CN100465614C - 气体传感器 - Google Patents

Abstract

一种类型的气体传感器，它包括有部分椭球面形状的内部镜面部分，它有一个外壳，该外壳确定了一个检测腔室，在检测腔室内从源发出的光线通过一个光学路径到达检测器。从源发出的光通过反射部分到达检测器。该检测器被配置成只感测从有限角度范围来的光线，以使从源发出的光只有经过从两个反射面反射出这样一个确定的光学路径才能到达检测器。这就保证从源到检测器有一个恒定的光学路径长度，从而改进了器件的信噪比。

Description

气体传感器

技术领域

本发明涉及感测气体的装置和方法。本发明具体地涉及这样的方法和装置，其中光辐射通过一种气体传播并在之后被检测从而提供关于气体的信息。

背景技术

在一个典型的气体传感器中，安置一个红外光源以发射辐射，该辐射通过要感测的一种气体。红外辐射要被气体所吸收，而剩余部分之后被诸如光电二极管，温差电堆，或热电检测器的一个红外检测器所检测。对光源强度和通过气体后被检测到的辐射强度进行比较，就给出了目标气体的浓度。该浓度与强度的关系由下面方程给出:

I＝I_oe^-∈c1

其中I是由检测器检测到的辐射强度，I_o是在光源处发射的辐射强度，∈实际上是一个常数，它依赖于被监视的该特定的气体，c是气体浓度而l是辐射通过气体所经过的距离。

我们了解已有检测器结构存在的问题。具体讲，人们已经作了这样的努力，以把多个检测器安置在单一的外壳中。例如，在美国专利2002/0063216中给出这样一种结构。然而，由检测该安装结构的物理限制，这种已知系统有检测不准确的缺点。因而我们理解到需要一种改进的在一个外壳内包含多个检测器气体传感器。

发明内容

因而，本发明提供一种气体传感器，它包含一个容许气体进入的检测腔室，一个辐射源，和多个对从源发出辐射敏感的检测器，以及多个反射曲面。每一个检测器被安排成接收从源发出的，为对应的具有这样曲率的曲面所反射，以使从源发出的光被聚焦在各个检测器上。

提供各自的反射曲面的这一事实就使辐射被聚焦在每一个检测器上成为可能，从而改进了一个被限制的外壳中的检测器特性。

这些反射面也把光源发出的辐射反射进入所要求的光学路径。这些反射面可以有多个焦点。光源和各个传感器可以基本上位于相应的焦点上。优选的是，光源装在了一个中央位置内，而检测器安置在源的周围。

这些反射面可以包含多个椭球面。光源和传感器可以位于对应椭球面的一个焦点上。也可以让椭球面环绕着中央区域，而只让检测器位于各椭球面的各个焦点上。无论哪一种情况，各个椭球面有利地具有一个共同的虚焦点。这些椭球面对从光源发出的辐射提供了一种折叠的光学路径。这个特点保证了各个检测器接收具有相同强度的光。关于椭球面反射器的细节可以在我们的英国专利No.2316712中找到。

