專利名稱：氣體傳感器光學腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非分光紅外(以下簡稱"NDIR")氣體傳感器。
背景技術(shù)：
基于非分光紅外(NDIR)探測原理的傳感器利用氣體的光吸收特性來測量在以 目標氣體吸收的特定波長時發(fā)生的光吸收量，并可以計算目標氣體濃度。NDIR氣 體傳麟通常包括一個由光學腔、光源和光探測器組成的氣室，還包括用于分析光 探測器輸入的電信號，從而獲得氣體濃度。
一般來講，為了獲得優(yōu)質(zhì)高精度的NDIR氣體傳感器，重要的是延長特定光學 腔室內(nèi)的光程長度，從而增加光傳播期間光學腔內(nèi)光的吸收量。
但是，僅僅增加光學腔的光程可能會斷氐產(chǎn)品的競爭性，因為氣體傳感器的體 積和相關(guān)制造成本都會因此而相應(yīng)增加。增加有限尺寸的光學腔光程的一個有效方 法就是合理地設(shè)置各個平面鏡和透鏡在光學腔內(nèi)的幾何位置。
由于上述原因，傳統(tǒng)光學腔的設(shè)計和分析采用的最普通的方式，就是使用光學 模擬技術(shù)通過試驗和誤差來找出平面鏡和透鏡的最佳幾何設(shè)置。但是，在光學模擬 中，影響光學腔性能的因素太多，在光學腔設(shè)計和制造過程中發(fā)生的許多小的誤差 因素的累積都可能會導致每個產(chǎn)品性能的極大變化,而且誤差出現(xiàn)后的恢復需要大 量時間和經(jīng)費開支。此外，在使用光學模擬技術(shù)設(shè)計光學腔時,人們不得不通過試驗 和誤差工藝來對光學腔進行重新設(shè)計,目的是通過特定尺寸的光學腔來增加或減小 光程的長度，進而可能獲得的是一種不切實際的光學腔,這種光學腔可能無法應(yīng)用到 某個特定氣體傳感器電路。
此外，為了設(shè)計具有較長光程和較小光學腔體積的高效光學腔，光源輻射的光 在光學腔內(nèi)充分循環(huán)后應(yīng)能被探測器探測到,以便最充分地應(yīng)用特定光學腔的內(nèi)部 空間。但是，在這種情況下，氣體通風口的空間就相對減小，導致響應(yīng)時間(即一 次測量所要求的時間范圍)過長。這就是說，測量氣體濃度一次可能需要幾分鐘時 間，這樣，傳統(tǒng)式氣體腔由于用作氣體通風口的空間小，在要求快速測量速度(或 者較短響應(yīng)時間)的檢測環(huán)境下是無法使用的。
此外，當使用NDIR探測技術(shù)來測量對熱紅外具有良好吸收特性的氣體時(即
當測量可吸收4.2攜 紅外的032氣體時)，熱紅外會導致腔室材料的熱振動，從而 增加了光學腔的溫度。例如，當光源輻射能量在100的光束時，因為光學腔內(nèi)溫度 的升高，就可能形成一個超過100的較大能量，這會造成測量誤差。為了將這種誤 差降到最低，人們可以使用脈沖式光束。然而，由于光探測器輻射強度小，采用小 脈沖寬度的脈沖式光束時，則可能無纟去獲得有效的氣體測量結(jié)果。相反，寬脈沖寬 度的脈沖式光束的使用又會影響光學腔內(nèi)溫度的升高，進而，會導致氣體傳感器測 量出現(xiàn)誤差。
此外，由于包括光程長度在內(nèi)的光學腔特性會受到多種因素的影響，在設(shè)計了 一個光學腔之后通過多次實驗來對設(shè)計變量進行修改是很不容易的，或者說很難預 測光學腔的特性變化以及將這種變化反映到光學腔的設(shè)計上。
因為光源輻射的光束具有預定的波束寬度或波束尺寸，所以不容易使所有輻射 光都具有一個可穿過光焦點的理想光程。因此，在考慮了光學腔內(nèi)會出現(xiàn)的各種光
程后，也就很難設(shè)計出一種光學腔。
盡管與其它類型的傳統(tǒng)氣體傳感器相比，NDIR氣體傳感器的優(yōu)點很多，但上 述問題還是會影響這種傳感器的實際使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光學腔，該光學腔具有延長光程和有效通風的特性。 本發(fā)明的另一個目的是有效設(shè)計作為NDIR氣體傳感器一個主要部件的光學腔， 該光學腔具有延長光程特性，可以增加測量精度；另外，該光學腔的通風口尺寸明 顯增加，便于目標氣體流入和流出光學腔，從而降低每次測量氣體濃度所需要的響 應(yīng)時間。