CN101198856A - 气体传感器光学腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体传感器的光学腔，而且特别涉及一种非分光红外(NDIR)气体传感器。根据本发明的光学腔包括两个相对设置的抛物柱面镜，所述抛物柱面镜具有公共焦点，所述焦点位于抛物柱面镜的公共光轴上；所述光学腔还包括一个平面镜，沿每个抛物柱面镜顶点之间的光轴设置。

Description

气体传感器光学腔

技术领域

本发明涉及一种非分光红外(以下简称“NDIR”)气体传感器。

背景技术

基于非分光红外(NDIR)探测原理的传感器利用气体的光吸收特性来测量在以目标气体吸收的特定波长时发生的光吸收量，并可以计算目标气体浓度。NDIR气体传感器通常包括一个由光学腔、光源和光探测器组成的气室，还包括用于分析光探测器输入的电信号，从而获得气体浓度。

一般来讲，为了获得优质高精度的NDIR气体传感器，重要的是延长特定光学腔室内的光程长度，从而增加光传播期间光学腔内光的吸收量。

但是，仅仅增加光学腔的光程可能会降低产品的竞争性，因为气体传感器的体积和相关制造成本都会因此而相应增加。增加有限尺寸的光学腔光程的一个有效方法就是合理地设置各个平面镜和透镜在光学腔内的几何位置。

由于上述原因，传统光学腔的设计和分析采用的最普通的方式，就是使用光学模拟技术通过试验和误差来找出平面镜和透镜的最佳几何设置。但是，在光学模拟中，影响光学腔性能的因素太多，在光学腔设计和制造过程中发生的许多小的误差因素的累积都可能会导致每个产品性能的极大变化，而且误差出现后的恢复需要大量时间和经费开支。此外，在使用光学模拟技术设计光学腔时，人们不得不通过试验和误差工艺来对光学腔进行重新设计，目的是通过特定尺寸的光学腔来增加或减小光程的长度，进而可能获得的是一种不切实际的光学腔，这种光学腔可能无法应用到某个特定气体传感器电路。

此外，为了设计具有较长光程和较小光学腔体积的高效光学腔，光源辐射的光在光学腔内充分循环后应能被探测器探测到，以便最充分地应用特定光学腔的内部空间。但是，在这种情况下，气体通风口的空间就相对减小，导致响应时间(即一次测量所要求的时间范围)过长。这就是说，测量气体浓度一次可能需要几分钟时间，这样，传统式气体腔由于用作气体通风口的空间小，在要求快速测量速度(或者较短响应时间)的检测环境下是无法使用的。

此外，当使用NDIR探测技术来测量对热红外具有良好吸收特性的气体时(即当测量可吸收4.2微米红外的CO²气体时)，热红外会导致腔室材料的热振动，从而增加了光学腔的温度。例如，当光源辐射能量在100的光束时，因为光学腔内温度的升高，就可能形成一个超过100的较大能量，这会造成测量误差。为了将这种误差降到最低，人们可以使用脉冲式光束。然而，由于光探测器辐射强度小，采用小脉冲宽度的脉冲式光束时，则可能无法获得有效的气体测量结果。相反，宽脉冲宽度的脉冲式光束的使用又会影响光学腔内温度的升高，进而，会导致气体传感器测量出现误差。

此外，由于包括光程长度在内的光学腔特性会受到多种因素的影响，在设计了一个光学腔之后通过多次实验来对设计变量进行修改是很不容易的，或者说很难预测光学腔的特性变化以及将这种变化反映到光学腔的设计上。

因为光源辐射的光束具有预定的波束宽度或波束尺寸，所以不容易使所有辐射光都具有一个可穿过光焦点的理想光程。因此，在考虑了光学腔内会出现的各种光程后，也就很难设计出一种光学腔。

尽管与其它类型的传统气体传感器相比，NDIR气体传感器的优点很多，但上述问题还是会影响这种传感器的实际使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学腔，该光学腔具有延长光程和有效通风的特性。

本发明的另一个目的是有效设计作为NDIR气体传感器一个主要部件的光学腔，该光学腔具有延长光程特性，可以增加测量精度；另外，该光学腔的通风口尺寸明显增加，便于目标气体流入和流出光学腔，从而降低每次测量气体浓度所需要的响应时间。

本发明的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔采用了有效的平面镜几何设置，保证了一种同时既具有延长光程又具有加大通风口尺寸这种似乎矛盾的目标要求。

