專利名稱：氣體檢測方法和氣體檢測器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及低成本紅外(IR)氣體檢測。該領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)包括熱IR光源、干涉線路濾波器、樣品室、及IR檢測器。該線路濾波器對應(yīng)于待檢測氣體的特征吸收波長，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。為了考慮光源由于老化、水分、或灰塵所致的光源強度變化，部分發(fā)射光線被導(dǎo)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(shù))。
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(xiàn)電池驅(qū)動的操作并產(chǎn)生了冷卻問題。第二，干涉線路濾波器的中心波長和溫度相關(guān)，使得對于不同的氣氛溫度，在氣體吸收峰的不同位置進(jìn)行檢測，這反過來使校準(zhǔn)變得困難。
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的最近發(fā)展表明有一種方法可以改進(jìn)低成本的單氣體檢測器。VCSEL波長是精確定義的，并可通過VCSEL驅(qū)動電流的改變而在幾納米的范圍內(nèi)調(diào)整該波長。這種VCSEL二極管同時可用于1.3至2.05μm的近紅外(NIR)波長范圍。IR吸收檢測的許多種氣體在該波長范圍內(nèi)具有其吸收峰的第一或第二諧波。盡管這些諧波基本上弱于主峰，氣體檢測是非常敏感的，因為VCSEL通常供應(yīng)的光強約為熱光源的1000倍。VCSEL的一個重要優(yōu)點為幾毫瓦的功耗，該功耗低于熱光源幾瓦的功耗。
標(biāo)準(zhǔn)NDIR檢測和基于VCSEL檢測之間的一個主要差別在于，NDIR技術(shù)具有低的光譜分辨率，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(fā)射非常尖銳的波長峰，可在幾納米范圍內(nèi)調(diào)制該峰。出于這個原因，基于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(jīng)描述了使用VCSEL源的氣體檢測設(shè)備，其中VCSEL的波長掃描經(jīng)過氣體的吸收線，如圖2所示。使用特定的調(diào)制頻率F完成該掃描。通過在高于光激射閾(通常為幾個mA)的恒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(diào)制。對于一些測量技術(shù)，該“恒定電流”被緩慢地掃過VCSEL的整個工作范圍，以便檢測隨后的吸收線。采用這種設(shè)備，就不再需要線路濾波器，這是低成本產(chǎn)品一個重要的成本降低因素。
本發(fā)明基于由波長調(diào)制VCSEL形成的源，并利用這一事實，即該波長的調(diào)制直接和VCSEL輸出強度的調(diào)制相關(guān)聯(lián)。因此當(dāng)波長掃過氣體吸收線時，經(jīng)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(guān)的第一調(diào)制以及和該氣體吸收相關(guān)的第二調(diào)制。
使用發(fā)出的信號和入射輻射成比例的標(biāo)準(zhǔn)紅外檢測器，該信號處理包括使用鎖定技術(shù)在調(diào)制頻率的兩倍處測量檢測器信號(2F檢測)。由此，源于在整個調(diào)制范圍內(nèi)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(guān)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(chǎn)生和檢測使該設(shè)備變得復(fù)雜并提高其制作成本。
本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供低成本的有效的氣體濃度測量設(shè)備或檢測器。特別地，本發(fā)明的目的是解決和參考束相關(guān)的上述問題。
因此，本發(fā)明的第一實施例所涉及的氣體檢測器設(shè)備包括波長調(diào)制激光源和光傳感器，該光源和傳感器分別排列在用于接收濃度待確定的至少一種氣體的檢測區(qū)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(diào)制的初始光信號，所述光傳感器接收由初始光信號經(jīng)過所述檢測區(qū)域后形成的結(jié)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(jié)果光信號的時間導(dǎo)數(shù)成比例，由此形成和所述結(jié)果光信號的時間導(dǎo)數(shù)基本上成比例的電信號，所述設(shè)備進(jìn)一步包括在所述特定頻率產(chǎn)生第一調(diào)制參考信號的第一裝置以及在所述第一頻率的兩倍處產(chǎn)生第二調(diào)制參考信號的第二裝置，所述電信號乘以所述第一調(diào)制參考信號并隨后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(shù)，并基本上和所述氣體的濃度無關(guān)，所述電信號還被乘以所述第二調(diào)制參考信號并隨后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(shù)，并基本上和所述初始光信號在所述特定第一頻率的強度調(diào)制無關(guān)。
