氣體分析儀與當(dāng)中所用的光學(xué)區(qū)塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是關(guān)于量測(cè)設(shè)備，特別有關(guān)于控制大氣中碳?xì)浠衔锖垦b置。氣體分析儀含有光學(xué)區(qū)塊（1），其內(nèi)從入口（2）到出口（3）形成一通道（4），作為紅外線輻射路徑，控制組件（5）連接光學(xué)區(qū)塊入口（2）與出口（3），以及位于光學(xué)區(qū)塊（1）入口的紅外線輻射源（6）、和安裝在區(qū)塊（1）出口的紅外線輻射偵測(cè)器（7）；用來(lái)作為紅外線輻射源的，為帶有一鏡面濾波器（10）的一速動(dòng)差動(dòng)光伏偵測(cè)器，其傳輸?shù)姆瓷渑c光譜特征，與紅外線輻射源（6）的光譜與量測(cè)的氣體吸收光譜對(duì)應(yīng)一致。氣體分析儀提供以下技術(shù)結(jié)果成就：高靈敏度與最小能耗需耗。氣體分析儀的光學(xué)區(qū)塊（1）含有作為紅外線輻射路徑之用的內(nèi)部通道（4）、位于通道（4）入口處的紅外線輻射源（6）、以及位于通道出口處的紅外線輻射偵測(cè)器（7）。而通道（4）是由能集中自入口沿著路徑至位于出口處、本輻射偵測(cè)器（7）的傳輸紅外線輻射的一多路鏡面光學(xué)盤體外形所構(gòu)成，至于紅外線輻射源（6），其所建立通向位于盤體速動(dòng)脈波發(fā)光二極管中的集中器的方向性紅外線輻射獲得使用。氣體分析儀光學(xué)區(qū)塊（1）提供以下技術(shù)結(jié)果成就：高紅外線輻射傳輸系數(shù)、從輻射源到偵測(cè)器的最小輻射能消散以及小尺寸的分析儀。
【專利說(shuō)明】氣體分析儀與當(dāng)中所用的光學(xué)區(qū)塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明有關(guān)于量測(cè)技術(shù)，特別有關(guān)于控制大氣中碳?xì)浠衔锖康难b置。這些裝置代表量測(cè)的方法工具，主要為可攜式，并有其可能對(duì)爆炸性濃度程度執(zhí)行持續(xù)控制的幫助好處，舉例而言，因分子擴(kuò)散-即未建立積極的氣體流動(dòng)之故，以建議裝置測(cè)量并分析環(huán)境中的氣體，監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)施與礦坑中的沼氣。
【背景技術(shù)】
[0002]一種紅外線氣體分析儀(俄羅斯專利22039號(hào)，
【公開日】期2005年2月18日，國(guó)際分類號(hào)G01N21/61)，以下簡(jiǎn)稱氣體分析儀，其為已知。其含有一控制組件及一光學(xué)區(qū)塊，光學(xué)區(qū)塊包含紅外線輻射(以下簡(jiǎn)稱IR)源及偵測(cè)器。光學(xué)區(qū)塊內(nèi)形成由入口至出口的紅外線輻射傳輸?shù)耐ǖ溃尲t外線輻射從其源頭傳輸?shù)絺蓽y(cè)器處。紅外線輻射源安裝于光學(xué)區(qū)塊入口 ；紅外線輻射偵測(cè)器安裝在此區(qū)塊的出口處。控制組件能夠處理由偵測(cè)器接收的紅外線輻射并展示對(duì)應(yīng)結(jié)果。而紅外線輻射源具有一球狀鏡面反射板。用于紅外線輻射傳輸?shù)耐ǖ朗怯蛇\(yùn)作及協(xié)助腔室所形成。運(yùn)作腔室是由一具有內(nèi)球狀鏡面反射板的中空扁平錐形物所形成，且直接安裝于協(xié)助腔室內(nèi)、與紅外線輻射源的相同光軸上。此紅外線輻射偵測(cè)器具有一調(diào)焦裝置及，沿著與其垂直的光軸安裝。一鏡面分頻器及具有一配置窗口的一旋轉(zhuǎn)盤位于在這些主軸的交會(huì)處。
[0003]此氣體分析儀具有一些嚴(yán)重缺點(diǎn):
由于鏡面反射板處紅外線輻射能的大量耗失，以及因具有配置窗口的轉(zhuǎn)盤所截取的紅外線輻射光通量高能量需耗，還有輻射源僅有效利用在紅外線廣泛光譜中的小區(qū)域；
因多重機(jī)構(gòu)組件之故的低運(yùn)作可靠度，例如帶有配置窗口的旋轉(zhuǎn)盤及旋轉(zhuǎn)光學(xué)濾波
器；
整體尺寸加大，其為光學(xué)區(qū)塊代表一空間分隔復(fù)雜系統(tǒng)，帶有一大量機(jī)構(gòu)組件以及位于區(qū)塊不同部分中的球狀鏡面反射板的條件；
氣體分析儀(歐盟專利申請(qǐng)2169384號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/35，
【公開日】期2010年3月31日)。其目的在于對(duì)輻射路徑軌跡的外來(lái)影響補(bǔ)償進(jìn)行充分精確的測(cè)量，以監(jiān)控呼吸氣體。以紅外線輻射源、氣體盤、二向色分束器、分析濾波器、參考偵測(cè)器及量測(cè)偵測(cè)器等方法來(lái)解決此工作，而二向色分束器能根據(jù)所分析的氣體而改變波束角度。二向色分束器以一 45度的角度，安裝在以90度角彼此相對(duì)的光偵測(cè)器的法在線。
[0004]已知?dú)怏w分析儀是用來(lái)建立位于固定環(huán)境或在移動(dòng)醫(yī)療站臺(tái)中的一多重組件裝置，此已知分析儀具有體積大及高能量耗損的缺點(diǎn)。
[0005]使用在氣體分析儀中的光學(xué)組件(俄羅斯專利2372606號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/03，
【公開日】期2009年11月10日)，其中用以作為紅外線輻射路徑的通道，能借由穿過(guò)通道的路徑與位于出口處的紅外線輻射接收器來(lái)集中輻射。
[0006]已知的光學(xué)組件并不具備氣體分析裝置的必要靈敏度。
[0007]已知的紅外線氣體分析儀(美國(guó)專利6114700號(hào)，國(guó)際分類號(hào)GO 1N21/05，
【公開日】期2000年9月5日)，其中使用光伏偵測(cè)器作為紅外線輻射偵測(cè)器。
[0008]但在已知?dú)怏w分析儀中使用光伏偵測(cè)器，并不具備結(jié)合快速反應(yīng)的高偵測(cè)能力。
[0009]已知以浸泡二極管光耦為基礎(chǔ)的光學(xué)氣體傳感器(俄羅斯專利75885號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/35，
【公開日】期2000年8月27日)，包含一氣體盤，其反射面形成用于產(chǎn)生探針輻射波束的光學(xué)機(jī)制、一發(fā)光二極管形式的一探針紅外線輻射源，及一光電二極管形式的一光學(xué)接收器，其機(jī)構(gòu)連接至氣體盤殼體。裝置的氣體盤包括機(jī)構(gòu)調(diào)整組件；發(fā)光二極管及光電二極管使用浸入式光學(xué)(浸入二極管)所制成，并緊固連接至調(diào)整組件。
[0010]已知裝置的缺點(diǎn)在于應(yīng)用浸入式二極管所構(gòu)成的裝置，其具有光學(xué)機(jī)制與圖像不受控制的錯(cuò)誤校準(zhǔn)。由于設(shè)有調(diào)整裝置，使用浸入式二極管導(dǎo)致氣體分析儀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。同樣也導(dǎo)致尺寸增加。
[0011]已知為紅外線頻帶氣體分析儀(俄羅斯專利2287803號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/35，
【公開日】期2000年11月26日)，含有發(fā)光二極管矩陣形式、發(fā)出參考與運(yùn)作波長(zhǎng)的電磁輻射源，位于輻射路徑沿線處的氣體盤，安裝在盤體出口、用以接收參考與運(yùn)作波長(zhǎng)的主要光接收器，以及含有出口連接至微處理器的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的信號(hào)處理組件，指示裝置。此額外光接收器安裝在盤體入口，而二個(gè)光接收器皆用作為熱釋電光接收器。
[0012]在已知?dú)怏w分析儀中的發(fā)光二極管矩陣，必須確保每一發(fā)光二極管的快速反應(yīng)，以致總功率在脈沖電流供應(yīng)方能衡定。
[0013]在此矩陣應(yīng)用期間，不可能在單一光接收器上提供每一矩陣發(fā)光二極管的同時(shí)輻射集中，并且將光學(xué)區(qū)塊的整體尺寸最小化。此外，已知發(fā)明中所用的紅外線輻射源，與熱釋電型式光接收器結(jié)合。
[0014]已知上述氣體分析儀發(fā)明(俄羅斯專利2292039號(hào)，
【公開日】期2005年2月18日)所說(shuō)明的光學(xué)區(qū)塊。光學(xué)區(qū)塊內(nèi)從入口處到出口處，形成從輻射源至偵測(cè)器的紅外線輻射傳輸通道。紅外線輻射源是安裝在通道的入口處；紅外線輻射偵測(cè)器是安裝于此通道的出口處。而通道是由運(yùn)作及協(xié)助腔室所構(gòu)成。運(yùn)作腔室是由具有內(nèi)球狀鏡反射片的一中空扁平錐形物所構(gòu)成，且直接安裝在協(xié)助腔室內(nèi)，位于與紅外線輻射源相同的光軸上。紅外線輻射偵測(cè)器具有一調(diào)焦裝置，其沿著與其垂直的光軸安裝。一鏡面分頻器及具有一配置窗口的一旋轉(zhuǎn)盤位于這些主軸的交會(huì)處。使用例如一紅外線輻射源作為相對(duì)應(yīng)燈體。
[0015]此氣體分析儀的光學(xué)區(qū)塊缺點(diǎn)如下:
因存在有一機(jī)構(gòu)組件之故而造成的低運(yùn)作可靠度，即輻射偵測(cè)器中具有配置窗口的旋轉(zhuǎn)盤，還有在區(qū)塊中紅外線輻射路徑成形的復(fù)雜設(shè)計(jì)。
[0016]因作為具有輻射源與偵測(cè)器紅外線輻射路徑之用的現(xiàn)存空間分隔復(fù)雜信道系統(tǒng)，以及當(dāng)中的輻射光集中器對(duì)應(yīng)位置，而造成整體尺寸偏大。
[0017]已知光學(xué)氣體傳感器(歐盟專利1995586號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/03,
【公開日】期2008年11月26日)，以下稱為氣體分析儀。其含有內(nèi)有二彎折通道、用以建立從入口至出口處的紅外線輻射路徑的光學(xué)區(qū)塊，起自位于光學(xué)區(qū)塊入口的輻射源，并朝著安裝在區(qū)塊出口的偵測(cè)器的方向而去。在此有與光學(xué)區(qū)塊入口和出口連接的控制組件，并能改變紅外線輻射源運(yùn)作模式以及處理偵測(cè)器所接收的紅外線輻射，以及展示對(duì)應(yīng)結(jié)果。通道呈空間分隔貌，而其彎折半徑貼合光學(xué)區(qū)塊殼體。
[0018]氣體分析儀的缺點(diǎn)如下: 由于存在著作為路徑之用的二曲線通道，還有必要從一通道到其它通道的輻射傳輸中的必需性以及相應(yīng)大功率需耗，所導(dǎo)致紅外線輻射能量大量耗損；
