CN1908624A - 气体检测方法和气体检测装置 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

气体检测方法和气体检测装置
技术领域
本发明特别是涉及如在WO 2005/026705 A1中所公开的低成本红外(IR)气体检测。
背景技术
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***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。
发明内容
考虑到这些情况，本发明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。
根据本发明，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。
依据本发明，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。在本发明的又一实施例中，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。
在本发明的优选实施例中，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，通过将所述检测信号乘以频率为所述初始频率f的两倍的第二2f调制参考信号并然后将合成信号对时间求积分来从所述检测信号中产生第二测量信号。与所述初始光信号的强度变化同相地精确限定第三和第二调制参考信号，并且两个测量信号的检测信号基本上与合成光信号的时间导数成比例。通过使第一和第三测量信号相互关联以及产生第二测量信号与第一和第三测量信号的相关信号之间的比率来获得最后测量信号。
附图说明
在下面，参照附图，通过不受限制的实施例描述本发明的其它特定特征和优点，其中：
图1示出了进入样品室的激光束的强度；
图2示出了在进行气体吸收之后入射到检测器上的光束的强度；
图3示出了作为时间的函数的AC调制信号和2f调制参考信号；
图4示出了与合成光信号直接成比例的检测信号与第一调制参考信号的相乘；
图5示出了与合成光信号直接成比例的检测信号与第二调制参考信号的相乘；
图6是依据本发明的气体检测器装置的第一实施例的示意性原理图，该气体检测器装置的第一实施例仅使用与合成光信号直接成比例的检测信号；
图7是依据本发明的气体检测器装置的第二实施例的示意性原理图，该气体检测器装置的第二实施例使用与合成光信号直接成比例的检测信号和与合成光信号的导数直接成比例的检测信号；以及
图8是依据本发明的气体检测器装置的第三实施例的示意性原理图，该气体检测器装置的第三实施例利用与合成光信号直接成比例的检测信号和与合成光信号的导数直接成比例的检测信号，从而提供第一和第二2f调制参考信号以及第三f调制参考信号。
具体实施方式
在下面，只要信号处理不同于WO 2005/026705 A1中所提及的现有技术，就详细描述该信号处理。只要涉及信号处理，就引入该文献的内容作为参考，在本说明书中可不描述该信号处理。
如在WO 2005/026705 A1中之前已描述和已提及的那样，利用DC电流来操作激光源，以便其波长精确对应于气体吸收线的中心。以频率f和振幅恒定地调制这个电流，以致激光的波长通过相应的AC调制信号在每个周期期间完全扫描气体吸收线。图1示出了作为时间的函数的、被反映在初始光信号S0中的激光输出，具有要被确定的气体的检测区域接收该激光输出，并且图2示出了作为时间的函数的光强度，该光强度在给定气体浓度的情况下入射到检测器上，并且检测器信号SG与该光强度成比例。此处将调制的波形选择为三角形；然而，该波形对测量技术不是重要的，并且正弦(sinoidal)调制实际上更容易用电子学方法处理。
图6至8示出了本发明的气体检测器装置的三个实施例。这些实施例的公共部件是被布置在外壳6的激光头中的激光源1(该激光源也可以是多个激光源和相应的传感器)。这个头部进一步可包括填充有至少一种气体的密封单元，用于精确地确定要被供给源1的电流值，以便所提供的光峰值的中心波长对应于相应气体的吸收线的中心，如在此之前已被解释和通常已知的那样。最后，该头部包括电连接到温度装置11的温度传感器12。该外壳具有样品室或者带有针对要被检测的气体的气体入口5的气体检测区域4，由激光源1所提供的激光束通过该气体入口5。光传感器8接收激光束并提供合成信号SG，所述合成信号SG包括由于直接与强度成比例的检测区域4中的气体浓度而引起的初始光信号S0的强度的变化。通常，将该合成信号SG作为检测信号SD0导引到至少一个锁定放大器，用于产生至少一个测量信号。
