CN101563601B - 用于检测气体浓度的光离子化传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测气体浓度的光离子化传感器及其检测方法。所述检测器包含第一偏置电极和第一测量电极。第一偏置电极与第一偏置电路相连，用于吸收具有一种电荷符号的粒子，第一测量电极与第一测量电路相连，用于吸收具有相反电荷符号的粒子。紫外线灯内惰性气体的成份、光学窗口的材料以及第一测量电极和第一偏置电极中低电位电极的材料被选择成，使得由紫外线灯产生并透过光学窗口的紫外光在射入到低电位电极的表面时产生光电效应，并且驱动电极对紫外线灯施加足够大的高压交流信号，以便从低电位电极的表面溢出的电子数量足以与堆积在低电位电极附近三维空间内的正离子复合，消除因正离子堆积而引起的浓度测量饱和现象。

Description

用于检测气体浓度的光离子化传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种光离子化传感器，尤其涉及一种用于检测高浓度有机气体的光离子化传感器及其检测方法。

背景技术

光离子化检测器(PID)可以检测易挥发性有机气体或化合物。图1和图2示出了一种传统的PID 30。PID 30包括一个紫外线(UV)灯32，它通过光学窗口34将UV光子或紫外光辐射到离子化室36中。UV光子与离子化室36内的易挥发性气体分子碰撞，碰撞使得那些电离能低于光子能量的分子离子化，产生可检测的离子和电子。

如图2所示，UV灯32包括一个密封灯管38，该密封灯管最好由玻璃制成。灯管38内含有由若干种惰性气体组成的混合气体。例如，混合气体在25Torr气压下，并包含40％氦气、30％氩气和30％氪气。灯管的直径为0.25-0.5英寸，长度为0.5-1.50英寸。光学窗口34由单晶材料制成并位于灯管38的一端。例如，光学窗口34可以由氟化锂(LiF)、氟化镁(MgF₂)、氟化钙(CaF₂)或氟化钡(BaF₂)等材料制成，这些光学窗口材料分别允许低于11.7eV、10.6eV、9.8eV和9.2eV能量的UV光子透过。UV灯32位于两个片状的驱动电极40和42之间，驱动电极片40和42与灯驱动电路44相连。驱动电极片40和42可以由铜片制成，尺寸可以约为0.20英寸×0.20英寸。灯驱动电路44向驱动电极片40和42提供频率约为100kHz，电压约为650-1250V的AC信号。于是，在灯管38内产生一强电场，将灯管内的惰性气体离化子成电子和离子。然后，灯管内的电子和离子重新结合，产生UV光子。这一过程称为辉光放电。基于对光学窗口34之材料的不同选择，具有某种特定能级的UV光子可以通过光学窗口34。灯驱动电路44在驱动电极片40和42两端产生高压AC信号，美国专利5,773,883对这一过程有描述。美国专利5,773,883已转让给本申请的申请人，其内容通过引用包含在此。微处理器46可以调节施加在驱动电极片40和42上的高压AC信号，并且由此调节UV灯32的紫外光的强度。微处理器46还可以用于使UV灯32的能耗最小，美国专利6,225,633对这一过程有描述。美国专利6,225,633已转让给本申请的申请人，其内容通过引用包含在此。

来自UV灯32的UV光子将离子化室36内的易挥发性气体分子离子化。离子检测器48位于离子化室36内，并且靠近光学窗口34，用于收集经离子化而产生的电子和离子。离子检测器48包括一对电极，它们是偏置电极50和测量电极52。偏置电极和测量电极呈片状，可以为线形或阶梯形，并且可以被布置成叉指结构。偏置电极50和测量电极52可以由各种金属和合金制成，最好由不锈钢制成。

偏置电路54为偏置电极50提供正偏置电压(例如，约4-120V的DC电压)。于是，偏置电极50排斥光离子化产生的正离子。测量电极52接近于地电压，并与偏置电极50隔开，因此在偏置电极50和测量电极52之间形成一偏置电场。测量电极52吸收正离子，产生测量电流。测量电路56与测量电极52相连，并测量通过收集正离子而产生的电流，即测量电流。微处理器46与偏置电路54和测量电路56两者相连，一方面可以调节偏置电路54施加到偏置电极50上的偏置电压，另一方面接收来自测量电路56的表示测量电流的信号，以便确定易挥发气体的浓度。由于测量电流的数值依赖于所产生的离子的数量，因此其与离子化室36内可离子化分子的浓度以及UV光的强度相关。如果UV光强度为常数，那么，测量电流可以转换成易挥发性有机气体的浓度(单位为百万分之，ppm)。

另外，UV光射到偏置电极50和测量电极52上会释放出电子。由偏置电极50释放的电子一般被偏置电极50吸收，因此不会产生本底电流(即，不存在可离子化气体时的电流)。但是，由测量电极52释放的电子会被偏置电极捕获，导致本底电流。本底电流是确定易挥发性气体浓度时必须考虑的因素，它与UV光的强度相关。于是，有人建议在光学窗口34和测量电极52之间安装一个UV防护板62，用于防止UV光入射到测量电极52上。