本发明的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔具有一个较大尺寸的通风口，便于通过该通风口进行热辐射，防止由于光学腔内温度升高而出现的测量误差。

本发明的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔在平面反射镜的预定部分引导辐射光反射并在平面反射镜其它无光反射的区域应用了通风口，便于气体能够流入和流出，并能防止光学腔内由于一些并非需要光程引起的温度升高，这些并非需要的光程具有许多光探测器探测不到的光反射点。

本发明的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔具有一个有效光探测特性，该特性是通过将光学腔的平面镜设置成一种会聚系统并将光探测器定位到会聚系统的会聚点上来实现的。

本发明的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔能够使设计者设计的光学腔的几何图形能够更容易进行分析，并通过小量调整光学腔设计因素就可以很方便地改变光程，从而降低设计光学腔的试验次数和误差以及成本。

本发明的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔的光程可以通过控制两个二次抛物柱面镜的焦距比而很容易地进行调整，并可以基于所应用的气体类型而容易设计。

本发明的另一个目的是提供一种光学腔，所述光学腔能够通过反射光透过预定焦点来对辐射光进行会聚，所述辐射光的光束尺寸在其原来状态的基础上得到了扩展。

针对上述目的，根据本发明的一个方面的光学腔包括两个相对设置的抛物柱面镜，这两个抛物柱面镜都具有位于抛物柱面镜公共光轴上的公共焦点；另外，还包括一个沿每个抛物柱面镜顶点之间的光轴设置的平面镜。

在上述的光学腔中，从具有较长焦距的抛物柱面镜的一个任意点上辐射的光在光学腔内循环，沿光轴到正负方向，最后会聚到光轴中。因此，与光轴并行设置的光探测器就可以探测到光源辐射的所有光。

在上述的光学腔中，光的反射只在平面镜上的抛物柱面镜的焦点处出现。由于光的反射只在位于平面镜上的焦点处发生，所以，平面镜的其它部分不会反射光。因此，可以在平面镜上不会产生光反射的其余部分提供通风口。

根据本发明，人们可以设计出一种光学腔，该光学腔的会聚系统光程相当长，而且通过使用两个二次抛物柱面镜，从而形成相当大的通风口，所述两个二次抛物柱面镜的焦距不同，而且二者之间还设置有一个平面镜。

根据上述结构的光学腔具有一种通过改变两个抛物柱面镜焦距比来调整光程长度的特性。根据抛物线的原理，在两个抛物柱面镜的焦距比为1∶1时，可以形成一根无限长的光程。当该焦距比设定为1∶n时，根据所应用的气体类型，人们可以很容易地设计出这种光学腔，即如果气体的吸收率较高时，可降低“n”值来缩短光程长度，或者如果气体的吸收率较低时，可增加“n”值来延长光程长度。

理想情况下，所有被辐射的光都到达光轴上的焦点。但是，实际上，光源辐射的具有预定宽度或尺寸的光束不能到达理想光程提出的一个焦点上。因此，光学腔应该设计成这样的，即带有预定光束尺寸或与其原来光程偏离的辐射光束可以会聚成焦点，最后再会聚到光探测器内。

根据本发明，提供了一种NDIR气体传感器用的光学腔，该光学腔具有延长光程和有效通风的特性。

由于本发明所提出的光学腔是一种使用两个抛物柱面镜和一个平面镜来形成光程的光学会聚系统，其中，光的反射只有在光学腔内的预定区域进行，光学腔内的无光反射的某些区域使用了通风口为气体的通风提供了方便，使得延长光程的会聚系统具有光聚焦功能特性，而有效通风的特性使得光学腔具有快速反应的功能。

根据本发明的光学腔具有延长的光程，可提高测量精度，通风口尺寸的实质性加大便于目标气体流入和流出光学腔，从而缩短了测量气体浓度所需要的响应时间。

根据本发明的光学腔采用了平面镜的有效几何设置，确保了这种既能延长光程同时又能扩大通风口的似乎矛盾的目标要求。

根据本发明的光学腔具有一种尺寸较大的通风口，便于热辐射，防止由于光学腔内温度上升出现的测量误差。

根据本发明的光学腔通过在平面反射镜的预定部分引导辐射光反射并在平面反射镜其它无光反射的区域应用了通风口，能够便于气体流入和流出尺寸增大了的气体通风口，并能防止光学腔内由于一些并非需要的光程而引起的温度升高，这些多余的光程带有许多光探测器探测不到的光反射点。