图6到8的气体检测器装置进一步包括针对激光源1的电源装置3和用于为了控制激光源1而限定DC电流信号的DC电源控制装置13。AC处理装置14包括AC电源控制装置15，用于限定频率为给定参考频率f的AC调制信号，该AC调制信号如前所述在气体吸收线周围产生交替扫描。如从现有技术中公知的那样，从该AC调制信号中产生调制参考信号。该AC处理装置进一步包括产生装置17，以产生频率为所述初始频率的两倍的第一调制参考信号S2f0，由此所述第一调制参考信号相对所述初始光信号具有45°的相位角并且在不同于振幅电平1和0之间的第二调制参考信号的振幅电平的振幅电平处振荡。
在图6的实施例中，产生两个调制参考信号，即产生频率为初始调制频率f的两倍的第一调制参考信号S2f0和第二调制参考信号S2f1。通过产生装置16来产生第二调制参考信号S2f1。两个参考信号相对AC调制信号具有相同的相位相关性，如仅针对第二调制信号的图3中所示出的那样。两个参考信号之间的差别仅是其振幅电平：调制参考信号S2f1是在电平1和-1之间的矩形振荡，而参考信号S2f0是在电平1和0之间的矩形振荡。
依据本发明，分别将这些第一和第二调制参考信号S2f0和S2f1提供给两个锁定放大器20和19，其中这些参照信号分别与检测信号SD0相乘，该检测信号SD0由光传感器8通过前置放大器装置23提供给这两个锁定放大器19、20，并然后将合成信号对交流调制信号的几个时间周期求积分。
第一锁定放大器20提供与气体吸收无关的第一测量信号SMI。如图4中所看到的那样，与第一调制参考信号S2f0的相乘具有切除包括关于气体吸收的信息的检测器信号SD0的部分(＝SG)的简单效果。这样，对时间求积分并不取消关于DC激光强度的信息，并且输出信号实际上是S0的时间平均，如通过光传感器所看到的那样，并且等于用2除的气体吸收峰值的中心处的SG。这个通道并不对应于锁定检测，而是对应于部分检测器信号的时间平均。在第二锁定放大器19处，这对应于45°的相位角处的2f锁定检测，其中，取消光强度的DC部分以及调制频率上的振荡。该结果是测量信号SMA(图5)，该测量信号SMA与气体浓度成比例并隐含地与气体吸收峰值的中心处的激光强度SG成比例，如通过光传感器8所看到的那样。在现有技术专利申请中，利用时间求导的检测器信号并因此在不同的相位角处获得相同的结果。
最后测量信号被给出为SMA/SMI并且与激光光强度无关。
在预备步骤中，当DC电流电平线性变化时，通过检测这个第二测量信号S2f1的最大值，第二测量信号S2f1可被用来限定DC电流信号。应注意，如果该装置装备有针对激光源的非常精确的温度控制，则可以避免该预备步骤。
该方法的主要优点是，只要气体吸收峰值可被跟踪，就补偿通过温度变化引起的激光输出的改变，并且补偿激光的模式跳跃。相对于现有技术，测量的精确度与气体浓度无关。因此，也不必进一步提供温度跟踪，该温度跟踪导致气体检测器装置的较低成本。
在图7中所描述的实施例中，产生装置16产生第二调制参考信号S2f，该第二调制参考信号S2f精确地与所述初始光信号S0的强度变化同相，并且微分器25产生检测信号SD1，该检测信号SD1基本上与由光传感器8所产生的所述合成光信号的时间导数成比例。微分器25与前置放大器装置23连接，而为包括初始光信号S0的强度变化的检测器信号SG提供附加的前置放大器装置24。该实施例也提供合理的结果，因为图7的实施例的第二测量信号SMA(其与已求导的检测信号相乘)不同于图6的实施例的第二测量信号SMA(其与未求导的检测信号相乘)的差别仅在于下述事实：在小的气体浓度的情况下，已求导的第二测量信号SMA尤其大于未求导的第二测量信号SMA。由进行或不进行求导来得到不同的相位。
