气体检测器装置包括至少一个ＶＣＳＥＬ源和至少一个光传感器，用于检测已通过包括要被检测的给定气体的样品室的光束。将传感器的检测信号直接供给电子微分器，或由电子微分器进行时间求导，并然后被供给相应的锁定放大器，以便产生两个不同的２ｆ－检测，ｆ是源的波长调制的频率，并因此提供两个相应的测量信号，这两个测量信号相除给出气体浓度的精确值。本发明专利技术至少利用频率均为激光源的调制频率的两倍的第一调制参考信号和第二调制参考信号。与现有技术相比，提供至少第一２ｆ调制参考信号是有利的，因为通过使用这种调制参考信号能测量绝对强度并因此在激光的不同温度处或模式跳跃处接收相同结果。另一优点是，测量精确度与气体浓度无关。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术特别是涉及如在WO 2005/026705 A1中所公开的低成本红外(IR)气体检测。
技术介绍
如在这个现有技术出版物中已描述的气体检测方法和气体检测器装置基于通过波长调制的垂直腔面发射激光器(VCSEL，VerticalCavity Surface Emitting Laser)或分布反馈(DFB，DistributedFeedBack)激光器所形成的源，并且该气体检测方法和气体检测器装置利用波长的调制直接与激光源输出强度的调制有关联的事实。已通过气体容积并被入射到检测器的光的强度因此显示出与激光源强度有关的第一调制和与气体吸收有关的第二调制，因为跨越气体吸收线扫描波长。因此，公知的检测方法和装置通过波长调制的激光源来提供初始光信号。该源提供初始光信号，该初始光信号利用频率为给定初始频率(f)的AC调制信号在要被确定的气体周围的吸收线处进行波长调制。在检测区域的外围处分别布置光传感器，该检测区域意图用于容纳要确定其浓度的至少一种气体。光传感器接收由已通过检测区域的初始光信号所形成的合成光信号。在下面，形成检测信号，该检测信号基本上与合成光信号的时间导数成比例。进一步公开的是用于产生频率为给定频率(f)的第一调制参考信号的第一装置和用于产生频率为该频率两倍(2f)的第二调制参考信号的第二装置。检测信号与第一调制参考信号相乘，并且然后将合成信号对时间求积分，以便提供第一测量信号，该第一测量信号是所述初始光信号的强度的函数并且基本上与所述气体的浓度无关。检测信号进一步与所述第二调制参考信号相乘，并且然后将合成信号对时间求积分，以便提供第二测量信号，该第二测量信号是气体吸收的函数并且基本上与频率为给定初始频率的初始光信号的强度调制无关。然后，通过用第一测量信号除第二测量信号来接收最后测量信号，从而提供相对于给定气体的浓度或存在的信号。这个气体检测器方法和装置具有以下优点针对一个激光源，只需要单个传感器单元。通过处理所产生的检测信号来给出用于确定精确气体浓度值的所有必需信息，所产生的检测信号与在已通过限定气体的样品之后由传感器单元所接收的光信号的导数成比例。第一和第二调制参考信号都与初始光信号的强度变化同相。利用这个已知的测量技术，时间求导检测器信号，并将已求导的信号注入两通道锁定放大器。第一通道在调制频率f上工作，并且输出信号与作为激光电流的函数的光功率的斜率成比例。第二通道以两倍调制频率工作，并且其输出给出与激光束所遭遇的气体浓度成比例的信号。测量频率为2f的信号与测量频率为f的信号的比率给出了与激光输出无关的气体的绝对浓度，因为在以下假设的情况下，频率为f的测量信号包括关于激光强度的信息，即激光强度的变化源于光路中的光学老化(诸如灰尘、凝结、斑点)。这个假设仅适用于以下两种情形1、激光并没有显示出模式跳跃、也就是波长的突然变化。