根据本发明的光学腔通过将光学腔的平面镜设置成一种会聚系统，并将光探测器定位到会聚系统的会聚点上以使其具有有效的光探测特性。

本发明的光学腔的设计可以使得光学腔的设计者们能够设计具有简单几何形状的光学腔，这种光学腔能够很容易地被分析。使用了本发明的光学腔设计原理，人们只要稍稍改变光学腔设计因素就可以很容易地改变光程，从而降低光学腔设计所需的试验次数和误差以及成本费用。

在根据本发明的光学腔中，通过控制两个二次抛物柱面镜的焦距比，可以很容易地调整光程，并可基于所应用的气体类型来非常容易地设计不同的光程。

根据本发明的光学腔通过将光进行反射从而穿过预定的焦点，能够使得辐射光进行会聚，该辐射光的光束尺寸在其原来状态基础上得到扩展。

根据本发明，光学腔的设计或结构可以缩减到数学表达式或数字公式，提供一种设计和分析不同光学腔的简单方法，这样，与使用传统光学仿真的方法相比，设计和生产光学腔的时间可以缩短，大大降低成本。

附图说明

图1为根据本发明的光学腔的原理示意图。

图2为光的传播图，其光束尺寸是从光源处的光传播开始扩展的。

图3示出了光在椭球面镜中的光学反射特性。

图4示出了本发明应用椭球面镜的光学腔。

图5示出了入射到带有轻微偏差的焦点上的光的光程。

图6示出了入射到带有偏向-x轴方向的焦点的光的光程。

图7示出了入射到带有偏向+x轴方向的焦点的光的光程。

图8示出了使用两个光探测器的光学腔。

图9示出了椭球面镜焦点移向-x轴方向的光学腔。

图10示出了具有通风口的光学腔。

具体实施方式

下面结合附图，介绍本发明的实施例。

1.来自理想光源的光在光学腔内的传播

图1为一张示意图，示出了根据本发明的光学腔的原理。

如图1所示，本发明的光学腔基本上由两个二次抛物柱面镜M1，M2和一个平面镜M3组成。

其中一个具有焦距p的抛物柱面镜M1可以描述为下面公式(1)，而另一个具有焦距q的抛物柱面镜M2可以描述为下面公式(2)。

M1：y²＝-4p(x-p)  -----(1)

M2：y²＝4q(x+q)   -----(2)

两个公式(1)和(2)所介绍的抛物面线，在坐标原点处有一个共同焦点，并在坐标x轴线处有一个共同光轴。为了便于说明，x，y，z坐标的x轴此处被看作是光轴，是作为光学分析的基准轴。

一般来讲，公式的二次抛物线，y²＝4p(x-p)，的焦点在(p，0)处，其x轴对称。基于二次抛物柱面镜的反射特性，与光轴(x轴)平行的入射光从二次抛物柱面镜上反射后通过焦点(p，0)，穿过焦点(p，0)的入射光从二次抛物柱面镜反射，与光轴(x轴)平行传播。

使用二次抛物柱面镜的上述特性，两个分别具有焦距p和q(p＞q)的二次抛物柱面镜M1，M2就可以彼此相对设置，从而在抛物柱面镜的共同光轴(x轴)上形成一个共同焦点F；平面镜M3则沿光轴(x轴)设置，而光探测器D位于光轴的一端。光源S从点A0辐射到光轴上的焦点F的光从焦点F反射，然后以B₀→A₁→F→B₁→A₂…→D光程在光学腔内循环。焦距“p”和“q”应该能满足p＞q的条件。如果p＝q，那么辐射的光将不会会聚到探测器D，并将会无限循环。为了让光能会聚到探测器D内，光源S应该位于具有焦距p(p＞q)的抛物柱面镜(M1)上。甚至在光源S位于抛物柱面镜(M1)上任何任意点时，光将能会聚到光轴(x轴)内。

当反射点的坐标为A₀＝(α₀，β₀)，A_n＝(α_n，β_n)，B₀＝(α₀’，β₀’)，B_n＝(α_n’，β_n’)，点A_n和B_n可以根据公式(1)和(2)而表示为公式(3)，条件是β₀’＝β₁。