PID 30还包括一气泵74，使气流以200-600ml/min的速度通过入口114和出口116出入离子化室36。当气泵开启时，离子化室36是一个开放的容器，可以接收层流气体。当气泵关闭时，离子化室36是一个封闭的容器，气体不能出入离子化室。气泵74与气泵驱动电路76相连，而气泵驱动电路76与微处理器46相连。微处理器46通过气泵驱动电路76控制气泵74的开启、关闭及其抽运速度。

通常，将UV灯32、驱动电极40和42、离子化室36、离子检测器48安装在外壳78内，构成一体化的PID传感器元件，而PID中的灯驱动电路、气泵驱动电路、偏置电路、测量电路、微处理器和其它用于操作传感器元件的电路部分则构成PID本体。气泵可以内置在PID传感器元件中，也可以设置在PID本体中。工作时，将PID传感器元件插入PID本体中，与PID本体内的电路电气接触。美国专利6,313,638对此作了描述，该专利已转让给本申请的申请人，其内容通过引用包含在此。

如上所述，当UV光强度为常数时，测量电流可以转换成易挥发性气体的浓度。但是，传统的PID仅适于测量低浓度的易挥发性有机气体，例如浓度在2000ppm以内，而不适于测量高浓度的易挥发性有机气体。当离子化室36充满高浓度的易挥发性有机气体时，经离子化产生的大量正离子会在测量电极52附近聚积，形成一层阻挡层，该阻挡层削弱偏置电极50与测量电极52之间的偏置电场并阻挡后续正离子接近测量电极52，致使传感器出现饱和状态。尤其当易挥发性有机气体的浓度接近或大于10000ppm(例如：异丁烯)时，这种饱和现象会变得十分严重。

在实际的工业应用中，当有机气体浓度高到一定程度时，通常会采用催化燃烧或者金属氧化物吸附的方式进行测量。很多有机挥发性气体(VOC)的浓度高到一定数值就会在空气中爆炸。这个临界爆炸的浓度值就是该气体的最低爆炸极限(LEL)。而有机挥发性气体的浓度则通常以相对量％LEL来表示。所以，希望提供一种能够对高浓度有机易挥发性气体进行浓度测量的光离子化传感器。同时，还希望提供一种既能测量高浓度有机易挥发性气体，又能测量极低浓度有机易挥发性气体的光离子化传感器。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的一个目的是提供一种能够在易燃易爆的环境下测量高浓度气体的设备的方法。

本发明的另一个目的是，提供一种既能够检测高浓度气体(达20000ppm数量级)、又能测量极低浓度气体(在1ppb数量级)的设备和方法。

依照本发明的一个方面，提供了一种光离子化传感器元件。该光离子化传感器包括：

离子化室，被构造成允许气体流入和流出；

紫外线灯，其内部包含惰性气体并且具有一光学窗口；

驱动电极，它们位于紫外线灯的外侧，用于对所述紫外线灯施加高压交流信号，使紫外线灯内的惰性气体发生辉光放电，产生紫外光，并且所述紫外光透过所述光学窗口射入所述离子化室，使所述气体离子化；

检测器，它位于所述离子化室内，包含第一偏置电极和第一测量电极，所述第一偏置电极与第一偏置电路相连，用于吸收具有一种电荷符号的粒子，所述第一测量电极与第一测量电路相连，用于吸收具有相反电荷符号的粒子；

所述紫外线灯内惰性气体的成份、光学窗口的材料以及所述第一测量电极和所述第一偏置电极中低电位电极的材料被选择成，使得由紫外线灯产生并透过所述光学窗口的紫外光在射入到所述低电位电极的表面时产生光电效应，并且所述驱动电极对所述紫外线灯施加足够大的高压交流信号，以便从所述低电位电极的表面溢出的电子数量足以与堆积在所述低电位电极附近三维空间内的正离子复合，消除因正离子堆积而引起的浓度测量饱和现象。

在本发明的光离子化传感器元件中，还可以包括第二测量电极和一紫外光防护板，其中所述第二测量电极与第二测量电路相连，用于吸收具有所述相反电荷符号的粒子，所述紫外光防护板位于所述第二测量电极和紫外线灯的光学窗口之间，用于防止紫外光入射到第二测量电极的表面上，并且所述第一偏置电极具有正偏置电压，所述第一和第二测量电极为所述低电位电极，所述检测器为离子检测器。

在本发明的光离子化传感器元件中，所述第一偏置电极、所述第一测量电极和所述第二测量电极可以位于同一平面内，并且所述平面平行于所述紫外线灯的光学窗口。例如，所述第一偏置电极、所述第一测量电极和所述第二测量电极的形状可以选自下述形状：片状，线状、阶梯状和叉指状。

在本发明的光离子化传感器元件中，所述第一偏置电极、所述第一测量电极和所述第二测量电极也可以分别平行于所述紫外线灯的光学窗口，并且沿垂直于所述光学窗口的方向分布，所述偏置电极和所述测量电极的排列顺序根据离开所述紫外线灯之光学窗口的距离，由近到远依次为第一测量电极、第一偏置电极和第二测量电极，所述紫外光防护板位于所述第二测量电极和所述第一测量电极之间，所述第一偏置电极和所述第一测量电极具有允许离子化气体通过的通道。较佳地，所述第一偏置电极、所述第一测量电极、所述第二测量电极和紫外光防护板可以具有相同的形状结构。例如所述第一偏置电极、所述第一测量电极、所述第二测量电极和紫外光防护板可以呈片状，而电极中心可以具有多个平行狭缝或者呈网状，以允许离子化气体从中通过。另外，所述第一偏置电极和所述第一测量电极中的至少一个可以构成所述紫外光防护板。