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種光學腔，所述光學腔采用了有效的平面鏡幾何 設(shè)置，保證了一種同時既具有延長光程又具有加大通風口尺寸這種似乎矛盾的目標 要求。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種光學腔，所述光學腔具有一個較大尺寸的通風 口，便于通過該通風口進行熱輻射，防止由于光學腔內(nèi)溫度升高而出現(xiàn)的測量誤差。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種光學腔，所述光學腔在平面反射鏡的預定部分 弓l導輻射光反射并在平面反射鏡其它無光反射的區(qū)域應(yīng)用了通風口 ，便于氣體能夠流入和流出，并能防止光學腔內(nèi)由于一些并非需要光程引起的溫度升高，這些并非 需要的光程具有許多光探測器探測不到的光反射點。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種光學腔，所述光學腔具有一個有效光探測特性， 該特性是通過將光學腔的平面鏡設(shè)置成一種會聚系統(tǒng)并將光探領(lǐng)U器定位至噲聚系統(tǒng) 的會聚點上來實現(xiàn)的。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種光學腔，所述光學腔能夠使設(shè)計者設(shè)計的光學 腔的幾何圖形能夠更容易進行分析，并通過小量調(diào)整光學腔設(shè)計因素就可以很方便 地改變光程，從而降低設(shè)計光學腔的試驗次數(shù)和誤差以及成本。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種光學腔，所述光學腔的光程可以通過控制兩個 二次拋物柱面鏡的焦距比而很容易地進行調(diào)整，并可以基于所應(yīng)用的氣體類型而容 易設(shè)計。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種光學腔，所述光學腔能夠通過反射光透過預定 焦點來對輻射光進行會聚，所述輻射光的光束尺寸在其原來狀態(tài)的基礎(chǔ)上得到了擴 展。
針對上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面的光學腔包括兩個相對設(shè)置的拋物柱面 鏡，這兩個拋物柱面鏡都具有位于拋物柱面鏡公共光軸上的公共焦點；另外，還包 括一個沿每個拋物柱面鏡頂點之間的光軸設(shè)置的平面鏡。
在上述的光學腔中，從具有較長焦距的拋物柱面鏡的一個任意點上輻射的光在 光學腔內(nèi)循環(huán)，沿光軸到正負方向，最后會聚到光軸中。因此，與光軸并行設(shè)置的 光探測器就可以探測到光源輻射的所有光。
在上述的光學腔中，光的反射只在平面鏡上的拋物柱面鏡的焦點處出現(xiàn)。由于 光的反射只在位于平面鏡上的焦點處發(fā)生，所以，平面鏡的其它部分不會反射光。 因此，可以在平面鏡上不會產(chǎn)生光反射的其余部分提供通風口。
根據(jù)本發(fā)明，人們可以設(shè)計出一種光學腔，該光學腔的會聚系統(tǒng)光程相當長， 而且通過使用兩個二次拋物柱面鏡，從而形成相當大的通風口，所述兩個二次拋物 柱面鏡的焦距不同，而且二者之間還設(shè)置有一個平面鏡。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的光學腔具有一種通過改變兩個拋物柱面鏡焦距比來調(diào)整光程長 度的特性。根據(jù)拋物線的原理，在兩個拋物柱面鏡的焦距比為l:l時，可以形成一 根無限長的光程。當該焦距比設(shè)定為l:n時，根據(jù)所應(yīng)用的氣體類型，人們可以很
容易地設(shè)計出這種光學腔，即如果氣體的吸收率較高時，可降低"n"值來縮短光程
長度，或者如果氣體的吸收率較低時，可增加"n"值來延長光程長度。
想情況下，所有被輻射的光都到達光軸上的焦點。但是，實際上，光源輻射 的具有預定寬度或尺寸的光束不能到達理想光程提出的一個焦點上。因此，光學腔 應(yīng)該設(shè)計成這樣的，即帶有預定光束尺寸或與其原來光程偏離的輻射光束可以會聚 成焦點，最后再會聚到光探測器內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種ND工R氣體傳感器用的光學腔，該光學腔具有延長光程 和有效通風的特性。
