CN101821611A

CN101821611A - 用于流体分析的光谱仪

Info

Publication number: CN101821611A
Application number: CN200880111172A
Authority: CN
Inventors: J·富尔内尔; A·卢纳蒂; T·热尔戈
Original assignee: SP3H SAS
Current assignee: SP3H SAS
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-09-01
Also published as: EP2198275A1; ES2365649T3; WO2009047605A1; US7982189B2; DE602008006582D1; US20100252737A1; FR2922304A1; BRPI0818063A2; KR101507474B1; JP2011501121A; EP2198275B1; JP2014232120A; KR20100092438A; ATE507474T1; FR2922304B1

Abstract

本发明涉及光谱仪，包含：配置为产生覆盖波长带的光束的发光装置(LSRC)、配置为使得来自发光装置的光束与待分析的流体互相作用的探针、以及配置为在光束已经与待分析的流体互相作用之后接收光束并且提供对各种波长范围的光强度测量的光谱分析装置，发光装置包含数个在各种波长范围内发光的发光组件(1a-1c)，以及固定到发光组件(1a-1g)的发光表面上的混合光学组件(3)，以将由发光组件所发射的光流结合成覆盖波长带的合成光束，并将合成光流引导到探针。

Description

用于流体分析的光谱仪

技术领域

本发明涉及流体的分析。本发明更特别地涉及流体的定性分析，并且更特别地涉及基于碳氢化合物或生物燃料的燃料的定性分析，以保证例如在机动车上所使用的内燃机的操作。

背景技术

机动车越来越多的装备有电子管理***，配置为根据传感器所测量的不同参数优化引擎的操作。这些***一般地配置为，特别地根据引擎速率、油和冷却液的温度、以及外部参数例如大气压力和环境温度，调节注入到引擎中的燃料的量、设定注入时间、点火提前、进气压力以及废气的循环。

然而，这种优化受到燃料质量的波动的限制。实际上，虽然对于燃料定义了标准，但燃料的质量依赖于天气和加油站从而具有显著的差异。燃料一般地通过化学物理参数来表征，例如对于火花点火引擎的辛烷值和气压，对于柴油引擎的十六烷值、闪点和抗低温能力，以及蒸馏曲线、密度和氧化化合物含量。从而据估计，基于碳氢化合物的燃料的物理化学参数可以围绕标准中所指定的标准化平均值变化15到40％或者更多。

现在，针对标准化的燃料优化了内燃机的操作。如果在泵处取得的燃料的质量与标准化的燃料质量相差太大，这种优化不再作用，而引擎将倾向于耗费更多的燃料并产生更多的污染气体。

因此，期望的是，确定输送给引擎的燃料的质量，并将所获取的结果考虑在内以管理引擎的操作。为此目的，近红外吸收光谱适合于碳氢化合物或者碳氢化合物混合物的定性评价。

一个产生流体吸收光谱的标准光谱仪一般地包含以下元素：

--光源，覆盖至少一个必须在其中进行测量的波长带，

--在以下的描述中被称作“探针”的装置，在该装置中，光源产生的光与待分析的流体互相作用，以及

--光谱分析传感器，它在探针的输出处对光进行分析。

这样的光谱仪使得能够以T＝f(λ)类型的曲线的形式获得吸收光谱，其指示随着波长λ的变化，通过待分析的流体的光的量T。

光谱仪主要通过其光谱分析范围(所产生的光谱的宽度和位置)、分析的精度或者组成所提供的光谱的测量点的数量、对吸收值的测量的准确度、以及其敏感度即它测量少量光的能力来进行表征。

当今的光谱仪一般地是非常复杂的，从而很昂贵，尺寸相对较大。特别的，当今的光谱仪包含许多光学组件(镜片、过滤器、棱镜、镜面、衍射光栅)，这些组件由空气空间所隔离。为了光谱仪正确地工作，这些组件之间的对准是非常关键的。因此，当今一般地为实验室设计的光谱仪，对于内燃机或者机动车环境是不适合的。特别地，它们未被设计为能承受由内燃机或者机动车所产生的强烈振动。实际上，在光源和光谱分析装置之间，光束穿过相当多的被空气空间所隔离的光学组件。光学组件和空气之间的每个界面都是误调或者恶化的潜在来源。