由于必在二通道內(nèi)提供氣體的自我擴(kuò)散，氣體的緩慢進(jìn)入成為運(yùn)作持續(xù)性的條件。
[0019]從光學(xué)氣體感應(yīng)器(歐盟專利1995586號(hào)，國(guó)際分類號(hào)GO 1N21/03，
【公開日】期2008年11月26日)氣體分析儀的說(shuō)明中，已知位于氣體感應(yīng)器內(nèi)的一光學(xué)區(qū)塊。從本輻射源到偵測(cè)器處、供紅外線輻射傳輸之用的二空間分隔彎折通道，在區(qū)塊內(nèi)的入口到出口成形。這些通道在紅外線輻射源所在的入口構(gòu)成一盤狀物，而在出口有一輻射偵測(cè)器。通道沿著貼合光學(xué)區(qū)塊殼體的半徑而成。氣體以自然擴(kuò)散的方式從外部進(jìn)入內(nèi)部，通道墻的內(nèi)表面系反射紅外線輻射光。
[0020]光學(xué)區(qū)塊的缺失如下述:
由于作為路徑之用的二曲線通道的存在，還有自一通道至其它通道的輻射必要傳輸，相應(yīng)造成大功率需耗，導(dǎo)致紅外線輻射能量大幅耗損；
因存在有不規(guī)則形狀的二通道、和必須將其納入單一盤體的必要性、以及讓氣體在自然擴(kuò)散過(guò)程中從外部進(jìn)入到盤體所造成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。
[0021]整合式光學(xué)氣體傳感器，已知為氣體分析儀(英國(guó)專利2401432號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/03，
【公開日】期2004年11月10日)。其含有光學(xué)區(qū)塊。在區(qū)塊內(nèi)的入口到出口處，形成供紅外線輻射傳輸從源頭通到偵測(cè)器處之用的具矩形剖面U形通道。使用位于光學(xué)區(qū)塊內(nèi)通道入口處的一白熱燈作為紅外線輻射源，而紅外線輻射偵測(cè)器則位于通道出口處。其中，U形通道半徑貼合光學(xué)區(qū)塊殼體。在此有一控制組件連接到光學(xué)區(qū)塊的入口，并能夠改變紅外線輻射源運(yùn)作模式，以及處理偵測(cè)器所接收的紅外線輻射光和顯示對(duì)應(yīng)結(jié)果。
[0022]本發(fā)明獲選為一原型，因?yàn)槠渑c所應(yīng)用的氣體分析儀具最大共同數(shù)量的基本特色，并以解決類似問(wèn)題為目標(biāo)。
[0023]但此原型具有下列缺點(diǎn):
因存在有作為路徑之用的U形通道，導(dǎo)致紅外線輻射能大幅耗損，其中因通道內(nèi)壁的曲線表面造成紅外線輻射反射癖性,致使產(chǎn)生輻射能高消散。
[0024]高功率需耗，由于使用一白熱燈作為一紅外線輻射源，且使用一熱釋電接收器作為一紅外線輻射偵測(cè)器，而控制組件相對(duì)以具有低脈波比的低頻模式運(yùn)作。
[0025]不僅因U形通道的存在而造成紅外線輻射能高消散，還有因通道出口處以及進(jìn)入到偵測(cè)器的高發(fā)散角，造成偵測(cè)器所顯示的紅外線輻射能程度低落。
[0026]從整合式光學(xué)氣體傳感器(英國(guó)專利2401432號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/03，
【公開日】期2004年11月10日)氣體分析儀的說(shuō)明得知，光學(xué)區(qū)塊內(nèi)自入口到出口處，形成作為紅外線路徑的一 U形通道。而紅外線輻射源裝設(shè)在區(qū)塊內(nèi)通道入口處，而本輻射的偵測(cè)器則位于出口處。U型通道半徑貼合光學(xué)區(qū)塊殼體并具有一矩形剖面。其內(nèi)壁具有反射輻射的一均勻涂層。使用白熱燈作為紅外線輻射源。
[0027]選擇此光學(xué)區(qū)塊作為一原型，由于其具有對(duì)應(yīng)應(yīng)用目的的氣體分析儀基本特點(diǎn)的最多數(shù)量基本特色，且以解決類似問(wèn)題為目標(biāo)。
[0028]但此原型具有下列缺點(diǎn):
因其運(yùn)作所造成的高能量需耗，其因使用白熱燈作為紅外線輻射源之故；
不僅因U形通道的存在而造成紅外線輻射能高消散，還有因在通道出口及其進(jìn)入偵測(cè)器的高發(fā)散角，而造成偵測(cè)器顯示的紅外線輻射能程度低落。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029]本發(fā)明中所解決的工作，存在于建立氣體分析儀與其光學(xué)區(qū)塊，其可確保具最小耗能并維持最小體積的敏感度提升，以及具有最大能量使用的紅外線輻射提升傳輸比。
[0030]氣體分析儀含有光學(xué)區(qū)塊，當(dāng)中有建立作為紅外線輻射路徑之用的通道、與光學(xué)區(qū)塊入口及出口相連的控制組件、位在光學(xué)區(qū)塊入口處的紅外線輻射源以及安裝在該區(qū)塊入口的輻射偵測(cè)器；而且控制組件能夠改變紅外線輻射源運(yùn)作模式，并處理由具有取得結(jié)果指數(shù)的偵測(cè)器所接收的紅外線輻射。根據(jù)本發(fā)明，在光學(xué)區(qū)塊中用作紅外線輻射路徑的通道，可借由穿過(guò)通道并在紅外線輻射偵測(cè)器的出口處集中此輻射。所使用的紅外線輻射偵測(cè)器為具鏡面濾波器的一速動(dòng)差動(dòng)光伏偵測(cè)器，其傳輸與反射的光譜特性，與所測(cè)得的氣體吸收光譜與紅外線源輻射光譜對(duì)應(yīng)一致，其位于該偵測(cè)器中，且能沿著鏡面盤補(bǔ)償外部作用對(duì)紅外線輻射路徑軌跡在氣體濃度測(cè)量結(jié)果上所造成的影響。所使用的紅外線輻射源為一速動(dòng)源，其開啟與關(guān)閉的脈波比與以控制組件開啟與關(guān)閉的差動(dòng)光伏偵測(cè)器一致。
[0031]此帶有所有基本特色的嶄新技術(shù)方案允許建立一新式氣體分析儀，其提供以下技術(shù)結(jié)果的成就:因輻射源能量集中故達(dá)到最大靈敏度，還有沿著所述通道中的大光學(xué)路徑，補(bǔ)償對(duì)紅外線輻射路徑的軌跡所產(chǎn)生的外部作用；因采用對(duì)應(yīng)速動(dòng)紅外線輻射脈沖源及紅外線輻射偵測(cè)器，以致具備最小能量損耗，其開啟及關(guān)閉的脈波比受控制組件所調(diào)整，還有輻射能量消散的減少。
[0032]相較于原型，所主張的氣體分析儀具有多數(shù)尚未知的重要區(qū)別特性。舉例而言，偵測(cè)器中的鏡面濾波器具有能根據(jù)氣體濃度量測(cè)結(jié)果，沿著鏡面盤補(bǔ)償外部作用對(duì)紅外線輻射路徑軌跡所產(chǎn)生的影響。此外，若測(cè)得氣體與紅外線輻射源的輻射光譜相對(duì)應(yīng)，則鏡面濾波器的光譜傳輸和反射特征與吸收光譜一致。另外，紅外線輻射源啟動(dòng)關(guān)閉的脈波比，與接收此輻射的差動(dòng)光伏偵測(cè)器的啟動(dòng)開關(guān)脈波比一致。因此，所主張的氣體偵測(cè)器具有重要區(qū)別特性。
[0033]依據(jù)本發(fā)明，供紅外線輻射路徑之用的通道能集中來(lái)自入口的紅外線輻射能量，直到其到達(dá)偵測(cè)器為止。
[0034]利用本發(fā)明，解決了建立新式可攜型氣體分析儀的任務(wù)，尤其是建立在極端條件下亦能保障人員安全的新型可攜式氣體分析儀，并具備下列技術(shù)結(jié)果成就:達(dá)成最大靈敏度，同時(shí)具備最小耗能和小結(jié)構(gòu)尺寸等特性。這些結(jié)果的實(shí)現(xiàn)是一矛盾任務(wù)。所以，為求最大靈敏度，必須提供最大的輻射消散路徑光學(xué)長(zhǎng)度，其意味將增加裝置的結(jié)構(gòu)尺寸。最小能量損耗最大靈敏度的實(shí)現(xiàn)相抵觸，由于需要在其通道的一長(zhǎng)向路徑上經(jīng)由鏡面盤提供最大輻射路徑。這些矛盾在已知的氣體分析儀中尚未解決?？山栌裳a(bǔ)償輻射路徑軌跡上外部影響(環(huán)境溫度、濕度、壓力、在鏡面盤的機(jī)構(gòu)作用)的方式，來(lái)增加已知?dú)怏w分析儀中的量測(cè)正確性；于此，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)尺寸損失及高能量損耗發(fā)生。此矛盾在所應(yīng)用的氣體分析儀中獲得解決。
[0035]在應(yīng)用的氣體分析儀中所實(shí)現(xiàn)的機(jī)械補(bǔ)償可至少分為二個(gè)步驟。第一步驟中，因有鏡面盤中的球狀元件結(jié)構(gòu)安排而實(shí)現(xiàn)，由于球狀元件位于波束偏移發(fā)生處，對(duì)鏡面盤殼體造成機(jī)械動(dòng)作因而產(chǎn)生補(bǔ)償。第二步驟中，因使用差動(dòng)接收器，所以機(jī)械補(bǔ)償發(fā)生在源于鏡面盤的出口處，差動(dòng)接收器內(nèi)有兩光敏感平臺(tái)、濾波器窗口及鏡面濾波器，呈功能性與結(jié)構(gòu)性方面的整合。本發(fā)明出現(xiàn)同相位移，即，若波束在鏡面盤出口位移，其也會(huì)在二光敏平臺(tái)處同側(cè)以相同距離發(fā)生位移。于本案中，如實(shí)驗(yàn)所示，可能因外部機(jī)構(gòu)作動(dòng)的影響，而對(duì)波束軌道偏移角產(chǎn)生約10°的補(bǔ)償，大約是已知發(fā)明中的補(bǔ)償?shù)?-10倍。因此，在本發(fā)明的應(yīng)用中，更成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)械補(bǔ)償?shù)脑瓌t，由于已知分光器中心與光敏平臺(tái)之間的距離較短，所以本系統(tǒng)所補(bǔ)償?shù)妮椛洳ㄊ肷浣歉?。此外，補(bǔ)償是以二步驟執(zhí)行，第二步驟中允許提聞補(bǔ)償質(zhì)量。
[0036]本發(fā)明應(yīng)用中使用具有內(nèi)在窄幅輻射光譜的發(fā)光二極管光源，作為紅外線輻射源。其中，約有80%的輻射源能量獲得使用。這是因?yàn)檩椛渫ㄟ^(guò)鏡面盤后，氣體受到分析，輻射光譜以約有51-52%輻射源能量被反射至參考接收器的方式到達(dá)鏡面濾波器，而部分輻射光譜(輻射源能量的22-23%以內(nèi))到達(dá)量測(cè)接收器，其含有為受分析氣體所吸收的波長(zhǎng)面積。因此，所應(yīng)用的氣體分析儀中，執(zhí)行傳輸與反射光譜特性和受分析氣體光譜的協(xié)調(diào)。有助于減少能量消耗。而發(fā)光二極管光源能量應(yīng)用的總系數(shù)位于輻射源能量的74-75%內(nèi)。
[0037]應(yīng)特別注意，在所應(yīng)用的本發(fā)明中，利用被分析氣體的吸收光譜與輻射源輻射光譜來(lái)調(diào)整量測(cè)輻射光譜及參考接收器；已知發(fā)明中并無(wú)此類調(diào)整存。利用氣體吸收光譜來(lái)調(diào)整量測(cè)接收器的光譜特征。但不利用輻射源輻射光譜來(lái)調(diào)整參考接收器的光譜特征或量測(cè)接收器的光譜特征。