由于本發(fā)明所提出的光學腔是一種使用兩個拋物柱面鏡和一個平面鏡來形成光 程的光學會聚系統(tǒng)，其中，光的反射只有在光學腔內(nèi)的預定區(qū)域進行，光學腔內(nèi)的 無光反射的某些區(qū)域使用了通風口為氣體的通風提供了方便，使得延長光程的會聚 系統(tǒng)具有光聚焦功能特性，而有效通風的特性使得光學腔具有快速反應(yīng)的功能。
根據(jù)本發(fā)明的光學腔具有延長的光程，可提高測量精度，通風口尺寸的實質(zhì)性加 大便于目標氣體流入和流出光學腔，從而縮短了測量氣體濃度所需要的響應(yīng)時間。
根據(jù)本發(fā)明的光學腔采用了平面鏡的有效幾何設(shè)置，確保了這種既能延長光程 同時又能擴大通風口的似乎矛盾的目標要求。
根據(jù)本發(fā)明的光學腔具有一種尺寸較大的通風口，便于熱輻射，防止由于光學 腔內(nèi)溫度上升出現(xiàn)的測量誤差。
根據(jù)本發(fā)明的光學腔通過在平面反身t鏡的預定部分弓I導輻射光反射并在平面反 射鏡其它無光反射的區(qū)i或應(yīng)用了通風口，能夠便于氣體流入和流出尺寸增大了的氣 體通風口，并能防止光學腔內(nèi)由于一些并非需要的光程而引起的溫度升高，這些多 余的光程帶有許多光探測器探測不到的光反射點。
根據(jù)本發(fā)明的光學腔通過將光學腔的平面鏡設(shè)置成一種會聚系統(tǒng)，并將光探測 器定位到會聚系統(tǒng)的會聚點上以使其具有有效的光探測^^性。
本發(fā)明的光學腔的設(shè)計可以使得光學腔的設(shè)計者們能夠設(shè)計具有簡單幾何形狀 的光學腔，這種光學腔能夠很容易地被分析。使用了本發(fā)明的光學腔設(shè)計原理，人們 只要稍稍改變光學腔設(shè)計因素就可以很容易地改變光程，從而降低光學腔設(shè)計所需 的試驗次數(shù)和誤差以及成本費用。
在根據(jù)本發(fā)明的光學腔中，通過控制兩個二次拋物柱面鏡的焦距比，可以很容 易地調(diào)整光程，并可基于所應(yīng)用的氣體類型來非常容易地設(shè)計不同的光程。
根據(jù)本發(fā)明的光學腔通過將皿行反射從而穿過預定的焦點，能夠使得輻射光
進行會聚，該輻射光的光束尺寸在其原來狀 礎(chǔ)上得到擴展。
根據(jù)本發(fā)明，光學腔的設(shè)計或結(jié)構(gòu)可以縮減到數(shù)學表達式或數(shù)字公式，提供一
種設(shè)計和分析不同光學腔的簡單方法，這樣，與使用傳統(tǒng)光學仿真的方法相比，設(shè)
計和生產(chǎn)光學腔的時間可以縮短，大大降低成本。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的光學腔的原理示意圖。
圖2為光的傳播圖，其光束尺寸是從光源處的光傳播開始擴展的。 圖3示出了光在橢球面鏡中的光學反射特性。
圖4示出了本發(fā)明應(yīng)用橢球面鏡的光學腔。
圖5示出了入射到帶有輕微偏差的焦點上的光的光程。
圖6示出了入射到帶有偏向-x軸方向的焦點的光的光程。
圖7示出了入射到帶有偏向+x軸方向的焦點的光的光程。
圖8示出了使用兩個光探測器的光學腔。
圖9示出了橢球面鏡焦點移向-x軸方向的光學腔。
圖IO示出了具有通風口的光學腔。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，介紹本發(fā)明的實施例。
1.來自理想光源的光在光學腔內(nèi)的傳播
圖l為一張示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的光學腔的原理。
如圖1所示，本發(fā)明的光學腔基本上由兩個二次拋物柱面鏡M1， M2和一個平面
鏡 M3組成。
其中一個具有焦距p的拋物柱面鏡Ml可以描述為下面公式(1)，而另一個具有 焦距《的拋物柱面鏡M2可以描述為下面公式(2)。
Ml : y2= —4P(x —p) -----(1)
M2 : y2= 4g(i + g) -----(2)
兩個公式(1)和(2)所介紹的拋物面線，在坐標原點處有一個共同焦點，并在坐 標X軸線處有一個共同光軸。為了便于說明，X， y， Z坐標的X軸此處被看作是光 軸，是作為光學分析的基準軸。
