻抗放大器?？梢栽诓煌碾x散時間點(例如1024個點)將該電壓數(shù)字化。圖1lB (下面更詳細地討論)提供了這樣一個針對時間繪制的正比的電壓的示例。
[0073]在該檢測器套件中或上還可以包括多個電引線或弓I腳以便施加偏置電壓(或反向偏置電壓)以及測量一個信號電壓或電流。這個套件還可以包括一個窗口以用于保護光敏元件。這些電引線和與該檢測器的連接可以通過與一個多引腳電接頭(未示出)電聯(lián)接的內(nèi)部導線或纜線(未示出)來提供。分離的電饋送件(未示出)和關(guān)聯(lián)的導線(未示出)可以被用于提供與支撐在該晶體、濾光片和透鏡組件上的一個熱電冷卻器和溫度傳感器的電連接。
[0074]該氣體單元74在受控的減小的壓強和受控的溫度下通過一個氣體引入端口(在圖5中未示出)接收一種流動的樣品(或其他)氣體，將該流動的、壓強減小的氣體引導穿過一個氣體單元體積，這樣造成從該光學室接收的光多次穿過該氣體單元體積中的該氣體并且通過一個氣體引出端口(在圖5中未示出)將該氣體排出?？梢酝ㄟ^一個壓強換能器76以及至少一個第一氣體單元溫度傳感器78a (比如一個熱電偶或熱敏電阻器)對該氣體單元內(nèi)的壓強和溫度進行測量，該壓強傳感器和該氣體單元溫度傳感器都可以通過側(cè)端口接近該氣體單元的內(nèi)部?？梢缘挚吭摎怏w的一個管道部分248的一個外表面安裝一個第二溫度傳感器78b。該壓強換能器出于監(jiān)測和控制該氣體單元74內(nèi)的樣品氣體壓強的目的將一個信號發(fā)送到一個控制器或軟件部件或模塊。該氣體單元可以這樣運行使得其中的一種樣品氣體的壓強被維持在一個減小的壓強(50-300托或6.666kPa-39.997kPa)，通常是26.664kPa。
[0075]該氣體單元74可以包括能夠沿著一個規(guī)定的路徑將一束中紅外光引導穿過一種氣體的任何類型的氣體采樣單元，但是優(yōu)選地為赫里奧特單元，在赫里奧特單元中光在一對(在氣體流過的管道或管子74的對端)面對面的凹面鏡94a、94b之間被反射兩次或更多次。離光學室模塊72最近的反射鏡94a具有一個小孔(或者也可能是缺少反射鏡鍍層的一個小的表面部分)，這個小孔允許未衰減的光束從該光學室模塊進入該氣體單元，并且允許被衰減的光束返回到該光學室模塊。穿過該氣體單元的反射次數(shù)可以通過對控向反射鏡88的位置和取向的調(diào)整進行控制。優(yōu)選地，穿過該氣體單元的反射的數(shù)目是結(jié)合考慮一個或多個目標紅外吸收譜線的特定吸收率而確定的，這樣使得到達該檢測器的衰減的光束的光學功率在該檢測器的線性的和相對無噪聲的響應范圍以內(nèi)。
[0076]如圖5中所示,該氣體單元74可以包括一個包括一個管道248的赫里奧特單元，一個前端組件246和一個后端組件247被附接到該管道上。該氣體單元74的該后端組件247可以通過一個氣體引入端口 241接收該樣品氣體的一個輸入流，并且還容納該后部反射鏡94b。該前端組件246可以包括一個安裝支架以將該氣體單元74附接到光學室模塊72并且可以將該樣品氣體排出(在一些實施例中(例如，見圖10A)通過一個氣體引出端口242a)。在不同的其他實施例中(例如，見圖10B)，該氣體引出端口 242a可以是塞緊的，并且該前端組件可以直接將該樣品氣體排出進入該光學室模塊72。該前端組件246還可以容納內(nèi)部的前方反射鏡94a (該反射鏡使得來自該光學室模塊的激光能夠傳遞進入該氣體單元)、至少一次將來自該管道248的光反射回到該管道中，并且允許衰減的光返回該光學室模塊72。
[0077]在第一種示例性系統(tǒng)配置中(圖5A中所展示的)，該激光室模塊70包括分別在波長λ I和入2產(chǎn)生激光發(fā)射的兩個激光源81&、8113。優(yōu)選地，這些激光源包括多個激光二極管。當該第一激光器81a包括一個激光二極管時，則這個第一激光二極管與一個第一激光二極管電流驅(qū)動器模塊226a和一個第一熱電冷卻器驅(qū)動器模塊227a兩者電聯(lián)接。同樣，當該第二激光器81a包括一個激光二極管時，則這個第二激光二極管與一個第二激光二極管電流驅(qū)動器模塊226b和一個第二熱電冷卻器驅(qū)動器模塊227b兩者電聯(lián)接。這些熱電冷卻器驅(qū)動器模塊227a、227b中的每一個運行以對關(guān)聯(lián)的激光二極管的套件內(nèi)的溫度傳感器進行監(jiān)測，并且將電流驅(qū)動到該套件內(nèi)部的一個熱電冷卻器以穩(wěn)定該激光二極管溫度。這些激光發(fā)射(可以穿過光纖尾纖的短長度)被準直透鏡82a和82b發(fā)射到準直的自由空間光束中。這兩束光束被一個光束組合器(復用器)83組合以便將兩者在其電矢量的空間和取向兩者重疊。該復用器83可以是一個基于反射/透射的波長復用器，在該復用器中，一個激光源被透射通過一個二向光濾光片，同時另一個激光源被該濾光片反射。這些激光源和濾光片這樣取向，以便這兩個激光源在該復用器的輸出端口處組合成單光束。
[0078]這兩個激光源(現(xiàn)在已被組合為單光束)然后被透鏡86a聯(lián)接到該非線性晶體84中。該非線性晶體是這種類型使得通過兩個激光發(fā)射的電場的相互作用在該晶體內(nèi)產(chǎn)生具有一個第三波長λ 3的一個共傳播光。該非線性光學晶體84可被周期性極化，并被配置成用于對第一和第二激光束進行頻率轉(zhuǎn)換。例如，通過人為構(gòu)建材料域，該周期性極化的非線性光學晶體84可實現(xiàn)基頻光子及對應差頻光子的相位或準相位匹配。該周期性極化的非線性光學晶體84可包括大量的晶體材料中任何一種，比如，例如磷酸鈦氧鉀(ΚΤΡ)、鈮酸鋰(LN)、鉭酸鋰(LT)以及II1-V材料。根據(jù)一個實施例，該非線性光學晶體84為具有約1mm至約60mm范圍內(nèi)長度的周期性極化的鈮酸鋰(PPLN)結(jié)構(gòu)。
[0079]這兩個激光源81a、81b和非線性晶體84被這樣配置和運行使得波長λ 3與目標氣體的中IR光譜吸收特征(例如，由該氣體傳感器作為目標的特定化學種類的振動光譜中的一個強吸收譜線)一致。如下面進一步討論的，可以對波長λ 3進行調(diào)整以便通過(在一些實施例中)僅調(diào)諧這些源激光波長之一(λ I或者λ 2)周期性地掃過一個目標吸收譜線。在這樣的情況下，該復用器83對于的一個優(yōu)選的取向為使被調(diào)諧的波長(λ I或者λ 2)被該復用器的濾光片反射并且未調(diào)諧的激光源被透射穿過該濾光片。這種取向?qū)⒖赡軐е挛招盘柺д娌е卤粶y氣體濃度值的不精確的標準具效應。
[0080]在穿過該非線性晶體之后，使用一個吸收和/或反射性濾光片85，將這兩個激光源的殘光自中紅外光束移除。該濾光器85可以包括一個光帶通或邊緣濾光片85,其將波長λ 3的光透射，同時拒絕波長λ I的光和波長λ 2的光。在一些實施例中，該濾光片85可是一片拋光的鍺(具有或沒有介電涂層以增強λ I和λ 2的反射性)或者在一個或兩個面上具有介電涂層(以反射這兩個激光源波長并透射波長λ 3)的透射性光學基板。該濾光片85還可被制成楔形以進一步減小該濾光片的輸入光學面與輸出光學面之間的光學色偏。例如，該楔形可為從約3°到約5°。在圖5Α中所示的配置中，該激光室70的輸出是一束包括通過光導纖維(或光纜)95投送到該光學室72的波長λ 3的光。在這個具體示例中，光導纖維95可以是單?；蛘叨嗄?。圖5Α中所示的設計具有如下有利特性:通過簡單替換該激光室模塊，在該氣體傳感器可以被物理地配置成用于一種不同的目標氣體的意義上，該激光室模塊是完全可交換的。
[0081]仍然參照圖5Α，λ 3波長光被透鏡86b發(fā)射到一個光導纖維95中，并被該光導纖維95投送到該光學室模塊72的內(nèi)部，在該光學室模塊內(nèi)通過準直透鏡87將這束光發(fā)射到一個自由空間準直光束中。該控向反射鏡88引導該光束在一個合適的位置和角度通過一個中IR透明窗口 89并進入該氣體單元74,在該氣體單元中該光束通過被流過該氣體單元74的一種樣品(或校準)氣體對該光束一部分的光學吸收而衰減。衰減的λ 3波長光沿著一條路徑通過該窗口 89返回該光學室模塊72，該路徑與出射光束的路徑略微偏移(該出射光束是從該控向反射鏡跨越到該窗口的光束)。該略微偏移的衰減的光束通過一個撿取鏡90進一步與出射光束的路徑分離。在通過換向鏡91a的可能的額外反射之后，所返回的衰減的光束通過一個凹面鏡92聚集到一個光檢測器93上。該光檢測器可以是能夠響應中IR光的任意合適的檢測器，如眾所周知的碲鎘汞(MCT)檢測器。
[0082]圖5中所展示的第二示例性系統(tǒng)配置與圖5A中所示出的區(qū)別在于該非線性晶體84和(必要地)該光學帶通或邊緣濾光片85被從該激光室模塊70移到該光學室模塊72中。這種配置消除了對該激光室模塊內(nèi)的自由空間光束傳播區(qū)域的任何要求，從而從激光器81a發(fā)射的λ I波長的激光和從該激光器81b發(fā)射的λ 2波長的激光可以被一個光纖“尾纖”97a、97b的短長度透射到光纖的組合器或復用器96。該光纖的組合器或復用器96(可以與用于電信系統(tǒng)中的波分復用器類似)將兩種波長的光復用到該纖維光纜95以便遞送給該光腔模塊72。在這個示例中，期望該光學組合器或復用器96將具有平行偏振的光束組合，并且光線尾纖97a、97b和纖維光纜95都包括單模保偏光纖，因為這兩束激光都必須在進入非線性晶體84時被類似地偏振。雖然準直透鏡87a被展示為位于該光纖95的末端的外部的分離元件，它可以替代地包括一個在該光纖的末端被合并到一個組件中的透鏡，這樣使得該光纖和透鏡被一起集成為單個單元。
[0083]圖5C中展示的第三示例性系統(tǒng)配置與圖5B中所示出的區(qū)別在于這兩個激光發(fā)射(包括波長λ I和波長λ 2)完全沒有被組合在該激光室模塊70而是被相反地發(fā)射到分離的各自的單模保偏光纖98a、98b。這兩個光纖將這些分離的激光發(fā)射投送到該光學室模塊72中，然后分別被準直透鏡87a和準直透鏡87b轉(zhuǎn)換成準直的自由空間光束。使這兩個光束被光束組合器83在一個朝該非線性晶體84的路徑上的空間中疊加。這兩個光纖98a、98b應該這樣取向以便這些分離的激光發(fā)射的偏振在被該光束組合器83組合之后并在通過該非線性晶體84期間彼此平行。雖然準直透鏡87a、87b中的每一個被展示為位于其關(guān)聯(lián)的光纖的末端的外部的分離元件，這些透鏡中的任意一個或兩者可以替代地包括一個在該關(guān)聯(lián)的光纖的末端被合并到一個組件中的透鏡，這樣使得該光纖和透鏡被一起集成為單個單
J Li ο
[0084]圖5C中所展示的系統(tǒng)配置具有如下優(yōu)勢:光導纖維98a、98b中的每一個的纖芯直徑可以為通過它傳播的相應的波長的模大小進行優(yōu)化。這允許每個波長(波長λ I和波長入2)的光發(fā)射通過其相應的光纖傳播，而沒有光纖內(nèi)的衰減或該光纖內(nèi)的第二模的刺激造成的明顯破壞。這提供了一個進一步的潛在優(yōu)勢，即不需要激光室模塊70內(nèi)的波長λ3的光的自由空間傳播。