在光谱仪中传统地使用的光源(白炽灯或者金属气相灯、卤素灯等)与内燃机机载或者车辆中的应用所需的健壮性、服务寿命和尺寸的要求不兼容。激光的使用也必须被排除，因为将需要与所需的光谱中的测量点相同数目的激光器。由于在有害环境中服务寿命、稳定性和健壮性的理由，激光的使用也必须被排除。

进一步地，专利申请No.FR 2 798 582和FR 2 789 294考虑了使用与标准光学组件相关联的发光二极管。

因此希望产生能够被安装在内燃机上或者机动车内的流体分析光谱仪。

发明内容

该目标通过提供这样一个光谱仪来实现，该光谱仪包含发光装置，配置为产生覆盖波长带的光束；探针，配置为使得来自发光装置的光束与待分析的流体互相作用；以及光谱分析装置，配置为在光束已经与待分析的流体互相作用之后接收光束，并且依赖于对于各种波长范围所接收的光的量来提供测量。

根据一种实施方式，发光装置包含数个发光组件，每个发光组件包含发光表面，并且在所述波长带所包含的各种波长范围内发射光，并包含固定到所述发光组件的发光表面上的混合光学组件，以将由所述发光组件所发射的光流结合成为覆盖所述波长带的合成光束，并将合成光流引导到所述探针。

根据一种实施方式，所述混合光学组件具有输入面，该输入面接收来自所述发光组件的光，输出面，该输出面被耦合到发光光导，并且具有这样的形状，该形状具有基本被优化的旋转形以将来自所述发光组件的光尽量多地聚焦并发送到所述探针。

根据一种实施方式，所述混合光学组件覆盖所述发光组件的每一个的发光表面。

根据一种实施方式，所述混合光学组件被一个或者多个光学纤维耦合到所述发光组件的每一个的发光表面。

根据一种实施方式，发光装置产生的光束覆盖700nm到1100nm之间的波长带。

根据一种实施方式，发光装置包含数个发光组件，这些发光组件在基本相同的波长范围内发射光。

根据一种实施方式，发光组件是发光二极管。

根据一种实施方式，所述探针包含光学纤维照明光导，将来自所述发光装置的光束发送到待分析的流体，还包含光学纤维收集光导，其耦合到发光光导并至少部分地收集已经穿过待分析流体的光束，并将其发送到光谱分析装置。

根据一种实施方式，收集光导包含数个收集光学纤维，这些光学纤维分散在照明光导周围，并包含反射器用来在光束已经穿过待分析流体之后，将该光束通过待分析流体发送回收集光学纤维。

根据一种实施方式，反射器被产生为沿着基本上与入射光线的方向相反的方向，以略微较宽的角度反射光束中每一条入射光线。

根据一种实施方式，反射器的类型是类型，或者具有回复反射棱镜的安全反射器类型。

根据一种实施方式，反射器具有球形壳的形状，该壳的中心基本上位于照明光导的输出面的中心上。

根据一种实施方式，所述探针包含会聚透镜，该透镜布置在照明光导的输出与待分析流体之间。

根据一种实施方式，探针包含Y光学耦合器，用来将照明光导的输出处的光束发送到待分析流体中，并将来自待分析流体的光束发送到收集光导中，并包含反射器用来在光束已经穿过待分析流体之后，将其通过待分析流体发送回所述光学耦合器。

根据一种实施方式，反射器被产生为将光束中的每一条入射光线沿着与入射光线方向基本相反的方向反射。

根据一种实施方式，反射器的类型是

类型，或者具有回复反射棱镜的安全反射器类型。

根据一种实施方式，探针包含会聚透镜，该透镜布置在耦合器与待分析流体之间。

根据一种实施方式，探针包含布置在照明光导的输出与待分析流体之间的会聚透镜，以及布置在收集光导与待分析流体之间的会聚透镜。

根据一种实施方式，所述光谱分析装置包含第一光导，该第一光导耦合到探针并在光束已经与待分析流体相互作用之后接收光束，并通过第一光学过滤装置将其扩散到第一光敏感单元组，该第一光学过滤装置被布置以向所述光敏感单元组的至少一部分的每个光敏感单元发送光束的一部分，该部分光束覆盖了所述波长带中包括的各个波长范围。

根据一种实施方式，所述第一光导具有透明材料制成的板的形状，利用板的边缘接收来自待分析流体的光束，并通过将该光束散布到板的相对边缘来将其扩散，所述第一过滤装置和第一光敏感单元组被安放该相对边缘对面。