依据图8的实施例，通过使用三个锁定放大器19、20、21和AC处理装置14内的附加产生装置18，也能产生除了第一和第二测量信号SMI和SMA以外的第三测量信号SI1。产生装置18产生频率为初始频率f的第三调制参考信号Sf，并且然后将该第三调制参考信号Sf对时间求积分，与所述初始光信号S0的强度变化同相地精确限定该第三调制参考信号Sf。通过将已求导的检测信号SD1与第三调制参考信号Sf相乘来产生第三测量信号SMI1，该检测信号SD1由微分器25来求导。第三测量信号SMI1是如现有技术中所述的初始光信号S0的强度的函数，因此取决于激光源的温度。两个测量信号SMI和SMI1提供更多的信息，因为第一测量信号SMI表示绝对强度，而第三测量信号SMI1表示初始光信号的强度的斜率。为了利用如之前所述的处理单元22来产生最后测量信号，通过相关装置26使第一和第三测量信号SMI和SMI1相互关联，该相关装置26与处理装置22连接，以针对合成信号使用由两个测量信号SMI和SMI1所提供的附加信息。

Claims (5)

1、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(S0)；
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(S0)；
所述初始光信号(S0)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(S0)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(SG)，所述合成光信号(SG)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(S0)的强度变化；
产生第一测量信号(SMI)，该第一测量信号(SMI)是所述初始光信号(S0)的强度的函数，通过将从所述合成光信号(SG)中接收到的检测信号(SD0，SD1)乘以频率为所限定的初始频率的第一调制参考信号(Sf，S2f0)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(SMI)；由此，所述第一调制参考信号(Sf，S2f0)具有利用所述初始光信号(S0)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(SMA)，该第二测量信号(SMA)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(SG)中接收到的检测信号(SD0，SD1)乘以频率为所述初始频率(f)的两倍的第二调制参考信号(S2f，S2f1)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(SMA)，由此，所述第二调制参考信号(S2f，S2f1)具有利用所述初始光信号(S0)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(SMI)除所述第二测量信号(SMA)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(S2f0)，由此，所述第一调制参考信号(S2f0)相对所述初始光信号(S0)具有45°的相位角，
在振幅电平1和0之间的、不同于所述第二调制参考信号(S2f1)的振幅电平的振幅电平处振荡所述第一调制参考信号(S2f0)，以及
将从所述合成光信号(SG)中接收到的没有求导的所述检测信号(SD0)乘以所述第一调制参考信号(S2f0)。
2、依据权利要求1所述的方法，其特征在于：
产生频率为所述初始频率(f)的两倍的所述第二调制参考信号(S2f1)，由此，所述第一和第二调制参考信号(S2f0，S2f1)相对所述初始光信号(S0)具有相同的相位相关性，
在振幅电平1和-1之间振荡所述第二调制参考信号(S2f1)，以及
将从所述合成光信号(SG)中直接接收到的所述检测信号(SD0)乘以所述第二调制参考信号(S2f1)。
3、依据权利要求1所述的方法，其特征在于：
产生频率为所述初始频率(f)的两倍的所述第二调制参考信号(S2f)，由此，所述第二调制参考信号(S2f)精确地与所述初始光信号(S0)的强度变化同相，
产生与所述合成光信号(SG)的时间导数基本上成比例的检测信号(SD1)，以及
通过将所述检测信号(SD1)乘以所述第二调制参考信号(S2f)来产生所述第二测量信号(SMA)。
4、依据权利要求1所述的方法，其特征在于：