[0085]現(xiàn)在對該氣體傳感器中使用的光源的特性和特征進行討論。根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的氣體傳感器可以采用差頻生成(DFG)裝置，在該差頻生成裝置中，通過將兩個激光源在非線性晶體(比如周期性極化的鈮酸鋰(PPLN)晶體沖進行組合生成中紅外光。在一個眾所周知的方式中，在非線性晶體中會在兩個輸入激光頻率之間的一個差頻下產(chǎn)生相干光。描述這個過程的等式為:
[0086]f3=f1-f2,等式 2
[0087]其中，f1=輸入激光頻率#1，f2=輸入激光頻率#2，并且f3是DFG輸出頻率。等價地，按照激光波長的話:
I ^ 、
[0088]~ ~ 1T 等式 3a
H h λ2
[0089]其中，入丨和λ 2是兩個輸入激光波長,并且入3是0?6輸出波長。該等式可以被重新整理為
[0090]λ3 = I 1 ；； a 等式3b例如，對于甲烷檢測，兩個源激光波長近似為1053nm

I人2 —人I )
和1554nm，這些波長通過差頻生成在3.27微米左右產(chǎn)生中紅外光。
[0091]這兩個激光源可以是二極管激光器，二極管激光源具有的優(yōu)勢是作為可以通過溫度和電流調(diào)諧頻率的緊湊、高效、直接的發(fā)射器。二極管激光器具有幾點額外的特征，當被用在根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的氣體傳感器中時這些特征提供了多種優(yōu)勢。第一，二極管激光器在包括一個集成的光隔離器和一個集成的保偏(PM)光導纖維(所謂的“尾纖”)作為輸出的標準套件中能夠容易地獲得。如各種標準套件中設置的具有一個定位在該二極管激光發(fā)射器的輸出小面附近的光隔離器有助于保持二極管激光器的輸出強度和頻率穩(wěn)定并抵抗來自下游的光學表面的光學背反射造成的破壞。集成的PM光纖尾纖對于與下游光學部件的簡單聯(lián)接是有用的，尤其是在那些要求偏振保留的實施例中。第二，許多容易得到的激光器套件包括一個被定位為接近該二極管激光發(fā)射器以穩(wěn)定該激光器的輸出波長并將其變窄的波長選擇元件(例如，體積全息光柵，又名體積布拉格光柵)。可替代地，該二極管激光器可以被設置成一個分布式反饋(DFB)激光二極管，在該激光二極管中該裝置具有一個內(nèi)置式周期性結(jié)構(gòu)，該內(nèi)置式周期性結(jié)構(gòu)起作用以穩(wěn)定該激光器的輸出波長并將其變窄。可替代地，該二極管激光器可以是一個分布式布拉格反射器(DBR)激光二極管，由夾在兩個布拉格反射器結(jié)構(gòu)之間的激光二極管組成，在這種情況下，這些布拉格結(jié)構(gòu)也起作用穩(wěn)定該激光器的輸出波長并將其變窄。仍第三個優(yōu)勢是，該二極管激光器的發(fā)射波長可以在一定限度內(nèi)通過溫度或者電流控制簡單地調(diào)諧。
[0092]由于上面列出的優(yōu)勢，使用二極管激光器可以進行在一個3.0-4.8微米的典型中紅外波長范圍內(nèi)具有一個非常窄的線寬度(通常為2MHz)的可調(diào)諧的中IR光的差頻生成。如下面進一步討論的，可以通過對這些源激光波長中的一個進行調(diào)諧來實現(xiàn)對中IR激光源的調(diào)諧。3.0-4.8微米的波長區(qū)域?qū)τ跉怏w感應測量具有吸引力，因為感興趣的氣體的吸收強度在中IR中非常強，在比近紅外區(qū)域(?1-2微米)內(nèi)大10到10，000倍的數(shù)量級。如上述所產(chǎn)生的相干中IR光的特征可以是具有小于約1MHz的窄線寬度。在一個特定實施例中，該相干光束輸出的線寬度可小于約2-3MHZ，或者可替代地小于約1MHz。該相干光束的線寬度作為以下寬度給出，例如，以頻率表示的光譜的半最大全寬度(FWHM)。然而，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，該相干光的線寬度可以可替代地以波數(shù)或波長表達。差頻生成的中IR光的一些其他特征是:在30-60GHZ (或等價地，約1-2波數(shù))左右的頻率范圍上的快速可調(diào)諧性以及在3.0-4.8 μ m (微米)范圍內(nèi)的運行波長。
[0093]可以通過改變DFB或DBR激光二極管的溫度設定點對用差頻技術(shù)生成的中紅外光在波長進行調(diào)諧。改變激光二極管的溫度會導致其輸出波長偏移，這進而會在中IR激光波長中產(chǎn)生一個對應的偏移。激光二極管波長的這種溫度調(diào)諧允許中IR激光波長被微調(diào)到測量感興趣的吸收譜線所需要的準確波長。該激光二極管溫度被一個位于該激光二極管附近的熱敏電阻式溫度傳感器和一個上面安裝該激光二極管芯片的熱電冷卻器(TEC)元件監(jiān)測和控制。
[0094]額外地，可以通過僅將電流調(diào)制應用到這兩個源二極管激光器中的一個而對該中IR激光器波長進行快速調(diào)諧。該電流調(diào)制應用到的激光器可以被稱為“掃描激光器”。另一個激光器可以包括并可以被稱為波長穩(wěn)定型激光器。對二極管激光器的驅(qū)動電流進行調(diào)制產(chǎn)生對該激光器的輸出波長的對應調(diào)制，該調(diào)制如上所述是對中紅外線激光源的波長進行調(diào)制。這種類型的波長調(diào)諧是相當?shù)馗邘挼?，產(chǎn)生一個可以在高頻下掃描穿過多個吸收譜線的激光源。這些源激光器中的一個的這種電流調(diào)制所產(chǎn)生的中紅外光的通常調(diào)諧范圍為近似50GHz。
[0095]圖6是根據(jù)本發(fā)明傳授內(nèi)容的氣體傳感器的另一個光源的詳細圖解。參照圖6，提供激光源100是為了產(chǎn)生特征為在約4 μ m到約5 μ m的范圍中的波長λ 3的中紅外輻射或光。該激光源100包括一個第一激光器81a、一個第一光隔離器130a、一個第二激光器81b、一個第二光隔離器130b、一個復用器83、一種非線性光學晶體84 (被該復用器83光聯(lián)接到這些第一和第二光隔離器130a、130b)、以及一個從該非線性光學晶體84沿光學路徑下游的濾光片85。該第一激光器81a可以被配置成用于產(chǎn)生一個具有一個在約1500nm到約1650nm范圍內(nèi)的波長λ I的第一激光束,并且與一個第一光隔離器130a光聯(lián)接,該第一光隔離器繼而與該復用器83光聯(lián)接。在所代表的實施例中，該第一激光器81a、該第一光隔離器130a、和該復用器83被光導纖維120a光聯(lián)接。該第二激光器81b可以被配置成用于產(chǎn)生一個具有一個在約1120nm到約1200nm范圍內(nèi)的波長λ 2的第二激光束，并且與一個第二光隔離器130b光聯(lián)接，該第二光隔離器繼而與該復用器83光聯(lián)接。在所表示的實施例中，該第二激光器81b、該第二光隔離器130b、和該復用器83被光導纖維120b光聯(lián)接。該復用器83被配置成用于將這些第一和第二激光束組合以提供沿著一個共同光路被引導的組合的輻射的一個復用器輸出。例如，沿著該共同光路被引導的該復用器輸出可以通過將該復用器83配置成用于反射在波長λ I的第一激光束以及透射在波長λ 2的第二激光束而提供。該復用器83通過一個單光導纖維120c與該非線性光學晶體84光聯(lián)接，該單光導纖維可以進一步包括一個聚焦元件(未示出)。該非線性光學晶體84輸入沿著這些第一和第二激光束的該共同光路被引導的復用器輸出，并輸出一個相干光束，該光束包括在約4μπι到約5μπι的范圍內(nèi)一個波長λ 3處的一個基本的或主要的分量。該干涉光束繼而穿過該濾光片85以將在原始波長λ 1、λ 2處的光的多個部分移除并將特征為波長λ 3的干涉光的部分輸出。
[0096]該第一激光源100的第一激光器81a可為一個分布式反饋(DFB)激光器，其具有一種周期性地構(gòu)造為衍射光柵的激光增益介質(zhì)。DFB激光器內(nèi)增益介質(zhì)的周期性結(jié)構(gòu)構(gòu)成一維干涉光柵(布拉格散射)，這提供用于控制該第一激光器81a的光反饋。該DFB激光可在腔室的一端上具有一個抗反射涂層以及在腔室的相反端上具有一個高反射率涂層。替代性地，該DFB激光器可為一個相偏移DFB激光器，其具有被抗反射涂層所覆蓋的兩端并在腔室內(nèi)具有相位偏移，如在腔室中心的單一的四分之一波偏移或者分布在該腔室內(nèi)的多個較小的偏移。
[0097]在一個實施例中，該第一激光器81a可以是一個具有一種活性介質(zhì)的二極管激光器，該激活介質(zhì)由作為p-n結(jié)摻雜的半導體材料形成。在另一個實施例中，該第一激光器81a可以是一個光纖激光器(0FL)，在該光纖激光器中，增益介質(zhì)是一種摻雜有稀土元素(比如鉺、鐿、釹、鏑、鐠、和錢)的光導纖維。
[0098]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該第一激光器81a可以被配置成用于產(chǎn)生一個具有一個在約1500nm到約1650nm范圍內(nèi)的波長λ I的第一激光束。在更特定的實施例中，該第一激光器81a可以被配置成用于在約1500nm到約1600nm范圍內(nèi)的波長λ 1、在約1550nm到約1650nm范圍內(nèi)的波長λ 1、在約1550nm到約1600nm范圍內(nèi)的波長λ 1、和/或在約1550nm的波長λ I下產(chǎn)生輻射(B卩，發(fā)出激光)。
[0099]在一個實施例中，該激光源100的該第二激光器81b可以是一個量子點式半導體激光器。量子點式激光器是在其發(fā)光區(qū)域內(nèi)結(jié)合有作為活性增益介質(zhì)的量子點層的多種半導體激光器。由于電荷載流子在三維中的緊密限制，量子點展現(xiàn)出了類似于原子的電子結(jié)構(gòu)，其中，可以通過控制量子點維度或量子點材料構(gòu)成對能級進行調(diào)整。
[0100]一種示例性量子點激光器可以是具有一個1170nm左右的自由激射波長的一個亞瓦特級別的高度應變的InGaAs/GaAs，但是能夠在一個從約1147nm到約1197nm的波長范圍內(nèi)被調(diào)諧。該量子點激光器可以進一步包括一個用于穩(wěn)定該激光波長和將輸出窄化為單模運行的外腔全息光柵。
[0101 ] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該第二激光器81b可以被配置成用于產(chǎn)生一個具有一個在約1120nm到約1200nm范圍內(nèi)的波長λ 2的第二激光束。在更特定的實施例中，該第二激光器81b可以被配置成用于在約1120nm到約1180nm范圍內(nèi)的波長λ 2、在約1150nm到約1200nm范圍內(nèi)的波長λ 2、在約1150nm到約1180nm范圍內(nèi)的波長λ 2、和/或在約1170nm的波長λ 2下產(chǎn)生輻射(即，發(fā)出激光)。
