CN103299174A - 用于从光学吸收气体传感器中的led生成光脉冲的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测分析物气体的光学吸收气体传感器包括一个气体样本接收室、至少一个发光二极管(LED)及一个光电二极管或其他光电传感器。通过将电流脉冲传过该至少一个LED生成多个光脉冲。穿过该至少一个LED的电流在每个脉冲的过程中被多次测量并在生成一个补偿输出信号时被考虑在内。在每个脉冲过程中多次计算LED电流与光电二极管输出信号之间的传递比。ADC交替测量该LED及光电二极管电流。这些LED脉冲由电感器放电回扫生成，并且选择了在每个脉冲之前向该电感器供应电流的时间段，以便该光电二极管输出电流是在该ADC的输入范围内的最佳区域。至少测量该至少一个LED的温度并在生成该补偿输出信号时被考虑在内。因此，测量这些脉冲使能够提供一个容许温度变化的更简单、更低功率的电路，而不是提供对这些LED脉冲的特别仔细的控制。

Description

用于从光学吸收气体传感器中的LED生成光脉冲的装置及方法

发明领域

发明背景

本发明涉及采用LED(例如，红外LED)作为光源的光学吸收气体传感器领域。 

发明背景

光学吸收气体传感器包括一个光源和一个光检测器(光电传感器)二者。来自该光源的光被引导通过一个气体样本并被该光电传感器检测。该气体样本中的分析物气体的浓度可以由该分析物气体对光的吸收来确定。通常情况下，要么该光源将主要在与预期分析物的吸收线相对应的波长范围内发射光，要么该光电传感器将主要在与预期分析物的吸收线相对应的波长范围内对光敏感，或者是由于所采用的光敏换能器(例如，光电二极管)的固有属性，或者是由于仅选择包括该目标分析物的吸收波长的波长范围内的光的波长滤波器的存在。在本说明书和所附权利要求内，光指的是不考虑波长的电磁辐射，并包括例如在红外光谱区中的电磁辐射，因为在这个区域内许多分析物气体有很强的吸收线。 

发光二极管(LED)是价格低廉并且相对能效高的装置，所以它们普遍用作光学吸收气体传感器特别是预期小型且低成本的装置的光源。对于许多应用，一个带有红外光谱区中的峰值发射波长的LED是合适的。 

通常情况下，供应给光学吸收气体传感器中的LED的电流是脉冲调制的并且实际上LED的优势之一是它们可以被很容易地脉冲调制。采用脉冲调制的光源的原因有以下几个。首先，脉冲调制该光源在检测器处提供了一个信号，该信号被类似地脉冲调制并且所以可以通过已知的信号处理技术(如同步解调)很容易地从噪声及任何背景信号分离。其次，一个脉冲调制的光源消耗的能量比一个以相同峰值功率消耗连续发射光的光源要少。第三，对脉冲进行整形是已知的，以便于测量过程。此外，LED具有最大工作电流，大于该电流时该LED会由于该LED连续操作所产生的热量被损坏，并且脉冲调制允许更高的最大工作电流及因此比其他情况下更高的峰值光输出。 

一个复杂的事情是，来自LED的输出对温度(及其他因素)敏感。由于被测气体浓度是由光的衰减确定的，对LED输出的小影响可对被测气体浓度产生重大影响。二极管结的温度会不仅随着环境温度而且还随着脉冲模式而变化，并在单独的LED脉冲内。这提出了一个技术问题，因为必须控制或以某种方式来补偿此种随温度的变化。许多光电传感器也对温度及其他因素敏感。 

为了获得高的信噪比，通常优选的是光脉冲相对短但强度相对高。由于过多热量导致损坏的可能性，在最大电流与因此最大峰值发射的光强度和脉冲的持续时间之间有一个折中。然而，已知驱动LED的电路以提供带高信噪比和清晰的脉冲整形的短的光脉冲，需要复杂的控制电子装置并消耗大量的功率。 