A₀＝(α₀，β₀)

$B_0=({{\mathrm{\α}}^{\′}}_0,{{\mathrm{\β}}^{\′}}_0)=(-\frac{q}{p}{\mathrm{\α}}_0,\frac{q}{p}{\mathrm{\β}}_0)---\left(3\right)$

$A_n=({\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n)=({\left(\frac{q}{p}\right)}^{2n}({\mathrm{\α}}_0-p)+p,{\left(\frac{q}{p}\right)}^n{\mathrm{\β}}_0)$

$B_n=({{\mathrm{\α}}^{\′}}_n,{{\mathrm{\β}}^{\′}}_n)=(-{\left(\frac{q}{p}\right)}^{2n+1}({\mathrm{\α}}_0-p)-q,{\left(\frac{q}{p}\right)}^{n+1}{\mathrm{\β}}_0)$

从公式(3)中，如果n→∞那么α_n→ P，α_n’-q，β_n＝β_n’→0。随着循环次数的增加，光则沿光轴会聚并最终被光轴上的光探测器D所探测到。

光源S辐射的光在光学腔内循环，其循环次数为光探测器D在光轴点(-q，0)处可探测到的预定次数N。当光探测器D的直径(即光探测器D在y轴上的尺寸)与焦距p之比是m(m＜1)(即光探测器的尺寸-mp)，那么，循环次数N如下面公式(4)。

从公式(3)和条件B_N＜mp，就可以导出公式(4)，该公式给出了光在循环N次数后会聚到光探测器D内的条件。

$B_N={\left(\frac{q}{p}\right)}^{N+1}{\mathrm{\&beta;}}_0<\mathrm{mp}---\left(4\right)$

$N>\frac{\ln \left(\frac{{\mathrm{mp}}^2}{q{\mathrm{\&beta;}}_0}\right)}{\ln \left(\frac{q}{p}\right)}$

例如，如果p＝20mm，q＝16mm，m＝0.2，光探测器的尺寸＝0.2p＝4mm，β₀＝20mm，那么按照公式(4)，N＞6.21，这就是说，光源S辐射的光在光学腔内经过了六次循环后，在其第七次循环时被光探测器D探测到。

与此同时，从光源S到探测器D的光程的总长度可以通过对第n次循环的长度进行归纳而导出。Ln，即第n次循环的长度，可在图1的基础上根据公式(3)来给出。

$L_n=\stackrel{\&OverBar;}{A_{n-1}F}+\stackrel{\&OverBar;}{F{B}_{n-1}}+\stackrel{\&OverBar;}{B_{n-1}{A}_n}=\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{n-1}^2+{\mathrm{\&beta;}}_{n-1}^2}+\sqrt{{{\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}}_{n-1}^2+{{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}}_{n-1}^2}+({\mathrm{\&alpha;}}_n-{\mathrm{\&alpha;}}_{n-1})---\left(5\right)$

$=2p-{\mathrm{\&alpha;}}_{n-1}+2q+{{\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}}_{n-1}+{\mathrm{\&alpha;}}_n-{{\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}}_{n-1}=2(p+q)+{\mathrm{\&alpha;}}_n-{\mathrm{\&alpha;}}_{n-1}$

$=2(p+q)+{\left(\frac{q}{p}\right)}^{2n-2}({\left(\frac{q}{p}\right)}^2-1)({\mathrm{\&alpha;}}_0-p)$

光源S辐射的光在N次循环后被光探测器D探测到时，N次循环的光程的总长度根据下式给出：

$L=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_n=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}[2(p+q)+{\left(\frac{q}{p}\right)}^{2n-2}({\left(\frac{q}{p}\right)}^2-1)({\mathrm{\&alpha;}}_0-p)]$

$=2N(p+q)+(1-{\left(\frac{q}{p}\right)}^{2N})(p-{\mathrm{\&alpha;}}_0)---\left(6\right)$

例如，如果p＝20mm，q＝16mm，m＝0.2，光探测器的尺寸＝0.2p-4mm，β₀＝20mm，以及α₀＝15mm那么按照公式(4)，N＝7。但是，因为第七次循环不完整，相差量为α_N-α_N-1’，光程的总长可以根据公式(6)得出如下：

$L(N=7)=2N(p+q)+(1-{\left(\frac{q}{p}\right)}^{2N})(p-{\mathrm{\&alpha;}}_0)-({\mathrm{\&alpha;}}_N-{{\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}}_{N-1})$