[0102]根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的實施例，該激光源100的該第一激光器81a和/或該第二激光器81b可以是可調(diào)諧的，其中，可以一種受控的方式在可能的波長的范圍上對運行的波長進行改變或調(diào)整。該激光器81a和/或81b的可調(diào)諧性可以通過單個譜線、窄譜線、或多頻帶調(diào)諧實現(xiàn)。根據(jù)一個實施例，該第一激光器81a可以是可調(diào)諧的，同時該第二激光器81b在一個外腔構(gòu)型中進一步包括一個外部波長選擇元件。根據(jù)另一個實施例，該第二激光器81b是可調(diào)諧的，同時該第一激光器81a在一個外腔構(gòu)型中進一步包括一個外部波長選擇元件。根據(jù)又另一個實施例，這些第一和第二激光器81a、81b都是可調(diào)諧的。在一個特定實施例中，可以通過對于二極管激光器在固定結(jié)溫度下調(diào)諧電流或者通過在固定溫度下調(diào)諧激光器驅(qū)動電流實現(xiàn)可調(diào)諧性。
[0103]這些激光器81a、81b被激光器控制電子器件115控制，這些激光器控制電子器件可以被配置成用于如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所了解地提供調(diào)諧能力。這些激光器81a、81b可以被安裝在蝴蝶狀的套件中，這些套件本身被安裝到一個電路板105。每個蝴蝶狀的套件包括以單側(cè)的或雙側(cè)的結(jié)構(gòu)安裝的多個弓I腳。
[0104]根據(jù)一個實施例，該第一光隔離器130a是在該第一激光器81a與該復用器83之間的該第一光路中，并且該第二光隔離器130b是在該第二激光器81b與該復用器83之間的該第二光路中。該第一激光源100的該第一激光器81a可以與該第一光隔離器130a光聯(lián)接，并且該激光源100的該第二激光器81b可以與該第二光隔離器130b光聯(lián)接。這些光隔離器130a、130b是僅在某個方向透射光同時在相反的方向阻斷光前行(單向透射)的光學部件。這些光隔離器130a、130b的單向透射能力阻礙不想要的反饋進入各激光器81a、81b的增益介質(zhì)，否則可能會擾動該激光器的頻率和/或幅值輸出。光隔離器130a、130b可為偏振相關(guān)或偏振無關(guān)的。根據(jù)一個實施例，該第一光隔離器130a被優(yōu)化以用于在以約λ I為中心的光譜區(qū)中運行，和/或該第二光隔離器130b被優(yōu)化以用于在以約λ 2為中心的光譜區(qū)中運行。在另一個實施例中，兩個光隔離的激光器的輸出都被優(yōu)化以便直到注入該非線性光學(變頻)晶體中的點為止類似地在偏振狀態(tài)上對齊。
[0105]根據(jù)一個實施例，該第一光隔離器130a與該第一激光器81a的一個發(fā)射孔徑以盡可能近的接近程度光聯(lián)接。例如，到該第一光隔離器130a的一個輸入131a可以與該第一激光器81a的一個輸出聯(lián)接器Illa的一個外部面緊密聯(lián)接到幾毫米以內(nèi)。例如，以一個約0.0lmm到約5mm的距離Cl1，以一個約0.05mm到約2.5mm的距離，或者，以一個約0.1mm到約2mm的距離。根據(jù)另一個實施例，該第二光隔離器130b還可以與該第二激光器81b的一個發(fā)射孔徑以盡可能近的接近程度光聯(lián)接。例如，到該第二光隔離器130b的一個輸入131b可以與來自該第二激光器81b的一個輸出聯(lián)接器Illb的一個外部面緊密聯(lián)接到幾毫米以內(nèi)。例如，以一個約0.0lmm到約5mm的距離d2，以一個約0.05mm到約2.5mm的距離，或者，以一個約0.1mm到約2_的距離。該輸出聯(lián)接器Illa被配置成用于傳輸來自該第一激光器81a的增益介質(zhì)的循環(huán)腔內(nèi)式光學功率的一部分，以便在波長λ I處以第一激光束的形式產(chǎn)生一個有用輸出。該輸出聯(lián)接器Illb被配置成用于傳輸來自第二激光器81b的增益介質(zhì)的循環(huán)腔內(nèi)式光學功率的一部分，以便在波長λ 2處以第二激光束的形式產(chǎn)生一個有用輸出。
[0106]在這些個體激光器81a、81b中的每一個中，應該在個體的隔離的輸出的光纖耦合之前，以與這些激光器的增益介質(zhì)81a、81b盡可能近的接近程度來實現(xiàn)至少30分貝(dB)的光隔離。較近的接近程度減小了激光器81a、81b輸出頻率的激光模跳躍和/或不穩(wěn)定性的可能性。具體地，需要較高的光隔離以防止反饋從下游的源進入該激光源，包括纖維成像光學器件、纖維端、非線性光學晶體準直光學器件、以及變頻非線性光學晶體面和本體介質(zhì)自身。
[0107]當存在時，一個外部波長選擇元件(未示出)可以較近的接近程度與其相應的光隔離器光聯(lián)接。相應地，一種外腔構(gòu)型中的波長選擇元件可以在一個約0.1mm到約5mm范圍內(nèi)的距離與其相應的光隔離器光聯(lián)接。例如，該波長選擇元件可以在一個約0.2到約3_的距離，或在一個約0.25mm到2mm的距離光聯(lián)接。在一個實施例中，第二激光器81b在該外腔構(gòu)型中包括一個外部波長選擇元件，該外部波長選擇元件在一個相對于該第二光隔離器130b的外表面約0.1mm到約5mm范圍內(nèi)的一個距離與該第二光隔離器130b的外部表面聯(lián)接。
[0108]該復用器83可以分別通過第一和第二保偏光導纖維120a和120b與這些第一和第二光隔離器130a、130b聯(lián)接以提供相對于與非線性光學晶體84關(guān)聯(lián)的有利的軸進行偏振的復用器輸出。進一步地，在另一個實施例中，該復用器83使用一個第三保偏光導纖維120c與該非線性光學晶體84光聯(lián)接。
[0109]之前描述的由溫度控制系統(tǒng)提供的熱外殼的溫度穩(wěn)定作用運行以減小激光器的頻率偏移以及在轉(zhuǎn)換后的波長(λ 3)中維持恒定功率水平。溫度穩(wěn)定還有助于減小控制這些個體激光器溫度和驅(qū)動電流的各種控制電子器件中的串擾。溫度穩(wěn)定還有助于將變頻晶體保持在加熱或者冷卻模式中，減小了控制電路在兩個模式之間切換的間隔。
[0110]在根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的不同典型實施例中，激光器81a、81b和非線性晶體84的運行溫度本身(從局部意義上講)獨立于該熱外殼的溫度控制地被控制和被穩(wěn)定。例如，可以獨立于所有其他受控溫度來控制每個激光二極管的溫度，以便既調(diào)諧也穩(wěn)定此激光器發(fā)射的光的波長。作為另一個例子，可以獨立于其他受控溫度對非線性晶體84的晶體溫度進行控制，以進行這三個波長的高效相位匹配。如隨后描述的，該非線性晶體可以被安裝在一個專用底座上，該底座包括一個散熱器、一個熱電溫度控制器以及一個溫度傳感器。在類似的方式中，可以將每個激光二極管安置在其自己的相似的專用溫度控制底座裝置上。然而，可商購的二極管激光器通常在集成套件中是可獲得的，這些集成套件包括其自己的內(nèi)部溫度控制裝置和溫度感知元件。專用的電子邏輯電路可以與每個這樣的溫度受控的部件關(guān)聯(lián)，以便接收一個表示該部件的溫度的信號，并給該部件的溫度控制元件提供控制信號(電壓或電流)以便將感知的溫度與各自設定點溫度的偏差最小化。每一組專用電子邏輯電路可以與該系統(tǒng)計算機聯(lián)通或可以被其控制。這些激光器、晶體和可能的其他部件中的每個的溫度控制僅局部地影響每個各自部件的各自的瞬時環(huán)境。這些受控的部件溫度對該熱外殼整體體積的獨立受控的溫度幾乎沒有可測量的影響。
[0111]圖7是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的方法200的流程圖，用于設計一種用于目標氣體濃度的近紅外線吸收測量的激光源。在步驟201中，首先標識了一組候選中IR吸收譜線。任何此類候選譜線都應該具有一個合適的比吸收率值?！昂线m的”比吸收率值是指當光通過在一個含有期望的目標氣體濃度的氣體單元內(nèi)的一個可用的路徑長度時產(chǎn)生百分比光衰減的比吸收率值，這個光衰減足夠大以便在所檢測的光強中產(chǎn)生一個可測量的下沉(dip)，但是不會大到以至于將所檢測的光的量減小到零。合理的經(jīng)驗法則是，吸收的激光的百分比應該在約20%到80%范圍內(nèi)。該氣體單元74內(nèi)可用的路徑長度近似為由2nL給定的一組值，其中，L是鏡間距離，η是I和約30之間的一個整數(shù)，代表穿過該單元的往返的次數(shù)。候選的中IR吸收譜線在波長(或等價地，頻率或波數(shù))上還應該被充分地從其他氣體(尤其是水蒸汽)的吸收特征去除，這樣使得這些候選目標譜線與潛在干擾特征之間沒有明顯的重疊。
[0112]一旦在方法200的步驟201中對候選吸收譜線進行了鑒定，下一步驟(步驟203)是要鑒定(a) —個波長穩(wěn)定的激光器、(b) —個掃描激光器和(C) 一種非線性晶體的適當組合，它們組合起來能夠生成可以在這些候選吸收譜線中的一個或多個上被掃描的DFG波長。總體上，這些候選吸收譜線的子集將在這一點被消除，因為適當?shù)挠布慕M合(兩個激光器和一種晶體)可能不是可得到的。如果從二極管激光器中選擇兩個激光器，則對于每種類型的二極管激光器，幾種不同的標定發(fā)射波長可能是可獲得的。進一步地，在正常操作期間大多數(shù)二極管激光器的發(fā)射波長可以在某個范圍內(nèi)調(diào)整或調(diào)諧。可以或者通過調(diào)整激光器溫度或者驅(qū)動電流實現(xiàn)調(diào)諧。步驟203的目標是選擇激光器和非線性晶體的組合，這樣使得可以掃描這些激光器中的一個(掃描激光器)的波長，該掃描激光器的發(fā)射被輸入到該晶體，這樣使得該晶體產(chǎn)生的差頻生成的中IR波長完全掃過或跨過一個候選吸收譜線。掃描也應當足夠地寬以便包括足夠?qū)挼倪吔绮ㄩL部分(在該吸收譜線部分的任意一側(cè)并且與其鄰近)，這些邊界波長部分被從該吸收譜線中心充分地移除，這樣使得可以計算出一個可靠的“基線”(參見下面的進一步討論)。例如，如果％是吸收譜線特征的半波長(即，半最大全寬)，每個邊界或基線波長部分應該包括一個從該譜線中心移開至少2wh的區(qū)域。
[0113]一旦鑒定了這些激光器和晶體，在步驟205中就提供一個使用已鑒定的波長穩(wěn)定的激光器、掃描激光器和非線性晶體的氣體傳感器系統(tǒng)，以便產(chǎn)生中IR波長。在步驟207中，激光器運行溫度和驅(qū)動電流被這樣設置使得差頻生成的發(fā)射波長被從吸收譜線的最大吸收波長移開某個預定的波長增量。該預定的波長差(相對于一個做為目標的吸收譜線的吸收最大值)充當掃過該吸收譜線(并且可能跨過其他吸收譜線)的后續(xù)波長的一個開始部分并且包括一個如上所述的界限或基線部分。預定波長差的選擇保證了 DFG波長可以僅被掃描激光器的電流驅(qū)動的掃描在一個或多個吸收譜線上掃過。