此外，本發(fā)明的第二實施例所涉及的氣體檢測器設(shè)備包括分別排列在用于接收至少一種氣體的檢測區(qū)域周圍的波長調(diào)制激光源和光傳感器，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(diào)制的初始光信號，所述光傳感器接收該初始光信號經(jīng)過所述檢測區(qū)域后形成的結(jié)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(jié)果光信號成比例，該設(shè)備進(jìn)一步包括電子時間求導(dǎo)設(shè)備，該檢測信號被提供給該電子時間求導(dǎo)設(shè)備，該電子時間求導(dǎo)設(shè)備產(chǎn)生基本上和所述結(jié)果光信號的時間導(dǎo)數(shù)成比例的電信號，所述設(shè)備進(jìn)一步包括在所述特定頻率產(chǎn)生第一調(diào)制參考信號的第一裝置以及在所述特定頻率的兩倍處產(chǎn)生第二調(diào)制參考信號的第二裝置，所述電信號乘以所述第一調(diào)制參考信號并隨后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(shù)，并基本上和所述第一氣體的濃度無關(guān)，所述電信號還被乘以所述第二調(diào)制參考信號并隨后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(shù)，并基本上和所述初始光信號在所述特定頻率的強度調(diào)制無關(guān)。
由于本發(fā)明的氣體檢測器設(shè)備的特征，一個激光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(jīng)過所限定氣體樣品后光信號的導(dǎo)數(shù)成比例的所產(chǎn)生電信號而給出用于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(fā)明的其它具體特征和優(yōu)點，其中

圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的氣體檢測器；圖2示出了用于檢測這種氣體濃度的氣體吸收線附近的VCSEL源的波長調(diào)制；圖3示出了由VCSEL源提供并由圖2的波長調(diào)制產(chǎn)生的初始光束的光強調(diào)制；圖4給出了穿過氣體樣品的結(jié)果光束的圖示；圖5為和圖4所示信號的時間導(dǎo)數(shù)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(diào)制參考信號，其中F為圖2中給出的波長調(diào)制的頻率；圖8示出了將圖5的信號乘以圖6的第一調(diào)制參考所產(chǎn)生的第一結(jié)果信號；圖9示出了將圖5的信號乘以圖7的第二調(diào)制參考所產(chǎn)生的第二結(jié)果信號；圖10和11示出了本發(fā)明的氣體檢測器設(shè)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(guān)的VCSEL源中心調(diào)制波長之間的函數(shù)關(guān)系；圖12示出了第二測量信號的變化和VCSEL調(diào)制的振幅之間的函數(shù)關(guān)系；圖13為根據(jù)本發(fā)明的氣體檢測器設(shè)備的第一實施例的示意圖；以及圖14為根據(jù)本發(fā)明的氣體檢測器設(shè)備的第二實施例的示意圖。
將參考圖1至9描述根據(jù)本發(fā)明的氣體濃度檢測方法。
如圖1示意性所示，根據(jù)本發(fā)明的氣體檢測器設(shè)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(qū)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(chǎn)生波長受調(diào)制的初始光束S0。這個光束穿過區(qū)域4。由于氣體的吸收，該初始光信號在經(jīng)過氣體檢測區(qū)域4之后出現(xiàn)強度變化，因此檢測器6接收到結(jié)果光信號SG。該檢測器向處理裝置8提供相應(yīng)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附近的小范圍內(nèi)受到調(diào)制。該波長調(diào)制直接被耦合到初始光強的振幅調(diào)制，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(qū)域4逃逸的結(jié)果光信號SG的強度變化。信號SG因此具有兩個貢獻(xiàn)第一個貢獻(xiàn)來源于VCSEL的強度隨其波長發(fā)生(近似線性的)變化的事實。該貢獻(xiàn)和氣體吸收無關(guān)，且即使沒有氣體時仍存在這一貢獻(xiàn)。
第二個貢獻(xiàn)來源于跨過氣體吸收線進(jìn)行波長掃描時的氣體吸收。該貢獻(xiàn)和VCSEL發(fā)射的光強成線性比例關(guān)系，且為氣體吸收區(qū)域內(nèi)氣體濃度的函數(shù)。
為了分離這兩個貢獻(xiàn)，本發(fā)明的測量原理首先提出獲得結(jié)果光信號SG的時間導(dǎo)數(shù)，接著使用將在下文中更詳細(xì)描述的所謂鎖定放大器來處理圖5所示的時間導(dǎo)數(shù)信號18。
在鎖定放大器中，調(diào)制信號被乘以對稱的矩形信號(“調(diào)制參考”)，該矩形信號相對于調(diào)制信號具有嚴(yán)格定義的相位。隨后在多個調(diào)制周期內(nèi)對結(jié)果電信號積分，從而在鎖定放大器的輸出產(chǎn)生測量信號。