当然，还可以提供其他的传感器，对于这些传感器，其检测腔室的内表面可以被配置成提供更多的部分椭球面的反射器。

辐射源最好是一个光源，特别是一个红外光源，但在其他的实施方案中，也可以用在光辐射光谱的其他波段内运作的源和传感器。

本发明提供一种气体传感器，包含一个被设置容许气体进入的腔室，一个辐射源，多个对从所述源发出的辐射敏感的检测器，以及多个相应的反射曲面，检测器围绕所述源布置，每一个检测器被安置成接收从所述源发出并被相应的具有曲率的曲面所反射的辐射，使得从所述源发出的光被聚焦在每个检测器上，所述辐射源和多个检测器被布置在所述腔室之内。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，其中所述源基本上位于每一个相应的反射曲面的一个第一焦点上。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，其中每个检测器基本位于每个相应的反射曲面的一个第二焦点上。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，其中反射曲面是部分椭球表面。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，还包含在各检测器之间的一个中央区域，有一个源位于该中央区域。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，其中检测器中的一个第一检测器是在第一部分椭球面的一个焦点上，一个第二检测器是在第二部分椭球面的一个焦点上，而第一和第二椭球面有一个公共的虚焦点。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，其中该第一检测器被安置成检测第一预先确定的气体，而第二检测器被安置成检测第二预先确定的气体。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，还包含一个参照检测器。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，其中所述辐射源是红外光源。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，其中所述源被安置成可以显著加热辐射被反射的所有表面至高于环境温度的一个温度。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，还包含另一个反射面，它被安置成从一个辐射源发出的辐射被该另一个反射面反射到每一个相应的反射曲面上并随后到每一个相应的检测器。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，其中该另一个反射面包含环形反射表面。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，其中每一个检测器被安置成从一个窄的立体角接收辐射。

根据本发明的上述气体传感器的一个实施例，其中所述一个源大体上是全向的。

附图说明

现在将以举例的方法，参照附图，对本发明加以叙述，其中:

图1是一张气体检测器的平面图；

图2是按照本发明所构造的气体传感器的一张平面图；

图3是图2的传感器沿着直线I-I，一张示意截面侧视图；

图3A是给出图2的传感器各个表面的几何关系的一张进一步的图；

图3B给出方向性传感器的细节；

图4是按照本发明所构造的另一种气体传感器的一张平面图；

图5是图4的传感器沿着区域II-II，一张示意截面侧视图；

图6a和6b画出图5的传感器的气体允许进入区域的两个不同的实施方案；

图7是按照本发明构造的又一种气体传感器的一张平面图；

图8是图2的传感器沿着直线III-III，一张示意截面侧视图；

图9给出反射表面的各种安排。

具体实施方式

下面将叙述本发明的两种实施方案。这两种实施方案都用在一个气体传感器外壳内的曲面部分来把从至少一个光源发出的辐射集中到多个检测器。在第一个实施方案中，一个单一的全向(omnidirectional)光源通过一个平面和与各个检测器相关的对应的曲面，被聚焦到多个检测器上。这个实施方案的优点是可以用一个廉价的全向光源。在第二个实施方案中，对于每一个传感器提供一个独自的光源，并最好是一个具有方向性的光源，以使得从光源发出的光通过曲面被集中到检测器。在任一个实施方案中，多个检测器能放进一个工业标准外壳尺寸而没有引起检测质量的下降。

参照图1，给出一个气体传感器并用参照数字1来一般地表示。该检测器1包含一个外壳2，它最好是防火的，以及该外壳包含一个红外辐射光源3。外壳2的内表面是红外辐射的反射器。

外壳2的内部包括二个部分地重迭的部分椭球面4，5。光源3基本位于第一个部分椭球面4的焦点上。一个第一检测器6位于检测腔室的内部的一个预先确定的位置，以使从光源3发出的光线的一部分通过预先确定的光学路径到达检测器6。该第一检测器可以安排成检测具有高的红外吸收系数的气体，因为在该传感器和光源3之间的光学路径长度比较短。

一个第二检测器7位于第二个部分椭球面5的焦点上。如平面图所示，第二个检测器7位于光源3的对面。在光源3和该检测器7之间的光学路径长度比起在光源3和第一检测器6之间的光学路径长度要长。因而，这个检测器可以适合于检测具有低红外吸收系数的气体。外壳2的内部反射面的配置和光源3和检测器6，7的位置是要使得从光源3发射的红外辐射沿着事先确定的光学路径经过部分椭球面表面4，5，传播到检测器6，7。

对如上所述类型气体传感器的一个限制是需要小，外壳2的一个工业标准尺寸典型地具有20mm直径和19mm深，同时应保持尽可能长的从光源到检测器的光学路径长度。本发明同样能够应用的第一个工业标准尺寸是32mm直径。需要用长的光学路径长度来保证低浓度气体的最佳灵敏度。路径长度愈长，在气体的吸收面上光的衰减效应愈大，信号噪声比就愈好。然而，我们也理解到，对于从光源到检测器传播的所有光线，路径长度应当基本上相同。如果从光源到检测器光能够通过不同的路径长度，那么在引入要被分析的气体后强度的任何变化将依赖于光学路径的不同而不同。其结果是，由于要分析的气体所引起的变化相对于由于其他因素，诸如其他气体或由于温度变化而引起的误差，所引起的变化将会减小。这显著地使信号噪声比变差。这些实施方案优选地是一种工业标准尺寸。