在本发明的光离子化传感器元件中，还可以包括第二偏置电极，所述第二偏置电极与第二偏置电路相连，用于吸收具有所述电荷符号的粒子，并且所述第二偏置电极具有正偏置电压。

在本发明的光离子化传感器元件中，还可以将所述第一偏置电极设置为所述低电位电极，而所述检测器采用电子检测器。

在本发明的光离子化传感器元件中，所述紫外线灯内惰性气体的成份可以为40％氦气、30％氩气和30％氪气。

在本发明的光离子化传感器元件中，光学窗口的材料可以选自由氟化锂(LiF)、氟化镁(MgF₂)、氟化钙(CaF₂)和氟化钡(BaF₂)组成的组。

在本发明的光离子化传感器元件中，所述第一测量电极和所述第一偏置电极中低电位电极的材料可以是不锈钢。

在本发明的光离子化传感器元件中，所述第一测量电极和所述第一偏置电极中低电位电极的受光表面的宽度可以在0.2-2mm的范围内。

依照本发明的另一方面，提供了一种光离子化检测器。该光离子化检测器包括：

上述本发明的光离子化传感器元件；

灯驱动电路，用于为所述驱动电极提供所述高压交流信号；

至少一个偏置电路，用于至少为所述第一偏置电极提供一偏置电压；

至少一个测量电路，用于根据所述第一测量电极吸收的粒子数，提供第一测量信号；

微处理器，它与所述灯驱动电路、所述至少一个偏置电路、所述至少一个测量电路相连，用于根据所述至少一个测量电路提供的第一测量信号，提供检测结果；

其中，所述微处理器还被构造成用于控制所述灯驱动电路对所述驱动电极施加的足够大高压交流信号，以便从所述低电位电极的表面溢出的电子数量足以与堆积在所述低电位电极附近三维空间内的正离子复合，从而消除因正离子堆积而引起的浓度测量饱和现象，并且

所述第一测量信号还依赖于从所述低电位电极的表面溢出的电子数量。

在本发明的光离子化检测器使用两个测量电极的方案中，所述至少一个测量电路可以包括第一和第二测量电路，其中所述第一测量电路用于根据所述第一测量电极吸收的粒子数，提供第一测量信号，所述第二测量电路用于根据所述第二测量电极吸收的粒子数，提供第二测量信号。另外，所述微处理器可以用于先启动所述第二测量电路，当第二测量信号大于一预定阈值时，所述微处理器关断所述第二测量电路，启动第一测量电路。较佳地，所述第一测量电路和所述第二测量电路可以由单个测量电路来实现，并且所述微处理器可以被构造成通过控制所述单个测量电路与所述第一测量电极的连接来启动所述第一测量电路，并通过控制所述单个测量电路与所述第二测量电极的连接来启动所述第二测量电路。另外，所述微处理器还可以用于先处理第二测量电路提供的第二测量信号，当第二测量信号大于一预定阈值时，处理第一测量电路提供的第一测量信号。

在本发明的光离子化传感器元件使用两个偏置电极的方案中，所述至少一个偏置电路可以包括第一和第二偏置电路，其中所述第一偏置电路为所述第一偏置电极提供偏置电压，而所述第二偏置电路为所述第二偏置电极提供偏置电压。另外，所述微处理器可以用于先启动所述第二偏置电路，当第一测量信号大于一预定阈值时，所述微处理器关断所述第二偏置电路，启动第一偏置电路。较佳地，所述第一偏置电路和所述第二偏置电路可以由单个偏置电路来实现，并且所述微处理器可以被构造成通过控制所述单个偏置电路与所述第一偏置电极的连接来启动所述第一偏置电路，并通过控制所述单个偏置电路与所述第二偏置电极的连接来启动所述第二偏置电路。另外，所述微处理器还可以用于先处理第二测量电路提供的第二测量信号，当第二测量信号大于一预定阈值时，处理第一测量电路提供的第一测量信号。

在本发明的光离子化检测器中，所述高压交流信号的电压可以在500-2000伏的范围内，频率可以在100-900KHz的范围内，电流可以在10-200毫安的范围内。较佳地，所述高压交流信号的电压为1000伏，频率为100KHz，电流为50mA，所述驱动电路的输出功率在50％以上。

依照本发明的再一个方面，提供了一种用光离子化检测器检测气体浓度的方法。该方法包括下述步骤：

提供上述本发明的的光离子化检测器；

所述微处理器控制所述灯驱动电路对紫外线灯的驱动电极施加高压交流信号，产生紫外光；

所述紫外光透过紫外线灯的光学窗口，使离子化室内的被检测气体离子化，产生正离子和电子；

所述至少一个测量电路根据所述第一测量电极接收到的粒子数，提供第一测量信号；

所述微处理器根据所述第一测量信号，计算出所述气体的浓度检测结果；

其中，所述方法还包括所述微处理器调节所述高压交流信号，以便所述紫外线灯产生足够强度的紫外光，所述具有足够强度的紫外光使得从所述低电位电极的表面溢出的电子数量足以与堆积在所述低电位电极附近三维空间内的正离子复合，从而消除因正离子堆积而引起的浓度测量饱和现象，并且