[0114]使用類似于上述的方法，諸位發(fā)明人已經(jīng)鑒定了對于CH4的檢測近似3200-3400nm和對于C0、N20和CO2的檢測4200-4700nm的波長范圍。為了產(chǎn)生對于檢測CH4有用的中IR光，分別可以采用在100-1lOOnm和1500_1600nm范圍內(nèi)發(fā)射的第一和第二激光器。為了產(chǎn)生對于檢測CO或N2O有用的中IR光，分別可以采用在IlOO-1lOOnm和1500_1600nm范圍內(nèi)發(fā)射的第一和第二激光器。具體地，CO光譜在從近似4570nm到4650nm的范圍內(nèi)包括近似5-10個旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線，這些譜線對于這一種類的測量(單獨地或者組合地)是有用的。在另一個示例，N2O光譜在從近似4510nm到4555nm的范圍內(nèi)包括近似10個旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線，這些譜線對于這一種類的測量(單獨地或者組合地)是有用的。
[0115]圖8A和圖SB分別是根據(jù)本發(fā)明的傳授的內(nèi)容的不同實施例的一種晶體、濾光片和透鏡組件252的示意性平面圖和正視圖?？梢圆捎媒M件252將該非線性晶體84、激光濾片85和一個聚焦透鏡87a關(guān)于彼此并關(guān)于該光學室模塊72內(nèi)的該光導纖維95保持在精確的位置。如所展示的，組件252包括一個安裝板或平臺260，該安裝板或平臺支撐一個非線性晶體84、一個激光譜線拒光濾光片85和一個準直透鏡87b。在一個晶體固定器裝置262內(nèi)部被保持就位的該非線性晶體84也充當用于使得晶體的溫度均勻和將晶體的溫度波動最小化的熱學散熱器。該晶體固定器裝置262被固定為與一個熱電溫度控制裝置264熱接觸，該熱電溫度控制裝置能夠?qū)⒃摼w固定器262和非線性晶體維持在一個預定溫度。該晶體固定器262可以包括一個頂部構(gòu)件266和一個底部構(gòu)件267,這些構(gòu)件一起將該晶體84在其間夾持就位。該晶體固定器、晶體、熱電溫度控制裝置和安裝板或平臺可以被緊固件(比如螺釘)固定為緊密熱接觸。優(yōu)選地，該晶體固定器裝置262 (包括該頂部構(gòu)件266個底部構(gòu)件267)由一種具有高熱導率的材料(比如銅)制成。
[0116]該激光譜線拒光濾光片85 (圖8A到圖8B)被安置在相對于從該晶體84出來的光束的路徑的一個角度上，以便將波長λ I和λ 2的光從該光路反射離開，同時透射差頻生成的波長λ3的光。該濾光片的兩個面優(yōu)選地彼此不平行(即，該濾光片略微楔形或橫截面被制成楔形)以消除標準具干擾效應或使其最小化。在穿過該濾光片85之后，光λ 3光束被透鏡87b準直以準備用于跨過該氣體單元74。
[0117]該晶體、濾光片和透鏡組件252還可以為遞送激光室模塊中生成的復用激光的光導纖維或纖維光纜95提供支撐和對準。該安裝板或平臺260上的一個支架269用于將該纖維95和聚焦透鏡87a固定在相對于該非線性晶體的一個合適的光學位置，以便該激光可以完全沿著該非線性晶體84的整個長度傳播。該安裝板或平臺260為圖8A到圖SB中所示的各種光學部件提供相對彼此的正確定位和對準。
[0118]圖9是該氣體單元74的前端組件246的一部分的透視圖，示出了安置在一個安裝凸緣99中的一個前方反射鏡94a。來自該光學室模塊72的中IR光和被引導回到該光學室模塊的衰減的中IR光都穿過該前方反射鏡94a的一小部分274。例如，該反射鏡94a可以包括一個中IR透明基板，該透鏡基板在一個面上具有一個反射鏡鍍層。那一面的一小部分可能沒有反射鏡鍍層，由此允許光通過該未鍍層的部分并通過該基板的一部分進入和離開該氣體單元?？商娲?，該光可以穿過一個孔，該孔完全通過該反射鏡94a。這樣的孔還會允許流動的樣品氣體從該氣體單元穿過該前方反射鏡排出。
[0119]圖1OA到圖1OB是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的一個氣體傳感器內(nèi)部的用于樣品氣體流的兩種可替代裝置配置和方法的示意性圖解。圖1OA到圖1OB中的每一個以示意的方式展示了一個氣體單元74和一個光學室模塊72。雖然圖1OA到圖1OB中所示的光學部件安排與圖5B中所展示的類似，光學器件的安排不需要如這些圖中所示，但是可替代地可以包括如圖5A到圖5C中任意一個所示的光學安排或者可以包括此類光學安排的任意組合、混合或其他修改。
[0120]在圖1OA中所展示的系統(tǒng)配置中，一個窗口 89被安置在該光學室模塊72內(nèi)部與該氣體單元74內(nèi)部之間，由此防止了該光學室模塊和該氣體單元之間的氣體聯(lián)通。該窗口89可以附加在該氣體室模塊的外殼的一個壁或該光學室模塊的一個外殼的一個壁。在系統(tǒng)的組裝期間，可以用一種惰性氣體(例如，氮氣)沖洗該光學室然后密封。從而，在圖1OA中所示的配置中，該氣體單元74和該光學室模塊72與彼此流體地隔離。相應地，樣品氣體在到達該光學室模塊之前通過該氣體單元的前端組件246的一個氣體引出端口 242a排出到排氣管件(未示出)。該排氣管件可以在其對端與一個真空泵連接，該真空泵的運行將樣品氣體維持在一個受控的減小的壓強。使用此類配置，該光學室模塊的內(nèi)部可以被維持為一個密封的環(huán)境，以便防止精密光學元件被灰塵或其他微粒或腐蝕性氣體污染或降級。
[0121]如圖1OA中所展示的，該第一氣流構(gòu)型適合許多目的。然而諸位發(fā)明人發(fā)現(xiàn)某種分析物氣體(比如，甲烷(ch4)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2))的測量準確度可以由該光學系統(tǒng)中的材料將相同的相應化學種類放氣而受損。可以用在該光學室中并且可以有助于放氣的常見材料包括:機加工過的裸鋁、機加工且陽極化的鋁、銅、不銹鋼螺釘和墊圈、環(huán)氧樹月旨、電路板、導線和纜線、潤滑劑和潤滑脂。諸位發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，在使用密封的光學室的情況下，這些氣體的濃度會增加。逐漸地，些背景干擾氣體的累積可能促使將不希望的且顯著的背景信號增加至來自于流過氣體單元的樣品氣體的吸收信號。而該氣體單兀74中的樣品氣體總體被維持在一個受控的低于周圍的壓強,該光學室模塊72中的相同種類的污染氣體將基本在環(huán)境(例如，大氣)壓強。因為中IR吸收譜線的譜線寬度在這些壓強范圍內(nèi)對壓強高度敏感，環(huán)境壓強種類的存在將會導致較寬的背景吸收特征，該特征與目標吸收譜線的位置重疊并且隨著時間的推移增加。
[0122]提供圖1OB中的系統(tǒng)配置是為了解決潛在的來自排氣種類的干擾問題。在圖1OB中所示的氣流配置中，該氣體單元74和該光學室模塊72的內(nèi)部體積沒有與彼此隔離。相反，這兩個體積流體地連接，并且樣品氣體流過該氣體單元并進入該光學室中。然后樣品氣體通過一個設置為穿過該光學室模塊的一個壁的氣體引出端口 242b離開該光學室，該氣體引出端口在其對端與該真空泵連接。因此，使用圖1OB中所示的系統(tǒng)配置，光學室模塊內(nèi)部被維持在與該氣體單元的內(nèi)部相同的壓強，并且駐留在該光學室模塊的光學通道中的氣體被該樣品氣體連續(xù)地沖出。從而，光學室中的材料釋出的任何背景干擾氣體都不會累積。相反，這些背景氣體被流動的氣體樣品沖出該光學室。相應地，這些干擾氣體沒有導致背景吸收信號的累積。
[0123]運行模式
[0124]爭取紅外透射率的高靈敏度測定的其他常規(guī)的基于激光器的系統(tǒng)采用了頻率調(diào)制光譜法(FMS)。在FMS技術(shù)中，激光的發(fā)射頻率被跨過吸收特征調(diào)制，并且產(chǎn)生的信號以傅里葉級數(shù)擴展。擴展的系數(shù)被表示為諧波。偶次諧波分別展示一個最大值，并且奇次諧波分別展示在一個吸收譜線的中心的零點交叉。除了樣品氣體單元之外，還采用了一個參考氣體單元。該參考氣體單元包含感興趣的目標氣體的一個樣品。激光譜線到感興趣的吸收特征的譜線中心的譜線鎖定是通過監(jiān)測透射過該參考單元中的氣體的光的信號的三次諧波完成的。因此，這種技術(shù)需在采樣腔之前將激光束分離。
[0125]雖然FMS技術(shù)可以提高靈敏度，它會造成一些實際的困難。如所提到的，要求一個參考單元。額外地，可能需要將包括本質(zhì)上沒有目標分析物氣體的純化的氣體的“零”氣體偶爾地沖過該樣品單元，以便確定不存在感興趣的吸收特征時系統(tǒng)的基線響應。靈敏度通常受可歸因于系統(tǒng)的光學器件的干擾圖案的限制。消除干擾圖案的不同方法包括機械途徑、專門的調(diào)制波形、專門的調(diào)制頻率、多重調(diào)制頻率。靈敏度可能還受限于激光強度的波動，以及(更重要地)第二諧波信號的背景水平。為了將這些波動考慮在內(nèi)，可能要求第二檢測器和額外的光路。
[0126]為了克服與提供參考氣體、零氣體、額外的單元、額外的光學器件和額外的檢測器關(guān)聯(lián)的額外費用、復雜性、空間和材料要求，諸位發(fā)明人開發(fā)了一種采用直接中IR吸收測量的方法和系統(tǒng)。該方法包括跨過一種目標氣體的吸收特征反復地掃描差頻生成的光的波長。圖1lA是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的應用到氣體傳感器系統(tǒng)的光源的一個激光器的、示例性的循環(huán)的激光電流掃描波形圖的單個循環(huán)的曲線圖。圖1lB是將圖1OA的電流掃描波形圖應用到該系統(tǒng)的光源的一個激光器時可以生成的一個檢測器信號的一個示例的曲線圖。通常，這種循環(huán)的驅(qū)動電流只會被施加到一個激光器，因為可以通過改變激光器之一使差頻生成的中IR波長變化。代表激光驅(qū)動電流相對于時間的循環(huán)波形300包括一個第一部分301a,在該第一部分中，沒有向該激光器施加電流，相應地，該激光器不發(fā)光。該循環(huán)波形300還包括一個第二斜坡部分301b，在該第二斜坡部分中，激光器驅(qū)動電流通過控制電子器件從一個初始較低值線性地增加到一個較大結(jié)束值。可替代地，該激光器驅(qū)動電流在該斜坡部分可以從一個初始相對較大的值降低到一個較低的結(jié)束值。如仍在另一個替代方案中，該驅(qū)動電流可以先向上斜然后(隨后)向下斜，以形成一個“鋸齒”圖案。其他的變化時可能的。該波形可以一定頻率(例如，200-300HZ)應用。
