CN103080728A

CN103080728A - 测量多个波长处的吸收的光学探头

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Publication number: CN103080728A
Application number: CN2011800429933A
Authority: CN
Inventors: F·勒维尔萨特; M·休伯特; S·逖斯兰德; L·洛克斯
Original assignee: Silios Technologies SA
Current assignee: Silios Technologies SA
Priority date: 2010-07-19
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2013-05-01
Also published as: EP2596333A1; FR2962805B1; JP2013534638A; WO2012010748A1; US20130194576A1; FR2962805A1; CA2805205C; CA2805205A1

Abstract

本发明涉及一种光学探头，包括：第一单元C1，该第一单元包括第一发射模块LED1以及能产生第一检测信号的第一检测模块D1；第二单元C2，该第二单元包括能产生第一发射模块LED1的第一监测信号的第二检测模块D2；借助第一监测信号对第一检测信号进行加权由此产生第一测量信号的控制电路。此外，第二单元C2包括第二发射模块LED2，第二检测模块D2能产生第二检测信号，且第一检测模块D1能产生第二发射模块LED2的第二监测信号。

Description

测量多个波长处的吸收的光学探头

本发明涉及测量多个波长处的吸收的光学探头。

本发明的领域涉及通过光谱测定来分析可以是气体或液体的流体介质的吸收。

这样的分析通过光学探头执行，该光学探头包括具有发射模块与检测模块的分析单元。发射模块包括位于透射窗背后的光源，该透射窗位于该发射模块的主体上。可能的情况下，滤波器被设在光源与窗之间（单色分析或准单色分析）。检测模块包括位于窗孔背后的检测器，该窗孔位于该检测模块的主体上。在可能的情况下，滤波器被设在窗孔与检测器之间。待分析的介质位于发射模块与检测模块之间。

已知分析分两个阶段执行。在第一阶段，校准包括在基准介质上执行吸收测量。在第二阶段，确切的测量包括对待分析的临界介质执行相同的操作。临界介质的吸收被基准介质的吸收加权。

可发现，发射模块在其使用寿命期间经受不停增大的各种偏移。尤其可注意到：

-临界介质的温度变化，

-发射光源的功率变化，

-由该光源发射的光束的角度剖面变化，

-发射光谱变化，

-光噪音的出现与增加。

这些偏移不受控制且通常以随机方式产生。不可能估算出这些偏移变得足够大以干扰分析的时刻。然而，这些偏移中的每个需要都重新校验，才能完成在相同条件下在基准介质和临界介质上进行的测量。校验因此应该周期性地重复且不用多言涉及严格的约束条件。

因此，文献FR2939894提出测量吸收的光学探头，其包括第一单元或分析单元，该第一单元包括发射模块以及能够产生检测信号的检测模块。该光学探头还包括能够产生监测信号的第二单元或监测单元，该监测单元被布置在把发射模块连接到检测模块的光路上。