根据一种实施方式，收集光导被耦合到第一光导以向其发送光束。

根据一种实施方式，所述光谱分析装置包含光探测器条带，其包含第一光敏感单元组，该条带通过第一过滤装置被固定到板的边缘上。

根据一种实施方式，第一过滤装置包含随长度线性可变的光谱透射干涉类型的过滤器。

根据一种实施方式，过滤装置覆盖700nm到1100nm之间的波长带。

根据一种实施方式，光谱分析包含第二光导，该光导在发光装置的输出处直接取得光束的一部分，并通过第二光学过滤装置将该部分光束发送到第二光敏感单元组，所述第二光学过滤装置被布置为向每个光敏感单元发送覆盖了所述波长带内所包括的各个波长范围的光束的一部分。

根据一种实施方式，所述第二光导具有透明材料制成的板的形状，其通过板的边缘接收来自发光装置的光束的一部分，并通过将该光束的一部分散布到板的相对边缘来将其扩散，所述第二过滤装置和第二光敏感单元组被安放在所述相对边缘的对面。

根据一种实施方式，该装置包含光学纤维光导，其耦合到第二光导以将来自发光装置的光束发送到第二光导。

根据一种实施方式，光谱分析装置包含光探测器条带，该条带包含第一和第二光敏感单元组，该条带通过第一和第二过滤装置被固定到第一和第二光导的板的边缘上。

根据一种实施方式，第二过滤装置包含随长度线性可变的光谱透射干涉类型的过滤器。

附图说明

本发明的实施方式的一些例子将在下文参考以下的图但是不限于这些图来进行描述，在这些图中：

图1以模块的形式表示光谱仪的一些功能，该光谱仪适于内燃机或者机动车的环境，

图2A是光谱仪的发光装置的侧视图，

图2B是发光装置的光源的前视图，

图3以曲线的形式表示发光装置的光源的发射光谱的一些例子，

图4是光谱仪的发光装置的一种替代性实施方式的侧视图，

图5A是透射探针的侧视图，用来将发光装置所产生的光束透射到待分析的流体，

图5B是探针中光学纤维的布置的截面图，

图6是探针的一种替代性实施方式的侧视图，

图7是探针的另外一种替代性实施方式的侧视图，

图8A是光谱仪的光谱分析装置的顶视图，

图8B是光谱分析装置的侧视图，

图9以模块的形式表示光谱仪的布置，

图10以模块的形式表示光谱仪的替代性布置，

图11是图10中所表示的光谱仪的光谱分析装置的顶视图，

图12表示利用光谱分析装置所获得的流体吸收曲线的例子，

图13以模块的形式表示光谱仪的第二替代性布置，

图14是图13中所表示的光谱仪的探针的侧视图。

具体实施方式

在附图的以下描述中，相同的元素具有相同的参考符号。

图1表示用来分析流体的光谱仪FAN。装置FAN包括：

--发光装置LSRC，覆盖必须在其中进行光谱测量的至少一个波长带，

--探针PRB，配置为使得由发光装置LSRC所产生的光与待分析的流体相互作用，

--光谱分析传感器SPAN，该传感器分析探针输出处的光，以及

--光学元素4、12，配置为在源和探针之间以及在探针和传感器之间引导光束。

待分析的流体可以是气体或者液体，并且特别地是碳氢化合物或者碳氢化合物混合物，或者甚至是碳氢化合物与生物燃料的混合物。

图2A和2B表示发光装置LSRC的一种实施方式。发光装置LSRC包含光源1，其装载在介质2上，并且利用连接针脚5连接到能量源(未示出)。光源1包含例如发光二极管(LED)类型的发光组件。介质2可以包含印刷电路晶片，发光组件1被装载在该晶片上并被连接到其上。

光学纤维4被耦合到组件1的发光表面，以将所产生的光发送向探针PRB。

如果用来进行光谱学测量的待覆盖的波长带不能被单个发光组件所覆盖，则可以在介质2上装载各种波长范围内的数个发光组件1a-1g。

因此，当前的发光二极管具有宽度为数十纳米的发射波长光谱。因此如果待覆盖的光谱延伸超过数百纳米，则需要数个发光二极管。例如，发光装置从而可以覆盖波长范围介于700到1100纳米之间的光谱。