一般來講，公式的二次拋物線，y2=4p (x-p)，的焦點在(p，0)處，其x軸對 稱?；诙螔佄镏骁R的反射特性，與光軸(x軸)平行的入射光從二次拋物柱面 鏡上反射后通過焦點(P， 0)，穿過焦點(p, 0)的入射光從二次拋物柱面鏡反射，與 光軸(x軸)平行傳播。
使用二次拋物柱面鏡的上述特性，兩個分別具有焦距P和q (p〉q)的二次拋物 柱面鏡M1， M2就可以彼此相對設(shè)置，從而在拋物柱面鏡的共同光軸(x柳上形成 一個共同焦點F;平面鏡M3則沿光軸(x軸)設(shè)置，而光探測器D位于光軸的一端。 光源S從點A。輻射到光軸上的焦點F的光從焦點F反射，然后以Bn—Ac F—B,— A2…一D光程在光學腔內(nèi)循環(huán)。焦距"p"和"q"應(yīng)該能滿足p 〉 q的條件。如果 p = Q，那么輻射的光將不會會聚到探測器D，并將會無限循環(huán)。為了讓光能會聚到 探測器D內(nèi)，光源S應(yīng)該位于具有焦距p (p〉q)的拋物柱面鏡(Ml)上。甚至在光源S 位于拋物柱面鏡(M1)上任何任意點時，光將能會聚到光軸(x柳內(nèi)。
當反射點的坐標為A'p(a。， p。)' A,尸(a，， P,，)， B'F(a"' ， fV )， Bn=(a，， ， (3n，)， 點A。和B?？梢愿鶕?jù)公式(1)和(2)而表示為公式(3)，條件是(V ,。
<formula>complex formula see original document page 10</formula> -----(3)
<formula>complex formula see original document page 10</formula>
從公式(3)中，如果n — oo那么an — P， a ， _q， P 4V — 0。隨著循環(huán) 次數(shù)的增加，光則沿光軸會聚并最終被光軸上的光探測器D所探測到。
光源S輻射的光在光學腔內(nèi)循環(huán)，其循環(huán)次數(shù)為光探測器D在光軸點(-q， O)處可 探測到的預定次數(shù)N。當光探測器D的直徑(即光探測器D在y軸上的尺寸)與焦距p 之比是m (m〈l)(即光探測器的尺寸，P)，那么，循環(huán)次數(shù)N如下面公式(4)。
從公式(3)和條件B/即，就可以導出公式(4)，該公式給出了光在循環(huán)N次數(shù)后 會聚到光探測器D內(nèi)的條件。
<formula>complex formula see original document page 11</formula> -----(4)
例如，如果p二20mm， q=16mm， m=0. 2，光探測器的尺寸=0. 2p=4誦，p =20咖， 那么按照公式(4)， N>6.21，這就是說，光源S輻射的光在光學腔內(nèi)經(jīng)過了六次循 環(huán)后，在其第七次循環(huán)時被光探測器D探測到。
與此同時，從光源S到探測器D的光程的總長度可以通)3t)(寸第n次循環(huán)的長度 進行歸納而導出。Ln，即第n次循環(huán)的長度，可在圖1的基礎(chǔ)上根據(jù)公式(3)來給出。
<formula>complex formula see original document page 11</formula>
光源S輻射的光在N次循環(huán)后被光探測器D探測到時，N次循環(huán)的光程的總長
度根據(jù)下式給出
<formula>complex formula see original document page 11</formula>--(6)
例如，如果p二 20誦，q= 16 mm， m二O. 2，光探測器的尺寸=0, 2p : 4鵬，{3 0 二 20 mm，以及15腿那么按照公式(4)， N = 7 。但是，因為第七次循環(huán)不完整， 相差量為a、- aN—1'，光程的總長可以根據(jù)公式(6)得出如下
<formula>complex formula see original document page 11</formula>-( )