[0038]本發(fā)明中的所有組件，以顧全結(jié)構(gòu)與功能的方式整合在一單獨(dú)接收裝置中；其中，波束分光器及分析濾波器系整合在鏡面濾波器中。本氣體分析儀中的光學(xué)機(jī)制，就輻射源輻射光譜波段應(yīng)用與輻射源波束能量集中的觀點(diǎn)看來(lái)，在每一光接收平臺(tái)上提供了紅外線輻射器能量應(yīng)用的效益重復(fù)增益。此在本發(fā)明欲解決的課題上實(shí)屬重要，例如提供低耗能氣體分析儀的課題。
[0039]因此，所應(yīng)用的氣體分析儀中，可達(dá)成具有紅外線輻射源能量最大應(yīng)用、兼之小儀器尺寸的紅外線輻射能量傳輸高系數(shù)。相較于已知發(fā)明，所應(yīng)用的裝置的小構(gòu)造尺寸，以確保光敏感組件、鏡面濾波器、濾波器窗口功能性與結(jié)構(gòu)性的方法，整合在一單獨(dú)光接收裝置中，如同以光學(xué)區(qū)塊的應(yīng)用手段讓其中的紅外線輻射傳輸通道，可集中穿過(guò)通道的傳輸路徑中的輻射，抵達(dá)出口處的紅外線輻射偵測(cè)器，此做法確保住最大敏感度。借此，利用鏡面盤的小尺寸創(chuàng)造出較長(zhǎng)的光學(xué)路徑可與一起。
[0040]此外，所應(yīng)用的氣體分析儀不同于已知發(fā)明，其作為紅外線輻射路徑的通道位于光學(xué)區(qū)塊中。此通道可集中穿過(guò)通道的路徑中的輻射，并抵達(dá)出口處的紅外線輻射偵測(cè)器。其中，使用速動(dòng)光伏組件作為構(gòu)成一紅外線輻射差動(dòng)接收器的光敏感組件；并使用一速動(dòng)輻射源作為一紅外線輻射源。其中，借由控制組件的方式，利用差動(dòng)接收器的啟動(dòng)關(guān)閉脈波比來(lái)調(diào)整輻射源的啟動(dòng)關(guān)閉脈波比。
[0041 ] 本應(yīng)用發(fā)明中的光伏偵測(cè)器應(yīng)用，主要優(yōu)勢(shì)為結(jié)合快速反應(yīng)的高偵測(cè)能力。為降低能量需耗，選擇使用簡(jiǎn)短有力脈沖模式的IRS中；其中，速動(dòng)接收器必須能擷取這些脈沖。其中，借由控制組件的方式，利用差動(dòng)接收器的啟動(dòng)關(guān)閉脈波比來(lái)調(diào)整輻射源的啟動(dòng)關(guān)閉脈波比。
[0042]此外，針對(duì)小尺寸和對(duì)偵測(cè)器波束軌跡上機(jī)械動(dòng)作影響的不常可能性，應(yīng)用發(fā)明中使用差動(dòng)接收器，其中鏡面濾波器與二光敏感電偶平臺(tái)功能性地與結(jié)構(gòu)性地整合一起。應(yīng)特別注意，必須使用速動(dòng)紅外線輻射源并結(jié)合使用速動(dòng)偵測(cè)器，以便在所應(yīng)用的氣體分析儀中達(dá)到最小能量需耗。
[0043]關(guān)于解決光學(xué)區(qū)塊作業(yè)的方式如下，氣體分析儀的光學(xué)區(qū)塊含有作為紅外線輻射路徑之用的內(nèi)部通道、位于通道入口的紅外線輻射源以及位于通道出口的紅外線輻射偵測(cè)器。依據(jù)本發(fā)明，通道為從其入口處沿著路徑、一路集中傳輸紅外線輻射至出口處本輻射偵測(cè)器的一多路鏡面光學(xué)盤形態(tài)。使用速動(dòng)脈波發(fā)光二極管作為一紅外線輻射源，其對(duì)位于鏡面盤中的集中器產(chǎn)生指向式紅外線輻射。紅外線輻射源代表具有一鏡面濾波器的速動(dòng)差光伏偵測(cè)器，其傳輸與反射的光譜特征被調(diào)整成量測(cè)與通過(guò)鏡面盤的氣體的吸收光譜以及紅外線源輻射光譜，且能根據(jù)氣體濃度量測(cè)結(jié)果，對(duì)通過(guò)鏡面盤的紅外線輻射軌跡的外部動(dòng)作影響進(jìn)行補(bǔ)償。
[0044]可選擇由扁平反射鏡及球狀、或數(shù)量多過(guò)扁平反射鏡且擔(dān)任一輻射能量集中器的拋物線反射鏡來(lái)形成一多重鏡面盤。在差動(dòng)光接收器中的鏡面濾波器是以相對(duì)于光接收器法線45度的角度進(jìn)行安裝。紅外線輻射源被導(dǎo)向第一反射球面鏡，第一反射球面鏡以朝著鏡面盤主要光軸的對(duì)應(yīng)角度為方向，并可沿著鏡面之間的鋸齒軌跡，利用扁平鏡上產(chǎn)生的輻射源影響進(jìn)行輻射能傳輸，及含有以90度角相對(duì)的量測(cè)速動(dòng)光伏偵測(cè)器和參考速度光伏偵測(cè)器的差動(dòng)光接收器。
[0045]該新式技術(shù)方案具有所有基本特色，允許建立提供下列技術(shù)成果成就的氣體分析儀光學(xué)區(qū)塊:
1.紅外線輻射傳輸?shù)母呦禂?shù)是取決于作為紅外線輻射路徑的通道的存在，與由扁平反射鏡和一數(shù)量超過(guò)扁平反射鏡的球狀及拋物線鏡所形成的代表多路鏡面盤，作為輻射能量集中器之用，以及利用測(cè)得穿過(guò)鏡面盤的氣體的吸收光譜和紅外線輻射源輻射光譜、進(jìn)行傳輸與反射光譜特性調(diào)整的鏡面濾波器。其中，所提及的鏡面濾波器可沿著鏡面盤補(bǔ)償外部作用對(duì)紅外線輻射傳輸軌跡的影響，特別以對(duì)光接收器法線的45度角度。
[0046]2.從輻射源到偵測(cè)器的最小輻射源消散，允許對(duì)受傳輸?shù)募t外線輻射能量進(jìn)行最大應(yīng)用以決定氣體內(nèi)容。
[0047]3.小尺寸是取決于紅外線輻射源的相對(duì)應(yīng)連接與應(yīng)用、供此輻射傳輸之用的通道及其偵測(cè)器。
[0048]依據(jù)所應(yīng)用的本發(fā)明，若使用一速動(dòng)脈波發(fā)光二極管作為一紅外線輻射源，則可能有效使用鏡面盤，而其輻射光被導(dǎo)至位于鏡面盤中的集中器處，紅外線輻射源代表具有一鏡面濾波器的一速動(dòng)差動(dòng)光伏偵測(cè)器，其傳輸與反射的光譜特征被調(diào)整成通過(guò)鏡面盤的測(cè)得氣體的吸收光譜，以及紅外線輻射源的輻射光譜。而具有一鏡面濾波器的速動(dòng)差動(dòng)光伏偵測(cè)器，可就氣體濃度量測(cè)的結(jié)果，沿著鏡面盤補(bǔ)償外部作用對(duì)紅外線輻射路徑軌跡的影響。
[0049]其中應(yīng)用光學(xué)區(qū)塊以便和上述有所區(qū)別，供紅外線輻射路徑之用的通道代表一多路鏡面盤。此鏡面盤能夠集中自入口沿著路徑通過(guò)鏡面盤、到位于出口處的輻射偵測(cè)器。此速動(dòng)脈波發(fā)光二極管所建立朝向性集中器的紅外線輻射光，被當(dāng)成一紅外線輻射源使用。使用速動(dòng)光伏偵測(cè)器作為接收器，構(gòu)成差動(dòng)輻射偵測(cè)器的一部分。為借由集中輻射能的方式來(lái)達(dá)成提高量測(cè)敏感度的目標(biāo)，必須進(jìn)行導(dǎo)向，將紅外線輻射源導(dǎo)向以朝鏡面盤主光軸對(duì)應(yīng)角度為方向的第一反射球狀鏡，具有沿著鏡面之間鋸齒狀路徑來(lái)傳輸輻射能的可能，在扁平鏡面及差動(dòng)光接收器上產(chǎn)生同時(shí)源鏡像；設(shè)置差動(dòng)光接收器，以便鏡面盤出口的輻射源鏡像平面能和量測(cè)光敏感組件位置平面一致；其中，光接收裝置的結(jié)構(gòu)自動(dòng)做好令輻射源鏡像平面與第二(參考)光敏感組件的位置平面一致的準(zhǔn)備。此有助于達(dá)成所稱技術(shù)結(jié)果，即以集中輻射能的方式來(lái)提升量測(cè)敏感度。
[0050]最有效使用光學(xué)區(qū)塊的方式，是結(jié)合所主張的結(jié)構(gòu)組件，由于其不僅對(duì)量測(cè)的外部機(jī)構(gòu)影響提供補(bǔ)償，更如前所述，縮減了整體裝置的尺寸。
[0051]設(shè)置在氣體分析儀中作為輻射偵測(cè)器和輻射源之用的半導(dǎo)體組件，并具有快速反應(yīng)的特性，低能耗屬必要，但并不足在同時(shí)耗能最小化以及縮小裝置體積的同時(shí)，達(dá)成快速響應(yīng)的目標(biāo)。舉例而言，紅外線脈波發(fā)光二極管具高度反應(yīng)性，但這類輻射源的低能耗僅發(fā)生在電源供應(yīng)的相對(duì)應(yīng)模式中?？刂平M件的運(yùn)作在所應(yīng)用發(fā)明的這些議題上實(shí)屬重要。
[0052]基本特色的聚集，有助于達(dá)成具有最大紅外線輻射應(yīng)用并讓裝置維持最小尺寸的紅外線輻射光的高轉(zhuǎn)換比，也提供由光學(xué)區(qū)塊入口沿著大光學(xué)路徑至其出口到偵測(cè)器處的紅外線輻射路徑。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0053]所主張的氣體分析儀及其中所使用的光學(xué)區(qū)塊技術(shù)特點(diǎn)解釋于圖示中，如:
圖1為氣體分析儀的方塊架構(gòu)；
圖2為光學(xué)區(qū)塊的方塊架構(gòu)；
圖3為源輻射光譜；
圖4為差動(dòng)光伏偵測(cè)器窗的傳輸光譜；
圖5為鏡面濾波器光譜傳輸?shù)牟ㄐ危?br> 圖6為鏡面濾波器反射光譜的波形；
圖7為主要?dú)怏w分析儀組裝運(yùn)作的時(shí)序圖。
[0054]附圖標(biāo)記說(shuō)明 I:光學(xué)區(qū)塊；
2:入口 ；
3:出口 ；
4:通道；
5:控制組件；
6:紅外線輻射源；
7:紅外線輻射偵測(cè)器；
8:量測(cè)速動(dòng)光伏偵測(cè)器；
9:參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器；
10:鏡面濾波器；
5.1:微控制器；
11、11’:反射球狀或拋物面；
12:扁平反射鏡；
13:數(shù)字輸入/輸出端口 ； 14:模擬輸出埤；
15:出口窗口 ；
16:控制機(jī)制；
17:前置放大器；
L1、L2:距離。
【具體實(shí)施方式】
[0055]氣體分析儀及其光學(xué)區(qū)塊的實(shí)際應(yīng)用說(shuō)明如下。