相应地，本发明的目标是提供一种可替代的光学吸收气体传感器，它采用由LED生成的相对短的光脉冲，并由此不顾LED的温度变化获得准确的传感器输出同时最小化功率消耗。 

发明概述

根据本发明的一个第一方面，提供了一种操作用于检测分析物气体的光学吸收气体传感器的方法，该传感器包括：一个气体样本接收室；至少一个发光二极管(LED)；及一个光电传感器(例如，光电二极管)，该光电传感器具有对该光电传感器接收的光的量敏感的一个输出信号(例如，电流)，该方法包括通过将多个电流脉冲传过该至少一个LED来生成多个光脉冲，并在每个所述脉冲过程中多次测量穿过该至少一个LED的电流，并通过同时将该光电传感器输出信号及对穿过该至少一个LED的电流的该多次测量二者考虑在内而生成一个指示该气体样本接收室中的分析物气体的浓度的补偿信号。 

本领域普通技术人员将会认识到，可以通过直接测量电流或例如通过测量与电流相关的电位差(例如通过将电流传过一个电阻器并测量该电阻器上的电位差)来测量穿过该至少一个LED的电流。 

穿过LED的电流与该LED的光输出紧密相关，所以通过在每个脉冲过程中多次测量穿过该至少一个LED的电流，可以确定该光脉冲的形状特征(随时间变化强度)。因此，本发明涉及在脉冲过程中测量该光脉冲的形状或相关的属性，并在确定该补偿信号时将这些测量考虑在内，而不是只聚焦在控制该光脉冲的形状。这避免了对用来精确地控制每个脉冲的形状的复杂电子装置的需求，以及因此与复杂脉冲整形电路相关联的成本和功耗。 

光输出通常是穿过LED的电流的函数。通常情况下，这是一个线性函数，达到一个阈值之后就是非线性，或在大多数或基本上所有可使用的电流范围内都是非线性的。 

为了增加可用一个与电流之间的广泛的线性关系获得的最大光输出，可以采用多个LED。例如，它们可以被串联或并联连接。在这种情况下，通常可以测量穿过每个LED的电流。可以独立地测量穿过多个LED中的每个LED的电流，并且然后将每次电流测量考虑在内(例如，求和)，或者可以测量穿过串联和/或并联连接的多个LED的电流(例如，进入或流出一个电路的电流，该电路包括串联和/或并联连接的多个LED)。然而，该方法可以包括测量穿过该至少一个LED的电流并使用一个非线性函数或查询表计算与穿过该至少一个LED的光输出有关的值。这后一种方法对于该至少一个LED可能被脉冲调制到不是光输出的线性函数的电流的情况特别有用。 

优选地，该光电传感器输出信号(例如，穿过光电二极管的电流)也在每个所述脉冲过程中被多次测量。该光电传感器输出信号的该多次测量还可在产生该补偿信号时被考虑在内。 

因此，通过在每个脉冲过程中多次有效地采样穿过该至少一个LED的电流，可以得到有关每个脉冲的形状的信息(光强度vs时间的特征曲线)。例如，这可以使得能够比通过在一个单一的时刻测量电流或通过测量例如峰值电流获得的总光量进行对由该至少一个LED在一个脉冲过程中所发射的总光量更好的估算。因此，该方法可以包括从在该脉冲过程中穿过该至少一个LED的电流的多次测量估算在一个脉冲过程中的总光量。 

在该多个脉冲过程中可以交替(或同时)测量穿过该至少一个LED的电流及该光电传感器输出信号。 

可以使用模数转换器(ADC)测量穿过该至少一个LED的电流。该ADC可 以测量电阻器上的电位差，通过该电阻器电流被传过该至少一个LED。该光电传感器输出信号可以由一个ADC测量。可以使用一个单一的ADC来例如交替地测量穿过该至少一个LED的电流及该光电传感器输出信号。 

优选地，穿过该至少一个LED的电流以及(在适用的情况下)该光电传感器输出信号在每个脉冲过程中被测量至少10次或更优选地至少20次。 

该方法优选还包括测量该至少一个LED的温度(可选择地还有该光电传感器的温度，如果该光电传感器对温度敏感，例如如果该光电传感器是一个光电二极管)的步骤。在生成该补偿信号时，所测得的温度可能会被考虑在内。每单位电流生成的光的量将随温度变化，并且这使得生成的光的量能够被更准确地确定。在每个脉冲过程中，可以对该至少一个LED的温度进行多次测量。在生成该补偿信号时，该所述多次温度测量可以被考虑在内。 