所述第一测量信号依赖于从所述低电位电极表面溢出的电子的数量。

在本发明的方法中，在光离子化检测器使用两个测量电路的情况下，所述微处理器可以先启动所述第二测量电路，当第二测量信号大于一预定阈值时，所述微处理器关断所述第二测量电路，启动第一测量电路。较佳地，所述第一测量电路和所述第二测量电路可以由单个测量电路来实现，并且所述微处理器可以通过控制所述单个测量电路与所述第一测量电极的连接来启动所述第一测量电路，并通过控制所述单个测量电路与所述第二测量电极的连接来启动所述第二测量电路。

在本发明的方法中，在光离子化检测器使用两个偏置电路的情况下，所述微处理器先启动所述第二偏置电路，当第一测量信号大于一预定阈值时，所述微处理器关断所述第二偏置电路，启动第一偏置电路。较佳地，所述第一偏置电路和所述第二偏置电路可以由单个偏置电路来实现，并且所述微处理器可以通过控制所述单个偏置电路与所述第一偏置电极的连接来启动所述第一偏置电路，并通过控制所述单个偏置电路与所述第二偏置电极的连接来启动所述第二偏置电路。

在本发明的方法中，所述高压交流信号的电压可以在500-2000伏的范围内，频率可以在100-900KHz的范围内，电流可以在10-200毫安的范围内。较佳地，所述高压交流信号的电压可以为1000伏，频率可以为100KHz，电流可以为50mA，所述驱动电路的输出功率可以在50％以上。

附图说明

图1示出了传统PID的电路方框图；

图2示出了传统PID传感器元件的分解透视图；

图3示出了本发明一实施例的PID的电路方框图；

图4示出了依照本发明一实施例具有两个离子检测器的PID的一部分的透视图；

图5示出了依照本发明另一实施例具有两个离子检测器的PID的一部分的透视图；和

图6示出了在不同气体浓度下由第一和第二离子检测器测得的浓度值。

具体实施方式

以下结合附图，描述本发明的较佳实施例。在所有附图中，相同或相似的部件用相同的标号表示。

图3示出了依照本发明一实施例的PID的电路方框图。本发明PID的电路结构基本与传统PID的相同。所不同的是，本发明包括第一离子检测器49和第二离子检测器47。这两个离子检测器47和49共用一个偏置电极50，偏置电路54为公共偏置电极50提供正偏置电压，偏置电压可以从几伏到上百伏甚至几千伏。第二离子检测器47还可以包含第二测量电极51、UV防护板62和第二测量电路55。其中，第二测量电路55通过第二测量电极51接收UV光子在离子化室36中撞击易挥发性气体而产生的正离子。UV防护板62位于第二测量电极51和光学窗口34之间，它可以用不透紫外光的材料制成，用于防止UV光子照射到第二测量电极51上。第一离子检测器49还可以包括第一测量电极53和第一测量电路57。与第二离子检测器47类似，第一测量电路57通过第一测量电极53接收UV光子在离子化室36中撞击易挥发性气体而产生的正离子。但是，第一离子检测器49不包含UV防护板。

在本发明中，第二离子检测器47用于测量低浓度的易挥发性气体，第一离子检测器49用于测量高浓度的易挥发性气体。微处理器46可以将第一测量电路57和第二测量电路55提供的电流测量信号直接转换成易挥发性气体的浓度，而无需考虑因光电效应所产生的本底电流以及因正离子阻挡层所产生的饱和现象对浓度测量的影响。

以下，说明本发明第一离子检测器49和第二离子检测器47的工作原理。

在第二离子检测器47中，第二测量电路55测量得到的电流可以用下述公式(1)表示。

I_测＝I_浓+I_e  (1)

其中，I_测表示第二测量电路55测得的实际电流，I_浓表示接收正离子所产生的电流，I_e表示由光电效应产生的本底电流。I_浓正比于气体浓度C与UV光之强度的乘积。I_e正比于UV光的强度I_UV。由公式(1)可知，当I_浓很低时，I_e会影响浓度测量精度。由于本发明的第二离子检测器47包括UV防护板62，所以I_e＝0，消除了本底电流对浓度测量的影响。在本发明的一个实施例中，第二离子检测器47可用于测量浓度为1个ppb或更低的易挥发性有机气体。

传统观念一直将光电效应所产生的本底电流I_e视为气体浓度测量中的一项误差，并千方百计消除这一误差。即使在测量高浓度的气体时，也只是将本底电流I_e视为一可忽略的误差项。

但是，本申请的发明人发现，因光电效应而从测量电极表面溢出的电子会与电极附近的正离子复合。这种复合使得测量电极周围的一个三维空间对正离子也起着收集的作用，同时这一收集过程有效地降低了测量电极表面及附近的正离子堆积，恢复了被削弱的偏置电场，从而可以加速后续离子向测量电极的漂移，实现高浓度易挥发性气体的测量。