本发明的一个第一实施方案在图2和3中画出。参照图2和3，给出一个气体传感器并一般地用参考数字8来表示。传感器8包含一个外壳9，它最好是防火的。外壳9包含一个通常是圆柱形的外壁10和端壁11和12。该外壳9包含一个红外辐射光源13，而在本实施方案中，它基本上位于端壁11的一个中央区域14中。该光源是安置成可以在一个大的角度范围内发射红外辐射。

按照本发明，传感器8包含多个红外检测器15，16，17和18。检测器15至18也安装在端壁11上并位于分别由曲面壁19，20，21和22所确定的对应的部分椭球面的端焦点上。曲面壁19至22环绕着中央区域14安排，以使该四个椭球面绕着圆柱形外壳9的内圆周上是等距离间隔的。因而，检测器15到18绕着光源13的安排基本上是对称的，如图2的平面图所示，各检测器与光源是等距离的。

参照图3，给出了反射壁20和22以及检测器16和18。每一个壁是三维弯曲以确定一个部分椭球面。检测器16位于由壁20所确定的部分椭球面的一个焦点上。同样，检测器18位于由壁22所确定的部分椭球面的一个焦点上。端壁12，正对着光源13和检测器15到18被安装于其上的壁，具有一个反射的内壁23，它是平面状的。

反射面19到23的配置以及光源13和检测器15到18的位置是要使得从光源13发射出的红外辐射被导致平面表面23上，并从表面被反射并导致部分椭球面表面上。辐射被反射表面19到22反射至相应的检测器15到18，并在该处辐射被聚焦。这样，该辐射在检测器处被接收以前经历两次反射。在这个实施方案中，从光源13到检测器15到18辐射经历的光学路径长度是基本相等的。

在焦点上装有检测器的曲面所确定的各个椭球面被安置成具有一个基本上共同的虚焦点。

检测器15到18是具有方向性的，也即被安置成检测从一个预先确定的方向范围内来的辐射。最好该方向范围包含一个预先确定的立体角。

结合着椭球面表面部分，这保证了从光源到检测器的在该有限角度范围内的光线都经历相同的路径长度。这一事实可以按照几何关系来证明，但也能参照图3A经验地看出，图3A画出了图3的一般原理，而在表述上的差别对于所显示的原理是无关重要的。从光源13发出的光线被成形为椭球面a与b的一部分的表面部分20，22所反射。这些光线被聚焦，好象它是从一点80发出，但是从壁12的内表面的一个平面反射区反射回来的。源13实际上是在检测器16，18的一个象上。这种折“摺”安排把传感器的高度减小了约一半，同时保持了路径长度。图中所示安排允许多个检测器来感测从单一中央光源发出的光。从光源到检测器光线的路径长度并不随着到达检测器的角度而变化，因为这是椭圆的一个性质，即从一个焦点发出的光线经过表面反射到达另一个焦点，其路径的长度不论角度如何是相同的。因而，为每一个限示到达检测器光线立体角的检测器所检测到的只有从相对应椭球表面反射的光线，因而所有这些光线的路径长度是相同的。

在图3B给出一个示例性的检测器。该检测器包含检测器“活性”器件43，这里它安装到一个外壳44内的在一个光学滤波器41下面的浸入透镜42。该浸入透镜42确定了聚焦到该活性器件43光线接收角的范围，如前所述。其最大的好处在于避免杂散光路径，但这也保证通过滤波器41被感测的光以接近直角通过。该滤波器是一种波片滤波器类型，因而接近垂直入射保证最好的带通性能。

这种安排也保证检测器从一个窄的光锥收集辐射，其立体角典型地为10-12°。这里“窄”的含义被充分地限定，主要是，从各自的反射面反射的光线只到达检测器。角度10-12°只是一个这样的例子。