该补偿信号可以是一个指示(例如，成比例)该光电传感器接收的光的值。该补偿信号可以是一个指示(例如，与其对数成比例)该气体样本接收室中的该分析物气体的浓度的值。 

该方法可以包括在一个脉冲过程中至少一次通常多次计算所测得的穿过该至少一个LED的电流与该光电传感器输出信号之间的比率。例如，可以在一个脉冲过程中多次计算测得的穿过该至少一个LED的最近或平均(例如，平均值)电流与最近或平均(例如，平均值)光电传感器输出信号(例如，来自光电二极管的电流)之间的比率。所述比率可以用来计算该补偿信号。 

该方法可以包括计算在一个脉冲过程中来自该至少一个LED的估算的总光 输出(从所述电流测量得到)与在该脉冲过程中由该光电二极管接收到的估算的总光量(来自该光电传感器输出电流的测量)之间的传递比，或者与所述传递比有关的一个参数。所述传递比或与其有关的参数可被用来计算该补偿信号。 

该方法可以包括对所测得的穿过该至少一个LED的电流及该光电传感器输出信号(例如，来自光电二极管的电流)的多次测量进行频域分析。例如，该方法可以包括用已知频率生成这些脉冲，并计算与所测得的穿过该至少一个LED的电流和/或一个或多个频带中的该光电传感器输出信号的能量相关的一个参数，例如一个频带包括基本频率(这些脉冲的频率)并且一个或多个频带包括基本频率的谐波(例如，从第一谐波开始的若干连续谐波，例如第一谐波、第二谐波和第三谐波)。 

可以通过断开到一个电感器的电流源并将来自该电感器(所得到的)的电流引导通过该至少一个LED(以及通常一个或多个其他组件如电阻器，通常还有一个开关或一个进一步的二极管，以防止反向电流流过该至少一个LED)来生成穿过该至少一个LED的电流的脉冲。 

LED电流脉冲的一个或多个属性(例如在一个脉冲过程中的最大电流或在一个脉冲过程中穿过该至少一个LED的总电荷)可能是依据在较早的LED电流脉冲过程中进行的对穿过该至少一个LED的电流的一次或多次测量而选择的。该一次或多次测量可以是例如在较早的脉冲过程中穿过该至少一个LED的峰值电流，或是穿过该至少一个LED的电流与在较早的脉冲过程中来自一次或多次测量的光电传感器输出信号之间的比率。 

可以通过确定由一个开关装置(如晶体管或MOSFET)向一个电感器供应电流的时间段来选择该一个或多个属性，该电感器在该开关装置限制(通常停止)向该电阻器的电流供应之前可操作地连接到(例如，串联连接)该至少一个LED。该用于向该电阻器供电的时间段确定该电阻器中存储的总能量以及由该电感器然后供给到该至少一个LED的电流的幅值。 

LED电流脉冲的一个或多个属性可能是依据该光电传感器输出信号的一次或多次测量选择的，以例如控制该光电传感器输出信号是相对于一个测量该光电传感器输出信号的ADC的动态范围。可以通过确定用于在该电流源被限制(通常停止)之前将电流传过电感器的时间段来选择该一个或多个属性，以驱动来自该电感器的电流穿过该至少一个LED。 

可以选择一个LED电流脉冲的该一个或多个属性以补偿一个所测得的属性，例如该至少一个LED或光电传感器的温度。可以选择一个LED电流脉冲的该一个或多个属性，以调节该光电传感器输出信号的幅值，以例如将该光电传感器输出信号或由其衍生的一个放大信号保持在一个ADC的动态范围的优选区域内，以例如最小化量化效果或避免该光电传感器输出信号或由其衍生的放大信号超过一个ADC的动态范围。 

除所述脉冲之外，在这些脉冲过程中穿过该至少一个LED的电流被多次测量(并在适用的情况下，该光电传感器输出信号被多次测量)，还可能有一些脉冲，在这些脉冲过程中穿过该至少一个LED的电流没有被多次测量(和/或在适用的情况下，该光电传感器输出信号被多次测量)。 