[0056]所提出的氣體分析儀(圖1)含有光學(xué)區(qū)塊1，其內(nèi)建立有一通道4供自入口 2到出口 3的紅外線輻射傳輸之用，以及控制組件5，以微處理器5.1為例，即其連接光學(xué)區(qū)塊I的入口 2及出口 3。亦有位于光學(xué)區(qū)塊I的入口 2的紅外線一輻射源6，以及一安裝在前述區(qū)塊I的出口 3的紅外線輻射偵測(cè)器7。其中，控制組件5可利用取得結(jié)果的指示，處理該紅外線輻射偵測(cè)器7所接收到的輻射。在光學(xué)區(qū)塊I中，設(shè)有供紅外線輻射傳輸之用的通道4，有可能沿著其穿過(guò)該通道4的路徑集中該輻射，并到出口處的紅外線輻射偵測(cè)器7，偵測(cè)器代表具有一鏡面濾波器10的一速動(dòng)光伏偵測(cè)器。可利用測(cè)得氣體(未顯示于圖中)的吸收光譜和紅外線輻射源6的紅外線輻射光譜(圖3)，來(lái)對(duì)應(yīng)調(diào)整該鏡向?yàn)V波器10的傳輸(圖5)和反射(圖6)光譜特性。鏡向?yàn)V波器10位于紅外線輻射偵測(cè)器7中，且可沿著所述通道4，補(bǔ)償外部作用對(duì)紅外線輻射路徑軌跡的影響；使用一速動(dòng)源作為紅外線輻射源6，其調(diào)整啟動(dòng)關(guān)閉的脈波比受控制組件5調(diào)整，成為該偵測(cè)器7(差動(dòng)光伏偵測(cè)器)的啟動(dòng)關(guān)閉脈波比。一具有由控制組件5所調(diào)整開啟與關(guān)上的脈波比到偵測(cè)器7的開啟與關(guān)上的脈波比的快速反應(yīng)源可為紅外線輻射源6。紅外線輻射接收器7(圖1)是連接到舉例而言可為微控制器5.1的控制組件5的入口，微控制器5.1可使用數(shù)家制造商(例如德儀公司制造的MSP430系列，或ST公司所提供的STM家族)的產(chǎn)品?？刂平M件5含有一數(shù)字輸入/輸出端口 13，以及供安全系統(tǒng)氣體分析儀控制與數(shù)據(jù)傳輸予使用者之用的模擬輸出端口 14 (未顯不于圖中)。氣體分析儀可位于殼體(未顯不于圖)中，其表面有供氣體進(jìn)入光學(xué)區(qū)塊I的開口，特別是作為紅外線輻射路徑之用的通道。而且，這些開口可設(shè)有防塵裝置，例如防塵網(wǎng)(未顯示于圖中)。如上所述，氣體分析儀的光學(xué)區(qū)塊1(圖1、圖2)可供紅外線輻射路徑之用的通道4所形成。紅外線輻射源6位于光學(xué)方塊I的入口 2處，而紅外線輻射偵測(cè)器7位于出口 3。使用安裝在通道4的入口上的速動(dòng)紅外線脈波發(fā)光二極管作為紅外線輻射源6。通道4以一小型多路鏡面盤形式所構(gòu)成。其可沿著其路徑，集中自入口穿透到出口的紅外線輻射光，其排除光學(xué)信號(hào)的消散。紅外線輻射偵測(cè)器7安裝在通道4的出口處。位于通道4出口處、供所有非共心光束之用的橫向焦散面尺寸，不超過(guò)紅外線輻射偵測(cè)器7的出口窗口 15的面積。紅外線輻射偵測(cè)器7含有量測(cè)速動(dòng)光伏偵測(cè)器8及參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器9，兩者以相互呈90度角的角度相對(duì)。干擾鏡像濾波器10位于量測(cè)快速作動(dòng)光伏偵測(cè)器8及參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器9之間，以45度角對(duì)著偵測(cè)器光感應(yīng)層的法線。
[0057]利用測(cè)得氣體(未顯示于圖中)的吸收光譜，對(duì)應(yīng)調(diào)整鏡像濾波器10的傳輸(圖5)和反射(圖6)光譜特性，以及輻射源6的紅外線輻射光譜(圖3)。鏡像濾波器10位于紅外線輻射偵測(cè)器7中，可沿著所述通道4對(duì)紅外線輻射路徑的軌跡補(bǔ)償外部作用的影響。鏡像濾波器10具有朝參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器9方向的一反射光譜(圖6)。借此，可達(dá)到幾乎完全應(yīng)用紅外線輻射源6。
[0058]通道4的最佳實(shí)際選擇，為依據(jù)由扁平反射鏡及球狀或拋物面反射鏡所形成的多路鏡面盤，球狀或拋物面反射鏡的數(shù)量超過(guò)扁平反射鏡。舉例而言，鏡面盤含有二扁平反射鏡12(圖1、圖2)、三反射球狀或拋物面11及11’，座落于例如交錯(cuò)借以建立一鋸齒形的光學(xué)路徑中。
[0059]球狀面11及11’作為一輻射能量集中器。紅外線輻射源6被導(dǎo)向在位于對(duì)應(yīng)鏡面盤的主要光軸的角度的第一反射球面鏡，并能沿著介于鏡面之間的鋸齒狀軌跡傳輸輻射，借以在扁平鏡面及在紅外線輻射差動(dòng)偵測(cè)器7上建立源鏡像。
[0060]舉例而言，二扁平反射鏡12座落于與球面鏡11相距一確定距離的位置。舉例而言(圖2概要顯示距離LI及L2)，LI等于L2，其中Fl為球面鏡11的焦距(未顯示于圖中)。扁平鏡面12可位于和鏡面11’的光軸對(duì)稱的角度，提供最佳傳輸光線到球面鏡11’，其可具有一不同焦距。舉例而言，安裝球面鏡11’以確保相關(guān)性:L2等于2F2，其中F2為球面鏡11’的焦距(未顯示于圖中)，且L2大致等于10 ±2毫米。具有和球面鏡11光學(xué)軸呈對(duì)稱排列的扁平鏡12的變化具優(yōu)先性。
[0061]所提出的氣體分析儀及用于其中的光學(xué)區(qū)塊I代表二裝置。第一裝置為由光學(xué)區(qū)塊I及控制組件5構(gòu)成的一獨(dú)立量測(cè)裝置。第二裝置為一光學(xué)區(qū)塊，其為第一裝置的一組件部，不能在無(wú)控制組件5的情況下單獨(dú)使用。然而，其為第一量測(cè)裝置的主要工作組件，且可用于其它相似量測(cè)裝置中。因此，共同描述氣體分析儀與其中所用的光學(xué)區(qū)塊I的運(yùn)作原則。
[0062] 申請(qǐng)人:已發(fā)展并測(cè)試氣體分析儀及當(dāng)中應(yīng)用的光學(xué)區(qū)塊的實(shí)驗(yàn)性例子。以下提供本發(fā)明運(yùn)作的運(yùn)算原則及所獲結(jié)果。圖7提供氣體分析儀的運(yùn)作時(shí)序圖。
[0063]供電予氣體分析儀。在微處理器5.1于時(shí)間點(diǎn)t0完成初始化后,控制組件5啟動(dòng)并傳送能量給所控制的運(yùn)算放大器17 (圖1，圖7)。
[0064]在自最初時(shí)間t0到tl等于75微秒中，應(yīng)在40微秒內(nèi)測(cè)得光學(xué)區(qū)塊的一溫度(圖V，圖7)。自時(shí)間點(diǎn)t0到遲延時(shí)間t3屆滿后，微控制器5.1啟動(dòng)紅外線輻射源6的控制機(jī)制16，且形成帶有12-15微秒(圖1I，圖7) —電流脈沖。紅外線輻射源6形成紅外線輻射流，圖3出示其光譜型態(tài)。紅外線輻射源6安裝在光學(xué)區(qū)塊I的入口處并連接控制組件5，被導(dǎo)向位于通道4中的第一反射球狀鏡11，其以鏡面盤主要光軸的對(duì)應(yīng)角度為方向。輻射能量(光流)來(lái)自沿著鏡面11及12之間鋸齒狀軌跡的紅外線輻射源，且建立扁平鏡面11及紅外線輻射偵測(cè)器7上的源鏡像。在此一方式中，光流在位于例如交錯(cuò)其間而成一鋸齒狀光學(xué)路徑的扁平鏡11及球面鏡11之間反復(fù)反射。所舉沼氣作為量測(cè)氣體例子，是以分子擴(kuò)散手段借由對(duì)應(yīng)孔道而進(jìn)入通道4的環(huán)境媒介，依據(jù)其吸收光譜改變光流的光譜特性。因氣體動(dòng)作而出現(xiàn)變化的光流，來(lái)自安裝于通道4出口的紅外線輻射偵測(cè)器7。光流來(lái)到以量測(cè)及參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器8、9之間的一角度進(jìn)行安裝的干涉鏡面濾波器10。鏡面濾波器10具有傳輸(圖5)及反射(圖6)的反向光譜的一波形，致使被分析氣體所吸收的紅外線輻射源6，部分通過(guò)具有傳輸光譜(圖4)對(duì)應(yīng)波形的紅外線輻射偵測(cè)器5的濾波器窗口 15，接著通過(guò)鏡面濾波器10其來(lái)到量測(cè)速動(dòng)光伏偵測(cè)器8。鏡面濾波器10將部分紅外線輻射源光譜6的反射到參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器9。且量測(cè)及參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器8、9，在濾波器10手段的光流反射后，吸收光譜對(duì)應(yīng)到導(dǎo)向其以鏡面的光譜。在紅外線輻射源6的電流脈沖的初始化后，控制組件5于7.5微秒中根據(jù)微處理器5.1，啟動(dòng)來(lái)量測(cè)、參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器8及9的信號(hào)數(shù)字化，將信號(hào)從前置放大器17 (圖1II，圖7)傳送到控制組件5的入口?？刂平M件5在一信號(hào)的最大值的瞬間，將源自速動(dòng)光伏偵測(cè)器的一信號(hào)數(shù)字化，歷時(shí)為紅外線輻射源6 (圖1V，圖7)的脈沖停止后10微秒內(nèi)。量測(cè)及參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器8及9的信號(hào)振幅被判斷為是數(shù)字化數(shù)值中的一差值。控制組件根據(jù)微控制器5.1計(jì)算量測(cè)及參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器8、9的信號(hào)振幅比率，執(zhí)行數(shù)字累加以提高信號(hào)/噪聲比，且建立計(jì)算與累加比率的溫度修正，最重要的是，計(jì)算了所量測(cè)氣體的濃度。舉例而言，控制組件5 —般借由數(shù)字及/或模擬端口 13、14，傳輸在所量測(cè)氣體濃度上的信息給使用者或安全系統(tǒng)(未顯不于圖中)。
[0065]量測(cè)的全部期間大致為180微秒。而紅外線輻射源是在12-15微秒內(nèi)的主動(dòng)模式中。于此時(shí)間屆滿后，控制組件5切換到“待命”模式以減少能量耗損并終止量測(cè)周期。在預(yù)設(shè)時(shí)間結(jié)束時(shí)，例如2000微秒，周期從時(shí)間t0的開始重復(fù)。紅外線輻射源的脈波功率是300mW，但因高脈波比率紅外線輻射源功耗的平均功率并未超過(guò)2.5mW。氣體分析儀的總功率需耗并未超過(guò)2.5mW，借此可達(dá)成最小能量耗損結(jié)果。
因此，可由此而得結(jié)論，即所主張氣體分析儀及使用在內(nèi)的光學(xué)區(qū)塊可應(yīng)用在大氣(為此，有必要進(jìn)行氣體分析儀控制組件的對(duì)應(yīng)校正)中的其它碳濃度量測(cè)，由于其因在鏡面盤中組件的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)性安排具有較長(zhǎng)的輻射路徑；
幾乎所有IRS的能量被使用，即能量損失達(dá)最?。?br> 供給用于偵測(cè)器上的輻射濃度，其有助于靈敏度提高；
執(zhí)行控制組件運(yùn)算模式的必要調(diào)整，其有助于降低能量需耗；
確保外部影響的補(bǔ)償，即:因具有內(nèi)建鏡面濾波器的差動(dòng)偵測(cè)器而造成機(jī)械穩(wěn)定性。
[0066]這也是為何與已知紅外線氣體分析儀相比，本應(yīng)用發(fā)明具有高反應(yīng)速度與高靈敏性，并同時(shí)將能量損耗及體積最小化。
【權(quán)利要求】