为此，本发明将第一离子检测器49设计成不包括UV光防护层，使第一测量电极53直接暴露于UV光的照射之下。相对于测量电极的材料，适当选择UV灯32内混合气体的成份以及光学窗口34的材料，以允许透过光学窗口34的UV光子具有足够的能量，从而当UV光子撞击第一测量电极53之表面时可以发生光电效应，致使电子从第一测量电极53表面溢出。另外，本发明可以利用微处理器调节施加在驱动电极片40和42上的高压AC信号，使UV灯32发出的UV光具有足够的强度，从而保证有足够量的电子从测量电极表面溢出。由于本发明将第一离子检测器49用于测量高浓度的易挥发性气体，所以如前所述，在第一测量电极附近会堆积一正离子阻挡层。另一方面，从第一测量电极53表面溢出的电子与正离子阻挡层中的正离子复合，降低了该正离子阻挡层的浓度，从而允许后续正离子向第一测量电极53漂移，实现了高浓度易挥性气体的浓度测量。

在第一离子检测器49中，电极表面溢出电子与电极附近正离子的复合使得原来的本底电流I_e等效于被复合的正离子的流量。因此，本发明不再将第一测量电路57所测电流中对应于本底电流I_e的那部分电流视为一误差量，而是将本底电流I_e视为对浓度测量有贡献的部分。在本发明中，第一测量电路57将实际测量得到的电流I_测提供给微处理器46，由微处理器46将电流值I_测转换成易挥发性有机气体的浓度。

图4和图5分别例示了本发明光离子化传感器中使用的两种电极结构。在图4的结构中，第一测量电极53、公共偏置电极50和第二测量电极51都平行于UV灯32的光学窗口34，并被布置在一个与光学窗口34平行的平面内。UV防护板62位于第二测量电极51和光学窗口34之间。虽然图4中偏置电极和测量电路呈片状，但这些电极也可以被设计为线状、阶梯状或叉指状。在图5的结构中，第一测量电极53、公共偏置电极50和第二测量电极51也都平行于UV灯32的光学窗口34，但它们沿垂直于光学窗口34的方向呈纵向分布。从光学窗口34开始沿纵向，依次为第一测量电极53、公共偏置电极50和第二测量电极51。UV防护板62(未示出)可以位于第二测量电极51和偏置电极50之间，也可以将偏置电极50和第一测量电极53中的至少一个设计成具有与第二测量电极相同的形状，并且采用不透紫外光的材料制成。图5中的偏置电极和测量电极呈片状环形，环内具有多个彼此隔开的平行电极条。这种结构即可以使电极具有足够大的表面积，又可以允许正离子向第二测量电极51漂移。显然，偏置电极和测量电极还可以采用其他允许正离子从中通过的形状。例如，电极环内可以是中空的电极网。

如前所述，本发明的光离子化传感器30包含二个离子检测器47和49，分别用于测量低浓度气体和高浓度气体的测量。在一个实施例，可以由操作员根据测量需要，通过微处理器46选择启动第二测量电路55或者第一测量电路57。在另一实施例中，可以将微处理器46编程为先启动第二测量电路55，当第二测量电路55的测量结果超过一预定阈值时，切换为启动第一测量电路57。当然，也可以将微处理器46编程为先处理第二测量电路55提供的测量信号，当第二测量电路55的测量结果超过一预定阈值时，切换为处理第一测量电路57的测量信号。

虽然为了便于说明，上述实施例都采用两个分立的测量电路，但是本发明也可以采用单个测量电路，并通过微处理器控制连接到第一和第二测量电极上。

在一实施例中，利用本发明的光离子化传感器测量浓度为0～20000ppm的异丁烯气体。UV灯管38内的充有低压(25Torr)惰性混合气体。光学窗口34采用MgF2材料制成，允许不大于10.6eV能量的UV光子通过。微处理器46调节施加在驱动电极片40和42上的高压AC信号，使UV灯32发出一定强度的UV光。在此实施例中，离子检测器48采用图4所示的电极结构。微处理器46控制偏置电路54，第一测量电路57和第二测量电路55，为偏置电极50提供70V的DC电压，并将第一测量电极53和第二测量电极51分别连接第一和第二测量电路。偏置电极和测量电极用不锈钢或其它金属或合金制成。图6示出了在一定UV光强下由第一和第二离子检测器测得的浓度值，其中曲线(1)表示气体的实际浓度与测量值之间的理想线性曲线，曲线(2)表示第二离子检测器测量值随实际被测气体浓度变化的曲线，曲线(3)表示第一离子检测器测量值随实际被测气体浓度变化的曲线。由于第二离子检测器47适用于测量低浓度气体，所以其浓度值可以视为现有技术的测量结果。由图6可知，随着被测气体浓度的增加，第二离子检测器47的测量值会出现饱和现象，即测量值不随被测气体浓度的增加而增加，甚至由于高浓度离子的阻挡效应而出现测量值随被测气体浓度增加反而减小的现象。其结果是导致测量值与实际值有较大误差。而第一离子检测器49的测量结果随着被测气体浓度的增加继续增加，并且仍然保持较好的线性，其测量值也更接近实际值。