將上面給定數(shù)字代入公式(7)就會得出光程的總長度L 473 mm。 與此同時，在根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器的光學腔內(nèi)，可通過控制拋物柱面鏡M1， M2的焦距(p， q)來調(diào)節(jié)光程。也就是說，光程的長度可以根據(jù)光學腔的應(yīng)用情況通 過控審忪式(7)的焦距p和q之比M行調(diào)整。例如，對于光吸收率較高的氣體，如 二氧化碳，光程可以設(shè)計成較短，而對于光吸收率較低的氣體，如一氧化碳，光程
可以通過調(diào)整P和q值而設(shè)計成較長。
2. 具有擴散特性的光源的光學腔的設(shè)計
通常，市場上的普通光源輻射的光都具有擴散特性。也就是說，光源不是一種 點光源，具有一定尺寸的光按一定擴散角度輻射。這樣，普通光源的光路就不可能 按照圖1給出。而可以按照圖2給出。
圖2給出了光的傳播情況，光的光束尺寸是從光源處光的傳播點開始擴展的。 在圖2中，并不是光源S輻射的所有光都會聚成焦點F。由于光的擴散特性， 各種光就會以焦點F為基準向+x和-x軸方向擴展，并呈現(xiàn)一定寬度。向+x軸方向 擴展的光的光程不同于向-x軸方向擴展的光的光程;在這種情況下，有一部分光束， 光探測器D可能探測不到。在本發(fā)明中，使用了一個橢球面鏡來將擴散光會聚到焦 點F。
圖3示出了光在橢球面鏡中的光學反射特性。
根據(jù)橢圓體的原理，位于橢圓體一個焦點的光源輻射的光在從橢球面鏡反射后 將會聚成另一個焦點。圖4給出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光學腔的結(jié)構(gòu)，該結(jié) 構(gòu)中應(yīng)用了橢球面鏡。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明應(yīng)用一個橢球面鏡的光學腔。
在圖4中，光源S在橢球面鏡E的一個焦點f上。橢球面鏡E的另一個焦點是 兩個拋物柱面鏡M1， M2的公共焦點F。橢圓體E的焦點f輻射的所有光都從橢球面 鏡E的表面反射，然后會聚到兩個拋物柱面鏡M1， M2的公共焦點F。這種會聚光根 據(jù)兩個拋物柱面鏡Ml， M2的反射特性最終會聚到光探測器D中。
3. 偏離光程的光學腔的設(shè)計
圖4的光學腔用于通過使用橢球面鏡E將光源S來的擴散光聚焦到公共焦點F 上而將光學腔內(nèi)的大部分光會聚到光探測器D。然而，在采用上述設(shè)計方法制作的 實際光學腔中，可能會存在一種偏離焦點的光程。因此，必須設(shè)計一種光學腔，這 樣^f有的光都可以具有可會聚到光探測器D的光程。
圖5示出了入射到焦點的光的光程，具有小量偏差。
在圖5中，虛線所表示的光程代表了輻射光正好會聚到焦點F的理想情況，而 實線表示的光程則表示輻射光全部或部分偏離焦點F的情況。
設(shè)So為光源S輻射的光抵達光軸時與焦點F的光偏離量，^^f'^'fs!,且
它們的平方值約等于零。
設(shè)理想的光程為A。一 F— B — A"且偏離焦點F的偏離光程為e。是A。一 F() —B ' —A/.參照公式(3)，偏離光程中反射點的坐標可以描述為
<formula>complex formula see original document page 13</formula> (8)
&， v。，yi, ^的值要比p小很多，象￡°值一樣。這樣7， 7， P , 7的平方值及其乘
數(shù)近似于零。讓我們從偏移光程中獲得A,的值，并進行歸納。從M昌射的光從點F。 處反射，該點偏離焦點F，而后到達點B。'。由于Rr'是拋物柱面鏡M2上的一個點，
55的斜率與^"^。一'的斜率相反，B '的坐標可根據(jù)下列公式給出
<formula>complex formula see original document page 13</formula> -----(9)<formula>complex formula see original document page 13</formula> (10)
根據(jù))io和V。來解公式(9)和(10)，可給出下列公式:
<formula>complex formula see original document page 13</formula> (11)
<formula>complex formula see original document page 13</formula> (12)
式中，""i， (0〈T〈1).