圖6示出了頻率為F的第一調(diào)制參考信號20，該頻率對應(yīng)于VCSEL源的掃描頻率，即對應(yīng)于初始光信號S0的強度調(diào)制22的頻率。圖6還示出了強度調(diào)制信號22和由此信號22產(chǎn)生的第一調(diào)制參考20之間的相位關(guān)系。圖7示出了頻率為所述頻率F兩倍的第二調(diào)制參考信號24。圖7還示出了強度調(diào)制信號22和由信號22產(chǎn)生的第二調(diào)制參考24之間的相位關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明，通過使用熱釋傳感器直接獲得結(jié)果光信號SG的時間導(dǎo)數(shù)，其中該熱釋傳感器產(chǎn)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(dǎo)設(shè)備獲得該結(jié)果信號的時間導(dǎo)數(shù)，此時所采用的傳感器產(chǎn)生與入射光信號SG基本上成比例的信號SD(即光電二極管、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(dǎo)數(shù)與頻率為VCSEL調(diào)制頻率F的第一調(diào)制參考信號20乘積的結(jié)果曲線26。顯然，氣體吸收最終的正、負(fù)貢獻(xiàn)在結(jié)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(jié)果為第一測量信號SMP,該信號為VCSEL強度調(diào)制的函數(shù)，并和總VCSEL強度有關(guān)，但該信號和檢測區(qū)域中氣體的存在無關(guān)。
圖9示出了時間導(dǎo)數(shù)強度信號18(圖5的)乘以所述頻率F兩倍的第二調(diào)制參考信號24得到的結(jié)果曲線28。這里，VCSEL強度調(diào)制的貢獻(xiàn)在結(jié)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(xiàn)將相加。該積分的結(jié)果為第二測量信號SM2F，該信號為氣體吸收并因此為氣體濃度的函數(shù)。所述積分刪除了與氣體吸收無關(guān)的貢獻(xiàn)。
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(shù)但與檢測器上入射光強無關(guān)的值。
根據(jù)本發(fā)明的基于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(tǒng)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(guān)(即光學(xué)元件的老化或由熱起伏所致的未對準(zhǔn))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(diào)制信號和調(diào)制參考信號20及24之間的相位關(guān)系對測量原理而言是關(guān)鍵的。偏離這一特定相位關(guān)系將導(dǎo)致氣體吸收信號(SM2F)對強度參考信號(SMF)有貢獻(xiàn)，或者后者對前者有貢獻(xiàn)。
對信號進(jìn)行更深入的分析表明前述信號處理不依賴于VCSEL交流調(diào)制的形狀，即圖3中描述的三角形調(diào)制，該調(diào)制還可以為正弦、鋸齒、或另一種形狀。
VCSEL源可在幾Hz到好幾MHz的大頻率范圍內(nèi)進(jìn)行波長調(diào)制。因此，根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器可被構(gòu)建成產(chǎn)生從幾秒到幾微秒的響應(yīng)時間(取決于所要求規(guī)格)。
圖10和11示出了相對于氣體吸收線中心的VCSEL中心波長的位置(受VCSEL直流電流調(diào)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(diào)制(對應(yīng)于0.15nm的波長調(diào)制)而得到這些曲線。顯而易見的是，只有在VCSEL波長嚴(yán)格地位于氣體吸收線的中心且交流調(diào)制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(dǎo)致吸收信號減小且參考信號出錯。然而，后一種情形隨著氣體濃度減小而降低。
如圖12所示，VCSEL交流調(diào)制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(diào)制振幅最大值，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(diào)制振幅的增大而減小。結(jié)果，可以針對氣體傳感器的特定規(guī)格而優(yōu)化調(diào)制振幅。
由于VCSEL的波長為環(huán)境溫度的函數(shù)，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(xiàn)這一點。接通氣體傳感器時，VCSEL直流電流緩慢地從默認(rèn)直流值開始上升，同時用交流頻率F進(jìn)行掃描，直到氣體吸收線落在交流調(diào)制范圍之內(nèi)。從這點開始，氣體吸收信號將變?yōu)榉橇?，直流電流源的反饋回路將該信號保持在其最大值，所述最大值對?yīng)于將VCSEL中心波長鎖在氣體吸收線的中心。然而，由于特定VCSEL的波長變化有限，需要將VCSEL源近似保持在預(yù)定溫度。對于空氣氛圍中CO2檢測器的情形，該密封單元可以省略，因為350至400ppm的CO2自然濃度對于所述鎖定目的來講已經(jīng)足夠高了。
VCSEL發(fā)射的光具有高的方向性，這一事實使得可實現(xiàn)多氣體傳感器的簡單設(shè)計而無需另外的光學(xué)元件。在這種設(shè)備中，將多個VCSEL(各個波長對應(yīng)于不同氣體)安裝在激光頭內(nèi)，而該檢測器為當(dāng)激光頭包括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的激光束瞄準(zhǔn)不同的傳感器，這形成了用于兩種、三種、或更多種氣體的非常緊湊的多氣體檢測設(shè)備。