1.一種氣體分析儀含一光學(xué)區(qū)塊，于其內(nèi)部自區(qū)塊入口至區(qū)塊出口建立有一通道，供紅外線輻射路徑之用，而紅外線輻射源位于光學(xué)區(qū)塊入口處，以及安裝在該區(qū)塊入口處的紅外線輻射偵測(cè)器；而該控制組件能夠改變?cè)摷t外線輻射源運(yùn)作模式，并處理帶有取得結(jié)果的指示、受該偵測(cè)器所接收的紅外線輻射光；其中不同之處在于，該光學(xué)區(qū)塊中供紅外線輻射路徑之用的該通道，能夠集中通過(guò)該通道的輻射光以及通道出口處該紅外線輻射偵測(cè)器上的福射光，為此，具有鏡面濾波器的一速動(dòng)差動(dòng)光伏偵測(cè)器的反射與傳輸光譜特征，相應(yīng)地與測(cè)得的氣體吸收光譜和紅外線源輻射光譜一致，其設(shè)置在該偵測(cè)器中，能夠就使用的氣體濃度量測(cè)結(jié)果，沿著盤體補(bǔ)償外部作用對(duì)紅外線輻射路徑軌跡所造成的影響，而因一紅外線輻射源為一速動(dòng)輻射源，其啟動(dòng)關(guān)閉的脈波比與以使用控制組件進(jìn)行啟動(dòng)關(guān)閉的差動(dòng)光伏偵測(cè)器脈波比一致。
2.一種氣體分析儀的光學(xué)區(qū)塊，含有供紅外線輻射路線之用的內(nèi)部通道、位于通道入口的紅外線輻射源及位于通道出口的紅外線輻射偵測(cè)器，其中不同之處在于該通道的構(gòu)成形式為一多路鏡面光學(xué)盤，能集中自其入口沿其路徑至本輻射的偵測(cè)器所在出口處所傳輸?shù)募t外線輻射，即一紅外線輻射源，其對(duì)位于盤體中的集中器產(chǎn)生方向性紅外線輻射光，使用速動(dòng)脈波發(fā)光二極管作為紅外線輻射偵測(cè)器，一速動(dòng)差動(dòng)光伏偵測(cè)器具有一鏡面濾波器，其反射與傳輸光譜特征被調(diào)整成被測(cè)得與通過(guò)盤體的氣體吸收光譜，以及成為紅外線源輻射光譜，其能夠就所用的氣體濃度量測(cè)結(jié)果，補(bǔ)償外部作用對(duì)通過(guò)盤的紅外線輻射光軌跡所造成的影響。
3.如權(quán)利要求2所述的氣體分析儀的光學(xué)區(qū)塊，其不同之處在于，該多路鏡面盤是由扁平反射鏡及球狀或數(shù)量超過(guò)該扁平反射鏡的拋物線反射鏡所形成，其擔(dān)任一輻射能集中器角色；該差動(dòng)光接收器中的該鏡面濾波器，是以對(duì)光接收器法線呈45度角的一角度安裝；該紅外線輻射源以針對(duì)鏡面盤主光軸的對(duì)應(yīng)角度為方向，并可沿著鏡面之間的鋸齒軌跡進(jìn)行輻射能量傳輸，在扁平鏡上產(chǎn)生源鏡像，而含有量測(cè)速動(dòng)光伏偵測(cè)器的差動(dòng)光接收器和參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器，位于彼此相對(duì)90度角的位置。
【文檔編號(hào)】G01N21/61)，以下簡(jiǎn)稱氣體分析儀，其為已知。其含有一控制組件及一光學(xué)區(qū)塊，光學(xué)區(qū)塊包含紅外線輻射(以下簡(jiǎn)稱IR)源及偵測(cè)器。光學(xué)區(qū)塊內(nèi)形成由入口至出口的紅外線輻射傳輸?shù)耐ǖ?，讓紅外線輻射從其源頭傳輸?shù)絺蓽y(cè)器處。紅外線輻射源安裝于光學(xué)區(qū)塊入口 ；紅外線輻射偵測(cè)器安裝在此區(qū)塊的出口處?？刂平M件能夠處理由偵測(cè)器接收的紅外線輻射并展示對(duì)應(yīng)結(jié)果。而紅外線輻射源具有一球狀鏡面反射板。用于紅外線輻射傳輸?shù)耐ǖ朗怯蛇\(yùn)作及協(xié)助腔室所形成。運(yùn)作腔室是由一具有內(nèi)球狀鏡面反射板的中空扁平錐形物所形成，且直接安裝于協(xié)助腔室內(nèi)、與紅外線輻射源的相同光軸上。此紅外線輻射偵測(cè)器具有一調(diào)焦裝置及，沿著與其垂直的光軸安裝。一鏡面分頻器及具有一配置窗口的一旋轉(zhuǎn)盤位于在這些主軸的交會(huì)處。
[0003]此氣體分析儀具有一些嚴(yán)重缺點(diǎn):
由于鏡面反射板處紅外線輻射能的大量耗失，以及因具有配置窗口的轉(zhuǎn)盤所截取的紅外線輻射光通量高能量需耗，還有輻射源僅有效利用在紅外線廣泛光譜中的小區(qū)域；
因多重機(jī)構(gòu)組件之故的低運(yùn)作可靠度，例如帶有配置窗口的旋轉(zhuǎn)盤及旋轉(zhuǎn)光學(xué)濾波
器；
整體尺寸加大，其為光學(xué)區(qū)塊代表一空間分隔復(fù)雜系統(tǒng)，帶有一大量機(jī)構(gòu)組件以及位于區(qū)塊不同部分中的球狀鏡面反射板的條件；
氣體分析儀(歐盟專利申請(qǐng)2169384號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/35，
【公開日】期2010年3月31日)。其目的在于對(duì)輻射路徑軌跡的外來(lái)影響補(bǔ)償進(jìn)行充分精確的測(cè)量，以監(jiān)控呼吸氣體。以紅外線輻射源、氣體盤、二向色分束器、分析濾波器、參考偵測(cè)器及量測(cè)偵測(cè)器等方法來(lái)解決此工作，而二向色分束器能根據(jù)所分析的氣體而改變波束角度。二向色分束器以一 45度的角度，安裝在以90度角彼此相對(duì)的光偵測(cè)器的法在線。
[0004]已知?dú)怏w分析儀是用來(lái)建立位于固定環(huán)境或在移動(dòng)醫(yī)療站臺(tái)中的一多重組件裝置，此已知分析儀具有體積大及高能量耗損的缺點(diǎn)。
[0005]使用在氣體分析儀中的光學(xué)組件(俄羅斯專利2372606號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/03，
【公開日】期2009年11月10日)，其中用以作為紅外線輻射路徑的通道，能借由穿過(guò)通道的路徑與位于出口處的紅外線輻射接收器來(lái)集中輻射。
[0006]已知的光學(xué)組件并不具備氣體分析裝置的必要靈敏度。
[0007]已知的紅外線氣體分析儀(美國(guó)專利6114700號(hào)，國(guó)際分類號(hào)GO 1N21/05，
【公開日】期2000年9月5日)，其中使用光伏偵測(cè)器作為紅外線輻射偵測(cè)器。
[0008]但在已知?dú)怏w分析儀中使用光伏偵測(cè)器，并不具備結(jié)合快速反應(yīng)的高偵測(cè)能力。
[0009]已知以浸泡二極管光耦為基礎(chǔ)的光學(xué)氣體傳感器(俄羅斯專利75885號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/35，
【公開日】期2000年8月27日)，包含一氣體盤，其反射面形成用于產(chǎn)生探針輻射波束的光學(xué)機(jī)制、一發(fā)光二極管形式的一探針紅外線輻射源，及一光電二極管形式的一光學(xué)接收器，其機(jī)構(gòu)連接至氣體盤殼體。裝置的氣體盤包括機(jī)構(gòu)調(diào)整組件；發(fā)光二極管及光電二極管使用浸入式光學(xué)(浸入二極管)所制成，并緊固連接至調(diào)整組件。
[0010]已知裝置的缺點(diǎn)在于應(yīng)用浸入式二極管所構(gòu)成的裝置，其具有光學(xué)機(jī)制與圖像不受控制的錯(cuò)誤校準(zhǔn)。由于設(shè)有調(diào)整裝置，使用浸入式二極管導(dǎo)致氣體分析儀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。同樣也導(dǎo)致尺寸增加。
[0011]已知為紅外線頻帶氣體分析儀(俄羅斯專利2287803號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/35，
【公開日】期2000年11月26日)，含有發(fā)光二極管矩陣形式、發(fā)出參考與運(yùn)作波長(zhǎng)的電磁輻射源，位于輻射路徑沿線處的氣體盤，安裝在盤體出口、用以接收參考與運(yùn)作波長(zhǎng)的主要光接收器，以及含有出口連接至微處理器的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的信號(hào)處理組件，指示裝置。此額外光接收器安裝在盤體入口，而二個(gè)光接收器皆用作為熱釋電光接收器。
[0012]在已知?dú)怏w分析儀中的發(fā)光二極管矩陣，必須確保每一發(fā)光二極管的快速反應(yīng)，以致總功率在脈沖電流供應(yīng)方能衡定。
[0013]在此矩陣應(yīng)用期間，不可能在單一光接收器上提供每一矩陣發(fā)光二極管的同時(shí)輻射集中，并且將光學(xué)區(qū)塊的整體尺寸最小化。此外，已知發(fā)明中所用的紅外線輻射源，與熱釋電型式光接收器結(jié)合。
[0014]已知上述氣體分析儀發(fā)明(俄羅斯專利2292039號(hào)，
【公開日】期2005年2月18日)所說(shuō)明的光學(xué)區(qū)塊。光學(xué)區(qū)塊內(nèi)從入口處到出口處，形成從輻射源至偵測(cè)器的紅外線輻射傳輸通道。紅外線輻射源是安裝在通道的入口處；紅外線輻射偵測(cè)器是安裝于此通道的出口處。而通道是由運(yùn)作及協(xié)助腔室所構(gòu)成。運(yùn)作腔室是由具有內(nèi)球狀鏡反射片的一中空扁平錐形物所構(gòu)成，且直接安裝在協(xié)助腔室內(nèi)，位于與紅外線輻射源相同的光軸上。紅外線輻射偵測(cè)器具有一調(diào)焦裝置，其沿著與其垂直的光軸安裝。一鏡面分頻器及具有一配置窗口的一旋轉(zhuǎn)盤位于這些主軸的交會(huì)處。使用例如一紅外線輻射源作為相對(duì)應(yīng)燈體。
[0015]此氣體分析儀的光學(xué)區(qū)塊缺點(diǎn)如下:
因存在有一機(jī)構(gòu)組件之故而造成的低運(yùn)作可靠度，即輻射偵測(cè)器中具有配置窗口的旋轉(zhuǎn)盤，還有在區(qū)塊中紅外線輻射路徑成形的復(fù)雜設(shè)計(jì)。
[0016]因作為具有輻射源與偵測(cè)器紅外線輻射路徑之用的現(xiàn)存空間分隔復(fù)雜信道系統(tǒng)，以及當(dāng)中的輻射光集中器對(duì)應(yīng)位置，而造成整體尺寸偏大。
[0017]已知光學(xué)氣體傳感器(歐盟專利1995586號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/03,
【公開日】期2008年11月26日)，以下稱為氣體分析儀。其含有內(nèi)有二彎折通道、用以建立從入口至出口處的紅外線輻射路徑的光學(xué)區(qū)塊，起自位于光學(xué)區(qū)塊入口的輻射源，并朝著安裝在區(qū)塊出口的偵測(cè)器的方向而去。在此有與光學(xué)區(qū)塊入口和出口連接的控制組件，并能改變紅外線輻射源運(yùn)作模式以及處理偵測(cè)器所接收的紅外線輻射，以及展示對(duì)應(yīng)結(jié)果。通道呈空間分隔貌，而其彎折半徑貼合光學(xué)區(qū)塊殼體。
[0018]氣體分析儀的缺點(diǎn)如下: 由于存在著作為路徑之用的二曲線通道，還有必要從一通道到其它通道的輻射傳輸中的必需性以及相應(yīng)大功率需耗，所導(dǎo)致紅外線輻射能量大量耗損；