$=2N(p+q)+(1-{\left(\frac{q}{p}\right)}^{2N})(p-{\mathrm{\&alpha;}}_0)-{\left(\frac{q}{p}\right)}^{2N}({\mathrm{\&alpha;}}_0-p)-{p-\left(\frac{q}{p}\right)}^{2N-1}({\mathrm{\&alpha;}}_0-p)-q$

$=(2N-1)(p+q)+(p-{\mathrm{\&alpha;}}_0)(1+{\left(\frac{q}{p}\right)}^{2N-1})---\left(7\right)$

将上面给定数字代入公式(7)就会得出光程的总长度L≈473mm。

与此同时，在根据本发明的气体传感器的光学腔内，可通过控制抛物柱面镜M1，M2的焦距(p，q)来调节光程。也就是说，光程的长度可以根据光学腔的应用情况通过控制公式(7)的焦距p和q之比来进行调整。例如，对于光吸收率较高的气体，如二氧化碳，光程可以设计成较短，而对于光吸收率较低的气体，如一氧化碳，光程可以通过调整p和q值而设计成较长。

2.具有扩散特性的光源的光学腔的设计

通常，市场上的普通光源辐射的光都具有扩散特性。也就是说，光源不是一种点光源，具有一定尺寸的光按一定扩散角度辐射。这样，普通光源的光路就不可能按照图1给出。而可以按照图2给出。

图2给出了光的传播情况，光的光束尺寸是从光源处光的传播点开始扩展的。

在图2中，并不是光源S辐射的所有光都会聚成焦点F。由于光的扩散特性，各种光就会以焦点F为基准向+x和-x轴方向扩展，并呈现一定宽度。向+x轴方向扩展的光的光程不同于向-x轴方向扩展的光的光程；在这种情况下，有一部分光束，光探测器D可能探测不到。在本发明中，使用了一个椭球面镜来将扩散光会聚到焦点F。

图3示出了光在椭球面镜中的光学反射特性。

根据椭圆体的原理，位于椭圆体一个焦点的光源辐射的光在从椭球面镜反射后将会聚成另一个焦点。图4给出了根据本发明的一个实施例的光学腔的结构，该结构中应用了椭球面镜。

图4示出了根据本发明应用一个椭球面镜的光学腔。

在图4中，光源S在椭球面镜E的一个焦点f上。椭球面镜E的另一个焦点是两个抛物柱面镜M1，M2的公共焦点F。椭圆体E的焦点f辐射的所有光都从椭球面镜E的表面反射，然后会聚到两个抛物柱面镜M1，M2的公共焦点F。这种会聚光根据两个抛物柱面镜M1，M2的反射特性最终会聚到光探测器D中。

3.偏离光程的光学腔的设计

图4的光学腔用于通过使用椭球面镜E将光源S来的扩散光聚焦到公共焦点F上而将光学腔内的大部分光会聚到光探测器D。然而，在采用上述设计方法制作的实际光学腔中，可能会存在一种偏离焦点的光程。因此，必须设计一种光学腔，这样所有的光都可以具有可会聚到光探测器D的光程。

图5示出了入射到焦点的光的光程，具有小量偏差。

在图5中，虚线所表示的光程代表了辐射光正好会聚到焦点F的理想情况，而实线表示的光程则表示辐射光全部或部分偏离焦点F的情况。

设ε₀为光源S辐射的光抵达光轴时与焦点F的光偏离量， $\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0}{p},\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0}{q},\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0}{{\mathrm{\&alpha;}}_0},\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0}{{\mathrm{\&beta;}}_0}\&le;1,$ 且它们的平方值约等于零。

设理想的光程为A₀→F→B₀→A₁，且偏离焦点F的偏离光程为ε₀是A₀→F₀→B₀’→A₁’.参照公式(3)，偏离光程中反射点的坐标可以描述为：

A₀＝(α₀，β₀)

B₀＝(α′₀，β′₀)＝(-Tα₀，Tβ₀)

B₀′＝(α′₀+μ₀，β’₀+ν₀)＝(-Tα₀+μ₀，Tβ₀+ν₀)    -----(8)

A₁＝(α₁，β₁)＝(T²(α₀-p)+p，Tβ₀)