AZ的坐標還可以根據(jù)光反射定律和三角函數(shù)中的減法定律計算得出。也就是說， 參照點B。'的法線，^ 入射角的幅度等于^ 反射角的幅度。因此，tan(w)，即
^的斜率就可以根據(jù)公式(13)計算得出。
<formula>complex formula see original document page 14</formula>------(13)
A,的坐標可以按照公式(13)和公式(14)所示反射定律給出,
<formula>complex formula see original document page 14</formula>
從A,點反射的光再次在點F1= fe， 0)處到達光軸。Sl可以根據(jù)公式(15)使用點 A,處光反射定律和三角函數(shù)中減法定律計算得出。
<formula>complex formula see original document page 14</formula>(15)
如公式(15)所示，&和&都具有相同的特征。
這相同的特征說明，當偏離光到達1軸時，反射的光將在光學腔循環(huán)后到達同 一個1軸，而當偏離光到達+X軸時，反射的光將在光學腔循環(huán)后到達同一個+X軸。
也就是說，當偏離光相對于焦點F(O，O)分成正方向光和負方向光時，負方向光的光 軸上的所有反射點都會保持在焦點F的負方向上，如圖6所示，而正方向光的光軸 上的所有反射點者P會保持在焦點F的正方向上，如圖7所示。
最后，負向偏離的光可以到達圖6所示的光探測器D，而正向偏離的光不能到 達圖7所示的光探測器D。
4.偏離光路的修正
如圖6和圖7所示，帶有偏離的入射到焦點F的光分成(+)和(-)方向，彼此光 程不同。
圖8示出了使用兩個光探測器的光學腔。
如圖8所示，當光學探測器D1， D2分別位于點(-q，0)和(p，0)時，可以探測到 光源S輻射的大部分光，氣體傳感器的效率達到最大。這就是說，在光源S輻射的 光中，在-x方向到達光軸的光將具有如實線所示的光程，并將被光軸左側(cè)的光探測 器D1探測到，而在+x方向到達光軸的光將具有如虛線所示的不同的光程，并將被
光軸右側(cè)的光探測器D2探測到。因此兩個光擬則器可以探測到光源所輻射的大部 分光，這樣，探測的效率將達到最大。
然而，盡管圖8所示光學腔中光的使用達到最大化時可增加氣體傳感器的精度，
但由于光軸上沒有提供通風口 ，通風口的設(shè)置受到一定的限制。
然而實際上，即使用如圖5所示的橢球面鏡E強制地讓輻射光會聚至lj焦點F， 都不可能將來自光源S的所有輻射光完全精確地會聚到焦點F上。光應(yīng)該是以焦點 F為中心分成(+)和(-)方向，結(jié)果，當只有一個光探測器位于點(-q,0)或(p，0)時， 則不可避免地會出現(xiàn)光損失，相當于總光量的一半。如果按圖9來設(shè)置光源S禾口/ 或橢球面鏡E，則可將這種光損失降到最小。
圖9示出了一種光學腔，介紹了橢球面鏡的焦點移到-x軸方向。
圖9給出了光學腔結(jié)構(gòu)，其中，橢球面鏡E的焦點F'從拋物柱面鏡M1， M2 的公共焦點F稍稍移向+x軸。
如圖9所示，橢球面鏡E的兩個焦點f， F'中的其中一個位T"光源S上，而另 一個則位于點F'上，該點從拋物柱面,竟M1， M2的公共焦點F稍稍移向i軸，移動 量為&。拋物柱面鏡M1， ^12焦點和橢球面鏡￡焦點之間的距離&)將取決于橢球面鏡 E聚光的性能效率。
在圖9中，如果光源S輻射的大多數(shù)光在相對于平面鏡M3上的公共焦點F沿i 軸方向入射到光軸時，那么，這些光就最終被光探測器D所探測到。因為在相對于 平面鏡M3上的公共焦點F沿+x軸方向的光軸上沒有反射光，在平面鏡M3的這部分
上可以提供通風口。圖io示出了具有這種通風口的光學腔結(jié)構(gòu)。