发光装置LSRC于是包含光学组件3，配置为把来自每个发光组件1a-1g的光进行混合，并将混合后的光引导向光学纤维4。光学组件3可以由在分析器的测量波长光谱内透明的材料制成。光学组件3是例如TIR(全内反射)类型的，以将发光组件1a-1g所产生的光能量以最优的效率发送到光学纤维4。组件3具有输入面，该面覆盖了所有发光组件1a-1g，并且具有输出面，该面具有与纤维4的输入面基本相同的形状和尺寸。组件3具有基本是圆锥形的旋转形状，并且它的发生器被优化以从发光组件1a-1g发送尽量多的光到光学纤维4。组件3被固定到组件1a-1g上，并被固定到介质2上，例如借助于完全覆盖组件1a-1g的透明胶3a层。光学纤维4也可以利用透明胶被固定到组件3上。

图3表示发光功率随着波长的六条曲线，对应于各种发光二极管的发射光谱C1-C5，并且对应于在光学组件3已经结合了光谱C1-C5之后所获得的合成(resulting)的光谱CR。每个发射光谱C1-C5具有基本为高斯曲线的形状。光谱C1-C5各自在850nm、890nm、940nm、970nm和1050nm附近具有最大值。由于这些最大值不是相同的，发光装置LSRC可以包含具有基本相同的发射光谱的数个发光组件，从而使得合成光谱CR在待覆盖的波长带内尽量平坦(恒定功率)。

图4表示发光装置的另一种实施方式。在图4中，发光装置LSRC1包含数个发光组件1a、1b、1c，每个组件被装载到介质2a、2b、2c上，并被直接耦合到光学纤维7a、7b、7c。每个组件1a、1b、1c的发光表面从而接触光学纤维7a、7b、7c的输入面。每个光学纤维的输出面被耦合到光学组件，例如之前所描述的光学组件3。光学纤维7a、7b、7c可以利用透明胶被固定到组件1a、1b、1c上，或者到介质2a、2b、2c上和组件3上。

再次地，这里可以省略混合光学组件3。来自二极管的光学纤维然后被组到一起成为光学纤维捆束，其将来自发光装置的光束发送到探针PRB。

应该注意到，在图4中的实施方式中，二极管1a-1c还可以被装载到与图2A、2B所示相同的介质2上。

图5A表示探针PRB。探针PRB包含数个成捆束布置的光学纤维4、12和会聚透镜19。

图5B表示成捆束的纤维布置的一个例子。在图5b上，该捆束包含中心光学纤维，称为发光光学纤维，对应于来自发光装置LSRC的纤维4，以及侧向光学纤维12，称为收集光学纤维，它们被布置在中心纤维4的周围。中心光学纤维4可以具有不同的直径，例如大于侧向纤维12的直径。在图5B的例子中，探针PRB包含七根纤维12。

透镜19被耦合到纤维4、12，从而其光轴16基本上与中心纤维4的输出处光束的轴相重合，纤维4的输出面的中心位于透镜的焦点附近。透镜19的直径使得如果给定了在纤维4的输出处光束的角度，则由纤维4所发送的光束被该透镜全部发送到无穷远。所有的纤维4、12以及整个透镜19可以被容纳在盒子18内。

待分析的流体被布置在透镜19的输出处光束的路径上。为此，包含待分析流体的管子或者储罐10包含透明窗口11a和平面反射器13，布置在透镜19的输出处光束的路径上。反射器13被布置为与光轴16相垂直，从而使得光束穿过待分析流体20，并通过透镜19被反射向纤维4和12。从而光束在窗口11a和反射器13之间两次穿过待分析流体。

反射器13是对于光源的回复反射类型，即，将每一条入射光线都沿着与入射光线相反的方向加以微小的偏折进行反射，从而使得反射的光束被透镜19聚焦在大于纤维4的表面面积上，特别地覆盖了纤维12的输入面。

例如，3M公司以品牌名称所经销的反射表面具有此种属性：到达该种表面的光束以相反的方向离开，并伴随略微较大的角度。这种类型的表面被用来例如制造回复反射安全覆盖物。为此，反射表面包含粘在介质上的透明的微珠，其转向介质的一半表面被覆盖有反射层。

具有回复反射棱镜的安全反射器也具有相同的属性。

该属性抵消了垂直于反射器13的轴与透镜19的光轴16之间的对准误差。

管子或储罐10可以包含位于光束路径上的第二透明窗口11b，反射器13固定于其上。

将能理解，透明窗口11a可以与透镜19结合。

图6表示探针的另一种实施方式。在这种实施方式中，探针PRB1与图5A中所表示的那一个由于缺少透镜19而不同。盛有待分析流体20的储罐或者管子10’如图5A所示包含透明窗口11a，该窗口使得来自纤维4的光束进入待分析流体。在透明窗口11a的对面，提供了反射器13’，其形式为球形壳，其中心基本位于纤维4的输出面的中心上。因此，在纤维4的输出处的光束的所有光线在待分析流体20中经过长度基本相同的路径。