[0127]驅(qū)動電流被調(diào)制的激光器的發(fā)射波長(或者λ I或者λ 2)和差頻生成的波長(λ 3)與該驅(qū)動電流一齊變化。相應地，圖1lB的水平軸不僅代表循環(huán)應用期間的時間還代表驅(qū)動電流變斜的時間期間的波長(或可替代地，頻率)。波長在增加的激光器電流(和時間)的方向增大。因此，該曲線圖從較高的光學頻率(在時間=0)前進到一個較低的頻率。從而在這個周期中測量的檢測器信號(電壓或電流，取決于檢測器的類型和運行模式)的曲線圖302代表如任何樣品氣體吸收或其他損失或隨機“噪聲”的疊加所修改的λ 3發(fā)射強度的記錄。在波形300的每次重復中，該檢測器信號在多個離散時間點(例如，1024個時間點)被數(shù)字化。
[0128]在驅(qū)動電流周期301a的沒有施加驅(qū)動電流的這部分期間將不會存在激光發(fā)射。假設該檢測器是光電導類型，在這些時間期間該檢測器信號回復到一個非零背景電壓V#e。該背景電壓可以根據(jù)該檢測器信號302的多個區(qū)段303a確定。在周期301b的驅(qū)動電流傾斜的這部分期間，使光源的發(fā)射波長和輸出功率兩者都變化，從而產(chǎn)生檢測器信號的曲線圖的總體傾斜的區(qū)段303b。當任何氣體中IR吸收特征都不存在時，在該驅(qū)動電流周期的傾斜的部分301b期間獲得的檢測器信號的曲線圖將會跟隨總體傾斜的“基線”308的趨勢(為了表現(xiàn)的清晰，在圖1lB的兩端都以外推的延伸示出)。隨著變化(如通過任何系統(tǒng)損失而不是通過氣體吸收改變的)的波長(當驅(qū)動電流傾斜時)，基線的趨勢跟隨激光發(fā)射功率的變化。系統(tǒng)損耗可能與多種因素相關(guān)，比如任何透鏡和濾光片的透射效率、散射或雜散光損失和標準具效應，其中有一些可能是與波長有關(guān)的。
[0129]基線308中的所有或部分彎曲可能是由標準具效應導致的。為了減小標準具效應，該光束通道中的各種光學元件可以被制成楔形(例如，圖5、圖6和圖8中所示的激光譜線拒光濾光片85)或者可以是傾斜的或者以另外的方式以對于該光束傳播(例如，纖維端小面、各種透鏡等)的一個角度成角度。雖然可以減小這種標準具效應，總體來說不可能將其完全消除。雖然如此，可以通過將一個多項式函數(shù)對彎曲的基線進行擬合來移除任何剩余的標準具效益，前提是這些標準具效應比較穩(wěn)定，即不隨時間的推移而變化。如之前所述的，溫度穩(wěn)定化可以穩(wěn)定殘留的標準具效應，由此保證多項式基線擬合以及因此后續(xù)的波峰擬合的穩(wěn)定性。出于這個原因，提供了隔熱的熱外殼系統(tǒng)40 (圖2和圖3)和熱交換器系統(tǒng)(圖4)以便將所有的光學部件熱隔離并且將其溫度穩(wěn)定到0.1K以內(nèi)。
[0130]曲線圖302代表來自一個信號波長掃描的假設的信號，可以在激光器電流從低到高(或從高到低)的單掃描中得到。對應于任何單掃描的檢測器信號可以包括一個重要的隨機“噪聲”度，比如該檢測器中生成的電子或熱噪聲。在實際中，在幾次連續(xù)的掃描中得到的信號被共加和(co-added)，以便對噪聲中的隨機波動進行平均，并由此提高信噪比特性。目前可獲得的二極管激光器能夠在非常高的重復率下被電流調(diào)制。作為在本發(fā)明的傳授內(nèi)容中有用的一個示例，圖1lA中所示的驅(qū)動電流圖案可以一個200-300HZ的頻率重復，從而每秒產(chǎn)生曲線圖302的200-300個樣本。當這些被共加和時，可以產(chǎn)生(比如如12A中所示的)一個所得到的干凈的信號。
[0131]曲線圖302(圖11B)包括檢測器信號中的兩個假設的特征304和306，這些特征對應于一種或多種氣體的各自的紅外吸收譜線。此類吸收譜線在檢測器信號相對于波長的曲線中在基線308的下方作為下降出現(xiàn)。如果空信號的恒定值Vws(Vtjffsrt)被從曲線圖區(qū)段303b上每個點的縱坐標逐點減去，然后會產(chǎn)生一組點，這組點的縱坐標AV代表檢測器對受檢光的響應加上可以通過共加和而降低的噪聲成分。該基線308可以被建模為一個多項式，該多項式擬合遠離吸收特征304、306的點。同樣，空信號的值Vws可以通過對區(qū)域303a中的值做平均而確定。讓基線縱坐標值和在吸收特征的波長的Vws之間的差用AVtl表示，并且讓實際信號值(衰減的信號)和在相同波長Vws的之間的差用Λ Vp表示(見圖11Β)。
[0132]量AVtl (如上面定義的)代表對將在吸收特征不存在時觀察到的光的檢測器響應，并且從而避免了運行一個“空的”或“零氣體”參考樣品的需要。量△ Vtl代表對實際的衰減的光的檢測器響應。相應地，通過儀器校準可以在比例(AVP/AV0)和透射率t之間建立一種關(guān)系，其中，t如在比爾-朗伯定律中所定義的:

I
I D ~~/? / N
[0133]t = ^~ = e等式3其中，Ici是輸入到樣品氣體的光的強度或功率，Ip是
1
透射穿過該氣體時的光的強度或功率，σ是每個粒子的吸收截面，I是穿過樣品的路徑長度，并且N是每單位體積的吸收性粒子的數(shù)目。總體上講，真實的是
7P _avP
[0134]— = 0() +0\-—- 等式4其中，常數(shù)Btl和B1可以通過儀器校準使用(例如)
；0Δ? O
已知濃度的校準氣體來確定。因為路徑長度I由實驗設計設定，且量σ從參考數(shù)據(jù)中可獲得，所以可以計算出在實驗壓強下的量N。如果希望，可以使用理想氣體定律將后者的量對環(huán)境壓強進行校正。即使不準確地知道σ，但是可以精確地監(jiān)測目標氣體的濃度的時間上的變化。
[0135]上面描述的計算通常在共加和的數(shù)據(jù)上執(zhí)行，以便改進信噪比。圖12Α是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容使用氣體傳感器系統(tǒng)從甲烷的檢測得到的檢測器信號的曲線圖310。圖12Β的上部部分是甲烷的校正的信號的曲線圖312，該曲線圖是通過減去空信號，將一個多項式基線對數(shù)據(jù)擬合并將擬合的基線從原始檢測器信號數(shù)據(jù)中移除而得到的。用在pl、p2和Ρ3表示的位置處的分離的部分分辨的吸收特征代表的三重吸收特征來自甲烷吸收，左側(cè)的單吸收譜線來自水。在移除基線之后，圖12Β的上部部分中所示的所有吸收特征可以用一組洛倫茲或佛依格特(Voigt)模型特征曲線進行建模。在圖12B的下部部分中實際擬合的殘留部分以高度擴展的縱向比例示為曲線314。然后匹配的特征曲線可以被用于計算上面討論的量(AV1ZAVci)和(Λ Ιρ/Λ ItlX然后可以通過內(nèi)部系統(tǒng)計算機和軟件使用等式3自動計算甲烷和水濃度并展示給使用者。
[0136]上面涉及數(shù)據(jù)歸約的討論隱含地假設:吸收特征是充分良好分辨的(相對于相同或其他種類的吸收特征)從而是可測量的，這些特征可以被毫無歧義地指定給特定氣體種類，這些特征可以被跨過其寬度充分地掃描以便能夠進行充分的基線擬合和光譜特征曲線擬合，并且這些吸收特征在其位置和形狀方面是可再現(xiàn)的。紅外吸收譜線僅可以在絕對零壓強和絕對零溫度下得到其近似15MHz的理論最小譜線寬度。在有限溫度和有限環(huán)境壓強和低于周圍的壓強下，氣體的實際IR光譜的譜線寬度正比于絕對溫度的平方根并直接正比于壓強P而拓寬。旋轉(zhuǎn)分辨式的譜線在298K的固有線寬(B卩，不存在明顯的壓強寬化時多普勒拓寬的線寬)可以取決于感興趣的種類的分子量從幾十MHz到幾百MHz變化。疊加于該固有線寬之上，壓強寬化可以為近似幾兆赫每托。譜線中心位置的漂移也可以隨著壓強和溫度的變化而發(fā)生，但是此類漂移的效果遠小于寬化的效果。
[0137]由于上述注意到的線寬的溫度和壓強依賴性，可能要求樣品氣體溫度和壓強的嚴格控制以防止用于計算光吸收強度的模型峰值擬合的計算中讓人難以接受的高度不確定性。圖13中所示的計算結(jié)果展示了吸收特征曲線對壓強的靈敏度，其中，在不同壓強示出了由兩個相鄰吸收譜線所導致的透射率光譜包絡(envelope)。這些計算(其結(jié)果在圖13中展示)假定了兩個假設性譜線的存在，這些假設性譜線間隔開1000MHz的、300MHz的固有(SP，多普勒拓寬的)線寬度，并且它們的線寬度(半最大全寬或FWHM)都以速率2.6MHz/托增力口。這些多普勒拓寬的線寬度Λ ω與甲烷(16Da的質(zhì)量m)的吸收譜線一致，將近3.17nm(約94.6THz的頻率ω )，根據(jù)下列等式在313° K的溫度T計算的
Λ ΛΙ I /ιγ\?/2
[0138]-= — 2In 2- ο 等式 5 線寬拓寬速率 2.6MHz/托與 Predo1-Cross 等
m c\ m j
人(《分子光譜學雜志)，2006年，第236期，201-205頁)提供的若干甲烷中IR譜線的實驗測得的壓強拓寬系數(shù)的平均值一致。從而，圖13中所展示的假設性光譜提供了一個當樣品氣體(本質(zhì)上包括空氣加甲烷)的壓強改變時預計緊密間隔的甲烷中IR譜線的包絡會怎樣改變的示例。使用在零壓強的限制下預計將會發(fā)生的分量高斯線計算圖13中所示的最高的曲線。其他的曲線使用偽佛依格特特征曲線(具有相同的FWHM值的高斯曲線和洛倫茲曲線的平均值)計算。
[0139]圖13的下面的三個框中的曲線316和317代表壓強拓寬的分量線特征曲線，曲線318代表計算為這兩個分量特征曲線之和的光譜帶或包絡。不同光譜包絡的基線(100%透射)作為水平線319示出。頂部框中的分量譜線特征曲線(極限壓強為零)與包絡難以分辨，并且因此沒有示出。圖13中所展示的光譜吸收包絡示出當壓強從OkPa上升到39.997kPa時線分辨率的快速喪失。在53.329kPa的壓強(未示出)，在這兩條譜線的位置之間該包絡基本上是平的(在所展示的比例)。同樣要注意的是譜線中心位置隨著壓強有一個較小的偏移。在甲烷的情況下，該偏移比壓強拓寬小一個數(shù)量級并且因此在圖13的描繪中被忽略。
[0140]在本示例中(圖13)，壓強拓寬是這樣，使得FWHM線寬變得與在39.997kPa的壓強下的譜線分離近似相等。從而，在這個壓強，(例如)曲線316的幅值或峰面積的峰擬合計算，當干擾峰317存在時，可能不具有期望的0.1%精度。隨著增大的壓強，譜線增寬速率甚至可以比圖13中的曲線所顯示得更快，因為譜線形狀的洛倫茲特性程度可以隨著壓強增大。洛倫茲特性的增加可能導致峰翼超過實驗探測到的光譜范圍的邊緣，從而同樣增加基線擬合的不確定性。相應地，樣品氣體壓強應該被維持在或低于一個壓強，在這個壓強下期望的波峰FWHM等于平均譜線寬度，(在所展示的情況下)低于近似39.997kPa。
[0141]在增大的壓強下分辨率的損失表明了希望維持低樣品氣體壓強。然而，出現(xiàn)了為最適壓強提供下限的額外的考慮。第一個考慮是，為了維持最大的儀器便攜性和最小重量，真空泵不應該太大。因此，在真空泵送能力與系統(tǒng)大小和重量之間必須實現(xiàn)折中。出于以下情況出現(xiàn)了第二個考慮:實際上，氣體單元中的吸收性分子的數(shù)量將會隨著減小的壓強而降低，從而導致吸收包絡318在零壓強與基線319合并，并且從而將可用信號熄滅。(要注意的是，在圖13中光譜包絡的縱刻度被標準化，以便看起來高度相同)。因此，樣品氣體壓強必須被維持在某個最小壓強以上，例如，在一個13.332kPa以上的壓強。由于所表示的線譜幅度、線譜形狀和線譜寬度對這個范圍內(nèi)的壓強的靈敏度，該壓強應該被維持在一個恒定壓強(優(yōu)選地一托(133.3Pa)以內(nèi))。