根据本发明的一个第二方面，提供了一种光学吸收气体传感器，该传感器 包括：一个气体样本接收室；至少一个发光二极管(LED)；及一个光检测器(如光电二极管)，该光检测器具有对该光电传感器接收的光的量敏感的一个输出信号(例如，电流)；一个LED控制电路，被配置成通过将多个电流脉冲传过该至少一个LED在该光学吸收气体传感器的测量模式下生成多个光脉冲；一个测量装置，被配置成在每个所述脉冲过程中多次测量穿过该至少一个LED的电流；以及一个补偿模块，被配置成通过同时将该光检测器输出信号及对穿过该至少一个LED的电流的该多次测量二者考虑在内而输出一个指示该气体样本接收室中的分析物气体的浓度的补偿信号。 

用来测量穿过该至少一个LED的电流的传感器可以是一个电流传感器。然而，该用来测量穿过该至少一个LED的电流的传感器可以是一个被配置成测量电位差的电位差传感器，该电位差取决于穿过该至少一个LED的电流，例如电阻器(通常是与该至少一个LED串联连接的电阻器)上的电位差，来自该至少一个LED的电流被传过该电阻器。 

优选地，该气体传感器包括一个测量装置以在每个脉冲过程中多次测量该光电传感器输出信号(例如，用来测量穿过光电二极管的电流的电流传感器)。相同的测量装置可以测量穿过该至少一个LED的电流和该光电传感器输出信号。该测量装置或每个所述测量装置可以是一个ADC。可以设置一个开关，以交替地将该传感器连接到该至少一个LED的输出端及该光电传感器的一个输出端(通常通过一个或多个其他组件，如放大器)。 

该光学吸收气体传感器优选地还包括一个或多个温度传感器，并且该补偿模块将该一个或多个感应到的温度考虑在内。温度传感器可以测量该至少一个LED的温度。一个单独的温度传感器可以测量该光电传感器的温度。可以通过 在该LED上(和/或光电二极管，在该光电传感器是一个光电二极管的情况下)测量与温度相关的参数(如正向电压V_F)来测量温度。 

该LED控制电路可被配置成响应于在较早的LED电流脉冲过程中进行的对穿过该至少一个LED的电流的一次或多次测量和/或对该光电传感器输出信号的多次测量中的一次而确定该LED控制电路控制的这些LED脉冲的一个或多个属性。通常情况下，这些LED脉冲的该一个或多个属性是通过控制用于向该电感器供应电流的时间段确定的。 

该LED控制电路可以包括与该至少一个LED(以及通常一个或多个其他组件，如电阻器)串联连接的一个电感器。可以操作该LED控制电路以向该电感器供应电流，并且然后限制(例如停止)到该电感器的电流供给，由此使电流流过该至少一个LED。该LED控制电路可被配置成响应于在较早的LED电流脉冲过程中进行的对穿过该至少一个LED的电流的一次或多次测量和/或对该光电传感器输出信号的多次测量中的一次而选择供应到该电感器的电流和/或向该电感器供应电流的时间段。 

该光学吸收气体传感器可以包括一个频域分析模块，该模块可操作来对所测得的穿过该至少一个LED的电流及该光电传感器输出信号(例如，来自光电二极管的电流)的多次测量进行分析。例如，该光学吸收气体传感器可操作来用已知频率生成这些脉冲，并且包括一个频域分析模块，该模块可操作来计算与所测得的穿过该至少一个LED的电流和/或一个或多个频带中的该光电传感器输出信号的能量相关的一个参数，例如一个频带包括基本频率(这些脉冲的频率)并且一个或多个频带包括基本频率的谐波(例如，从第一谐波开始的若干连续谐波，例如第一谐波、第二谐波和第三谐波)。该频域分析模块可以是 一个电子模块。该频域分析模块可以包括由处理器执行的计算机程序代码。 

该光学吸收气体传感器优选被适配成例如通过选择该至少一个LED的一个或多个输出光谱选择性地测量一个特定分析物气体的浓度，在该光谱范围上该光电传感器是敏感的和/或在该光学路径内(例如，覆盖该至少一个LED或该光电传感器)存在一个滤波器(如带通滤波器)。该光学气体传感器可被适配成通过选择该LED和光电二极管来检测一个分析物(如二氧化碳、一氧化碳、甲烷、水蒸汽等，以测量湿度)以特别是在这些分析物气体强烈吸收的一个或多个波长上生成和检测光。 