当涉及对单个波长执行分析时，该探头已足够。相对而言，当需要分析多个波长时，必须提供用于各波长的探头。

本发明的目的因此在于允许通过两个单元测量多个波长处的吸收的光探头。

按照本发明，光学探头包括：

-第一单元，包括第一发射模块和能够产生第一检测信号的第一检测模块，

-第二单元，包括能够产生第一发射模块的第一监测信号的第二检测模块，

-控制电路，通过第一监测信号对第一检测信号进行加权，产生第一测量信号；

此外，第二单元包括第二发射模块，第二检测模块能够产生第二检测信号，且第一检测模块能够产生第二发射模块的第二监测信号。

通常，单元各自呈现具有主动表面的密封主体的形式。

更好地，单元分别被布置在位于单元的主动表面上的窗孔后面。

按照附加的特征，检测模块中的每个检测模块被放置在与相应的窗孔邻近的局部反光板后面。

优选地，检测器都是相同的。

此外，单元由连接装置连接，这些单元的主动表面相互面对。

举例而言，第一测量信号Qm等于检测信号与监视信号的比率。

更好地，控制电路把以下值存储在存储器中：

-基准测量值Qr，

-基准吸收Ar，

-特征长度Lc，

词语Ln意思是自然对数，

该控制电路产生由以下表达式得出的吸收值Am：

Am=Ar-(Ln(((Qm-Qr)/Qr)+1)/Lc)。

优选地，控制电路具有温度补偿。

例如，温度补偿借助于两个常数K1和K2、校准温度θ₀以及实现测量的温度θ，基于以下表达式实现：

Qm(θ)/Qr(θ₀)=exp((Ar-Am).Lc).(θ+Κ1)/(θ₀+Κ1).(θ₀+Κ2)/(θ+Κ2)。

按照一实施变型，发射模块之一包括照射检测模块的两个光源，这两个光源通过局部反光板而面对检测模块。

通过参考附图在对以示例方式给出的实施例的描述中，本发明将显得更加清楚，在附图中：

-图1，测量吸收的光学探头的透视图，

-图2，该光学探头的机械安装的剖面示意图，特别地：

·图2a，第一选择方案，

·图2b，第二选择方案，

-图3，该光学探头的电路安装原理的示意图，以及

-图4，该光学探头的变型的剖面示意图。

存在于多个附图中的元件被赋予单独且一致的标号。

参考图1，光学探头具有两不同的元件，第一单元C1和第二单元C2。在目前的示例中，这两个单元各自具有柱形主体，其通过在此呈上梁L1和下梁L2形状的连接装置连接。该连接如此实现使得两柱形主体保持共轴。这两个主体的相对表面此后被命名为主动表面。自然地，待分析的介质存在于这两个主动表面之间。

参考图2a，按照第一选择，第一单元C1主要包括第一发射模块LED1（例如电致发光二极管）以及第一检测模块D1。

这两个第一模块LED1、D1位于第一窗孔H1背后，该窗孔体现出第一单元C1的主动表面。根据该光源的性质，可能必须在光源与窗孔H1之间提供带通滤波器。如果发射模块是具有相对较窄发射光谱的电致发光二极管，则滤波器不总是必需的。

第一检测模块包括第一检测器D1，该检测器被设在该第一窗孔H1的背后，靠近第一发射模块LED1。第一局部反光板PR1被插入第一窗孔H1和第一检测器D1之间。该局部反光板还可与窗孔合并。

类似地，第二单元C2包括第二发射模块LED2和第二检测模块D2。

这两个第二模块LED2、D2被设在第二窗孔H2背后，该窗孔体现出第一单元C2的主动表面。

第二检测模块包括第二检测器D2，第二检测器D2位于该第二窗孔H2后，靠近第二发射模块LED2。第二局部反光板PR2被插入第二窗孔H2和第二检测器D2之间。

由于待分析的介质是流体，所以单元C1、C2显然是密封的。这些单元因此在与其主动表面相对的一侧分别具有壁。

以上介绍隐含地认为，这些单元的主体对用于分析的辐射是不透明的。不用把其视作对本发明的限定，本发明还能应用在该主体对该辐射透明的情况。因此应当理解，术语窗孔应理解为最宽泛的范围，也就是说透明表面。

优选地，为了优化探头的性能，第二检测器D2等同于第一检测器D1。类似地，两个窗孔H1、H2具有相同的性质。

因此探头的机械布置使得来自第一发射模块LED1的光束依次穿过第一窗孔H1、待分析的介质、然后是第二窗孔H2。该光束随后到达第二局部反光板PR2，在该反光板上，光束部分地传输至第二检测器D2并部分地朝向第一窗孔H1反射，以便最后穿过第一局部反光板PR1并到达第一检测器D1。

类似地，来自第二发射模块LED2的光束依次穿过第二窗孔H1、待分析的介质、然后是第一窗孔H1。该光束然后到达第一局部反光板PR1，在该反光板上，光束部分地传输至第一检测器D1而部分地朝向第二窗孔H2反射，以便最后穿过第二局部反光板PR2并到达第二检测器D2。

在此，窗孔H1、H2基本垂直于探头的轴线。允许两个检测器D1、D2各自被两个发射模块LED1、LED2的配置是通过把检测器设置为平行于探头的轴线并使发射模块相对于该轴线倾斜而获得的。

因此，第二检测器D2被插入把第一发射模块LED1与第一检测器D1相连的光路上。类似地，第一检测器D1被插入把第二发射模块LED2与第二检测器D2相连的光路上。

参考图3，现将详细说明光学探头的电路安装，以及测量在第一检测器D1的接收光带中的吸收的方式，并假设唯有第一发射模块LED1被激活。

控制电路CC接收：

-第一检测器D1的第一检测信号DS1，

-第二检测器D2的第一监测信号MS1。

控制电路CC产生吸收系数A或允许获得该系数的任何中间值。

现在采用以下标注：

-I0，由第一发射模块LED1发射的强度，

-I1，由第一检测器D1接收的强度，以第一检测信号DS1表示，

-I2，由第二检测器D2接收的强度，以第一监测信号MS1表示，

-R，第二窗孔H2的反射系数，

-T，该第二窗孔H2的透射系数，

-G2，第一发射模块LED1与第二窗孔H2之间的衰减系数，

-G1，第一发射模块LED1与第一窗孔H1之间的衰减系数，

-Lc，两窗孔H1、H2之间的距离，

-A，吸收系数，更特别地，在基准介质中该系数为Ar（由控制电路CC存储），以及在待分析的介质中该系数为Am，

-exp，指数函数，以及

-Ln，自然对数。

衰减系数考虑到检测器不接收在其方向发射的所有光通量的事实。因此衰减系数取决于几何特性，而不取决于吸收系数，吸收系数则取决于被分析的介质的物理化学性质。

由第二检测器接收的强度等于：

I2=I0.T.G2.exp(-A.Lc)