[0142]圖14是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的用于進行測量中紅外線氣體吸收的氣體傳感器的操作的方法的流程圖。在一個第一步驟中(步驟321)，分配了足夠的時間以允許激光器、檢測器、非線性晶體、氣體單元和隔熱外殼的溫度穩(wěn)定，以及(可能地)，以允許充分地沖洗氣體單元并且允許其壓強穩(wěn)定。在下一步驟(步驟322)中可以進行系統(tǒng)檢查操作(例如，見圖15)。如果步驟323中確定系統(tǒng)檢查導致錯誤，則可能需要終止啟動程序(步驟324)。如果沒有錯誤，則在一個可選步驟(步驟325 )中，可以通過在一個具體的專用氣體弓I入端口打開一個閥將一種校準或參考氣體引入該系統(tǒng)以便在后續(xù)步驟中的檢測。如果目標氣體在周圍環(huán)境中是可得到的以便由該氣體傳感器容易地檢測或鑒定，則這個步驟可以忽略。在下一步驟(步驟326)中，通過使用用于控制一個激光驅(qū)動電流的默認波形來掃描DFG發(fā)射波長，可以進行初始的或初步的數(shù)據(jù)收集步驟。該初始數(shù)據(jù)收集步驟是通過該驅(qū)動電流掃描來保證期望的吸收特征存在并被正確地定位在該光譜窗口內(nèi)的一個勘測步驟。在步驟327中，對所收集的數(shù)據(jù)的吸收特征進行鑒定。該步驟可以包括各種數(shù)據(jù)歸約或操縱過程，比如光譜共加和、基線校正或曲線擬合。該步驟還可以包括自動檢測吸收特征的存在及其位置。在后續(xù)的決定步驟(步驟328)中，將鑒定的波峰的所確定的位置與預定的期望的位置進行比較。如果吸收特征不在一定的容差內(nèi)發(fā)生在期望的位置，則方法320分支到步驟329，在該步驟中，以一種方式對激光器電流特征曲線進行調(diào)整以便在該光譜特性曲線內(nèi)將所鑒定的吸收特征帶到期望的位置?？蛇x地，該方法可以返回到步驟326以驗證調(diào)整成功。如果在步驟327中觀察到的波峰的確在容差范圍內(nèi)發(fā)生在期望的位置，則步驟320結(jié)束。
[0143]圖15是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容用于監(jiān)測測量中紅外氣體吸收的氣體傳感器方法的流程圖。圖15中示意性展示的方法340包括若干測量、比較和決定步驟，即步驟342、344、346、348、350、352、354、356、358和360。在這些步驟中，對該系統(tǒng)內(nèi)的不同傳感器的讀數(shù)進行詢問，并將每個相應的讀數(shù)與標定的或期望的值進行比較，其中比較的結(jié)果被用作給一個關(guān)于接下來執(zhí)行哪個步驟的決定的輸入。例如，對系統(tǒng)溫度(系統(tǒng)T)、樣品氣體溫度(氣體T)和樣品氣體壓強(氣體P)進行測量并將其與各自的標定或期望值分別在步驟342、步驟344和步驟346進行比較。該系統(tǒng)溫度可以由一個隔熱光學室模塊內(nèi)的一個或多個熱電偶或熱敏電阻器測量。該樣品氣體壓強可以由一個壓強傳感器測量，該壓強傳感器與一個氣體單元內(nèi)部處于流體聯(lián)通。進一步地，可以分別在步驟348和步驟350對該第一激光二極管芯片的溫度(激光器1T)和從該激光二極管芯片發(fā)射的光的功率或強度(激光器I功率)進行測量并將其與標定的或期望的值進行比較。該溫度和功率可由一個板上溫度傳感器和光檢測器進行感知，該溫度傳感器和光檢測器作為包含該激光二極管芯片的一個集成套件的一部分被包括。同樣，可以分別在步驟352和步驟354對該第二激光二極管芯片的溫度(激光器2T)和從該第二激光二極管芯片發(fā)射的光的功率或強度(激光器2功率)進行測量并將其與標定的或期望的值進行比較。
[0144]在方法340的步驟356、步驟358和步驟360中，可以對用于通過差頻生成提供光的非線性晶體的溫度(晶體O、光檢測器的溫度(檢測器T)和一個檢測器空信號進行測量并將其與各自的標定或期望的值進行比較。可以用(例如)包括在一個熱電冷卻器或熱電溫度控制器模塊的一個溫度傳感器提供晶體溫度，該晶體與該熱電冷卻器或熱電溫度控制器模塊熱接觸。該檢測器溫度可以由一個溫度傳感器提供，該溫度傳感器作為一個集成的檢測器套件的一個冷卻部分被包括。
[0145]在方法340的之前討論的步驟中，如果在之前執(zhí)行的測量、比較和決定步驟中，相關(guān)的測量值被確定為與一個標定或期望值或值的范圍不一致，可以提出或設置一個計算機可讀的存儲器“標志”。例如，如果在測量、比較和決定步驟(步驟342)中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)溫度與標定溫度值或溫度范圍不一致，則執(zhí)行過程分支到步驟343，在該步驟中提出或設置了一個“系統(tǒng)T”標志。否則，執(zhí)行過程繼續(xù)到下一測量、比較和決定步驟(步驟344)。同樣，在步驟345、步驟347、步驟349、步驟351、步驟353、步驟355、步驟357、步驟359和步驟361中的一個或多個中可以提出或設置多個特定標志。每個這種標志可以包括一個計算機可讀的信號或存儲器值(比如一個信號線電壓或一個存儲器位值)，該計算機可讀的信號或存儲器值傳達關(guān)于特定的相應的傳感器測量的信息。設置一個標志以后，執(zhí)行過程可以分支到步驟362，在該步驟中，可以提出警告并且該方法結(jié)束。
[0146]要注意的是圖15中的方法340中列出的步驟不需要在所示出的序列中執(zhí)行，并且實際上根本不需要順序地執(zhí)行。例如，步驟342、344、346、348、350、352、354、356、358和360的一個或多個組可以由多個專用電路、處理器、固件模塊或軟件模塊并行執(zhí)行(或許同時地)。每一個這種步驟可以包括多個反饋和控制機制(或許通過專用電路、處理器、固件模塊或軟件模塊執(zhí)行)作為正?？刂葡到y(tǒng)的一部分。在這種情況下，關(guān)聯(lián)的“標志”步驟(即，步驟343、345、347、349、351、353、355、357、359和361中的一個)可以僅在標定控制(例如，溫度、壓強、或信號水平的一定標定范圍內(nèi)的成功控制)失敗時執(zhí)行。
[0147]圖16是根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容用于使用測量中紅外氣體吸收的氣體傳感器獲取氣體濃度數(shù)據(jù)的方法380的流程圖。在第一步(步驟382)中，可以進行系統(tǒng)檢查(比如圖15中所示的方法340)以確定系統(tǒng)是否準備好或能夠獲取數(shù)據(jù)。在步驟384對系統(tǒng)檢查的結(jié)果進行評估，如果提出任何警告或標志(從而指示可能的錯誤或問題)這將執(zhí)行過程分支到步驟386。步驟386可以再執(zhí)行下列動作中的一個或多個:提出一個進一步的警告、為實體(比如一個人)提供出錯通知或者終止測量。如果沒有錯誤或問題，則執(zhí)行步驟388，其中(例如)本文件中之前描述的方法需要一個直接測量的吸收光譜。在步驟390中，最近獲得的光譜被加和到之前的光譜的運行中的和中，即光譜被共加和多次(N)以便改進信噪比。(相應地，執(zhí)行過程可能循環(huán)回到步驟388N-1次。)
[0148]一旦在在步驟388和390中得到光譜數(shù)據(jù)，在步驟392中鑒定吸收特征。如果已知某些光譜特征將一直(比如，由樣品的性質(zhì))存在并且它們將會一直在光譜數(shù)據(jù)內(nèi)的某些位置出現(xiàn)(比如，通過已知的系統(tǒng)溫度、氣體壓強、激光溫度、激光功率和非線性溫度的成功穩(wěn)定)，則可以跳過該步驟。否則，如果沒有跳過步驟392，則它優(yōu)選地自動地或以自動的方式執(zhí)行(如由自動分析光譜數(shù)據(jù)以確定峰的存在性及其數(shù)量和位置(如果存在)的軟件)。在步驟394中，確定了光譜基線是否足夠強(例如，通過達到其整個跨度內(nèi)的某個強度閾值)。無法達到這樣一個閾值可以表明系統(tǒng)光學器件沒有對準，這樣使得沒有足夠的光達到該檢測器或(可能地)檢測器本身的故障。從而，如果基線不是足夠強，則執(zhí)行過程分支到出錯步驟386。否則，執(zhí)行過程前進到步驟396，在該步驟中確定了所觀察到的光譜特征是否如預期的。在這個意義上，期望的是特定數(shù)目的峰將會存在并且將會出現(xiàn)在該光譜內(nèi)的一定位置。如果不是這種情況，則該激光器波長可能已經(jīng)漂移出范圍之外并且可能有必要進行重校準，從而導致分支到該出錯步驟386。
[0149]在步驟398中，使用從峰位置充分移開(例如，兩個或三個峰半寬)的數(shù)據(jù)中的點對基線進行了多項式的擬合。在步驟400中，將合成的擬合的基線從該數(shù)據(jù)移除以便生成基線校正的數(shù)據(jù)，如通過將多項式函數(shù)從原始數(shù)據(jù)簡單地逐點減去。在步驟402中，使用(例如)基線校正的數(shù)據(jù)對合成的洛倫茲或佛依格特特征曲線的最小二乘法擬合來計算對觀察到的光譜特征的合成擬合。在步驟404中，基于在步驟402中計算出來的合成特征曲線的面積來計算IR吸收值(以及對應的目標氣體種類的濃度)。在步驟406中，例如通過將當前氣體種類濃度顯示在一個顯示屏上或?qū)⒏鞣N數(shù)據(jù)和結(jié)果存儲到一個文件而將結(jié)果報告或存儲。通常，可以連續(xù)重復整個方法380 (可能一秒鐘很多次)，以便提供相對于時間連續(xù)的目標氣體濃度以(例如)通過等式I計算豎直通量。
[0150]圖17用于是檢測和測量氣體分子種類濃度的方法500的流程圖。可以在從一種環(huán)境中得到的氣體樣品中對分子種類進行測量，這種環(huán)境(比如室外環(huán)境或可能地室內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境)具有其自己的周圍壓強或溫度。在步驟502中，提供了一個中IR光源。所提供的中IR光源應該具有的特性是:可以造成從該光源發(fā)射的光的波長跨(或掃)過目標氣體分子種類的旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的波長范圍。所提供的光源可以包括兩個(或更多個)二極管激光器，這些二極管激光器發(fā)射不同于近IR光譜區(qū)域內(nèi)的波長(或等價地，頻率)的光。例如，該步驟可以包括如下步驟:提供一個能夠提供一個第一近IR光的二極管激光器，該第一近IR光具有一個在第一頻率范圍內(nèi)的第一頻率；提供一個能夠提供一個第二近IR光的第二二極管激光器，該第二近IR光具有一個在第二頻率范圍內(nèi)的第二頻率，以及提供一個可操作以接收這些第一和第二近IR光并生成中IR光的非線性晶體，其中，可以在該第二頻率范圍內(nèi)對該第二近IR光的頻率進行調(diào)諧，并且其中，這些第一和第二頻率范圍是這樣，使得這些第一和第二頻率之間存在一個運行性地可獲得的差的范圍，該范圍跨越旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的一個頻率范圍。