圖IO給出了具有通風口的光學腔的結(jié)構(gòu)，以及光學腔內(nèi)的光程情況。 如圖10所示的光學腔中，在平面鏡沒有光程的部分提供有通風口。也就是說， 由于光源S輻射的光逐漸會聚到位于光軸的光探測器D中，不接觸與橢球面鏡E和光 源S相連接的上平面鏡，通風口 VI可以位于上平面鏡。此外，如果將橢球面鏡E 的焦點設(shè)定到與共同焦點F稍微隔開的點F'上來使得反射點限定在相對于共同焦 點F的-x軸方向，那么，另一個通風口 V2就可以位于不會發(fā)生光反射的光軸的+x
軸方向。
由于這些通風口的設(shè)置不是因為橢球面鏡E的存在而是因為將光源F輻射光的 入射點設(shè)定到與平面鏡M3上的共同焦點F稍微隔開的點F'上，因而，只要光源S
的光的輻射角度設(shè)計成能夠滿足上述條件，即使沒有橢球面鏡E，也可以獲得同樣
的結(jié)果。
通風口V1， V2可以是在平面鏡上形成的若干個通風孔，如圖10所示，或者， 通風口可以采用平面鏡部件切口形式。X寸通風口的形式?jīng)]有限制，只要能夠使得被
探測的氣體流入和流出即可。此外，通風口V1， V2上還可以裝有通風期間用于濾除
塵埃和顆粒的一個過濾器(圖中未示)。
由于光不會穿過或反射在通風口V1， V2上，所以也不會因為通風口而出現(xiàn)光損 失的現(xiàn)象。氣體傳感器的響應(yīng)時間可以通過使通風口尺寸最大化而得到縮短從而便 于被測試氣體流通。這就是說，通風口V1， V2設(shè)計上的重要因素不是通風口的具體 位置，而是在光學腔中不會出現(xiàn)光反射的位置提供通風口的原則。例如，通風口可 以設(shè)置在與由平面鏡M1， M2， M3組成的側(cè)壁相垂直的上下平面上。
上面所介紹的實施例可以使所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員實施或使用本發(fā)明。不言 而喻，對于所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員來講，可以很容易地對這些實施例進行各種改 進，這里所定義的通用原理可以應(yīng)用于其它實施例，但都沒有脫離本發(fā)明的精神或 范圍。為此本發(fā)明并不僅限于這里所介紹的實施例，而是適用于與這里所披露的原 理和突出特性相一致的最廣大范圍。
根據(jù)本發(fā)明的新型光學腔結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于NDIR氣體傳感器，后者廣泛用于空 氣質(zhì)量控制，包括室內(nèi)空氣質(zhì)量控制，車輛用的HVAC(加熱、通風和空調(diào))系統(tǒng)等。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器光學腔，包括具有第一焦距的第一拋物柱面鏡；具有第二焦距的第二拋物柱面鏡，該第二焦距大于第一焦距，且第二拋物柱面鏡設(shè)置在與第一拋物柱面鏡相對的位置；以及平面鏡，設(shè)置在第一拋物柱面鏡的一端和第二拋物柱面鏡的一端之間，其中兩個相對設(shè)置的拋物柱面鏡具有公共焦點，該公共焦點位于拋物柱面鏡的共同光軸上，平面鏡沿所述光軸設(shè)置，而公共焦點位于平面鏡的表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學腔，還包括位于第二拋物柱面鏡一側(cè)的光源，用于將光輻射至U沿光軸設(shè)置的平面鏡上；以及位于第一拋物柱面鏡和平面鏡的連接點處的光探測器，用于探測在光學腔 內(nèi)由第一拋物柱面鏡、第二拋物柱面鏡和平面鏡接連反射的光。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學腔，其中可以設(shè)定來自光源的光的輻射角度以使 來自光源的光可以入射到光探測器和公共焦點之間的平面鏡部分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學腔，其中可以調(diào)整位于光探測器和公共焦點之間 的平面鏡部分上的光的入射點，光學腔內(nèi)的光程的長度也可以根據(jù)來自光源的 光的輻射角度來進行調(diào)整。