至于激光源，還可以在本發(fā)明的框架內(nèi)選用分布反饋激光器(DFB激光器)。VCSEL和DFB激光器為優(yōu)選的激光源。
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的氣體檢測器設(shè)備的第一實施例。該設(shè)備包括激光發(fā)光頭32，其中排列了兩個VCSEL源34和36。因此，這個設(shè)備形成了用于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(yīng)。頭32還包括填充了所述兩種不同氣體的密封單元，以用于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(yīng)于各種氣體的吸收線中心。最后，頭32包括溫度傳感器40，其電連接到位于布置有所述源的區(qū)域內(nèi)的加熱裝置44的電源裝置42。
該氣體檢測器設(shè)備具有樣品室或氣體檢測區(qū)域48，由兩個激光源提供的兩個激光束50和52穿過該區(qū)域。這兩個激光束隨后被排列在公共基底58上的各個光傳感器54及56所接收。在該第一實施例中，兩個傳感器屬于這樣的類型，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(yōu)選為光電二極管。根據(jù)本發(fā)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(dǎo)設(shè)備64。該求導(dǎo)設(shè)備因此將基本上和所述入射光信號的時間導(dǎo)數(shù)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(shè)備進(jìn)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具有用于定義直流電流信號的第一部分76，以及用于在特定參考頻率F定義交流電流信號從而對前述氣體吸收線附近進(jìn)行交替掃描的第二部分78。該設(shè)備的處理裝置還包括在所述參考頻率F產(chǎn)生第一調(diào)制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(chǎn)生第二調(diào)制參考信號的第二裝置82。根據(jù)前述本發(fā)明的方法，這些第一和第二調(diào)制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(dǎo)設(shè)備64通過前置放大器裝置提供給這些鎖定放大器的信號，并隨后對第一調(diào)制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(guān)。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(chǎn)生的初始光信號的調(diào)制無關(guān)，但和氣體吸收以及因此和區(qū)域48內(nèi)的氣體濃度有關(guān)。
在預(yù)備步驟中，第二測量信號被用于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(shè)備配備了用于激光源的非常精確的溫度控制，則可以避免這個預(yù)備步驟。
最后，在處理單元90內(nèi)第二測量信號被除以第一測量信號，除法結(jié)果在該處理單元90中被進(jìn)一步處理從而提供和特定氣體存在或其濃度相關(guān)的有用信號或信息。
圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的氣體檢測器設(shè)備的第二實施例。將不再描述已經(jīng)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于，兩個光傳感器94和96為專用類型的傳感器，并直接提供基本和這些傳感器上入射光信號的時間導(dǎo)數(shù)成比例的電學(xué)檢測信號。優(yōu)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(dǎo)設(shè)備。該電學(xué)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(fā)明設(shè)備的優(yōu)選實施例中，源和光傳感器都位于氣體檢測區(qū)域的同一側(cè)，反射結(jié)構(gòu)排列在對立側(cè)。因此，對于特定長度的氣體檢測區(qū)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(nèi)/上，這是非常有利的并可降低成本。該反射結(jié)構(gòu)可用于聚焦光束，特別是當(dāng)其數(shù)值孔徑相對高時。
在用于檢測兩種氣體的本發(fā)明另一個實施例中，該設(shè)備包括兩個激光源，但只有一個光傳感器，所產(chǎn)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(fù)用允許測量兩種氣體的濃度。因此這兩個光束被交替地導(dǎo)向單個光傳感器上。
最后，如果不同氣體的吸收線足夠窄，則有可能只使用一個激光源來檢測這些氣體。
根據(jù)本發(fā)明不同特征的氣體檢測器具有下述優(yōu)點抑制了對多種氣體測量尤為重要的參考束，對光學(xué)元件的退化或VCSEL強度沒有影響，低功耗，可實現(xiàn)無線設(shè)備，低熱耗散，因此沒有冷卻問題，時間分辨率低至微秒，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(shè)計，大幅降低制作成本，因為VCSEL、檢測器、及讀出電子設(shè)備都可以采用批量加工技術(shù)進(jìn)行制造。
權(quán)利要求