[0151]在方法500的步驟504中，提供了一個氣體單元。在步驟506中，提供了一個溫度穩(wěn)定的光學系統(tǒng)以引導中IR光進入并穿過該氣體單元，并且隨后在離開該氣體單元之后到達一個光檢測器。作為不例之一，該溫度穩(wěn)定的光學系統(tǒng)可以包括一個隔熱外殼；該隔熱外殼內(nèi)的光學系統(tǒng)的多個部件；一個在該隔熱外殼內(nèi)或者該外殼的一個孔徑內(nèi)的加熱器或加熱器，該加熱器用于為該隔熱外殼提供熱量或者將熱量傳遞到該隔熱外殼中或從中傳遞出來；帶有該隔熱外殼的一個溫度傳感器；以及與該溫度傳感器和該熱電元件處于電聯(lián)通的溫度控制器電路，該溫度控制器電路基于從該溫度傳感器接收的電子信號給該熱電元件提供電流。如之前所描述的，該熱交換器在該隔熱外殼的一個孔徑中可以包括一個熱電元件以及(可能地)一個第一和一個第二散熱器和風扇組件，這些散熱器和風扇組件與該熱電兀件熱接觸并且分別被安置在該隔熱外殼的外部和內(nèi)部。
[0152]在方法500的步驟508中，提供一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于將流過在一個小于周圍壓強的壓強下的氣體單元的一種樣品氣體的壓強穩(wěn)定到一托(I托或133.3Pa)以內(nèi)。作為示例之一，所提供的系統(tǒng)可以包括一個樣品氣體引入端口，在該氣體單元的與環(huán)境處于流體聯(lián)通的一個第一端；一個樣品氣體引出端口，在該氣體單元的一個第二端；與該樣品氣體引出端口并與一個樣品氣體排出端口處于流體聯(lián)通的真空泵；一個與該氣體單元的內(nèi)部處于流體連接的壓強換能器；以及與該壓強換能器和該真空泵處于電聯(lián)通的壓強控制器電路，該壓強控制器電路可操作以造成該真空泵的泵送速率基于從該壓強換能器接收的電子信號而變化?？商娲?，該壓強控制器電路可以與一個流體控制器(比如，一個可變的氣體計量閥)處于電聯(lián)通以控制經(jīng)過該氣體單元的流動速率以及從而控制該氣體單元內(nèi)的壓強。
[0153]在方法500的步驟510中，提供了一種用于將流過樣品氣體單元的樣品氣體的高于周圍的溫度穩(wěn)定在一度開爾文(IK)以內(nèi)的系統(tǒng)。該步驟可以包括(例如)如下步驟:在該隔熱外殼中提供該氣體單元；以及使該溫度控制器將該隔熱外殼的內(nèi)部維持在樣品氣體溫度。
[0154]在方法500的步驟512中，使包含感興趣的氣體分子種類的氣體樣品在低于周圍的樣品氣體壓強和高于環(huán)境的樣品氣體溫度流過該氣體單元。當該氣體樣品以這種方式流過時，操作該中IR光源(步驟514)，這樣使得中IR光的波長反復地掃過旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的波長范圍。步驟514可以包括反復執(zhí)行的以下子步驟:設置該光源的一個運行參數(shù)以便消除從該光源的中IR光的發(fā)射；設置該運行參數(shù)以便引起該光源發(fā)射包括一個起始波長的光；以及改變該運行參數(shù)以便引起所發(fā)射的中IR光波長從該開始波長到一個結(jié)束波長連續(xù)地變化，其中該開始波長和該結(jié)束波長跨越旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的波長范圍。可選地，可以增加一個第四子步驟，這個稍后的子步驟包括改變該運行參數(shù)以便使所發(fā)射的中IR光波長從該結(jié)束波長連續(xù)地變化回該開始波長。明顯地，這個子步驟順序的許多其他變化或增加是可行的。在方法500的步驟516中，運行該光學系統(tǒng)以便使該發(fā)射的中IR光穿過該氣體單元中的樣品氣體并被其衰減，并且以便使衰減的中IR光傳到該光檢測器。當該氣體樣品流過該氣體單元(步驟512)并且當該波長被掃描過(或被導致跨越)該吸收譜線(步驟514)時執(zhí)行這個步驟。
[0155]在該方法500的步驟518中，在多個離散的數(shù)據(jù)點中的每一個用該檢測器對衰減的中IR光進行檢測，每個這種數(shù)據(jù)點對應于跨過該吸收譜線進行波長掃描期間(步驟514)、當該氣體樣品流過該氣體單元(步驟512)時以及當該中IR光穿過該氣體單元中的氣體樣品并被其衰減時(步驟516)相應的波長。步驟518造成比如圖1lB中所示的光譜的反復生成，每個這種光譜包括該多個數(shù)據(jù)點，例如多對由下列各項組成的數(shù)字:在單個波長掃描或跨過感興趣的吸收譜線期間生成的一個代表時間的數(shù)字和一個代表在那個相應時間的檢測器信號的數(shù)字。每一次反復掃描期間得到的光譜可以加起來(即，共加和)以便生成一個具有改進的信噪比特性的結(jié)果光譜。
[0156]在隨后的步驟520中，用該多個數(shù)據(jù)點構(gòu)建吸收譜線的直接吸收光譜。步驟520可以包括下列子步驟:確定對應于無中IR光發(fā)射的一個空檢測器響應(例如，圖1lB中的量Vws);從該多個數(shù)據(jù)點逐點減去該空檢測器響應；用一個或多個旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的波長范圍之外的該多個數(shù)據(jù)點的一個子集來擬合一個模型多項式基線(例如，圖1lB中的線308);并且從在每個相應數(shù)據(jù)點的波長處計算的擬合的多項式的值逐點減去該多個數(shù)據(jù)點中的每一個的值?？梢允褂霉布雍偷臄?shù)據(jù)如圖12A中所示地執(zhí)行這些子步驟。結(jié)果是一個包括如圖12B中所展示的直接吸收譜線的校正的檢測器信號。最后，在步驟522中，根據(jù)直接吸收光譜確定氣體分子種類的濃度。這個步驟可以包括將模型曲線對圖12B中所示的透射率譜進行擬合以及使用擬合的模型曲線的參數(shù)，例如一個擬合的模型曲線的幅度或由該曲線包圍的(即，數(shù)學積分的)總面積。
[0157]結(jié)論
[0158]在此披露了一種新穎的氣體傳感器系統(tǒng)、多種用于感應氣體種類的方法以及多種用于運行氣體傳感器系統(tǒng)的方法。該氣體傳感器可以測量的種類的示例包括(但是不限于):甲烷、CO2 (以及0)2的同位素)、水蒸汽、C0、N20和COS。用于這種測量的氣體樣品通常由大量氣體的混合物組成；例如，例如測量空氣的一種成分的濃度是一種常見應用。作為一個示例，空氣中的甲烷的周圍濃度為十億分之(PPb) 2，000，并且使用一種根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的氣體傳感器，空氣中的甲烷濃度可以一個近似±lppb的精度確定。因為信號在長時間區(qū)間取平均，該傳感器可以實現(xiàn)低至約十億分之(PPt)五十的檢測靈敏度。
[0159]根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容的氣體傳感器能夠在近似一萬分之一(0.01%)的量級測量吸收特征。為了實現(xiàn)這個高靈敏度水平，該傳感器合并了大量保證穩(wěn)定和準確測量結(jié)果的特征。用于實現(xiàn)這個高靈敏度的氣體傳感器的不同元件包括下列:(a) —個窄帶可調(diào)諧的中紅外激光源；(b) —個溫度和壓強穩(wěn)定的多反射氣體單元；(c) 一個溫度穩(wěn)定的光學檢測器；(d)用于提供氣體單元溫度和壓強穩(wěn)定作用的真空泵、壓強傳感器和流體控制器；(e)一個光學系統(tǒng)，用于將中紅外激光從該激光源路由到該氣體單元并用于接收(在傳遞經(jīng)過該氣體單元后)從該氣體單元回來的光并且用于將該光路由到該檢測器；(f) 一個隔熱的溫度穩(wěn)定的熱外殼，將該中紅外激光源、該氣體單兀、該光學系統(tǒng)和該檢測器激光波長包圍；以及(g) —個計算機或其他一個或多個邏輯控制器，用于從該光檢測器獲取光強并對其分析，從該壓強傳感器接收溫度和壓強信息，以及穩(wěn)定溫度和壓強。計算機或這個或這些邏輯控制器可以包括用于監(jiān)控和穩(wěn)定激光波長，用于系統(tǒng)校準，用于監(jiān)控溫度、壓強和激光輸出，和用于獲取、展示和存儲數(shù)據(jù)的方法。
[0160]如在此和在所附權(quán)利要求書中所使用的，單數(shù)形式“一個”、“一種”和“該”包括復數(shù)的參考物，除非上下文另外清楚地指示。同樣，術(shù)語“一個”(或一種)、“一個或多個”和“至少一個”在此可以互換使用。還要注意的是術(shù)語“包括”、“包含”、“特征在于”和“具有”
可以互換使用。
[0161]雖然已經(jīng)通過對其一個或多個實施例的說明解釋了本發(fā)明，而且雖然已經(jīng)以大量的細節(jié)說明了這些實施例，但是，它們并非旨在將所附權(quán)利要求書的范圍限定或以任何方式來限制在此類細節(jié)中。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言另外的優(yōu)點和更改將是容易想到的。因此，本發(fā)明在其更廣義的方面中并不限于這些具體的細節(jié)、代表性的產(chǎn)品和方法、以及所示出并說明的示意性實例。
【權(quán)利要求】
1.一種氣體傳感器系統(tǒng)，用于檢測和測量在具有周圍溫度和周圍壓強的環(huán)境內(nèi)的氣體分子種類的濃度，該系統(tǒng)包括:氣體單元，該氣體單元可操作以從該環(huán)境接收樣品氣體；真空系統(tǒng)，該真空系統(tǒng)與該氣體單元流體地聯(lián)接、可操作以將該氣體單元內(nèi)部的該樣品氣體維持在小于該周圍壓強的預定壓強；光源，該光源可操作以提供進入該氣體單元以便被透射通過其中樣品氣體的中紅外光，其中，該中紅外光的波長與該氣體分子種類的旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線一致；以及隔熱外殼內(nèi)部的光檢測器，該光檢測器可操作以接收透射穿過該氣體單元中的樣品氣體的該中紅外光；該氣體傳感器系統(tǒng)的特征在于: 具有該氣體單元的所述隔熱外殼，該光源和該光檢測器被安置在其中； 熱源或熱交換器，該熱源或熱交換器可操作以影響該隔熱外殼的內(nèi)部的溫度； 壓強傳感器，該壓強傳感器可操作以感知該氣體單元內(nèi)的該樣品氣體的壓強；以及控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)與該真空系統(tǒng)并與該壓強傳感器電子地聯(lián)接的、可操作以將在該預定壓強下的該氣體單元內(nèi)的該樣品氣體維持到一個133.3Pa以內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器系統(tǒng)，進一步地特征在于: 溫度傳感器，該溫度傳感器可操作以感知該氣體單元內(nèi)的該樣品氣體的溫度；以及控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)與該熱源或熱交換器并與該溫度傳感器電子地聯(lián)接的、可操作以將在預定溫度下的該氣體單元內(nèi)的該樣品氣體維持到一度開爾文1° K以內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器系統(tǒng)，其中，該預定溫度大于該周圍溫度。