由第一检测器接收的强度等于：

I1=I0.R.G1.exp(-2A.Lc)

在此最好强调，为了优化探头的灵敏度，第二窗孔H2因此可被设计为使得这两个强度I2和I1是相同的量级。该窗孔的局部反射可以不同的方式、尤其通过以下方式获得：

-具有精细厚度的金属涂层，

-不透明的反光金属层，其中布置有棋盘、线状等的开口；

-具有中央开口的镜面，

-介质镜；

-局部覆盖该窗孔的镜面。

因此把测量值Q定义为由第一检测器D1接收的强度与由第二检测器D2接收的强度之比：

Q=I1/I2

Q=((R.G1)/(T.G2)).exp(-A.Lc)

表达式(R.G1)/(T.G2)是等于K的常量：

Q=K.exp(-A.Lc)

可发现唯有两窗孔H1、H2之间的距离Lc起作用，因此其成为光学探头的特征长度。

该特征长度Lc由控制电路CC存储。

在基准介质中的校准给出基准测量值Qr:

Qr=K.exp(-Ar.Lc)

该基准测量值也由控制电路CC存储。

在待分析的介质中的测量给出测量信号Qm：

Qm=K.exp(-Am.Lc)

随后得出：

(Qm-Qr)/Qr=exp((Ar-Am).Lc)-1

控制电路由此产生希望得到的吸收系数Am：

Am=Ar-(Ln(((Qm-Qr)/Qr)+1)/Lc) [1]

还有用来获得待分析的介质的吸收系数Am的其它方法。例如，直接计算测量信号Qm与基准测量值Qr之比：

Qm/Qr=exp((Ar-Am).Lc)从中可得:

Am=Ar–(Ln(Qm/Qr)/Lc) [2]

等式[1]和[2]相同，本发明针对从以上阐述的原理推导出的所有方案。

在可能的情况下可以提供温度补偿，以便考虑到校验与确切的测量不在相同的温度下进行。

假设强度根据温度θ而线性变化，这些变化通过四个常量α、β、χ和δ而被量化：

现在，由第二检测器D2接收的强度等于：

I2(θ)=I0.T.G2.exp(-A.Lc).(χθ+δ) [3]

由第一检测器接收的强度等于：

I1(θ)=I0.R.G1.exp(-2A.Lc).(αθ+β) [4]

测量值Q(θ)总是等于第一检测器D1接收的强度与第二检测器D2接收的强度之比：

Q(θ)=I1(θ)/I2(θ)

Q(θ)=K.exp(-A.Lc).(αθ+β)/(χθ+δ)

然后在基准介质中执行校准，知道该基准介质在校准温度θ₀下的吸收：

Q(θ₀)=K.exp(-Ar.Lc).(αθ₀+β)/(χθ₀+δ)

在温度θ下在待分析的介质中的测量给出测量信号Qm(θ)：

Qm(θ)=K.exp(-Am.Lc).(αθ+β)/(χθ+δ)

从中得出:

Qm(θ)/Qr(θ₀)=exp((Ar-Am).Lc).(αθ+β)/(χθ+δ).(χθ₀+δ)/(αθ₀+β)

Qm(θ)/Qr(θ₀)=exp((Ar-Am).Lc).(θ+β/α)/(θ₀+β/α).(θ₀+δ/χ)/(θ+δ/χ)

β/α和δ/χ的确定由实验方式进行。对于吸收不随温度变化的液体，可通过两个常量a和b确立由第一检测器D1接收的强度I1(θ)随温度θ的特征变化。

I1(θ)=aθ+b

通过与等式[4]一起标记该等式，得到：

a=I0.R.G1.exp(-2A.Lc).α

b=I0.R.G1.exp(-2A.Lc).β

可从中方便地推导出比值K1=β/α，该比值等于比值b/a。

随后以相同的方式进行确立由第二检测器D2接收的强度I2(θ)根据温度θ的特征变化，从而获得比值K2=δ/χ。

表征温度变化的这两个比值K1与K2被存储在控制电路CC中，都作为校准温度θ₀。此外，传感器（未示出）告知该控制电路CC关于进行测量时所处的温度θ。

本领域技术人员可很好地理解，两个单元C1、C2是对称的。因此，无需详细说明在第二检测器D2的接收带中测量吸收的方式，该测量现在假设唯有第二发射模块LED2被激活的情况下进行。