在本发明中，当光离子化传感器用于测量高浓度气体时，为了保证在测量电极表面产生光电效应，需要根据测量电极的材料特性，适当选择UV灯32内混合气体的成份以及光学窗口34的材料。在一实施例中，测量电极采用不锈钢材料，混合气体成份采用40％氦气、30％氩气和30％氪气的混合物，光学窗口34可以由氟化锂(LiF)、氟化镁(MgF₂)、氟化钙(CaF₂)或氟化钡(BaF₂)等材料制成，这些光学窗口材料分别允许低于11.7eV、10.6eV、9.8eV和9.2eV能量的UV光子透过，透过的UV光子入射不锈钢的测量电极表面，产生光电效应。

另外，测量电极的形状以及紫外灯驱动电路44的驱动功率等参数会影响光电效应的强度。在另一实施例中，发明人对实际浓度值为20000ppm异丁烯的多个浓度点进行浓度测量。在该实施例中，在测量电极的宽度各为2mm宽度的状况下，控制驱动电路的驱动功率在0-100％的范围内变化，紫外灯的输出光强也随之在0-100％之间变化。实验发现，当灯的输出强度从小变大时，第一离子检测器的线性范围也随之增大。当灯的输出强度达到30％时，第一离子检测器的量程可轻松达到10000ppm(等效于异丁烯的浓度)，进一步提高驱动功率，第一检测器的量程可以扩展的20000ppm也没有饱和现象出现。紫外灯的驱动电压可以是500-2000伏的交流，例如500伏、800伏、1000伏、1500伏、2000伏等。频率范围一般在100-900KHz，也可以用更高频的射频进行驱动。驱动电流从10毫安到200毫安可调，例如10mA、50mA、100mA、150mA、200mA等均可。在一实施例中，发明人采用1000伏，100KHz，50mA的交流对紫外灯进行驱动。调节驱动电路输出功率在50％以上就可以很好的避免第一测量电极的饱和现象。

在又一个实施例中，发明人改变测量电极的形状。实验发现，在同样的驱动条件即相同的紫外光输出强度下，当电极的宽度由2mm变成一个0.2mm的细丝时，第一离子检测器的饱和状况就会提前出现，这时就需要增加紫外灯的驱动功率，以提高其光输出强度，从而使第一离子检测器的量程进一步向上扩展。可以理解，当驱动功率变大致使紫外灯的输出光强度也变大时，测量电极上的光电效应强度也随之变强，因此有效地改善了饱和现象。另一方面，当测量电极面积增大时，由于受光子辐射的面积变大，所以光电效应也相应地增强。因此，由于板状电极具有较大的有效受光面积，所以与丝状电极相比，板状电极可以更好地改善高浓度饱和现象。实验发现，为了有效地改善测量电流饱和现象，宜通过调整驱动功率将UV光的强度调节在50％以上的光输出范围内。而测量电极的宽度宜被控制在0.2到2mm的范围内。

尽管以上描述了本发明的较佳实施例，但本发明不仅限于此。本领域的熟练技术人员可以在以上描述的基础上进行各种变化和改变。例如，本发明的两个离子检测器无需共用一个偏置电极，而可以使用两个相互独立的离子检测器。又例如，可以用电子检测器代替离子检测器，并让负偏置电极暴露于真空紫外光中。于是，在偏置电极与测量电极之间形成一个从测量电极指向偏置电极的偏置电场。偏置电极附近的离子堆积效应也会被从其表面溢出的电子所减弱，从而减弱高浓度饱和现象，而此时的电子收集电极(即，测量电极)并不需要用UV防护板来遮挡紫外光的照射。因此，在使用电子检测器的情况下，只需单一检测器就可以对高、低浓度气体进行检测。

不脱离本发明精神的各种改变和变化都应落在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围由后附的权利要求书来限定。

Claims (38)

1.一种光离子化传感器元件，其特征在于，包括：

离子化室(36)，被构造成允许气体流入和流出；

紫外线灯(32)，其内部包含惰性气体并且具有一光学窗口(34)；

驱动电极(40，42)，它们位于紫外线灯(32)的外侧，用于对所述紫外线灯(32)施加高压交流信号，使紫外线灯(32)内的惰性气体发生辉光放电，产生紫外光，并且所述紫外光透过所述光学窗口(34)射入所述离子化室，使所述气体离子化；

检测器(48)，它位于所述离子化室(36)内，包含第一偏置电极(50)和第一测量电极(53)，所述第一偏置电极与第一偏置电路(54)相连，用于吸收具有一种电荷符号的粒子，所述第一测量电极与第一测量电路(57)相连，用于吸收具有相反电荷符号的粒子；

所述紫外线灯内惰性气体的成份、光学窗口的材料以及所述第一测量电极和所述第一偏置电极中低电位电极的材料被选择成，使得由紫外线灯产生并透过所述光学窗口的紫外光在射入到所述低电位电极的表面时产生光电效应，并且所述驱动电极(40，42)对所述紫外线灯(32)施加的所述高压交流信号的驱动功率使得从所述低电位电极的表面溢出的电子数量足以与堆积在所述低电位电极附近三维空间内的正离子复合，消除因正离子堆积而引起的浓度测量饱和现象，