A₁′＝(α₁+γ₁，β₁+δ₁)＝(T²(α₀-p)+p+γ₁，Tβ₀+δ₁)

F₀＝(ε₀，0)

F₁＝(ε₁，0)

μ₀，ν₀，γ₁，δ₁的值要比p小很多，象ε₀值一样。这样

的平方值及其乘数近似于零。让我们从偏移光程中获得A₁的值，并进行归纳。从A₀辐射的光从点F₀处反射，该点偏离焦点F，而后到达点B₀’。由于B₀’是抛物柱面镜M2上的一个点，

的斜率与

的斜率相反，B₀’的坐标可根据下列公式给出

(β′₀+ν₀)²＝4q(α′₀+μ₀+q)    -----(9)

$\frac{{{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}}_0+{\mathrm{\&upsi;}}_0}{{{\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}}_0+{\mathrm{\&mu;}}_0-{\mathrm{\&epsiv;}}_0}=-\frac{{\mathrm{\&beta;}}_0}{{\mathrm{\&alpha;}}_0-{\mathrm{\&epsiv;}}_0}---\left(10\right)$

根据μ₀和ν₀来解公式(9)和(10)，可给出下列公式：

${\mathrm{\&mu;}}_0=\frac{2(T+1)(p-{\mathrm{\&alpha;}}_0)}{2p-{\mathrm{\&alpha;}}_0}{\mathrm{\&epsiv;}}_0---\left(11\right)$

${\mathrm{\&upsi;}}_0=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_0(T+1)}{2p-{\mathrm{\&alpha;}}_0}{\mathrm{\&epsiv;}}_0---\left(12\right)$

式中， $T=\frac{q}{p},$ (0＜T＜1).

A₁’的坐标还可以根据光反射定律和三角函数中的减法定律计算得出。也就是说，参照点B₀’的法线，

入射角的幅度等于

反射角的幅度。因此，，即

的斜率就可以根据公式(13)计算得出。

$\tan \left(\stackrel{\&OverBar;}{{{B_0}^{\&prime;}{A}_1}^{\&prime;}}\right)=-\frac{{\mathrm{\&beta;}}_0}{T{(2p-{\mathrm{\&alpha;}}_0)}^2}{\mathrm{\&epsiv;}}_0---\left(13\right)$

A₁’的坐标可以按照公式(13)和公式(14)所示反射定律给出。

${A_1}^{\&prime;}=({\mathrm{\&alpha;}}_1+{\mathrm{\&gamma;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_1+{\mathrm{\&delta;}}_1)=(T^2({\mathrm{\&alpha;}}_0-p)+p+{\mathrm{\&gamma;}}_1,{\mathrm{T\&beta;}}_0+{\mathrm{\&delta;}}_1)$

${\mathrm{\&gamma;}}_1=-\frac{2(p-{\mathrm{\&alpha;}}_0)(T+1)(3\mathrm{pT}-2T{\mathrm{\&alpha;}}_0-p)}{{(2p-{\mathrm{\&alpha;}}_0)}^2}{\mathrm{\&epsiv;}}_0---\left(14\right)$

${\mathrm{\&delta;}}_1=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_0(T+1)(3\mathrm{pT}-2T{\mathrm{\&alpha;}}_0-p)}{{T(2p-{\mathrm{\&alpha;}}_0)}^2}{\mathrm{\&epsiv;}}_0$

从A₁’点反射的光再次在点F₁＝(ε₁，0)处到达光轴。ε₁可以根据公式(15)使用点A₁处光反射定律和三角函数中减法定律计算得出。

${\mathrm{\&epsiv;}}_1=H^2{\mathrm{\&epsiv;}}_0={\left[\frac{p+T^2(p-{\mathrm{\&alpha;}}_0)}{T(2p-{\mathrm{\&alpha;}}_0)}\right]}^2{\mathrm{\&epsiv;}}_0---\left(15\right)$

如公式(15)所示，ε₁和ε₀都具有相同的特征。

这相同的特征说明，当偏离光到达-x轴时，反射的光将在光学腔循环后到达同一个-x轴，而当偏离光到达+x轴时，反射的光将在光学腔循环后到达同一个+y轴。也就是说，当偏离光相对于焦点F(0，0)分成正方向光和负方向光时，负方向光的光轴上的所有反射点都会保持在焦点F的负方向上，如图6所示，而正方向光的光轴上的所有反射点都会保持在焦点F的正方向上，如图7所示。