在图4和5中给出第一个实施方案的一个变化的形态。这个变化形态基于如图2和3所示的相同原理运作，只不过有6个检测器，而不是4个。在这个实施方案中，一个气体传感器包含一个外壳25，在其中放置一个红外辐射光源26。该光源安装在传感器24的一个壁28的中央区域27内。在壁28内安装有6个检测器29-34。每一个检测器和源有相同的距离，以及检测器环绕着圆柱形外壳25的内部均匀地间隔。每一个检测器29到34与一个部分椭球面表面(分别是35-40)相关连，而每一个检测以位于由表面确定的椭球面的焦点。

从光源26发射的辐射被与传感器上外壁42相关连的平面41所反射。为表面41所反射的辐射被引向部分椭球面表面35到40，每一个表面把辐射引向其相应的检测器上。辐射通过不同的预先确定的光学路径被从源引向各个检测器。

提供多个检测器就容易检测多种气体。各检测器可以加上具有不同的或互相覆盖带宽的带通滤波器，以有利于各种目标气体的检测。

最好能够让气体尽可能快地进入和排出该外壳，以增加目标气体正确和快速的辨认及其浓度的一次测定的可能性。在图4和5所示的实施方案中，提供一个进气口43和一个出气口44通过这些口，气体可以被引至以通入外壳25。进气和出气口43，44被嵌入在圆柱形壁45的沿着直径对侧的位置上。

图6a和图6b画出两种气体允许进入装置。在这个结构中，圆柱形壁45的没有提供光反射表面的区域46可以包括颗粒过滤器，网孔或烧结材料。

在图2到5中所示的任何一个传感器中，气体允许进入装置可以是上壁12的一个部分，而42并不带有一个反射表面。这是能够获得的，因为只有上壁的一个选定的区域或几个选定的区域需要具有反射性的。这是因为光线角度的可能范围是有限的，所以只有上表面的某些区域或“小片”实现反射的功能(这将结合图9在后面叙述)。作为其结果，气体允许进入装置能够通过具有，例如，一个烧结网孔的上表面的一部分。

在以上的实施方案中，是用了一个光源。然而在图7和8的实施方案中，在气体传感器中安置有多个光源47，48，49。每一个光源47，48，49，分别和一个检测器50，51，52相关连。每一个检测器50，51，52被安装在沿着直径正对着它的光源的地方。每一个光源和检测器是位于相应部分椭球反射面53到58的焦点上。从每一个光源发射的光被相关的部分椭球面所反射，并也被与外壳的上壁相关连的平面59以及一个中央反射表面60所反射。

该外壳可以包括一个参照检测器以补偿操作条件随时间的变化。参照检测器包括一个与活性检测器中安装的滤波器不同的滤波器，它不能对目标气体作出响应。比较从至少一个活性检测器和参照检测器发出的信号，使用者就可以对由于目标气体引起的信号减小和由于周围环境和物理变化引起的信号减小加以区别。参照检测器最好位于一个活性检测器的连接邻近以使活性检测器和参照检测器收集经过相同光学路径的辐射。为有助于此，参照检测器可以和一个活性检测器包含在内一个检测器封装内。

一个合适的红外光源是一个广角度的钨灯，它提供一个宽带的红外热光源。其他的光源包括发光二极管，激光器或带有透镜的，特别是浸入透镜的二极管。在红外光源前可以放置一漫射屏，以减小灯丝成象效应。这也改善气体传感器的热稳定性并使装置对灯丝的运动更不敏感。

这些实施方案的一个特征是用指向性检测器和部分椭球面的组合使得可以用多个传感器和单一的光源如图2和3中所示。这就可以只用一个钨灯作为光源(或其他全向红外光源)，而到各检测器的光线的路径长度，对于所有在检测器接收角内的光线都是相同的。这就使得可以在一个外壳内用多个传感器而没有引其检测质量损失的杂散光。