4.如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器系統(tǒng)，其中，該預定溫度在約30°C到約40°C之間的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器系統(tǒng)，進一步地特征在于，該熱源或熱交換器包括被安置在該隔熱外殼的孔徑內(nèi)的熱電元件，該熱電元件可操作以將熱傳遞到該隔熱外殼內(nèi)或者將熱傳遞到該隔熱外殼外。
6.如權(quán)利要求5所述的氣體傳感器系統(tǒng)，進一步地特征在于，第一和第二散熱器和風扇組件，這些組件與該熱電元件熱接觸并分別被安置在該隔熱外殼的外部和內(nèi)部。
7.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器系統(tǒng)，進一步地特征在于: 該隔熱外殼內(nèi)部的激光器模塊，該光源被安置在該激光器模塊內(nèi)部； 該隔熱外殼內(nèi)部的光學模塊，該光檢測器被安置在該光學模塊內(nèi)部，該光學模塊與該氣體單元光聯(lián)接；以及 光導纖維，該光導纖維與該光源模塊并與該光學模塊聯(lián)接，其中，該光導纖維可操作以將該中紅外光從該光源引導到該光學模塊中。
8.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器系統(tǒng)，進一步地特征在于: 該隔熱外殼內(nèi)部的激光器模塊，包括: 第一和第二激光器，這些激光器可操作以分別提供具有第一波長的第一近紅外光和具有第二波長的第二近紅外光；以及 與該第一激光器并與該第二激光器光聯(lián)接的波分復用器WDM，該波分復用器可操作以從其接收這些第一和第二近紅外光； 具有第一端和第二端的光導纖維，該第一端與該WDM光聯(lián)接并且可操作以從其接收這些第一和第二近紅外光；以及 該隔熱外殼內(nèi)的光學模塊，并且該光檢測器被安置在其中，該光學模塊包括: 光學非線性晶體，該光學非線性晶體與該光導纖維的該第二端光聯(lián)接并且可操作以從其接收這些第一和第二近紅外光以及通過差頻生成來生成該中紅外光；以及 濾光片，該濾光片與該非線性晶體光聯(lián)接并且可操作以透射該中紅外光同時阻斷這些第一和第二近紅外光的透射， 其中，該濾光片與該氣體單元光聯(lián)接，這樣使得在運行中該中紅外光透射通過該濾光片到達該氣體單元。
9.如權(quán)利要求8所述的氣體傳感器系統(tǒng)，其中，該氣體單元與該光學模塊流體地聯(lián)接，這樣使得在運行中該樣品氣體從該氣體單元流到該光學模塊中。
10.如權(quán)利要求8所述的氣體傳感器系統(tǒng)，進一步地特征在于: 溫度傳感器，該溫度傳感器可操作以感知該氣體單元內(nèi)的該樣品氣體的溫度；以及控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)與該熱源或熱交換器并與該溫度傳感器電子地聯(lián)接、可操作以將在預定溫度下的該氣體單元內(nèi)的該樣品氣體維持到一度開爾文1° K以內(nèi)。
11.如權(quán)利要求8所述的氣體傳感器系統(tǒng)，其中，這些第一和第二激光器分別包括第一和第二二極管激光器并且進一步地特征在于: 激光二極管電流驅(qū)動器，該激光二極管電流驅(qū)動器可操作以對供應給這些第一和第二二極管激光器之一的驅(qū)動電流反復地調(diào)制，這樣使得該中紅外光的波長反復地跨過該旋轉(zhuǎn)分辨式的光吸收譜線的波長范圍； 數(shù)字化器，該數(shù)字化器與該光檢測器的輸出電聯(lián)接，這樣使得該光檢測器的輸出在該驅(qū)動電流的每次調(diào)制期間在多個離散的時間點中的每一個處被數(shù)字化，以便產(chǎn)生與直接吸收光譜對應的多個數(shù)字檢測器信號值；以及 數(shù)字記憶存儲裝置，該數(shù)字記憶存儲裝置可操作以存儲該多個數(shù)字檢測器信號值。
12.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器系統(tǒng)，進一步地特征在于: 該隔熱外殼內(nèi)部的激光器模塊包括: 第一激光器，該第一激光器可操作以提供具有第一波長的第一近紅外光；以及 第二激光器，該第二激光器可操作以提供具有第二波長的第二近紅外光； 具有第一端和第二端的第一光導纖維，該第一端與該第一激光器光聯(lián)接并且可操作以從其接收該第一近紅外光； 具有第一端和第二端的第二光導纖維，該第一端與該第二激光器光聯(lián)接并且可操作以從其接收該第二近紅外光； 該隔熱外殼內(nèi)的光學模塊，并且該光檢測器被安置在其中，該光學模塊包括: 光束組合器或復用器，該光束組合器或復用器與該第一光導纖維的該第二端并與該第二光導纖維的該第二端聯(lián)接，并且可操作以分別從這些第一和第二光導纖維接收這些第一和第二近紅外光； 光學非線性晶體，該光學非線性晶體與光束組合器或復用器光聯(lián)接并且可操作以從其接收這些第一和第二近紅外光以及通過差頻生成來生成該中紅外光；以及 濾光片，該濾光片與該非線性晶體光聯(lián)接并且透射該中紅外光并且阻斷這些第一和第二近紅外光的透射， 其中，該濾光片與該氣體單元光聯(lián)接。
13.如權(quán)利要求12所述的氣體傳感器系統(tǒng)，其中，該氣體單元與該光學模塊流體地聯(lián)接，這樣使得在運行中該樣品氣體從該氣體單元流到該光學模塊中。
14.如權(quán)利要求12所述的氣體傳感器系統(tǒng)，進一步地特征在于: 溫度傳感器，該溫度傳感器可操作以感知該氣體單元內(nèi)的該樣品氣體的溫度；以及控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)與該熱源或熱交換器并與該溫度傳感器電子地聯(lián)接、可操作以將在預定溫度下的該氣體單元內(nèi)的該樣品氣體維持到一度開爾文1° K以內(nèi)。
15.如權(quán)利要求12所述的氣體傳感器系統(tǒng)，其中，這些第一和第二激光器分別包括第一和第二二極管激光器并且進一步地特征在于: 激光二極管電流驅(qū)動器，該激光二極管電流驅(qū)動器可操作以對供應給這些第一和第二二極管激光器之一的驅(qū)動電流反復地調(diào)制，這樣使得該中紅外光的波長反復地跨過該旋轉(zhuǎn)分辨式的光吸收譜線的波長范圍； 數(shù)字化器，該數(shù)字化器與該光檢測器的輸出聯(lián)接，這樣使得該光檢測器的輸出在該驅(qū)動電流的每次調(diào)制期間在多個離散的時間點中的每一個處被數(shù)字化，以便產(chǎn)生與直接吸收光譜對應的多個數(shù)字檢測器信號值；以及 數(shù)字記憶存儲裝置，該數(shù)字記憶存儲裝置可操作以存儲該多個數(shù)字檢測器信號值。
16.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器系統(tǒng)，進一步地特征在于該光源包括: 第一和一個第二二極管激光器，這些激光器可操作以分別提供具有第一波長的第一近紅外光和具有第二波長的第二近紅外光；以及 光學非線性晶體，該光學非線性晶體與該第一和該第二二極管激光器兩者光聯(lián)接，以便接收該第一和該第二近紅外光兩者以及通過差頻生成來生成該中紅外光；以及 濾光片，該濾光片與該非線性晶體光聯(lián)接并且可操作以透射該中紅外光同時阻斷這些第一和第二近紅外光的透射， 其中，該濾光片與該氣體單元光聯(lián)接，這樣使得在運行中該中紅外光被透射穿過該濾光片到達該氣體單元。
17.如權(quán)利要求16所述的氣體傳感器系統(tǒng)，進一步地特征在于: 激光二極管電流驅(qū)動器，該激光二極管電流驅(qū)動器可操作以對供應給這些第一和第二二極管激光器之一的驅(qū)動電流反復地調(diào)制，這樣使得該中紅外光的波長反復地跨過該旋轉(zhuǎn)分辨式的光吸收譜線的波長范圍； 數(shù)字化器，該數(shù)字化器與該光檢測器的輸出電子地聯(lián)接，這樣使得該光檢測器的輸出在該驅(qū)動電流的每次調(diào)制期間在多個離散的時間點中的每一個處被數(shù)字化，以便產(chǎn)生與直接吸收光譜對應的多個數(shù)字檢測器信號值；以及 數(shù)字記憶存儲裝置，該數(shù)字記憶存儲裝置可操作以存儲該多個數(shù)字檢測器信號值。
18.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器系統(tǒng)，其中，該中紅外光的波長在近似3.0微米到4.8微米的范圍內(nèi)。
19.如權(quán)利要求18所述的氣體傳感器系統(tǒng)，其中，該氣體分子種類是甲烷CH4，并且該旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的中心波長在近似3.2微米到3.4微米的范圍內(nèi)。
20.如權(quán)利要求18所述的氣體傳感器系統(tǒng)，其中，該氣體分子種類選自下組:一氧化碳CO、一氧化二氮N2O和二氧化碳CO2，并且該旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的中心波長在近似4.2微米到4.7微米的范圍內(nèi)。
21.如權(quán)利要求18所述的氣體傳感器系統(tǒng)，其中，該氣體分子種類是一氧化碳CO，并且該旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的中心波長在近似4.57微米到4.65微米的范圍內(nèi)。
22.如權(quán)利要求18所述的氣體傳感器系統(tǒng)，其中，該氣體分子種類是一氧化二氮N2O,并且該旋轉(zhuǎn)分辨式的吸收譜線的中心波長在近似4.510微米到4.555微米的范圍內(nèi)。
【文檔編號】G01N21/00GK204086105SQ201290000803
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月9日
【發(fā)明者】J·J·謝雷爾, J·B·保爾, H-J·約斯特 申請人:塞莫費雪科學（不來梅）有限公司