最后，负向偏离的光可以到达图6所示的光探测器D，而正向偏离的光不能到达图7所示的光探测器D。

4.偏离光路的修正

如图6和图7所示，带有偏离的入射到焦点F的光分成(+)和(-)方向，彼此光程不同。

图8示出了使用两个光探测器的光学腔。

如图8所示，当光学探测器D1，D2分别位于点(-q，0)和(p，0)时，可以探测到光源S辐射的大部分光，气体传感器的效率达到最大。这就是说，在光源S辐射的光中，在-x方向到达光轴的光将具有如实线所示的光程，并将被光轴左侧的光探测器D1探测到，而在+x方向到达光轴的光将具有如虚线所示的不同的光程，并将被光轴右侧的光探测器D2探测到。因此，两个光探测器可以探测到光源所辐射的大部分光，这样，探测的效率将达到最大。

然而，尽管图8所示光学腔中光的使用达到最大化时可增加气体传感器的精度，但由于光轴上没有提供通风口，通风口的设置受到一定的限制。

然而实际上，即使用如图5所示的椭球面镜E强制地让辐射光会聚到焦点F，都不可能将来自光源S的所有辐射光完全精确地会聚到焦点F上。光应该是以焦点F为中心分成(+)和(-)方向，结果，当只有一个光探测器位于点(-q，0)或(p，0)时，则不可避免地会出现光损失，相当于总光量的一半。如果按图9来设置光源S和/或椭球面镜E，则可将这种光损失降到最小。

图9示出了一种光学腔，介绍了椭球面镜的焦点移到-x轴方向。

图9给出了光学腔结构，其中，椭球面镜E的焦点F’从抛物柱面镜M1，M2的公共焦点F稍稍移向+x轴。

如图9所示，椭球面镜E的两个焦点f，F’中的其中一个位于光源S上，而另一个则位于点F’上，该点从抛物柱面镜M1，M2的公共焦点F稍稍移向-x轴，移动量为ε₀。抛物柱面镜M1，M2焦点和椭球面镜E焦点之间的距离ε₀将取决于椭球面镜E聚光的性能效率。

在图9中，如果光源S辐射的大多数光在相对于平面镜M3上的公共焦点F沿-x轴方向入射到光轴时，那么，这些光就最终被光探测器D所探测到。因为在相对于平面镜M3上的公共焦点F沿+x轴方向的光轴上没有反射光，在平面镜M3的这部分上可以提供通风口。图10示出了具有这种通风口的光学腔结构。

图10给出了具有通风口的光学腔的结构，以及光学腔内的光程情况。

如图10所示的光学腔中，在平面镜没有光程的部分提供有通风口。也就是说，由于光源S辐射的光逐渐会聚到位于光轴的光探测器D中，不接触与椭球面镜E和光源S相连接的上平面镜，通风口V1可以位于上平面镜。此外，如果将椭球面镜E的焦点设定到与共同焦点F稍微隔开的点F’上来使得反射点限定在相对于共同焦点F的-x轴方向，那么，另一个通风口V2就可以位于不会发生光反射的光轴的+x轴方向。

由于这些通风口的设置不是因为椭球面镜E的存在而是因为将光源F辐射光的入射点设定到与平面镜M3上的共同焦点F稍微隔开的点F’上，因而，只要光源S的光的辐射角度设计成能够满足上述条件，即使没有椭球面镜E，也可以获得同样的结果。

通风口V1，V2可以是在平面镜上形成的若干个通风孔，如图10所示，或者，通风口可以采用平面镜部件切口形式。对通风口的形式没有限制，只要能够使得被探测的气体流入和流出即可。此外，通风口V1，V2上还可以装有通风期间用于滤除尘埃和颗粒的一个过滤器(图中未示)。

由于光不会穿过或反射在通风口V1，V2上，所以也不会因为通风口而出现光损失的现象。气体传感器的响应时间可以通过使通风口尺寸最大化而得到缩短从而便于被测试气体流通。这就是说，通风口V1，V2设计上的重要因素不是通风口的具体位置，而是在光学腔中不会出现光反射的位置提供通风口的原则。例如，通风口可以设置在与由平面镜M1，M2，M3组成的侧壁相垂直的上下平面上。