为了在气体传感器内减小杂散光的数量，在红外辐射光源和/或检测器的周围可以提供反射阻挡器或准直仪。

在一个或多个检测器前可以设置一个漫射屏以减小反射尖峰(cusps)或成象效应。这就进一步改善了气体传感器的热稳定性并提供更大的免受反射率局部变化影响的能力。

反射表面可以包含涂金的层以提供好的反射率。至少某些反射区域可以包含无光金(matt gold)精整涂层。提供无光金层进一步减小了反射尖峰或成象效应，以及进一步改善了气体传感器的热稳定性并提供更大的免受反射率局部变化影响的能力。

无光金反射器保证了这些检测器更不容易受制造公差的影响，以及更不容易发生由热引起的变化的效应。该无光的表面轻微地使辐射散焦以使在检测器上被聚焦为一个散开的辐射散焦以便在检测器上被聚焦为一个散开的光点而不是由高抛光表面产生的一个尖锐聚焦的点。如果这个散开的点在检测器表面上移动，则其响应几乎没有变化。

图9(a)-(d)给出上表面的反射表面区的一些可能的安排。

通过调整传感器和源的相对位置可以改变通过检测腔室的光学路径的长度。光学路径长度的进一步改变也可通过调整平面反射面之间的间距来得到。不用上述方法也可以将采取或用上述方法同时还可以采取，改变检测腔室内表面的尺寸以使它表示的椭球面具有不同的尺寸或具有不同的角间隔。

在传感器和光源之间的光学路径可以有相同或不同的长度。具有高红外吸收特性的气体。只需一个短的光学路径来提供适当的浓度分辨率。而具有低红外吸收特性的气体要求一个相对长的光学路径。

本发明也可以使一个目标气体以更大的确定性来被检测。如果该气体具有高的浓度，那么检测只需要一个短的光学路径。如果该目标气体具有低浓度，那么就要求一较长的光学路径以可靠地确定在样品中的该气体的浓度。这可以通过改变反射表面的尺寸来选择源和检测器之间的距离来加以安排。

该检测腔室可以是一个单一的部件或可以包含多个部件。对于检测腔室的外形的一个合适的制造方法是机器切削的方法。也可以用塑料或金属注入铸模的方法。这些方法是熟知的工业技术并为技术人员所可以容易使用的。

Claims (14)

1.一种气体传感器，包含一个被设置容许气体进入的腔室，一个辐射源，多个对从所述源发出的辐射敏感的检测器，以及多个相应的反射曲面，检测器围绕所述源布置，每一个检测器被安置成接收从所述源发出并被相应的具有曲率的曲面所反射的辐射，使得从所述源发出的光被聚焦在每个检测器上，所述辐射源和多个检测器被布置在所述腔室之内。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述源基本上位于每一个相应的反射曲面的一个第一焦点上。

3.根据权利要求1所述的气体传感器，其中每个检测器基本位于每个相应的反射曲面的一个第二焦点上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体传感器，其中反射曲面是部分椭球表面。

5.根据权利要求1所述的气体传感器，还包含在各检测器之间的一个中央区域，有一个源位于该中央区域。

6.根据权利要求4所述的气体传感器，其中检测器中的一个第一检测器是在第一部分椭球面的一个焦点上，一个第二检测器是在第二部分椭球面的一个焦点上，而第一和第二椭球面有一个公共的虚焦点。

7.根据权利要求6所述的气体传感器，其中该第一检测器被安置成检测第一预先确定的气体，而第二检测器被安置成检测第二预先确定的气体。

8.根据权利要求1所述的气体传感器，还包含一个参照检测器。

9.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述辐射源是红外光源。

10.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述源被安置成可以显著加热辐射被反射的所有表面至高于环境温度的一个温度。

11.根据权利要求5所述的气体传感器，还包含另一个反射面，它被安置成从一个辐射源发出的辐射被该另一个反射面反射到每一个相应的反射曲面上并随后到每一个相应的检测器。

12.根据权利要求11所述的气体传感器，其中该另一个反射面包含环形反射表面。

13.根据权利要求1所述的气体传感器，其中每一个检测器被安置成从一个窄的立体角接收辐射。

14.根据权利要求5所述的气体传感器，其中所述一个源大体上是全向的。

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