专利名称：气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及红外线(IR)气体传感器装置，用于通过使用可调谐二 极管激光器光谱测定(TDLS)或者光声(PA)探测来测量目标气体的浓度。
背景技术：
两种测量技术已知于现有技术中。例如，在EP1 549 932 B1中公 开了TDLS。在多件专利申请中公开了光声传感器。两种测量技术有它们的应用领域，及均用特定的样本单元(sample cell)设计进行工作。TDLS需要吸收路径，通过光敏传感器例如光敏 二极管来测量^^皮吸收光的强度。可以在样本单元中关闭或开启吸收路 径，而没有任何壳体限定待探测的气体的吸收容积。吸收路径的长度 较大程度地确定达到的灵敏度，且环境影响散射速率，其意味着，较 长的散射周期造成系统的较慢的反应时间。然而，开放的环境承受较 大的外部影响。PA要求声音上关闭的测量单元，其中通过目标气体的光吸收导 致声压的产生，声音通过麦克风采集。二极管激光器用作PA的光源， 允许在高频(kHz到MHz)上调制光束，这使用传统的热光源是不可行 的。该kHz调制可以使用谐振PA(RPA)，其中，调节调制频率，以匹 配测量单元内的样本容积的声音谐振频率。测量单元的设计影响样本 容积的谐振频率。在这样的谐振测量单元中，精确地定位声压的最大 值(波腹)和最小值(波节)。在波腹上采集声音，且可以在波节的位置处 开启测量单元。取决于测量单元的设计，声压的波腹是不同的。因此，TDLS和RPA技术各自具有它们自己的目标气体组。TDLS 高度选择性地且以很高的灵敏度测量单一成分气体(即，在百万分率 ppm的范围内的有毒气体)，然而RPA以其广泛的吸收特征而更适合 测量大分子，其中，要求的探测界限大约为更高的数量级(即，在百 万分之一百100ppm的范围内的碳氢化合物)。然而，在一些情况下， 一组气体传感器要求容置于一个仪器中，其既要求TDLS技术又要求 RPA技术(即，用于有毒气体和易燃气体的组合传感器)。发明内容因此，本发明的目的是提供一种组合传感器，根据待探测的相应 的气体，组合传感器可以容置于使用TDLS技术或使用RPA技术的单 个仪器中。如权利要求所要求保护的气体传感器解决了该目的。另外的有益 的实施方式于各自的从属权利要求中要求保护。根据本发明，红外线气体传感器装置包括至少一个笫一可调谐激 光源和至少一个第二可调谐激光源，均分别产生第一 已调制的激光束 和第二已调制的激光束，第一 已调制的激光束和第二已调制的激光束 分别提供第一测量路径和第二测量路径。气体传感器装置还包括第一 探测装置和笫二探测装置，分别与第一测量路径和笫二测量路径相关 联，其中第一探测装置为光学传感器，接收第一激光束，且笫二探测 装置为声音传感器。另外，气体传感器装置包括至少一个测量室，用 于为待探测的气体提供吸收容积，其中，测量室包括用于第一测量路 径和第二测量路径的不同开口及至少笫二探测装置。另外包括的是电 子处理装置，用于控制激光源并提供产生的测量信号。本发明利用在RPA单元中的波节和波腹的几何分布，以形成组 合的TDLS-RPA测量室。校准TDLS激光器的激光束并穿过测量室的 开口槽发送，通过提供相应的气体容积、用于笫二激光束的指定开口 和相应的声音传感器，例如麦克风，测量室设计成用于RPA测量。依赖于对TDLS的要求，具有通过测量室的激光束可以通过相应的光敏 传感器探测，例如光敏二极管，或通过适当的反射镜穿过测量室向回 反射至接近第一激光源设置的光敏二极管。而且，可能提供穿过测量 室的更多路的第一激光束。例如，在测量室中的开口可以是圓形的或 以槽口的形式。多路槽口的形式是优选的。通过第二激光源(例如二极管激光)提供的第二激光束用于RPA,其进入测量室的相应开口，并 在室的声音谐振处激励测量室的气体容积。如果适当地选择声音的固 有模式，测量室可以开启或可以包括用于TDLS的相应开口。通常的设计是圓柱形的测量室具有低频的基本纵向谐振。