由于必在二通道內(nèi)提供氣體的自我擴(kuò)散，氣體的緩慢進(jìn)入成為運(yùn)作持續(xù)性的條件。
[0019]從光學(xué)氣體感應(yīng)器(歐盟專利1995586號(hào)，國(guó)際分類號(hào)GO 1N21/03，
【公開日】期2008年11月26日)氣體分析儀的說(shuō)明中，已知位于氣體感應(yīng)器內(nèi)的一光學(xué)區(qū)塊。從本輻射源到偵測(cè)器處、供紅外線輻射傳輸之用的二空間分隔彎折通道，在區(qū)塊內(nèi)的入口到出口成形。這些通道在紅外線輻射源所在的入口構(gòu)成一盤狀物，而在出口有一輻射偵測(cè)器。通道沿著貼合光學(xué)區(qū)塊殼體的半徑而成。氣體以自然擴(kuò)散的方式從外部進(jìn)入內(nèi)部，通道墻的內(nèi)表面系反射紅外線輻射光。
[0020]光學(xué)區(qū)塊的缺失如下述:
由于作為路徑之用的二曲線通道的存在，還有自一通道至其它通道的輻射必要傳輸，相應(yīng)造成大功率需耗，導(dǎo)致紅外線輻射能量大幅耗損；
因存在有不規(guī)則形狀的二通道、和必須將其納入單一盤體的必要性、以及讓氣體在自然擴(kuò)散過(guò)程中從外部進(jìn)入到盤體所造成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。
[0021]整合式光學(xué)氣體傳感器，已知為氣體分析儀(英國(guó)專利2401432號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/03，
【公開日】期2004年11月10日)。其含有光學(xué)區(qū)塊。在區(qū)塊內(nèi)的入口到出口處，形成供紅外線輻射傳輸從源頭通到偵測(cè)器處之用的具矩形剖面U形通道。使用位于光學(xué)區(qū)塊內(nèi)通道入口處的一白熱燈作為紅外線輻射源，而紅外線輻射偵測(cè)器則位于通道出口處。其中，U形通道半徑貼合光學(xué)區(qū)塊殼體。在此有一控制組件連接到光學(xué)區(qū)塊的入口，并能夠改變紅外線輻射源運(yùn)作模式，以及處理偵測(cè)器所接收的紅外線輻射光和顯示對(duì)應(yīng)結(jié)果。
[0022]本發(fā)明獲選為一原型，因?yàn)槠渑c所應(yīng)用的氣體分析儀具最大共同數(shù)量的基本特色，并以解決類似問(wèn)題為目標(biāo)。
[0023]但此原型具有下列缺點(diǎn):
因存在有作為路徑之用的U形通道，導(dǎo)致紅外線輻射能大幅耗損，其中因通道內(nèi)壁的曲線表面造成紅外線輻射反射癖性,致使產(chǎn)生輻射能高消散。
[0024]高功率需耗，由于使用一白熱燈作為一紅外線輻射源，且使用一熱釋電接收器作為一紅外線輻射偵測(cè)器，而控制組件相對(duì)以具有低脈波比的低頻模式運(yùn)作。
[0025]不僅因U形通道的存在而造成紅外線輻射能高消散，還有因通道出口處以及進(jìn)入到偵測(cè)器的高發(fā)散角，造成偵測(cè)器所顯示的紅外線輻射能程度低落。
[0026]從整合式光學(xué)氣體傳感器(英國(guó)專利2401432號(hào)，國(guó)際分類號(hào)G01N21/03，
【公開日】期2004年11月10日)氣體分析儀的說(shuō)明得知，光學(xué)區(qū)塊內(nèi)自入口到出口處，形成作為紅外線路徑的一 U形通道。而紅外線輻射源裝設(shè)在區(qū)塊內(nèi)通道入口處，而本輻射的偵測(cè)器則位于出口處。U型通道半徑貼合光學(xué)區(qū)塊殼體并具有一矩形剖面。其內(nèi)壁具有反射輻射的一均勻涂層。使用白熱燈作為紅外線輻射源。
[0027]選擇此光學(xué)區(qū)塊作為一原型，由于其具有對(duì)應(yīng)應(yīng)用目的的氣體分析儀基本特點(diǎn)的最多數(shù)量基本特色，且以解決類似問(wèn)題為目標(biāo)。
[0028]但此原型具有下列缺點(diǎn):
因其運(yùn)作所造成的高能量需耗，其因使用白熱燈作為紅外線輻射源之故；
不僅因U形通道的存在而造成紅外線輻射能高消散，還有因在通道出口及其進(jìn)入偵測(cè)器的高發(fā)散角，而造成偵測(cè)器顯示的紅外線輻射能程度低落。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029]本發(fā)明中所解決的工作，存在于建立氣體分析儀與其光學(xué)區(qū)塊，其可確保具最小耗能并維持最小體積的敏感度提升，以及具有最大能量使用的紅外線輻射提升傳輸比。
[0030]氣體分析儀含有光學(xué)區(qū)塊，當(dāng)中有建立作為紅外線輻射路徑之用的通道、與光學(xué)區(qū)塊入口及出口相連的控制組件、位在光學(xué)區(qū)塊入口處的紅外線輻射源以及安裝在該區(qū)塊入口的輻射偵測(cè)器；而且控制組件能夠改變紅外線輻射源運(yùn)作模式，并處理由具有取得結(jié)果指數(shù)的偵測(cè)器所接收的紅外線輻射。根據(jù)本發(fā)明，在光學(xué)區(qū)塊中用作紅外線輻射路徑的通道，可借由穿過(guò)通道并在紅外線輻射偵測(cè)器的出口處集中此輻射。所使用的紅外線輻射偵測(cè)器為具鏡面濾波器的一速動(dòng)差動(dòng)光伏偵測(cè)器，其傳輸與反射的光譜特性，與所測(cè)得的氣體吸收光譜與紅外線源輻射光譜對(duì)應(yīng)一致，其位于該偵測(cè)器中，且能沿著鏡面盤補(bǔ)償外部作用對(duì)紅外線輻射路徑軌跡在氣體濃度測(cè)量結(jié)果上所造成的影響。所使用的紅外線輻射源為一速動(dòng)源，其開啟與關(guān)閉的脈波比與以控制組件開啟與關(guān)閉的差動(dòng)光伏偵測(cè)器一致。
[0031]此帶有所有基本特色的嶄新技術(shù)方案允許建立一新式氣體分析儀，其提供以下技術(shù)結(jié)果的成就:因輻射源能量集中故達(dá)到最大靈敏度，還有沿著所述通道中的大光學(xué)路徑，補(bǔ)償對(duì)紅外線輻射路徑的軌跡所產(chǎn)生的外部作用；因采用對(duì)應(yīng)速動(dòng)紅外線輻射脈沖源及紅外線輻射偵測(cè)器，以致具備最小能量損耗，其開啟及關(guān)閉的脈波比受控制組件所調(diào)整，還有輻射能量消散的減少。
[0032]相較于原型，所主張的氣體分析儀具有多數(shù)尚未知的重要區(qū)別特性。舉例而言，偵測(cè)器中的鏡面濾波器具有能根據(jù)氣體濃度量測(cè)結(jié)果，沿著鏡面盤補(bǔ)償外部作用對(duì)紅外線輻射路徑軌跡所產(chǎn)生的影響。此外，若測(cè)得氣體與紅外線輻射源的輻射光譜相對(duì)應(yīng)，則鏡面濾波器的光譜傳輸和反射特征與吸收光譜一致。另外，紅外線輻射源啟動(dòng)關(guān)閉的脈波比，與接收此輻射的差動(dòng)光伏偵測(cè)器的啟動(dòng)開關(guān)脈波比一致。因此，所主張的氣體偵測(cè)器具有重要區(qū)別特性。
[0033]依據(jù)本發(fā)明，供紅外線輻射路徑之用的通道能集中來(lái)自入口的紅外線輻射能量，直到其到達(dá)偵測(cè)器為止。
[0034]利用本發(fā)明，解決了建立新式可攜型氣體分析儀的任務(wù)，尤其是建立在極端條件下亦能保障人員安全的新型可攜式氣體分析儀，并具備下列技術(shù)結(jié)果成就:達(dá)成最大靈敏度，同時(shí)具備最小耗能和小結(jié)構(gòu)尺寸等特性。這些結(jié)果的實(shí)現(xiàn)是一矛盾任務(wù)。所以，為求最大靈敏度，必須提供最大的輻射消散路徑光學(xué)長(zhǎng)度，其意味將增加裝置的結(jié)構(gòu)尺寸。最小能量損耗最大靈敏度的實(shí)現(xiàn)相抵觸，由于需要在其通道的一長(zhǎng)向路徑上經(jīng)由鏡面盤提供最大輻射路徑。這些矛盾在已知的氣體分析儀中尚未解決?？山栌裳a(bǔ)償輻射路徑軌跡上外部影響(環(huán)境溫度、濕度、壓力、在鏡面盤的機(jī)構(gòu)作用)的方式，來(lái)增加已知?dú)怏w分析儀中的量測(cè)正確性；于此，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)尺寸損失及高能量損耗發(fā)生。此矛盾在所應(yīng)用的氣體分析儀中獲得解決。
[0035]在應(yīng)用的氣體分析儀中所實(shí)現(xiàn)的機(jī)械補(bǔ)償可至少分為二個(gè)步驟。第一步驟中，因有鏡面盤中的球狀元件結(jié)構(gòu)安排而實(shí)現(xiàn)，由于球狀元件位于波束偏移發(fā)生處，對(duì)鏡面盤殼體造成機(jī)械動(dòng)作因而產(chǎn)生補(bǔ)償。第二步驟中，因使用差動(dòng)接收器，所以機(jī)械補(bǔ)償發(fā)生在源于鏡面盤的出口處，差動(dòng)接收器內(nèi)有兩光敏感平臺(tái)、濾波器窗口及鏡面濾波器，呈功能性與結(jié)構(gòu)性方面的整合。本發(fā)明出現(xiàn)同相位移，即，若波束在鏡面盤出口位移，其也會(huì)在二光敏平臺(tái)處同側(cè)以相同距離發(fā)生位移。于本案中，如實(shí)驗(yàn)所示，可能因外部機(jī)構(gòu)作動(dòng)的影響，而對(duì)波束軌道偏移角產(chǎn)生約10°的補(bǔ)償，大約是已知發(fā)明中的補(bǔ)償?shù)?-10倍。因此，在本發(fā)明的應(yīng)用中，更成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)械補(bǔ)償?shù)脑瓌t，由于已知分光器中心與光敏平臺(tái)之間的距離較短，所以本系統(tǒng)所補(bǔ)償?shù)妮椛洳ㄊ肷浣歉?。此外，補(bǔ)償是以二步驟執(zhí)行，第二步驟中允許提聞補(bǔ)償質(zhì)量。
[0036]本發(fā)明應(yīng)用中使用具有內(nèi)在窄幅輻射光譜的發(fā)光二極管光源，作為紅外線輻射源。其中，約有80%的輻射源能量獲得使用。這是因?yàn)檩椛渫ㄟ^(guò)鏡面盤后，氣體受到分析，輻射光譜以約有51-52%輻射源能量被反射至參考接收器的方式到達(dá)鏡面濾波器，而部分輻射光譜(輻射源能量的22-23%以內(nèi))到達(dá)量測(cè)接收器，其含有為受分析氣體所吸收的波長(zhǎng)面積。因此，所應(yīng)用的氣體分析儀中，執(zhí)行傳輸與反射光譜特性和受分析氣體光譜的協(xié)調(diào)。有助于減少能量消耗。而發(fā)光二極管光源能量應(yīng)用的總系數(shù)位于輻射源能量的74-75%內(nèi)。
[0037]應(yīng)特別注意，在所應(yīng)用的本發(fā)明中，利用被分析氣體的吸收光譜與輻射源輻射光譜來(lái)調(diào)整量測(cè)輻射光譜及參考接收器；已知發(fā)明中并無(wú)此類調(diào)整存。利用氣體吸收光譜來(lái)調(diào)整量測(cè)接收器的光譜特征。但不利用輻射源輻射光譜來(lái)調(diào)整參考接收器的光譜特征或量測(cè)接收器的光譜特征。