反射器13’具有回复反射表面，从而它扩大了反射光束，以覆盖纤维12的输入面。

来自纤维4的整个光束从而通过透明窗口11a进入管子或储罐10’并被反射器13向纤维4、12进行反射。

反射器13’再次被布置在管子或者储罐内，或者在透明窗口上，其形式为提供在管子或者储罐10’内的球形壳。

还可以采取措施以将纤维4、12的末端与反射器13’互锁，并将它们沉入待分析流体20中。

图7表示探针的另一种实施方式。在这种实施方式中，探针PRB2由于具有Y耦合器25和单根收集纤维12’而与图5A中所表示的那一个不同。探针PRB2包含单根纤维26，该纤维将光束发送到待分析流体20，并捕获来自后者的光束。耦合器25被配置为根据光束的传播方向来对其进行分离，并从而将来自发光装置LSRC或LSRC1的光束指引向纤维26和待分析流体，并且已经穿过待分析流体的光束被纤维26发送向耦合到光谱分析传感器SPAN的输入的光学纤维12’。光学纤维4、26和12’可以利用透明胶被固定到耦合器25上。

将能理解，如以上参考图6所描述的，在图7的实施方式中透镜19可以被去除。在这种情形下，使用如图6中所表示的形式为球形壳的反射器。

图8A、8B表示光谱分析传感器SPAN的一种实施方式。传感器SPAN包含光导21、光学过滤器22和光敏感传感器24。光导21由透明材料制成，例如玻璃，并具有基本为平行六面体板的形状，该形状具有较小的厚度，其厚度基本等于或者大于来自探针PRB的光学纤维12的直径。每个收集光学纤维12例如使用透明胶被固定到板的侧向面或者边缘210上。

传感器24包含一组光敏感单元，这些单元可以被布置为条带，并被过滤器22所覆盖。该具有过滤器22的光敏感单元条带覆盖了光导21的侧向面或边缘211，该侧向面或边缘211位于收集光学纤维12所固定到的侧向面或边缘210的对面。传感器24是例如CMOS-传感器类型的，包含多个光敏感元素，例如64或者128个光敏感单元。过滤器22每个光敏感单元包含一个过滤器元素，配置为发送位于待分析波长带的各个波长范围内的光线，使得每个光敏感单元提供待产生的光谱曲线上一个点的值。每个单元的输出信号是对于由过滤器22发送到单元的波长范围的、已经穿过待分析流体的光的量的测量。

从而由单元进行的测量就被发送到信号处理装置RDP，该装置被配置为产生一个形状为I＝f(λ)的光谱，以指示由待分析流体所发送的光的量I随着波长λ的关系。信号处理装置还被配置为从如此产生的吸收光谱中导出来自发光装置LSRC的光束所穿过的流体的特定的特征SPCT。

组成光导21的材料具有的折射率使得所有通过边缘210引入的光线被光导的壁所反射，并且只从对面的边缘211离开光导。收集光学纤维12的输出处的光束从而完全地被发送到过滤器22。对于光导21如此选择的几何结构使得来自探针PRB的光束可以以基本上均匀的方式被散布到过滤器22的整个表面上。

光导21对于每个直径为1mm的七条收集纤维12具有例如1mm的厚度和大约7mm的宽度。光导21的长度例如根据光导21中纤维12的输出处的光束的角度来确定，使得固定在光导21的宽度中间的收集纤维的输出处的光束27覆盖整个过滤器22。

过滤器22的类型可以是随着长度线性可变的光谱透射干涉类型，使得所接收的光束中的每一个波长分量，沿着光导21的输出面(边缘)211的宽度，在取决于其波长的位置通过。因此，传感器24的每个光敏感单元接收位于完全不同的波长带内的光线，且传感器的两个相邻单元接收的光线是位于两个邻近的波长范围内。