该至少一个发光二极管(和光电二极管，在该光电感应器是一个光电二极管的情况下)都是用一种窄带隙III-V材料-锑化铟铝材料((In_1-x)A]_xSb)形成的，在砷化镓(GaAs)衬底上生长，选择掺杂该衬底是为了调整带隙以使该发光二极管发射窄波长范围的光，该窄波长范围对应于预期分析物(例如，气态二氧化碳)强烈吸收的波长。合适的发光二极管和光电二极管的形成在EP0 864 180、EP 0 992 094中以及在海格M·K(Haigh，M.K.)等人的应用物理学快报第90卷231116(2007)中披露，这些文献的内容都以引用的方式结合在此。 

就上面提出的关于本发明的该第一或第二方面的可选特征是本发明的或者第一或者第二方面的可选特征。 

本发明还在一个第三方面延伸到一种光学吸收气体传感器，该传感器包括：一个气体样本接收室；至少一个发光二极管(LED)；及一个光检测器，该光检测器具有对该光电传感器接收的光的量敏感的一个输出信号；以及一个 控制电路，该控制电路被配置成根据本发明的该第一方面的方法使该光学吸收气体传感器工作。该控制电路可以包括一个存储程序代码的计算机可读介质(例如存储器，如ROM或PROM)和一个可操作用于执行该程序代码的处理器(例如，微控制器)。 

附图说明

现在将根据以下附图展示本发明的一个示例实施例，其中： 

图1是一个光学吸收气体传感器的示意图； 

图2是一个用于操作光学吸收气体传感器的电路图； 

图3是用于生成光脉冲的电感器驱动机构背后的原理的示意图；以及 

图4是随时间变化的A处电压、电感器电流和LED电流的一个曲线图。 

示例实施方案的详细说明

参照图1，一个光学吸收气体传感器1具有一个主体2，该主体定义了一个气体样本室4，气体样本可以通过扩散传过一个或多个孔6进入其中。发光二极管8作为光源发挥作用，并被一个LED控制和脉冲测量电路10驱动。光电二极管12作为光电传感器发挥作用，并具有取决于落在该光电二极管结上的光的输出电流。来自该光电二极管的电流被一个包括一个微控制器的控制和补偿电路14放大和处理，这实现了一个补偿功能并由此通过输出端16提供了一个补偿信号。该控制和补偿电路还接收与LED脉冲的形状有关的信息，并控制该LED控制电路。 

该气体样本室可以具有本领域普通技术人员已知的任何大量配置，并且通常包括一个反射内表面，以便可以将来自该LED的光在该LED与光电二极管之间反射一次或多次。该LED及光电二极管可以彼此相邻放置或进一步分离。选 择了该光学安排以便在一个目标分析物特有的波长内的光的衰减影响来自该光电二极管的电流。因此，该LED可以具有一个定义的输出波长范围，该光电二极管可以对一个定义的输出波长范围敏感和/或可以提供一个波长带通滤波器。 

该LED控制和脉冲测量电流包括一个温度感应电路18。该温度感应电路通过分别在该光电二极管上测量该正向电压V_f来确定该光电二极管的温度。用于通过测量正向电压来确定温度的适当电路是在WO2009/019467(气体传感解决方案有限公司：Gas Sensing Solutions Limited)中披露的并且图2中示出了一个示例。 

图2展示了一个用于控制气体传感器的电路，其包括该LED控制和脉冲测量电路、LED温度测量电路和微控制器20，该微控制器执行存储在该计算机可读介质(如ROM)上的程序代码并作为补偿模块发挥作用。该系统电源V+通常介于2.7V至5V之间。该微控制器20控制该气体传感器的总体操作，并且可以通过一个串联数据接口16与外部装置通信。该LED8由一个通过驱动电路22控制的电感器反激式转换器控制，该驱动电路反过来由该微控制器控制，该微控制器可以为晶体管24形式的开关装置精确地设定打开和关闭时间。 

该晶体管24是可开关的，以在该驱动电路的控制下向电感器26提供电流。该电感器与一个电路支路并联连接，该电路支路包括该LED、一个第二二极管28(其作用是防止反向电流流过该LED，这对于具有非常高反向电压泄漏电流的红外LED可能是重要的)、以及一个电阻器30，该电阻器被提供来使穿过该LED的电流能够凭借该电阻器30上所产生的电位差被测量。 