[0038]本發(fā)明中的所有組件，以顧全結(jié)構(gòu)與功能的方式整合在一單獨(dú)接收裝置中；其中，波束分光器及分析濾波器系整合在鏡面濾波器中。本氣體分析儀中的光學(xué)機(jī)制，就輻射源輻射光譜波段應(yīng)用與輻射源波束能量集中的觀點(diǎn)看來(lái)，在每一光接收平臺(tái)上提供了紅外線輻射器能量應(yīng)用的效益重復(fù)增益。此在本發(fā)明欲解決的課題上實(shí)屬重要，例如提供低耗能氣體分析儀的課題。
[0039]因此，所應(yīng)用的氣體分析儀中，可達(dá)成具有紅外線輻射源能量最大應(yīng)用、兼之小儀器尺寸的紅外線輻射能量傳輸高系數(shù)。相較于已知發(fā)明，所應(yīng)用的裝置的小構(gòu)造尺寸，以確保光敏感組件、鏡面濾波器、濾波器窗口功能性與結(jié)構(gòu)性的方法，整合在一單獨(dú)光接收裝置中，如同以光學(xué)區(qū)塊的應(yīng)用手段讓其中的紅外線輻射傳輸通道，可集中穿過(guò)通道的傳輸路徑中的輻射，抵達(dá)出口處的紅外線輻射偵測(cè)器，此做法確保住最大敏感度。借此，利用鏡面盤的小尺寸創(chuàng)造出較長(zhǎng)的光學(xué)路徑可與一起。
[0040]此外，所應(yīng)用的氣體分析儀不同于已知發(fā)明，其作為紅外線輻射路徑的通道位于光學(xué)區(qū)塊中。此通道可集中穿過(guò)通道的路徑中的輻射，并抵達(dá)出口處的紅外線輻射偵測(cè)器。其中，使用速動(dòng)光伏組件作為構(gòu)成一紅外線輻射差動(dòng)接收器的光敏感組件；并使用一速動(dòng)輻射源作為一紅外線輻射源。其中，借由控制組件的方式，利用差動(dòng)接收器的啟動(dòng)關(guān)閉脈波比來(lái)調(diào)整輻射源的啟動(dòng)關(guān)閉脈波比。
[0041 ] 本應(yīng)用發(fā)明中的光伏偵測(cè)器應(yīng)用，主要優(yōu)勢(shì)為結(jié)合快速反應(yīng)的高偵測(cè)能力。為降低能量需耗，選擇使用簡(jiǎn)短有力脈沖模式的IRS中；其中，速動(dòng)接收器必須能擷取這些脈沖。其中，借由控制組件的方式，利用差動(dòng)接收器的啟動(dòng)關(guān)閉脈波比來(lái)調(diào)整輻射源的啟動(dòng)關(guān)閉脈波比。
[0042]此外，針對(duì)小尺寸和對(duì)偵測(cè)器波束軌跡上機(jī)械動(dòng)作影響的不?？赡苄?，應(yīng)用發(fā)明中使用差動(dòng)接收器，其中鏡面濾波器與二光敏感電偶平臺(tái)功能性地與結(jié)構(gòu)性地整合一起。應(yīng)特別注意，必須使用速動(dòng)紅外線輻射源并結(jié)合使用速動(dòng)偵測(cè)器，以便在所應(yīng)用的氣體分析儀中達(dá)到最小能量需耗。
[0043]關(guān)于解決光學(xué)區(qū)塊作業(yè)的方式如下，氣體分析儀的光學(xué)區(qū)塊含有作為紅外線輻射路徑之用的內(nèi)部通道、位于通道入口的紅外線輻射源以及位于通道出口的紅外線輻射偵測(cè)器。依據(jù)本發(fā)明，通道為從其入口處沿著路徑、一路集中傳輸紅外線輻射至出口處本輻射偵測(cè)器的一多路鏡面光學(xué)盤形態(tài)。使用速動(dòng)脈波發(fā)光二極管作為一紅外線輻射源，其對(duì)位于鏡面盤中的集中器產(chǎn)生指向式紅外線輻射。紅外線輻射源代表具有一鏡面濾波器的速動(dòng)差光伏偵測(cè)器，其傳輸與反射的光譜特征被調(diào)整成量測(cè)與通過(guò)鏡面盤的氣體的吸收光譜以及紅外線源輻射光譜，且能根據(jù)氣體濃度量測(cè)結(jié)果，對(duì)通過(guò)鏡面盤的紅外線輻射軌跡的外部動(dòng)作影響進(jìn)行補(bǔ)償。
[0044]可選擇由扁平反射鏡及球狀、或數(shù)量多過(guò)扁平反射鏡且擔(dān)任一輻射能量集中器的拋物線反射鏡來(lái)形成一多重鏡面盤。在差動(dòng)光接收器中的鏡面濾波器是以相對(duì)于光接收器法線45度的角度進(jìn)行安裝。紅外線輻射源被導(dǎo)向第一反射球面鏡，第一反射球面鏡以朝著鏡面盤主要光軸的對(duì)應(yīng)角度為方向，并可沿著鏡面之間的鋸齒軌跡，利用扁平鏡上產(chǎn)生的輻射源影響進(jìn)行輻射能傳輸，及含有以90度角相對(duì)的量測(cè)速動(dòng)光伏偵測(cè)器和參考速度光伏偵測(cè)器的差動(dòng)光接收器。
[0045]該新式技術(shù)方案具有所有基本特色，允許建立提供下列技術(shù)成果成就的氣體分析儀光學(xué)區(qū)塊:
1.紅外線輻射傳輸?shù)母呦禂?shù)是取決于作為紅外線輻射路徑的通道的存在，與由扁平反射鏡和一數(shù)量超過(guò)扁平反射鏡的球狀及拋物線鏡所形成的代表多路鏡面盤，作為輻射能量集中器之用，以及利用測(cè)得穿過(guò)鏡面盤的氣體的吸收光譜和紅外線輻射源輻射光譜、進(jìn)行傳輸與反射光譜特性調(diào)整的鏡面濾波器。其中，所提及的鏡面濾波器可沿著鏡面盤補(bǔ)償外部作用對(duì)紅外線輻射傳輸軌跡的影響，特別以對(duì)光接收器法線的45度角度。
[0046]2.從輻射源到偵測(cè)器的最小輻射源消散，允許對(duì)受傳輸?shù)募t外線輻射能量進(jìn)行最大應(yīng)用以決定氣體內(nèi)容。
[0047]3.小尺寸是取決于紅外線輻射源的相對(duì)應(yīng)連接與應(yīng)用、供此輻射傳輸之用的通道及其偵測(cè)器。
[0048]依據(jù)所應(yīng)用的本發(fā)明，若使用一速動(dòng)脈波發(fā)光二極管作為一紅外線輻射源，則可能有效使用鏡面盤，而其輻射光被導(dǎo)至位于鏡面盤中的集中器處，紅外線輻射源代表具有一鏡面濾波器的一速動(dòng)差動(dòng)光伏偵測(cè)器，其傳輸與反射的光譜特征被調(diào)整成通過(guò)鏡面盤的測(cè)得氣體的吸收光譜，以及紅外線輻射源的輻射光譜。而具有一鏡面濾波器的速動(dòng)差動(dòng)光伏偵測(cè)器，可就氣體濃度量測(cè)的結(jié)果，沿著鏡面盤補(bǔ)償外部作用對(duì)紅外線輻射路徑軌跡的影響。
[0049]其中應(yīng)用光學(xué)區(qū)塊以便和上述有所區(qū)別，供紅外線輻射路徑之用的通道代表一多路鏡面盤。此鏡面盤能夠集中自入口沿著路徑通過(guò)鏡面盤、到位于出口處的輻射偵測(cè)器。此速動(dòng)脈波發(fā)光二極管所建立朝向性集中器的紅外線輻射光，被當(dāng)成一紅外線輻射源使用。使用速動(dòng)光伏偵測(cè)器作為接收器，構(gòu)成差動(dòng)輻射偵測(cè)器的一部分。為借由集中輻射能的方式來(lái)達(dá)成提高量測(cè)敏感度的目標(biāo)，必須進(jìn)行導(dǎo)向，將紅外線輻射源導(dǎo)向以朝鏡面盤主光軸對(duì)應(yīng)角度為方向的第一反射球狀鏡，具有沿著鏡面之間鋸齒狀路徑來(lái)傳輸輻射能的可能，在扁平鏡面及差動(dòng)光接收器上產(chǎn)生同時(shí)源鏡像；設(shè)置差動(dòng)光接收器，以便鏡面盤出口的輻射源鏡像平面能和量測(cè)光敏感組件位置平面一致；其中，光接收裝置的結(jié)構(gòu)自動(dòng)做好令輻射源鏡像平面與第二(參考)光敏感組件的位置平面一致的準(zhǔn)備。此有助于達(dá)成所稱技術(shù)結(jié)果，即以集中輻射能的方式來(lái)提升量測(cè)敏感度。
[0050]最有效使用光學(xué)區(qū)塊的方式，是結(jié)合所主張的結(jié)構(gòu)組件，由于其不僅對(duì)量測(cè)的外部機(jī)構(gòu)影響提供補(bǔ)償，更如前所述，縮減了整體裝置的尺寸。
[0051]設(shè)置在氣體分析儀中作為輻射偵測(cè)器和輻射源之用的半導(dǎo)體組件，并具有快速反應(yīng)的特性，低能耗屬必要，但并不足在同時(shí)耗能最小化以及縮小裝置體積的同時(shí)，達(dá)成快速響應(yīng)的目標(biāo)。舉例而言，紅外線脈波發(fā)光二極管具高度反應(yīng)性，但這類輻射源的低能耗僅發(fā)生在電源供應(yīng)的相對(duì)應(yīng)模式中。控制組件的運(yùn)作在所應(yīng)用發(fā)明的這些議題上實(shí)屬重要。
[0052]基本特色的聚集，有助于達(dá)成具有最大紅外線輻射應(yīng)用并讓裝置維持最小尺寸的紅外線輻射光的高轉(zhuǎn)換比，也提供由光學(xué)區(qū)塊入口沿著大光學(xué)路徑至其出口到偵測(cè)器處的紅外線輻射路徑。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0053]所主張的氣體分析儀及其中所使用的光學(xué)區(qū)塊技術(shù)特點(diǎn)解釋于圖示中，如:
圖1為氣體分析儀的方塊架構(gòu)；
圖2為光學(xué)區(qū)塊的方塊架構(gòu)；
圖3為源輻射光譜；
圖4為差動(dòng)光伏偵測(cè)器窗的傳輸光譜；
圖5為鏡面濾波器光譜傳輸?shù)牟ㄐ危?br> 圖6為鏡面濾波器反射光譜的波形；
圖7為主要?dú)怏w分析儀組裝運(yùn)作的時(shí)序圖。
[0054]附圖標(biāo)記說(shuō)明 I:光學(xué)區(qū)塊；
2:入口 ；
3:出口 ；
4:通道；
5:控制組件；
6:紅外線輻射源；
7:紅外線輻射偵測(cè)器；
8:量測(cè)速動(dòng)光伏偵測(cè)器；
9:參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器；
10:鏡面濾波器；
5.1:微控制器；
11、11’:反射球狀或拋物面；
12:扁平反射鏡；
13:數(shù)字輸入/輸出端口 ； 14:模擬輸出埤；
15:出口窗口 ；
16:控制機(jī)制；
17:前置放大器；
L1、L2:距離。
【具體實(shí)施方式】
[0055]氣體分析儀及其光學(xué)區(qū)塊的實(shí)際應(yīng)用說(shuō)明如下。