从所述检测信号(SD1)中产生第三测量信号(SMI1)，该第三测量信号(SMI1)是所述初始光信号(S0)的强度的函数，通过将所述检测信号(SD1)乘以频率为所述初始频率(f)的第三调制参考信号(Sf)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(SMI1)；由此，与所述初始光信号(S0)的强度变化同相地精确限定第三调制参考信号(Sf)，
从所述检测信号(SD1)中产生第二测量信号(SMA)，该第二测量信号(SMA)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，通过将所述检测信号(SD1)乘以频率为所述初始频率(f)的两倍的第二调制参考信号(S2f)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(SMA)，与所述初始光信号(S0)的强度变化同相地精确限定所述第二调制参考信号(S2f)，使所述第一测量信号(SMI)和所述第三测量信号(SMI1)相互关联，并产生相关的信号和第二测量信号(SMA)之间的比率。
5、一种气体检测器装置，其包括：
提供初始光信号(S0)的至少一个波长调制的激光源(1)，
意图用于接收至少一种要确定其浓度或存在的气体的检测区域(4)，
电源控制装置(13，15)，用于对称地在所述气体之一的吸收线周围波长调制频率为初始频率(f)的所述初始光信号(S0)，并提供强度随时间变化的所述初始光信号(S0)，所述电源控制装置包括用于限定DC电流信号的DC电源控制装置(13)和用于限定频率为所述给定初始频率(f)的AC电流信号的AC电源控制装置(15)，用于在所述气体吸收线周围产生所述初始光信号(S0)的光强度的交替扫描，
分别被布置在所述检测区域(4)的***处的光传感器(8)，所述传感器(8)意图被用于接收合成光信号(SG)，所述合成光信号(SG)包括已通过所述检测区域(4)的初始光信号(S0)的强度变化并提供与所述合成光信号(SG)的光强度变化成比例的检测信号(SD0，SD1)，
处理装置(16-26)，用于从所述检测信号(SD0，SD1)中提供相对于所述检测区域(4)中的给定气体的存在或浓度的信号，所述处理装置包括：
用于提供基本上与所述合成光信号(SG)的时间导数成比例的检测信号(SD1)的装置(25)，
第三产生装置(18)，用于产生频率为所限定的第三频率的第三调制参考信号(Sf)；以及第二产生装置(16)，用于产生频率为所述初始频率(f)的两倍的第二调制参考信号(S2f)；与所述初始光信号(S0)的强度变化同相地精确限定这两个调制参考信号(Sf，S2f)，
第三装置(21)，用于将所述第三调制参考信号(Sf)乘以所述检测信号(SD1)，并然后将该合成信号对时间求积分，以便提供第三测量信号(SMI1)，所述第三测量信号(SMI1)是所述初始光信号(S0)的强度的函数并基本上与所述气体的浓度无关，
第二装置(19)，用于将所述第二调制参考信号(S2f)乘以所述检测信号(SD1)，并然后将合成信号对时间求积分，以便提供第二测量信号(SMA)，所述第二测量信号(SMA)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(S0)的强度调制无关，
其特征在于：
第一产生装置(17)，适于产生频率为所述初始频率(f)的两倍的第一调制参考信号(S2f0)，该第一调制参考信号(S2f0)相对所述初始光信号(S0)具有45°的相位角，并用于在振幅电平1和0之间振荡所述第一调制参考信号(S2f0)，
第一装置(20)，用于将所述第一调制参考信号(S2f0)乘以作为检测信号(SD0)的、从没有微分器的所述光传感器(8)接收到的合成光信号(SG)，用于提供第一测量信号(SMI)，所述第一测量信号(SMI)是所述初始光信号(S0)的强度的函数并基本上与所述气体的浓度无关，
处理单元(26)，用于使所述第一测量信号(SMI)与所述第三测量信号(SMI1)相互关联，
处理单元(22)，用于用从所述处理单元(26)接收到的相关的测量信号(SMIC)除所述第二测量信号(SMA)，以提供相对于给定气体的存在或其浓度的信号。
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