如果出现这种模式跳跃，则波长不得不通过改变DC激光电流来重新调整，该DC激光电流的改变反过来改变激光输出功率。由频率为f的信号所测量的斜率并不必因此随着VCSEL改变。在DFB激光器的情况下，输出功率严格地与DC电流成比例，该DC电流针对不同的输出功率给出频率为f的相同信号。2、激光的温度被精确稳定。对于激光温度的变化，反过来引起DC激光电流的重新调整的波长变化集中于气体吸收线的波长。电流的这种变化意味着如第1条中所述的强度变化。利用现有技术专利申请中所述的方法，基于频率为f的调制参考信号的信号显示出气体吸收线的中心周围的斜率，该斜率与气体浓度成比例。在高气体浓度的情况下，通过误差影响频率为f的调制参考信号的DC激光电流的精确度来限制测量的精确度。电流的变化将引起激光信号的变化，并且该效应随浓度的增大而增大。这表明对于一些应用，在激光的温度控制方面，现有技术方法和装置是非常苛求的并且非常大地取决于装置的热安装。DFB激光和VCSEL的激光在其热预算方面区别很大，以致在DC电流方面常常是必需的气体吸收线的跟踪也不得不包括温度跟踪。
技术实现思路
考虑到这些情况，本专利技术的目的是进一步提供气体检测的可能性，这些可能性与温度和突然的波长变化的相关性较小。通过如所要求保护的气体检测方法和检测器装置来解决该问题。在相应从属权利要求中描述进一步的有利的特征。根据本专利技术，通过相应装置产生频率为所述初始频率的两倍的第一调制参考信号，由此所述第一调制参考信号相对所述初始光信号具有45°的相位角。这个第一调制参考信号在振幅电平1和0之间的振幅电平处振荡并且不同于第二调制参考信号的振幅电平。最后，从合成的光信号直接接收到的检测信号与第一调制参考信号相乘。因此，不在频率f上而是在频率2f上测量第一调制参考信号，其中，2f调制参考信号在振幅电平中有轻微修改，而且第一调制参考信号和初始频率之间有45°的相位偏移，这对于提供相同的相位是必需的，通过在时间上求导获得所述相同的相位。此外，检测器信号不再被求导，而是直接被供给锁定放大器，用于产生第一测量信号，所述第一测量信号是初始光信号的强度的函数。合成信号直接与激光的光强度成比例，如通过没有气体吸收的检测器所看到的那样(也就是包括激光器和检测器之间的光束的任何老化)。与现有技术相比，提供第一2f调制参考信号具有以下优点，因为通过使用这样的调制参考信号能测量绝对强度并因此能接收不同温度情况下或激光的模式跳跃情况下的相同结果。又一优点是，测量精确度与气体浓度无关。依据本专利技术，能将这个第一2f调制参考信号及其信号处理与其他处理相结合，以便获得取决于气体检测的特殊应用的稳定的最后测量信号。在本专利技术的又一实施例中，以所述初始频率f的两倍的频率来产生第二调制参考信号，由此第一和第二调制参考信号相对初始光信号具有相同相位相关性；因此两个信号相对激光源的AC调制信号均具有45°的相位角。此外，第二调制参考信号在振幅电平1和-1之间振荡。为了产生第二测量信号，经由锁定放大器，从合成光信号直接接收到的检测信号乘以所述第二调制参考信号。通过上面提到的比率获得最后测量信号。在这个实施例中，通过基于2f调制参考信号的第一和第二测量信号获得最后测量信号，这两个测量信号都利用从合成光信号直接接收到的检测信号获得。在本专利技术的优选实施例中，以所述初始频率f的两倍的频率来产生第二调制参考信号，由此所述第二调制参考信号精确地与所述初始光信号的强度变化同相。由所述检测装置所产生的检测信号基本上与所述合成光信号的时间导数成比例，并且通过将所述检测信号乘以所述第二调制参考信号来产生第二测量信号。