例如， 还可能的是设计的测量室具有相较于圆柱形测量室的较短长度和较 大直径。在后者中，在室的上半部和下半部将声压波腹组织为波瓣。 这种设计的谐振频率高于相较于直径具有更大长度的圆柱形测量室 设计的谐振频率。然而，在纵向、径向、轴向或其它方向上的样本容 积中，所有的设计可能提供波节和波腹。在气体探测的特别应用的另一个实施例中，仅有一个共同的二极 管激光源用于不同种类的激光束，用于提供穿过一个共同开口的第一 测量路径和第二测量路径。二极管激光器在两个条件之间转换(多路复 用的)，两个条件对于分别产生用于TDLS路径或RPA路径的激光束 是必要的。可能在第一激光束已行进穿过气体容积之后，从室的各自 侧壁向回穿过入口而将其反射，或使用光敏传感器代替。该设置对于 气体的测量是优选的，其可以相同的顺序在路径长度上探测，例如， 用TDLS测量曱烷和用RPA探测测量-友氬化合物。在优选的实施例中，测量室的尺寸适用于提供声压波腹，声压波 腹在室的上半部和下半部组织为波瓣。另外，第一路径的开口设置在 波瓣之间的环线处。总之，可将多于一个的测量室引入用于TDLS的第一测量路径， 或用于RPA探测的测量室可以引入更大的用于TDLS的第二测量室。和RPA探测可以在共同的外壳内执行， 并具有共同的光电子平台和电子平台。用于RPA探测的测量室可以沿 TDLS吸收路径(第一测量路径)自由地;改置，而在TDLS和RPA测量 之间没有任何干扰。相同外壳(即，用于暴露保护或环境保护)的使用 和相同的电子平台急剧地减少了这种组合气体传感器的综合成本。本发明的新颖的设计理念是将TDLS激光束(第一激光束)越过用 于RPA探测的测量室的开口发送，进而在相同的气体感应模块中以最 小的尺寸利用TDLS和RPA探测。根据本发明的另 一个实施例，第二已调制的激光束的调制频率与 测量室容积的声音谐振频率相匹配。在另一个实施例中，测量室是圆柱形的，具有用于在前侧的第一 测量路径和第二测量路径的开口 。从与权利要求和附图相关的优选实施例的下面的描述，可以获得 本发明的另外的特征和优点。单一的特征可以单独实现或与本发明的 实施例相结合实现。
图1为用于RPA的基本呈圆柱形的样本单元的设置； 图2为将目标气体快速扩散于用于RPA的样本单元中的目的的 设置；图3为根据图2的测量室设计中的开口的设置； 图4为红外线气体传感器装置的原理表示；及 图5为仅具有一个二极管激光源的红外线气体传感器装置的另一 原理表示。
具体实施方式
在图1的示例中，激光源1提供穿过圆柱形测量室的激光束2， 例如，圓柱形测量室的长为4厘米，直径为0.5厘米，由此提供基本纵向的谐振。室还包括通用的麦克风4。声压的振幅由虚线5表示。 这种设置的谐振频率大约为4kHz。在如示于图2的方位设计中，例如，室的长度为0.6厘米，直径 为2厘米。该设计提供的声压波腹(anti-node)作为室3，的上半部和下 半部中的波瓣(lobe)6'和6"。该i:殳计的谐振频率大约为10kHz。图3示出了根据图2的探测室3，的前视图，其中前侧和后侧是 相同的。如该图所示，上波瓣6，和下波瓣6，'使测量室3'的环线处 形成开口。沿环线的开口 7用作气体的入口和出口，并用于如图4所 示的用于TDLS测量路径8的激光束。开口9用于示于图4的RPA测 量路径10。图4示出了具有壳体11的红外线气体传感器的原理设置，壳体 ll仅由虚线表示，并包括电路板12，电路板12上设置有第一可调谐 激光二极管13、第二可调谐激光二极管14、麦克风21和其它用于装 置功能的电子元件。另外示出的是在前侧19和后侧20(未示出)上的具 有槽口 7的测量室15。室15还包括在前侧19上面向笫二激光器14 的开口 9。参考标号16表示邻近于室15的内部容积的用于麦克风的 端口。在本实施例中，远离室15处有反射镜17,用于反射由第一激 光源13发射的激光束8，。被反射的激光束8'再次行进穿过槽口 7而 返回设置于第一激光源13之上的激光二极管18。