1.一種氣體檢測器設(shè)備，包括分別排列在用于接收至少第一氣體的檢測區(qū)域(48)周圍的波長調(diào)制激光源(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，所述激光源提供位于所述第一氣體吸收線附近受頻率為第一頻率F的波長調(diào)制的初始光信號S0，所述傳感器接收該初始光信號經(jīng)過所述檢測區(qū)域后形成的結(jié)果光信號(SG)，其特征在于，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(jié)果光信號的時間導(dǎo)數(shù)成比例，由此形成和所述結(jié)果光信號的時間導(dǎo)數(shù)基本上成比例的電信號，所述設(shè)備進(jìn)一步包括在所述第一頻率產(chǎn)生第一調(diào)制參考信號(20)的第一裝置(80)以及在所述第一頻率的兩倍處產(chǎn)生第二調(diào)制參考信號(24)的第二裝置(82)，所述電信號乘以所述第一調(diào)制參考信號并隨后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(shù)，并基本上和所述第一氣體的濃度無關(guān)，所述電信號還被乘以所述第二調(diào)制參考信號并隨后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(shù)，并基本上和所述初始光信號在所述第一頻率的強度調(diào)制無關(guān)。
2.一種氣體檢測器設(shè)備，包括分別排列在用于接收至少第一氣體的檢測區(qū)域(48)周圍的波長調(diào)制激光源(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，所述激光源提供位于所述第一氣體吸收線附近受頻率為第一頻率(F)的波長調(diào)制的初始光信號S0，所述光傳感器接收該初始光信號經(jīng)過所述檢測區(qū)域后形成的結(jié)果光信號(SG)，其特征在于，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(jié)果光信號成比例，該設(shè)備進(jìn)一步包括電子時間求導(dǎo)設(shè)備(64)，該檢測信號被提供給該求導(dǎo)設(shè)備，該電子時間求導(dǎo)設(shè)備提供基本上和所述結(jié)果光信號的時間導(dǎo)數(shù)成比例的電信號，所述設(shè)備進(jìn)一步包括在所述第一頻率產(chǎn)生第一調(diào)制參考信號(20)的第一裝置(80)以及在所述第一頻率的兩倍處產(chǎn)生第二調(diào)制參考信號(24)的第二裝置(82)，所述電信號乘以所述第一調(diào)制參考信號并隨后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(shù)，并基本上和所述第一氣體的濃度無關(guān)，所述電信號還被乘以所述第二調(diào)制參考信號并隨后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(shù)，并基本上和所述初始先信號在所述第一頻率的強度調(diào)制無關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備進(jìn)一步包括接收所述第一和第二測量信號并提供和第一氣體的濃度相關(guān)信息的處理裝置(90)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于由熱釋傳感器形成所述光傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于由至少一個光電二極管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(jù)任一前述權(quán)利要求的設(shè)備，其特征在于所述源為垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。
7根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項的設(shè)備，其特征在于所述源為分布反饋激光器(DFBL)。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的設(shè)備，其特征在于所述激光源和所述光傳感器都位于檢測區(qū)域的同一側(cè)，反射結(jié)構(gòu)排列在該檢測區(qū)域的另一側(cè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于所述激光源和所述光傳感器都集成在公共襯底之內(nèi)/上。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的設(shè)備，其特征在于所述設(shè)備包括用于檢測至少兩種不同氣體的至少兩個激光源和單個光傳感器，所產(chǎn)生的兩個激光束交替地導(dǎo)向該單個光傳感器以提供和兩種氣體中每一種氣體相關(guān)的信息。
全文摘要
氣體檢測器設(shè)備包括至少一VCSEL源(34，36)和至少一光傳感器(54，56)，該光傳感器用于檢測經(jīng)過含有待檢測的特定氣體的樣品室(48)之后的光束(50，52)。在第一實施例中該傳感器為光電二極管，其檢測信號被電子求導(dǎo)設(shè)備(64)對時間求導(dǎo)并隨后被提供給兩個鎖定放大器(84、86)以產(chǎn)生F檢測和2F檢測，其中F為源的波長調(diào)制頻率，并因此提供兩個相應(yīng)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(dǎo)數(shù)成比例的檢測信號。這樣在最后一種情形中可以省略電子求導(dǎo)設(shè)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(yōu)先權(quán)日2003年9月12日
發(fā)明者B·威林, M·科利, A·塞弗特 申請人:Ir 微系統(tǒng)股份有限公司