将能理解，如果探针包含单根收集光学纤维，如图7中的纤维12’，则单根纤维被固定到光导21的输入面(边缘)210上，优选地在此面的中部。

图9表示之前描述的光谱仪FAN中不同组件的布置。在图9中，发光装置LSRC通过光学纤维4被连接到探针PRB(或PRB1、PRB2)。在探针PRB或PRB2的情形中，透镜19被安放在盛有待分析流体20的管子或储罐10上的透明窗口11a和反射器13的对面。探针PRB(或PRB1、PRB2)通过光学纤维12(或对于探针PRB2的情形，光学纤维12’)被连接到光谱分析传感器SPAN。

图10表示光谱仪的另一种实施方式。在图10中，光谱仪FAN1与光谱仪FAN的不同在于它包含光谱分析装置SPAN1和将发光装置LSRC连接到装置SPAN1的光学纤维4’。

在图9和10上，发光装置还可以是装置LSRC1。

图11表示光谱仪FAN1的光谱分析传感器SPAN1。在图11中，光谱分析传感器SPAN1包含两个传感器，例如图8A、8B中所表示的那个SPAN。因此，传感器SPAN1包含两个光导21、21’和两个光学纤维22、22’以及两个光敏感传感器。光导21的输入面被耦合到光学纤维12，而光导21’的输入面被耦合到光学纤维4’。

光学纤维4’可以通过本身已知的光学纤维耦合器(未示出)被连接到发光装置LSRC(或LSRC1)，该耦合器能够将混合组件3的输出处的光束基本没有任何损失地并且以平衡的方式发送到两个光学纤维4、4’。

在图11的例子中，传感器SPAN1包含单个光敏感传感器24，该传感器包含两倍的光敏感单元，例如128或256个，以分析由两个光导21、21’所发送的光束，每个光导与过滤器22、22’相关联。

从发光装置LSRC由纤维4’直接发送的光通过过滤器22’被分析，并指示出对于每个波长λ由发光装置所发射的光的量R(λ)。

从探针PRB由收集纤维12所发送的光指示出对于每个波长λ已经穿过待分析流体的光的量t(λ)。

因此装置SPAN1可以组成一个校正的透射光谱，其中考虑了来自发光装置的光束中的任何波动，光谱的形状是T(λ)＝t(λ)/R(λ)。

图12表示了在波长等于850nm和1050nm之间的这样一种吸收光谱T的例子，当流体在对应的波长λ处完全透明时，T基本上等于1，而当流体在对应的波长λ处完全不可穿透时，T基本上等于0。

图13表示光谱仪的另一种实施方式。在图13中，光谱仪FAN2与装置FAN1的不同在于具有一个改进的包含两个部分PRB3、PRB4的探针，其中一个探针部分PRB3被连接到发光装置LSRC，而一个探针部分PRB4被连接到分析传感器SPAN1。两个探针部分PRB3、PRB4被放置在管子或者储罐10的两侧透明窗口11a、11b前，PRB1部分被连接到纤维4，以将由发光装置所产生的光束发送到待分析流体20，而PRB2部分在光束已经穿过待分析流体之后接收该光束，并将其发送到纤维12’。

将能理解，发光装置LRSC1还可以被用在装置FAN2中。

图14表示了两个探针部分PRB3、PRB4。PRB3部分包含探针PRB的盒子18和透镜19。PRB4部分包含透镜19’，该透镜将已经穿过待分析流体20和窗口11b的光束聚焦到纤维12’的输入面的中心。整个透镜19’和纤维12’的末端可以被装载到盒子18’内。在这种布置中，纤维4、12’和透镜19、19’被相互耦合，从而纤维4的输出处的光束的轴与透镜19、19’的光轴16以及纤维12’的输入轴相重合。

这里还应该注意，透镜19、19’可以组成透明窗口11a、11b。

将能理解，以上所描述的、连接了发光装置LSRC、LSRC1、探针PRB、PRB1-PRB4以及分析装置SPAN、SPAN1的光学纤维4、4’、12、12’可以被纤维捆束所代替。

光谱仪FAN、FAN1、FAN2的不同的光学元素在这些元素的组装和他们之间通过光学纤维的连接过程中被对准。通过使用光学纤维，可以完成组装，以形成单个模块，而在光学组件之间没有任何空气或者真空，这也使得该装置对于振动不敏感。因此，装置的所有组件和光学纤维可以例如被沉入树脂，例如是罐封类型的，适合来承受攻击性的环境。

此外，光谱仪FAN、FAN1、FAN2只使用低成本、长服务寿命的组件，并且其成分使得它与批量生产工艺相兼容。因此，此光谱仪被证明优选地适合于内燃机和机动车的环境。