第二激光源14提供激光束10，，激光束IO，通过开口 9进入测量 室15，用于激励室15内的气体量。图5示出了仅具有一个可调谐二极管激光源22的设置，可调谐 二极管激光源22在两个不同光束之间复用，不同光束的产生条件是， 用于提供用于TDLS测量路径或者RPA测量路径的激光束。两个激光 束通过相同的开口 23进入测量室15'。而用于TDLS的已调制的激光 束8，通过壳体15，内的反射镜17，反射回来，用于RPA探测的已调制 的另一激光束IO，仅进入开口 23并激励室15，内的气体量。在本实施例中，由于RPA光束通过偏离中心的开口 23进入壳体15，， RPA光 束还产生图3的上波瓣6，和下波瓣6"。如上所述，由于该装置具有共同的壳体11，具有共同的光电子和 电子平台12,可以在壳体11内的相同位置上执行TDLS和RPA探测。 示出的该实施例仅为举例说明的目的，而不限制于特别的设计。
权利要求
1.一种组合的红外线气体传感器装置，用于通过使用可调谐二极管激光器光谱测定(TDLS)或者光声(PA)探测来测量不同目标气体的浓度，包括至少一个第一可调谐激光源(13)，其产生提供第一测量路径(8)的第一已调制的激光束(8’)；至少一个第二可调谐激光源(14)，其产生提供第二测量路径(10)的第二已调制的激光束(10’)；第一和第二探测装置(18；4)分别与所述第一和第二测量路径(8；10)相关联，其中，所述第一探测装置(18)是接收所述第一激光束(8’)的光学传感器，且所述第二探测装置(4)是声音传感器；至少一个测量室(15)，用于为待探测的目标气体提供吸收容积，所述测量室(15)包括用于所述第一和第二测量路径(8；10)的不同开口(7，9)及至少第二探测装置(4)；及电子处理装置，用于控制所述激光源(13，14)并提供产生的测量信号。
2. 如权利要求l所述的装置，其特征在于所述笫一可调谐激光 源(13)和所述第二可调谐激光源(14)仅为一个二极管激光器，所述二极 管激光器产生提供所述第 一 测量路径(8)的所迷第 一 已调制的激光束 (8，)，或者产生提供所述第二测量路径(10)的所述第二已调制的激光束(io，)。
3. 如权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述测量室(15) 包括设置于所述笫一测量路径(8)中的相对的开口(7)，从而允许所述第 一激光束(8，)至少一次行进穿过所述测量室(15)。
4. 如权利要求3所述的装置，其特征在于所述笫一探测装置(18) 远离所述至少一个测量室(15)而设置。
5. 如权利要求3所述的装置，其特征在于所述测量室(15)为圆柱形，具有在前侧(19)用于第一和第二测量路径(8; 10)的开口(7, 9)， 并具有在后侧(20)用于所述第一测量路径的至少一个开口(7)。
6. 如权利要求l所述的装置，其特征在于将声压波腹在所述室 的第 一纵向半部和第二纵向半部中组织为波瓣(6', 6")。
7. 如权利要求6所述的装置，其特征在于所述第一测量路径(8) 的开口(7)设置在所述波瓣(6'， 6")之间的线处。
8. 如权利要求l所述的装置，其特征在于所述第二已调制的激 光束(9)的调制频率与所述测量室(15)的声音谐振频率相匹配。
全文摘要
本发明涉及组合的气体传感器装置，通过在一个壳体内的可调谐二极管激光器光谱测定和谐振光声而允许测量气体浓度。本发明的核心是将用于激光器光谱测定的激光光束传送越过测量单元的开口，该测量单元通常用于谐振光声确定。因此，两个测量原理均使用具有最小空间占用的相同的气体感测模块，使得装置可以用最小尺寸生产。而且，可以使用普通的光电子平台和电子平台，其减少了这种组合的气体传感器的综合成本。
文档编号G01N21/35GK101251480SQ20081008059
公开日2008年8月27日 申请日期2008年2月20日 优先权日2007年2月21日
发明者A·塞弗特, B·威林, M·科利 申请人:Ir微系统股份有限公司