其中，所述第一测量电极和所述第一偏置电极中低电位电极的受光表面的宽度在0.2-2mm的范围内。

2.如权利要求1所述的光离子化传感器元件，其特征在于，还包括第二测量电极(51)和一紫外光防护板(62)，其中所述第二测量电极(51)与第二测量电路(55)相连，用于吸收具有所述相反电荷符号的粒子，所述紫外光防护板位于所述第二测量电极和紫外线灯的光学窗口之间，用于防止紫外光入射到第二测量电极的表面上，并且所述第一偏置电极具有正偏置电压，所述第一和第二测量电极为所述低电位电极，所述检测器为离子检测器。

3.如权利要求2所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一偏置电极、所述第一测量电极和所述第二测量电极位于同一平面内，并且所述平面平行于所述紫外线灯的光学窗口。

4.如权利要求3所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一偏置电极、所述第一测量电极和所述第二测量电极的形状选自下述形状：片状，线状、阶梯状和叉指状。

5.如权利要求2所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一偏置电极、所述第一测量电极和所述第二测量电极分别平行于所述紫外线灯的光学窗口，并且沿垂直于所述光学窗口的方向分布，所述偏置电极和所述测量电极的排列顺序根据离开所述紫外线灯之光学窗口的距离，由近到远依次为第一测量电极、第一偏置电极和第二测量电极，所述紫外光防护板位于所述第二测量电极和所述第一测量电极之间，所述第一偏置电极和所述第一测量电极具有允许离子化气体通过的通道。

6.如权利要求5所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一偏置电极、所述第一测量电极、所述第二测量电极和紫外光防护板具有相同的形状结构。

7.如权利要求6所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一偏置电极、第一测量电极、所述第二测量电极和紫外光防护板呈片状，电极中心具有多个平行狭缝，以允许离子化气体从中通过。

8.如权利要求6所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一偏置电极、所述第一测量电极、所述第二测量电极和所述紫外光防护板呈片状，电极中心呈网状，以允许离子化气体从中通过。

9.如权利要求5-8中任何一项所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一偏置电极和所述第一测量电极中的至少一个构成所述紫外光防护板。

10.如权利要求2所述的光离子化传感器元件，其特征在于，还包括第二偏置电极，所述第二偏置电极与第二偏置电路相连，用于吸收具有所述电荷符号的粒子，并且所述第二偏置电极具有正偏置电压。

11.如权利要求1所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一偏置电极为所述低电位电极，所述检测器是电子检测器。

12.如权利要求11所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一测量电极和所述第一偏置电极位于同一平面内，并且所述平面平行于所述紫外线灯的光学窗口。

13.如权利要求12所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一测量电极和所述第一偏置电极的形状选自下述形状：片状，线状、阶梯状和叉指状。

14.如权利要求11所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一测量电极和所述第一偏置电极分别平行于所述紫外线灯的光学窗口，并且沿垂直于所述光学窗口的方向分布，所述第一偏置电极和所述第一测量电极具有允许离子化气体通过的通道。

15.如权利要求14所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一测量电极和所述第一偏置电极具有相同的形状结构。

16.如权利要求15所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一测量电极和第一偏置电极呈片状电极，电极中心具有多个平行狭缝，以允许离子化气体从中通过。

17.如权利要求15所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一测量电极和所述第一偏置电极呈片状电极，电极中心呈网状，以允许离子化气体从中通过。

18.如权利要求1-8和10-17中任何一项所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述紫外线灯内惰性气体的成份为40％氦气、30％氩气和30％氪气。

19.如权利要求1-8和10-17中任何一项所述的光离子化传感器元件，其特征在于，光学窗口的材料选自由氟化锂(LiF)、氟化镁(MgF₂)、氟化钙(CaF₂)和氟化钡(BaF₂)组成的组。

20.如权利要求1-8和10-17中任何一项所述的光离子化传感器元件，其特征在于，所述第一测量电极和所述第一偏置电极中低电位电极的材料是不锈钢。

21.一种光离子化检测器，其特征在于，包括：

如权利要求1-20中任何一项所述的光离子化传感器元件；

灯驱动电路(44)，用于为所述驱动电极提供所述高压交流信号；

至少一个偏置电路，用于至少为所述第一偏置电极提供一偏置电压；

至少一个测量电路，用于根据所述第一测量电极吸收的粒子数，提供第一测量信号；

微处理器，它与所述灯驱动电路、所述至少一个偏置电路、所述至少一个测量电路相连，用于根据所述至少一个测量电路提供的第一测量信号，提供检测结果；

其中，所述微处理器还被构造成用于控制所述灯驱动电路对所述驱动电极施加的高压交流信号的驱动功率，以便从所述低电位电极的表面溢出的电子数量足以与堆积在所述低电位电极附近三维空间内的正离子复合，从而消除因正离子堆积而引起的浓度测量饱和现象，并且