本领域内技术人员将会理解，本发明的各种替代性的实施方式和(各种)应用是可能的。特别地，本发明不限于使用光学纤维来连接光谱仪的不同的元素(发光装置、探针和光谱分析装置)。本发明也不限于包含将发光装置连接到探针和光谱分析装置的单根光学纤维的装置，也不限于将探针连接到光谱分析装置的一条或者七条光学纤维。实际上，这些连接还可以由光学纤维的捆束所制成的光导来产生。

本发明还可以包含一个不带有任何混合光学组件3的发光装置。实际上，如果使用具有的输入面覆盖所有发光二极管的光学纤维或者光学纤维捆束，这个组件3可以被省略。光学纤维或者捆束于是可以利用二极管所沉入到的透明胶层被固定到二极管上。在缺少混合光学组件3的情况下，发光二极管1a-1g产生的位于各种波长范围的光束在待分析流体中被混合，然后被光学纤维12或者纤维12’以及光导21所收集。在图11的实施方式中，直接发送到光谱分析装置SPAN1的光束在纤维4’和光导21’中被混合。

本发明也不限于板状形式的光导21，21’。取决于光敏感单元的形状和分布，其它形状也可能适合。通过提供这样的光导，光束可以以基本均匀的方式散布到光敏感传感器的所有单元上。

Claims

1.一种光谱仪，包含

发光装置(LSRC、LSRC1)，配置为产生覆盖波长带的光束，

探针(PRB、PRB1-PRB4)，配置为使得来自所述发光装置的光束与待分析的流体(20)相互作用，以及

光谱分析装置(SPAN、SPAN1)，配置为在光束已经与待分析流体相互作用之后接收光束，并依赖于对于各种波长范围所接收的光的量来提供测量，

其特征为，发光装置(LSRC、LSRC1)包含数个发光组件(1a-1g)每个发光组件包含发光表面，并且在所述波长带所包含的各种波长范围内发射光，并包含固定到所述发光组件(1a-1g)的发光表面上的混合光学组件(3)，以将由所述发光组件所发射的光流结合成为覆盖所述波长带的合成光束，并将合成光流引导到所述探针(PRB、PRB1-PRB4)。

2.根据权利要求1的装置，其中所述混合光学组件(3)具有输入面，该输入面接收来自所述发光组件(1a-1g)的光，输出面，该输出面被耦合到发光光导(4)，并且具有形状，该形状具有基本被优化的旋转形以将来自所述发光组件的光尽量多地聚焦并发送到所述探针(PRB、PRB1-PRB4)。

3.根据权利要求1和2中之一的装置，其中所述混合光学组件(3)覆盖所述发光组件(1a-1g)的每一个的发光表面。

4.根据权利要求1到3中之一的装置，其中所述混合光学组件(3)被一个或者多个光学纤维(7a、7b、7c)耦合到所述发光组件(1a-1c)的每一个的发光表面。

5.根据权利要求1到4中之一的装置，其中所述发光装置(LSRC、LSRC1)产生的光束覆盖700nm到1100nm之间的波长带。

6.根据权利要求1到5中之一的装置，其中所述发光装置(LSRC、LSRC1)包含数个发光组件，这些发光组件在基本相同的波长范围内发射光。

7.根据权利要求1到6中之一的装置，其中所述发光组件(1a-1g)是发光二极管。

8.根据权利要求1到7中之一的装置，其中所述探针(PRB、PRB1-PRB4)包含光学纤维照明光导(4)，将来自所述发光装置(LSRC、LSRC1)的光束发送到待分析的流体(20)，还包含光学纤维收集光导(12、12’)，其耦合到发光光导并至少部分地收集已经穿过待分析流体的光束，并将其发送到光谱分析装置(SPAN、SPAN1)。

9.根据权利要求8的装置，其中收集光导包含数个收集光学纤维(12)，这些光学纤维分散在照明光导(4)周围，并包含反射器(13、13’)用来在光束已经穿过待分析流体(20)之后，将该光束通过待分析流体发送回收集光学纤维。