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求1到4中任一項所述的光學腔，還包括設(shè)在光學腔內(nèi)不會發(fā)生光反射的預定區(qū)域處的氣體通風口 。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學腔，其中氣體通風口設(shè)置在第一拋物柱面鏡的另--端和第二拋物柱面鏡的另一端之間的光學腔的預定區(qū)域。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學腔，其中氣體通風口設(shè)置在公共焦點和第二拋物柱面鏡的一端之間的光學腔的預定區(qū)域。
8. —種氣體傳感器光學腔，包括頂面；底面；以及頂面與底面之間的側(cè)壁，其中該側(cè)壁沿順時針方向依次包括第一面，第二面，第三面和第四面; 該第一面由具有第一焦距的第一拋物柱面鏡形成，該第三面由具有第二焦距的第二拋物柱面鏡形成，該第二焦距大于第一焦 距，且第二拋物柱面鏡設(shè)置在第一拋物柱面鏡的對面；該第四面由設(shè)置在第一拋物l主面鏡下端和第二拋物柱面鏡下端之間的第一 平面鏡形成；并且該第二面由與橢球面鏡相連的第二平面鏡形成，該第二平面鏡設(shè)置在第一 拋物柱面鏡上端和橢球面鏡的一端之間，該橢球面鏡設(shè)置在第二平面鏡的一端 和第二拋物柱面鏡上端之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學腔，其中第一拋物柱面鏡和第二拋物柱面鏡具有 公共焦點，該公共焦點位于拋物柱面鏡的公共光軸上，第一平面鏡沿公共光軸 設(shè)置，且該公共焦點形成于第一平面鏡的表面上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學腔，還包括位于第二拋物柱面鏡一側(cè)的光源，用于將光輻射到沿光軸設(shè)置的第一平面 鏡上；以及位于第一拋物柱面鏡和第一平面鏡的連接點處的光探測器，用于探測在光 學腔內(nèi)由第一拋物柱面鏡、第二拋物柱面鏡和第一平面鏡接連反射的光。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學腔，其中第一拋物柱面鏡、第二拋物柱面鏡和第一平面鏡的設(shè)置使得光學腔內(nèi)的光程可以形成光會聚系統(tǒng)，而光探測器可以設(shè) 置在光會聚系統(tǒng)的會聚點處。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求9到11中任一項所述的光學腔，其中橢球面鏡的一個焦點形成于公共焦點的附近位置。
13. 根據(jù)上述權(quán)利要求9到11中任一項所述的光對空，還包括在光學腔的無光反射的預定區(qū)域提供了氣體通風口 。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學腔，其中氣體通風口設(shè)在光學腔的頂面或底面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器的光學腔，而且特別涉及一種非分光紅外(NDIR)氣體傳感器。根據(jù)本發(fā)明的光學腔包括兩個相對設(shè)置的拋物柱面鏡，所述拋物柱面鏡具有公共焦點，所述焦點位于拋物柱面鏡的公共光軸上；所述光學腔還包括一個平面鏡，沿每個拋物柱面鏡頂點之間的光軸設(shè)置。
文檔編號G01N21/35GK101198856SQ200680021655
公開日2008年6月11日 申請日期2006年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月16日
發(fā)明者樸政翼 申請人:愛爾特公司