上面所介绍的实施例可以使所属技术领域的专业人员实施或使用本发明。不言而喻，对于所属技术领域的专业人员来讲，可以很容易地对这些实施例进行各种改进，这里所定义的通用原理可以应用于其它实施例，但都没有脱离本发明的精神或范围。为此，本发明并不仅限于这里所介绍的实施例，而是适用于与这里所披露的原理和突出特性相一致的最广大范围。

根据本发明的新型光学腔结构可以应用于NDIR气体传感器，后者广泛用于空气质量控制，包括室内空气质量控制，车辆用的HVAC(加热、通风和空调)系统等。

Claims (14)

1.一种气体传感器光学腔，包括：

具有第一焦距的第一抛物柱面镜；

具有第二焦距的第二抛物柱面镜，该第二焦距大于第一焦距，且第二抛物柱面镜设置在与第一抛物柱面镜相对的位置；以及

平面镜，设置在第一抛物柱面镜的一端和第二抛物柱面镜的一端之间，其中：两个相对设置的抛物柱面镜具有公共焦点，该公共焦点位于抛物柱面镜的共同光轴上，平面镜沿所述光轴设置，而公共焦点位于平面镜的表面。

2.根据权利要求1所述的光学腔，还包括：

位于第二抛物柱面镜一侧的光源，用于将光辐射到沿光轴设置的平面镜上；以及

位于第一抛物柱面镜和平面镜的连接点处的光探测器，用于探测在光学腔内由第一抛物柱面镜、第二抛物柱面镜和平面镜接连反射的光。

3.根据权利要求2所述的光学腔，其中：可以设定来自光源的光的辐射角度，以使来自光源的光可以入射到光探测器和公共焦点之间的平面镜部分。

4.根据权利要求3所述的光学腔，其中：可以调整位于光探测器和公共焦点之间的平面镜部分上的光的入射点，光学腔内的光程的长度也可以根据来自光源的光的辐射角度来进行调整。

5.根据上述权利要求1到4中任一项所述的光学腔，还包括设在光学腔内不会发生光反射的预定区域处的气体通风口。

6.根据权利要求5所述的光学腔，其中：气体通风口设置在第一抛物柱面镜的另一端和第二抛物柱面镜的另一端之间的光学腔的预定区域。

7.根据权利要求5所述的光学腔，其中：气体通风口设置在公共焦点和第二抛物柱面镜的一端之间的光学腔的预定区域。

8.一种气体传感器光学腔，包括：

顶面；底面；以及顶面与底面之间的侧壁，

其中：该侧壁沿顺时针方向依次包括：第一面，第二面，第三面和第四面；该第一面由具有第一焦距的第一抛物柱面镜形成，

该第三面由具有第二焦距的第二抛物柱面镜形成，该第二焦距大于第一焦距，且第二抛物柱面镜设置在第一抛物柱面镜的对面；

该第四面由设置在第一抛物柱面镜下端和第二抛物柱面镜下端之间的第一平面镜形成；并且

该第二面由与椭球面镜相连的第二平面镜形成，该第二平面镜设置在第一抛物柱面镜上端和椭球面镜的一端之间，该椭球面镜设置在第二平面镜的一端和第二抛物柱面镜上端之间。

9.根据权利要求8所述的光学腔，其中：第一抛物柱面镜和第二抛物柱面镜具有公共焦点，该公共焦点位于抛物柱面镜的公共光轴上，第一平面镜沿公共光轴设置，且该公共焦点形成于第一平面镜的表面上。

10.根据权利要求9所述的光学腔，还包括：

位于第二抛物柱面镜一侧的光源，用于将光辐射到沿光轴设置的第一平面镜上；以及

位于第一抛物柱面镜和第一平面镜的连接点处的光探测器，用于探测在光学腔内由第一抛物柱面镜、第二抛物柱面镜和第一平面镜接连反射的光。

11.根据权利要求9所述的光学腔，其中：第一抛物柱面镜、第二抛物柱面镜和第一平面镜的设置使得光学腔内的光程可以形成光会聚系统，而光探测器可以设置在光会聚系统的会聚点处。

12.根据上述权利要求9到11中任一项所述的光学腔，其中：椭球面镜的一个焦点形成于公共焦点的附近位置。

13.根据上述权利要求9到11中任一项所述的光学腔，还包括在光学腔的无光反射的预定区域提供了气体通风口。

14.根据权利要求13所述的光学腔，其中：气体通风口设在光学腔的顶面或底面。

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