为了在每个检测器上测量吸收，必须避免两个发射模块同时作用于这些检测器。

第一种方案旨在顺次激活这些发射模块。

第二种方案旨在根据两个不同的频率调节这些发射模块。分别与这些频率之一调谐的探测器，因此被用来同步检测，这是本领域技术人员已知的技术。

通常，这些检测器被集中在两个不同波长。如果存在相同光谱响应则本发明也能应用，这将产生冗余。

参考图2b，按照第二选择，通过使窗孔H1、H2相对于探头的轴线倾斜并通过把两个检测器D1、D2以及两个发射模块LED1、LED2设置为平行于该轴线，获得所要求的几何配置。参考图2a所作的描述可不加修改地应用。

参考图4，描述探头的变型，该变型允许进一步增加光谱范围。

如同参考图2b所描述的第二选择那样设置第一单元C1。

第二单元C2还包括与前面描述相同的第二检测模块D2，但现在第二发射模块不同。

这两个第二模块总是被设置在第二窗孔H2后面。

现在，第二发射模块由照射半反光片SR的第一光源SEa和第二光源SEb构成。安装的几何结构使得来自第一光源SEa的光束穿过半反光片SR以便到达第一检测器D1，而来自第二光源SEb的光束由该半反光片SR反射，总是朝向第一检测器D1。

通常，两个光源被集中在两个不同波长上。如果这些光源发射相同光谱，则本发明同样可以应用，这允许应付光源之一的故障。

因此，如果两个光源被集中在两个不同波长，则在此还应该避免同时为其供电。

本发明的光学探头通过把临界介质的光学特性与基准介质的光学特性相比较来实现吸收的测量。

在运行该探头之前已一劳永逸地实现校准，这是因为监测单元允许免除前面介绍中提到的不同漂移。在可能的情况下可不时地执行校准，这仅是出于安全性原因。

本发明的额外优点在于两个单元可以是相同的。从而导致探头的子组件的数量大大减少，这有利于制造。

上面给出的本发明的实施例是根据其具体特性而选择的。然而，不可能穷尽地列举本发明涵盖的所有实施方式。特别地，所描述的任何装置都可被等同的装置代替，只要不超出本发明的范围。

Claims

1.一种光学探头，包括：

-第一单元（C1），包括第一发射模块（LED1）和能够产生第一检测信号（DS1）的第一检测模块（D1），

-第二单元（C2），包括能够产生第一发射模块（LED1）的第一监测信号（MS1）的第二检测模块（D2），

-控制电路（CC），通过所述第一监测信号（MS1）对第一检测信号（DS1）进行加权，产生第一测量信号（Qm1），

其特征在于，所述第二单元（C2）包括第二发射模块（LED2、SR-SEa-SEb），所述第二检测模块（D2）能够产生第二检测信号，并且所述第一检测模块（D1）能够产生所述第二发射模块（LED2、SR-SEa-SEb）的第二监测信号。

2.根据权利要求1所述的光学探头，其特征在于，所述单元（C1、C2）各自呈现具有主动表面的密封主体的形式。

3.根据权利要求2所述的光学探头，其特征在于，所述单元（C1、C2）分别被布置在位于单元的主动表面上的窗孔（H1、H2）后面。

4.根据权利要求3所述的光学探头，其特征在于，所述检测模块（D1、D2）中的每个检测模块被放置在与相应的窗孔（H1、H2）邻近的局部反光板（PR1、PR2）后面。

5.根据权利要求4所述的光学探头，其特征在于，所述检测器（D1、D2）是相同的。

6.根据权利要求5所述的光学探头，其特征在于，所述单元（C1、C2）由连接装置（L1、L2）连接，这些单元的主动表面相互面对。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光学探头，其特征在于，所述第一测量信号（Qm）等于所述检测信号（DS1）与所述监视信号（MS1）的比率。

8.根据权利要求7所述的光学探头，其特征在于，所述控制电路（CC）把以下值存储在存储器中：

-基准测量值Qr，

-基准吸收Ar，

-特征长度Lc，

词语Ln表示自然对数，

该控制电路产生由以下表达式得出的吸收值Am：

Am=Ar-(Ln(((Qm-Qr)/Qr)+1)/Lc)。

9.根据权利要求8所述的光学探头，其特征在于，所述控制电路（CC）具有温度补偿。

10.根据权利要求9所述的光学探头，其特征在于，所述温度补偿是借助两个常数K1和K2、校准温度θ₀以及实现测量的温度θ，基于以下表达式实现的：

Qm(θ)/Qr(θ₀)=exp((Ar-Am).Lc).(θ+Κ1)/(θ₀+Κ1).(θ₀+Κ2)/(θ+Κ2)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的光学探头，其特征在于，所述发射模块之一包括照射检测模块（D1）的两个光源（SEa、SEb），这两个光源（SEa、SEb）通过局部反光板（SR）而面对检测模块（D1）。