10.根据权利要求9的装置，其中所述反射器(13、13’)被产生为沿着基本上与入射光线的方向相反的方向，以略微较宽的角度反射光束中每一条入射光线。

11.根据权利要求10的装置，其中所述反射器(13、13’)的类型是

类型或者具有回复反射棱镜的安全反射器类型。

12.根据权利要求9到11中之一的装置，其中反射器(13’)具有球形壳的形状，该壳的中心基本上位于照明光导(4)的输出面的中心上。

13.根据权利要求9到11中之一的装置，其中所述探针包含会聚透镜(19)，该透镜布置在照明光导(4)的输出与待分析流体(20)之间。

14.根据权利要求8的装置，其中探针(PRB2)包含Y光学耦合器(25)，用来将照明光导(4)的输出处的光束发送到待分析流体(20)中，并将来自待分析流体的光束发送到收集光导(12)中，并包含反射器(13、13’)用来在光束已经穿过待分析流体之后，将其通过待分析流体发送回所述光学耦合器。

15.根据权利要求14的装置，其中反射器(13、13’)被产生为将光束中的每一条入射光线沿着与入射光线方向基本相反的方向反射。

16.根据权利要求15的装置，其中反射器(13，13’)的类型是类型，或者具有回复反射棱镜的安全反射器类型。

17.根据权利要求14到16中之一的装置，其中反射器(13’)具有球形壳的形状，该壳的中心基本上位于照明光导(4)的输出面的中心上。

18.根据权利要求14到16中之一的装置，其中探针(PRB2)包含汇聚透镜(19)，该透镜布置在耦合器(25)与待分析流体(20)之间。

19.根据权利要求8的装置，其中探针(PRB3、PRB4)包含布置在照明光导(4)的输出与待分析流体(20)之间的会聚透镜(19)，以及布置在收集光导(12)与待分析流体之间的会聚透镜(19’)。

20.根据权利要求1到19中之一的装置，其中所述光谱分析装置(SPAN、SPAN1)包含第一光导(21)，该第一光导耦合到探针(PRB、PRB1-PRB4)并在光束已经与待分析流体(20)相互作用之后接收光束，并通过第一光学过滤装置(22)将其扩散到第一光敏感单元组(24、24’)，该第一光学过滤装置被布置以向所述光敏感单元组的至少一部分的每个光敏感单元发送光束的一部分，该部分光束覆盖了所述波长带中包括的各个波长范围。

21.根据权利要求20的装置，其中所述第一光导(21)具有透明材料制成的板的形状，利用板的边缘(210)接收来自待分析流体(20)的光束，并通过将该光束散布到板的相对边缘(211)来将其扩散，所述第一过滤装置(22)和第一光敏感单元组(24、24’)被安放该相对边缘(211)对面。

22.根据权利要求21的装置，其中收集光导(12、12’)被耦合到第一光导(21)以向其发送光束。

23.根据权利要求21或22的装置，其中所述光谱分析装置(SPAN、SPAN1)包含光探测器条带(24、24’)，其包含第一光敏感单元组，该条带通过第一过滤装置(22)被固定到板(21)的边缘(211)上。

24.根据权利要求20到23中之一的装置，其中第一过滤装置(22)包含随长度线性可变的光谱透射干涉类型的过滤器。

25.根据权利要求20到24中之一的装置，其中过滤装置(22)覆盖700nm到1100nm之间的波长带。

26.根据权利要求20到25中之一的装置，其中光谱分析装置(SPAN1)包含第二光导(21’)，该光导在发光装置(LSRC、LSRC1)的输出处直接取得光束的一部分，并通过第二光学过滤装置(22’)将该部分光束发送到第二光敏感单元组(24’)，所述第二光学过滤装置被布置为向每个光敏感单元发送覆盖了所述波长带内所包括的各个波长范围的光束的一部分。

27.根据权利要求26的装置，其中所述第二光导(21’)具有透明材料制成的板的形状，其通过板的边缘接收来自发光装置(LSRC、LSRC1)的光束的一部分，并通过将该光束的一部分散布到板的相对边缘来将其扩散，所述第二过滤装置(22’)和第二光敏感单元(24’)组被安放在所述相对边缘的对面。

28.根据权利要求27的装置，包含光学纤维光导(4’)，其耦合到第二光导(21’)以将来自发光装置(LSRC、LSRC1)的光束发送到第二光导(21’)。

29.根据权利要求26到28中之一的装置，其中光谱分析装置(SPAN1)包含光探测器条带(24’)，该条带包含第一和第二光敏感单元组，该条带通过第一和第二过滤装置(22，22’)被固定到第一和第二光导(21、21’)的板的边缘上。

30.根据权利要求26到29中之一的装置，其中第二过滤装置(22’)包含随长度线性可变的光谱透射干涉类型的过滤器。