这个信号处理显示出最佳结果，这与激光温度和突然的波长变化无关。在这个实施例中，也通过基于2f调制参考信号的第一和第二测量信号来获得最后测量信号，但利用已求导的检测信号来获得第二测量信号，所述第二测量信号是吸收的函数。在又一实施例中，该实施例需要更多的电子部件，频率为f和2f的两个调制参考信号被用于产生两个测量信号，这两个测量信号是初始光信号的强度的函数。这通过产生除了基于第一2f调制参考信号的第一测量信号之外的第三测量信号来实现，所述第三测量信号也是所述初始光信号的强度的函数。通过将检测信号乘以频率为初始频率f的第三调制参考信号并然后将合成信号对时间求积分来从检测信号中产生第三测量信号。此外，通本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种气体检测方法，其包括下面的步骤：通过波长调制的激光源（１）提供初始光信号（Ｓ↓［０］）；提供频率为初始频率的ＡＣ调制信号，用于对称地在要确定其浓度或存在的气体的吸收线周围波长调制频率为所述初始频率（ｆ）的所述初始光信号（ Ｓ↓［０］）；所述初始光信号（Ｓ↓［０］）通过意图用于接收至少一种所述气体的气体检测区域（４），所述初始光信号（Ｓ↓［０］）具有由在所述气体吸收线周围交替扫描产生的随时间的强度变化；通过检测装置（８）接收激励所述气体检测区域 （４）的合成光信号（Ｓ↓［Ｇ］），所述合成光信号（Ｓ↓［Ｇ］）包括由于所述检测区域（４）中的气体浓度引起的初始光信号（Ｓ↓［０］）的强度变化；产生第一测量信号（Ｓ↓［ＭＩ］），该第一测量信号（Ｓ↓［ＭＩ］）是所述初始光信号（Ｓ↓［０ ］）的强度的函数，通过将从所述合成光信号（Ｓ↓［Ｇ］）中接收到的检测信号（Ｓ↓［Ｄ０］，Ｓ↓［Ｄ１］）乘以频率为所限定的初始频率的第一调制参考信号（Ｓ↓［ｆ］，Ｓ↓［２ｆ０］）并然后将合成信号对时间求积分来产生所述第一测量信号（Ｓ↓［ＭＩ］）；由此，所述第一调制参考信号（Ｓ↓［ｆ］，Ｓ↓［２ｆ０］）具有利用所述初始光信号（Ｓ↓［０］）的强度变化所限定的振幅电平和所限定的相位关系，产生第二测量信号（Ｓ↓［ＭＡ］），该第二测量信号（Ｓ↓［ＭＡ］）是气体吸收的函数并基本上与 频率为所述初始频率（ｆ）的所述初始光信号的强度调制无关，通过将从所述合成光信号（Ｓ↓［Ｇ］）中接收到的检测信号（Ｓ↓［Ｄ０］，Ｓ↓［Ｄ１］）乘以频率为所述初始频率（ｆ）的两倍的第二调制参考信号（Ｓ↓［２ｆ］，Ｓ↓［２ｆ１］）并然后将合成信号对时间求积分来产生所述第二测量信号（Ｓ↓［ＭＡ］），由此，所述第二调制参考信号（Ｓ↓［２ｆ］，Ｓ↓［２ｆ１］）具有利用所述初始光信号（Ｓ↓［０］）的强度变化所限定的振幅电平和所限定的相位关系，通过用所述第一测量信号（Ｓ↓［ＭＩ］）除 所述第二测量信号（Ｓ↓［ＭＡ］）来提供最后测量信号，该最后测量信号与入射到所述检测装置（８）上的光的强度无关的，并因此提供相对于给定气体的存在或浓度的信号，其特征在于：产生频率为所述初始频率的两倍的所述第一调制参考信号（Ｓ↓［２ｆ０ ］），由此，所述第一调制参考信号（Ｓ↓［２ｆ０］）相对所述初始光信号（Ｓ↓［０］）具有４５°的相位角，在振幅电平１和０之间的、...
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：B维林，M科利，A塞费尔特，
申请(专利权)人：IR微系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]
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