[0056]所提出的氣體分析儀(圖1)含有光學(xué)區(qū)塊1，其內(nèi)建立有一通道4供自入口 2到出口 3的紅外線輻射傳輸之用，以及控制組件5，以微處理器5.1為例，即其連接光學(xué)區(qū)塊I的入口 2及出口 3。亦有位于光學(xué)區(qū)塊I的入口 2的紅外線一輻射源6，以及一安裝在前述區(qū)塊I的出口 3的紅外線輻射偵測(cè)器7。其中，控制組件5可利用取得結(jié)果的指示，處理該紅外線輻射偵測(cè)器7所接收到的輻射。在光學(xué)區(qū)塊I中，設(shè)有供紅外線輻射傳輸之用的通道4，有可能沿著其穿過(guò)該通道4的路徑集中該輻射，并到出口處的紅外線輻射偵測(cè)器7，偵測(cè)器代表具有一鏡面濾波器10的一速動(dòng)光伏偵測(cè)器?？衫脺y(cè)得氣體(未顯示于圖中)的吸收光譜和紅外線輻射源6的紅外線輻射光譜(圖3)，來(lái)對(duì)應(yīng)調(diào)整該鏡向?yàn)V波器10的傳輸(圖5)和反射(圖6)光譜特性。鏡向?yàn)V波器10位于紅外線輻射偵測(cè)器7中，且可沿著所述通道4，補(bǔ)償外部作用對(duì)紅外線輻射路徑軌跡的影響；使用一速動(dòng)源作為紅外線輻射源6，其調(diào)整啟動(dòng)關(guān)閉的脈波比受控制組件5調(diào)整，成為該偵測(cè)器7(差動(dòng)光伏偵測(cè)器)的啟動(dòng)關(guān)閉脈波比。一具有由控制組件5所調(diào)整開啟與關(guān)上的脈波比到偵測(cè)器7的開啟與關(guān)上的脈波比的快速反應(yīng)源可為紅外線輻射源6。紅外線輻射接收器7(圖1)是連接到舉例而言可為微控制器5.1的控制組件5的入口，微控制器5.1可使用數(shù)家制造商(例如德儀公司制造的MSP430系列，或ST公司所提供的STM家族)的產(chǎn)品?？刂平M件5含有一數(shù)字輸入/輸出端口 13，以及供安全系統(tǒng)氣體分析儀控制與數(shù)據(jù)傳輸予使用者之用的模擬輸出端口 14 (未顯不于圖中)。氣體分析儀可位于殼體(未顯不于圖)中，其表面有供氣體進(jìn)入光學(xué)區(qū)塊I的開口，特別是作為紅外線輻射路徑之用的通道。而且，這些開口可設(shè)有防塵裝置，例如防塵網(wǎng)(未顯示于圖中)。如上所述，氣體分析儀的光學(xué)區(qū)塊1(圖1、圖2)可供紅外線輻射路徑之用的通道4所形成。紅外線輻射源6位于光學(xué)方塊I的入口 2處，而紅外線輻射偵測(cè)器7位于出口 3。使用安裝在通道4的入口上的速動(dòng)紅外線脈波發(fā)光二極管作為紅外線輻射源6。通道4以一小型多路鏡面盤形式所構(gòu)成。其可沿著其路徑，集中自入口穿透到出口的紅外線輻射光，其排除光學(xué)信號(hào)的消散。紅外線輻射偵測(cè)器7安裝在通道4的出口處。位于通道4出口處、供所有非共心光束之用的橫向焦散面尺寸，不超過(guò)紅外線輻射偵測(cè)器7的出口窗口 15的面積。紅外線輻射偵測(cè)器7含有量測(cè)速動(dòng)光伏偵測(cè)器8及參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器9，兩者以相互呈90度角的角度相對(duì)。干擾鏡像濾波器10位于量測(cè)快速作動(dòng)光伏偵測(cè)器8及參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器9之間，以45度角對(duì)著偵測(cè)器光感應(yīng)層的法線。
[0057]利用測(cè)得氣體(未顯示于圖中)的吸收光譜，對(duì)應(yīng)調(diào)整鏡像濾波器10的傳輸(圖5)和反射(圖6)光譜特性，以及輻射源6的紅外線輻射光譜(圖3)。鏡像濾波器10位于紅外線輻射偵測(cè)器7中，可沿著所述通道4對(duì)紅外線輻射路徑的軌跡補(bǔ)償外部作用的影響。鏡像濾波器10具有朝參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器9方向的一反射光譜(圖6)。借此，可達(dá)到幾乎完全應(yīng)用紅外線輻射源6。
[0058]通道4的最佳實(shí)際選擇，為依據(jù)由扁平反射鏡及球狀或拋物面反射鏡所形成的多路鏡面盤，球狀或拋物面反射鏡的數(shù)量超過(guò)扁平反射鏡。舉例而言，鏡面盤含有二扁平反射鏡12(圖1、圖2)、三反射球狀或拋物面11及11’，座落于例如交錯(cuò)借以建立一鋸齒形的光學(xué)路徑中。
[0059]球狀面11及11’作為一輻射能量集中器。紅外線輻射源6被導(dǎo)向在位于對(duì)應(yīng)鏡面盤的主要光軸的角度的第一反射球面鏡，并能沿著介于鏡面之間的鋸齒狀軌跡傳輸輻射，借以在扁平鏡面及在紅外線輻射差動(dòng)偵測(cè)器7上建立源鏡像。
[0060]舉例而言，二扁平反射鏡12座落于與球面鏡11相距一確定距離的位置。舉例而言(圖2概要顯示距離LI及L2)，LI等于L2，其中Fl為球面鏡11的焦距(未顯示于圖中)。扁平鏡面12可位于和鏡面11’的光軸對(duì)稱的角度，提供最佳傳輸光線到球面鏡11’，其可具有一不同焦距。舉例而言，安裝球面鏡11’以確保相關(guān)性:L2等于2F2，其中F2為球面鏡11’的焦距(未顯示于圖中)，且L2大致等于10 ±2毫米。具有和球面鏡11光學(xué)軸呈對(duì)稱排列的扁平鏡12的變化具優(yōu)先性。
[0061]所提出的氣體分析儀及用于其中的光學(xué)區(qū)塊I代表二裝置。第一裝置為由光學(xué)區(qū)塊I及控制組件5構(gòu)成的一獨(dú)立量測(cè)裝置。第二裝置為一光學(xué)區(qū)塊，其為第一裝置的一組件部，不能在無(wú)控制組件5的情況下單獨(dú)使用。然而，其為第一量測(cè)裝置的主要工作組件，且可用于其它相似量測(cè)裝置中。因此，共同描述氣體分析儀與其中所用的光學(xué)區(qū)塊I的運(yùn)作原則。
[0062] 申請(qǐng)人:已發(fā)展并測(cè)試氣體分析儀及當(dāng)中應(yīng)用的光學(xué)區(qū)塊的實(shí)驗(yàn)性例子。以下提供本發(fā)明運(yùn)作的運(yùn)算原則及所獲結(jié)果。圖7提供氣體分析儀的運(yùn)作時(shí)序圖。
[0063]供電予氣體分析儀。在微處理器5.1于時(shí)間點(diǎn)t0完成初始化后,控制組件5啟動(dòng)并傳送能量給所控制的運(yùn)算放大器17 (圖1，圖7)。
[0064]在自最初時(shí)間t0到tl等于75微秒中，應(yīng)在40微秒內(nèi)測(cè)得光學(xué)區(qū)塊的一溫度(圖V，圖7)。自時(shí)間點(diǎn)t0到遲延時(shí)間t3屆滿后，微控制器5.1啟動(dòng)紅外線輻射源6的控制機(jī)制16，且形成帶有12-15微秒(圖1I，圖7) —電流脈沖。紅外線輻射源6形成紅外線輻射流，圖3出示其光譜型態(tài)。紅外線輻射源6安裝在光學(xué)區(qū)塊I的入口處并連接控制組件5，被導(dǎo)向位于通道4中的第一反射球狀鏡11，其以鏡面盤主要光軸的對(duì)應(yīng)角度為方向。輻射能量(光流)來(lái)自沿著鏡面11及12之間鋸齒狀軌跡的紅外線輻射源，且建立扁平鏡面11及紅外線輻射偵測(cè)器7上的源鏡像。在此一方式中，光流在位于例如交錯(cuò)其間而成一鋸齒狀光學(xué)路徑的扁平鏡11及球面鏡11之間反復(fù)反射。所舉沼氣作為量測(cè)氣體例子，是以分子擴(kuò)散手段借由對(duì)應(yīng)孔道而進(jìn)入通道4的環(huán)境媒介，依據(jù)其吸收光譜改變光流的光譜特性。因氣體動(dòng)作而出現(xiàn)變化的光流，來(lái)自安裝于通道4出口的紅外線輻射偵測(cè)器7。光流來(lái)到以量測(cè)及參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器8、9之間的一角度進(jìn)行安裝的干涉鏡面濾波器10。鏡面濾波器10具有傳輸(圖5)及反射(圖6)的反向光譜的一波形，致使被分析氣體所吸收的紅外線輻射源6，部分通過(guò)具有傳輸光譜(圖4)對(duì)應(yīng)波形的紅外線輻射偵測(cè)器5的濾波器窗口 15，接著通過(guò)鏡面濾波器10其來(lái)到量測(cè)速動(dòng)光伏偵測(cè)器8。鏡面濾波器10將部分紅外線輻射源光譜6的反射到參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器9。且量測(cè)及參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器8、9，在濾波器10手段的光流反射后，吸收光譜對(duì)應(yīng)到導(dǎo)向其以鏡面的光譜。在紅外線輻射源6的電流脈沖的初始化后，控制組件5于7.5微秒中根據(jù)微處理器5.1，啟動(dòng)來(lái)量測(cè)、參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器8及9的信號(hào)數(shù)字化，將信號(hào)從前置放大器17 (圖1II，圖7)傳送到控制組件5的入口?？刂平M件5在一信號(hào)的最大值的瞬間，將源自速動(dòng)光伏偵測(cè)器的一信號(hào)數(shù)字化，歷時(shí)為紅外線輻射源6 (圖1V，圖7)的脈沖停止后10微秒內(nèi)。量測(cè)及參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器8及9的信號(hào)振幅被判斷為是數(shù)字化數(shù)值中的一差值。控制組件根據(jù)微控制器5.1計(jì)算量測(cè)及參考速動(dòng)光伏偵測(cè)器8、9的信號(hào)振幅比率，執(zhí)行數(shù)字累加以提高信號(hào)/噪聲比，且建立計(jì)算與累加比率的溫度修正，最重要的是，計(jì)算了所量測(cè)氣體的濃度。舉例而言，控制組件5 —般借由數(shù)字及/或模擬端口 13、14，傳輸在所量測(cè)氣體濃度上的信息給使用者或安全系統(tǒng)(未顯不于圖中)。
[0065]量測(cè)的全部期間大致為180微秒。而紅外線輻射源是在12-15微秒內(nèi)的主動(dòng)模式中。于此時(shí)間屆滿后，控制組件5切換到“待命”模式以減少能量耗損并終止量測(cè)周期。在預(yù)設(shè)時(shí)間結(jié)束時(shí)，例如2000微秒，周期從時(shí)間t0的開始重復(fù)。紅外線輻射源的脈波功率是300mW，但因高脈波比率紅外線輻射源功耗的平均功率并未超過(guò)2.5mW。氣體分析儀的總功率需耗并未超過(guò)2.5mW，借此可達(dá)成最小能量耗損結(jié)果。
因此，可由此而得結(jié)論，即所主張氣體分析儀及使用在內(nèi)的光學(xué)區(qū)塊可應(yīng)用在大氣(為此，有必要進(jìn)行氣體分析儀控制組件的對(duì)應(yīng)校正)中的其它碳濃度量測(cè)，由于其因在鏡面盤中組件的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)性安排具有較長(zhǎng)的輻射路徑；
幾乎所有IRS的能量被使用，即能量損失達(dá)最?。?br> 供給用于偵測(cè)器上的輻射濃度，其有助于靈敏度提高；
執(zhí)行控制組件運(yùn)算模式的必要調(diào)整，其有助于降低能量需耗；
確保外部影響的補(bǔ)償，即:因具有內(nèi)建鏡面濾波器的差動(dòng)偵測(cè)器而造成機(jī)械穩(wěn)定性。
[0066]這也是為何與已知紅外線氣體分析儀相比，本應(yīng)用發(fā)明具有高反應(yīng)速度與高靈敏性，并同時(shí)將能量損耗及體積最小化。GK103492858SQ201180063937
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2010年11月12日
【發(fā)明者】米嘉爾·安納托里維奇·馬克斯尤坦科, 舍蓋依·法西里維奇·涅普尼阿斯奇, 蘇菲亞·波里蘇維納·波哥迪納, 維亞切斯拉夫·維拉迪米羅維奇·克瑞博托夫 申請(qǐng)人:歐普托圣斯有限公司