所述第一测量信号还依赖于从所述低电位电极的表面溢出的电子数量。

22.如权利要求21所述的光离子化检测器，其特征在于，所述光离子化传感器元件是如权利要求2-10中任何一项所述的光离子化传感器元件，并且所述至少一个测量电路包括第一和第二测量电路，其中所述第一测量电路用于根据所述第一测量电极吸收的粒子数，提供第一测量信号，所述第二测量电路用于根据所述第二测量电极吸收的粒子数，提供第二测量信号。

23.如权利要求22所述的光离子化检测器，其特征在于，所述微处理器用于先启动所述第二测量电路，当第二测量信号大于一预定阈值时，所述微处理器关断所述第二测量电路，启动第一测量电路。

24.如权利要求23所述的光离子化检测器，其特征在于，所述第一测量电路和所述第二测量电路由单个测量电路来实现，并且所述微处理器被构造成通过控制所述单个测量电路与所述第一测量电极的连接来启动所述第一测量电路，并通过控制所述单个测量电路与所述第二测量电极的连接来启动所述第二测量电路。

25.如权利要求22所述的光离子化检测器，其特征在于，所述微处理器用于先处理第二测量电路提供的第二测量信号，当第二测量信号大于一预定阈值时，处理第一测量电路提供的第一测量信号。

26.如权利要求22所述的光离子化检测器，所述光离子化传感器元件是如权利要求10所述的光离子化传感器元件，并且所述至少一个偏置电路包括第一和第二偏置电路，其中所述第一偏置电路为所述第一偏置电极提供偏置电压，而所述第二偏置电路为所述第二偏置电极提供偏置电压。

27.如权利要求26所述的光离子化检测器，其特征在于，所述微处理器用于先启动所述第二偏置电路，当第一测量信号大于一预定阈值时，所述微处理器关断所述第二偏置电路，启动第一偏置电路。

28.如权利要求27所述的光离子化检测器，所述第一偏置电路和所述第二偏置电路由单个偏置电路来实现，并且所述微处理器被构造成通过控制所述单个偏置电路与所述第一偏置电极的连接来启动所述第一偏置电路，并通过控制所述单个偏置电路与所述第二偏置电极的连接来启动所述第二偏置电路。

29.如权利要求26所述的光离子化检测器，其特征在于，所述微处理器用于先处理第二测量电路提供的第二测量信号，当第二测量信号大于一预定阈值时，处理第一测量电路提供的第一测量信号。

30.如权利要求21-29中任何一项所述的光离子化检测器，其特征在于，所述高压交流信号的电压在500-2000伏的范围内，频率在100-900KHz的范围内，电流在10-200毫安的范围内。

31.如权利要求30所述的光离子化检测器，其特征在于，所述高压交流信号的电压为1000伏，频率为100KHz，电流为50mA，所述驱动电路的输出功率在50％以上。

32.一种用光离子化检测器检测气体浓度的方法，其特征在于，包括下述步骤：

提供如权利要求21所述的光离子化检测器；

所述微处理器控制所述灯驱动电路对紫外线灯的驱动电极施加高压交流信号，产生紫外光；

所述紫外光透过紫外线灯的光学窗口，使离子化室内的被检测气体离子化，产生正离子和电子；

所述至少一个测量电路根据所述第一测量电极接收到的粒子数，提供第一测量信号；

所述微处理器根据所述第一测量信号，计算出所述气体的浓度检测结果；

其中，所述方法还包括所述微处理器调节所述高压交流信号的驱动功率，以便所述紫外线灯产生足够强度的紫外光，所述具有足够强度的紫外光使得从所述低电位电极的表面溢出的电子数量足以与堆积在所述低电位电极附近三维空间内的正离子复合，从而消除因正离子堆积而引起的浓度测量饱和现象，并且

所述第一测量信号依赖于从所述低电位电极表面溢出的电子的数量。

33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述光离子化检测器是如权利要求22所述的光离子化检测器，并且

所述方法还包括下述步骤：所述微处理器先启动所述第二测量电路，当第二测量信号大于一预定阈值时，所述微处理器关断所述第二测量电路，启动第一测量电路。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述第一测量电路和所述第二测量电路由单个测量电路来实现，并且所述微处理器通过控制所述单个测量电路与所述第一测量电极的连接来启动所述第一测量电路，并通过控制所述单个测量电路与所述第二测量电极的连接来启动所述第二测量电路。

35.如权利要求32所述的方法，所述光离子化检测器是如权利要求26所述的光离子化检测器，并且

所述方法还包括下述步骤：所述微处理器先启动所述第二偏置电路，当第一测量信号大于一预定阈值时，所述微处理器关断所述第二偏置电路，启动第一偏置电路。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述第一偏置电路和所述第二偏置电路由单个偏置电路来实现，并且所述微处理器通过控制所述单个偏置电路与所述第一偏置电极的连接来启动所述第一偏置电路，并通过控制所述单个偏置电路与所述第二偏置电极的连接来启动所述第二偏置电路。

37.如权利要求32-36中任何一项所述的方法，其特征在于，所述高压交流信号的电压在500-2000伏的范围内，频率在100-900KHz的范围内，电流在10-200毫安的范围内。

38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述高压交流信号的电压为1000伏，频率为100KHz，电流为50mA，所述驱动电路的输出功率在50％以上。

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