该电路还包括该光电二极管12和一个光电二极管输出信号放大器链，该放大器链具有串联的第一和第二光电二极管信号放大器32和34。ADC 36接收来自该第二放大放大器的输出作为输入。 

该ADC具有两个进一步的输入。一个输入是来自放大器38的输出信号，该放大器被配置成在电阻器30上测量该电位差。另一个到该ADC的输入是来自一个差分放大器40的输出，该差分放大器放大该LED正向电压以用于测量该LED的温度。 

选择了由放大器32、34和38接收为输入的参考电压V_R以将这些放大器偏置到一个合适的工作点。虽然它在任何给定的测量过程中必须是稳定的，该参考电压的值不是关键的。例如，它可以在该ADC的温度范围的中间。为了方便该光电二极管放大器链的操作，还在该微控制器的控制下提供了一个数模转换器42，以通过一个电阻器44将一个可选择的偏移量引入该光电二极管放大器链的第二放大器，以便来自该第二放大级的输出可被偏置到最佳水平。 

该光电二极管放大器链是DC耦合的，以便或者通过切换其电源或者使用具有关断能力的放大器芯片非常快速地开启或关闭它。该光电二极管放大器链的第一放大器32应该是一个低噪声装置，并且该光电二极管放大器链的电压增益应该非常高，因为来自光电二极管的输出电流是小的。 

图3是用于生成光脉冲的电感器驱动机构背后的原理的示意图，并且图4是随时间变化的A处电压、电感器电流和LED电流的曲线图。电源提供了一个电压源V。S1是一个开关(晶体管、MOSFET等)，其是可切换的以打开和关闭在该电源与电感器L1之间延伸的电路。S2是一个进一步的开关(在一个示例 实施例中是一个二极管，但S2还可以是一个二极管、MOSFET等)。LED1是发光二极管(或在一些实施例中是串联或并联连接的多个LED)。每个脉冲之前，两个开关都打开。S1是闭合的，电压V1被施加到该电感器上。因此，穿过该电感器的电流以一个恒定的速率(dI/dt＝V/L)增加。然后S1打开并且S2闭合。然后，该电感器将A点驱动为负并且电流流过该电感器、S2和该LED，直到存储在该电感器中的能量已被耗尽。然后，如果需要，可以打开S2。对于一个固定的电感器和电源电压，存储在该电感器中的能量及因此该脉冲的持续时间由开关S1是打开的时间段确定。 

操作中，在图2的电路中，该微控制器控制该驱动电路来执行一个包括多个光脉冲的测量周期。对于每个脉冲，该晶体管(作为开关S1发挥作用)被开启并且电流开始流入该电感器中。电流随着时间线性增加。在由该控制器确定的时间段后，该晶体管被断开。其结果是，在该晶体管集电极处的电压被该电感器驱动为负，该电感器然后起作用以保持电流流过该电感器，因为该电感器中的磁场被放电。产生的电流流过该LED和电阻器30，使得该LED生成光并且该电阻器产生与穿过该LED的电流成正比的电位差。这种情况持续下去直到该电感器上的电位差下降到该LED阈值上的转折点以下。(在一个替代实施例中，一个MOSFET被结L1处的电位切换并且D1被用作开关装置)。 

每个测量周期中脉冲的数量及这些脉冲的持续时间通常是根据该ADC、该放大器链及其他考虑因素的性能选择的。例如，50个20μs持续时间的脉冲可被施加到该LED上。选择该电感器的电感，以获得合适的脉冲长度和峰值电流。例如，该电感器可以具有200μH的电感并且峰值电流可以是300mA左右。然而，这些值将在很大程度上取决于该LED或每个LED的属性。 

此电路没有小心地控制各个脉冲的形状，并且该LED中的电流的精确值将根据许多因素变化，包括供电电压(其通常会在测量周期内的每一个脉冲后小量下降)、电感器的电感、以及晶体管对每个脉冲都是开启的时间段。本发明通过测量该LED中的电流脉冲并在计算补偿输出信号时使用所得到的测量来对此进行补偿。还可以在随后的脉冲过程中使用这些测量来控制向该电感器供应电流的时间段。 

该ADC交替地通过该LED输出电流放大器38测量LED电流，并且然后通过第一和第二光电二极管放大器32、34测量光电二极管电流。例如，可以采用一个12位ADC来每秒制造约1,000,000个采样。 

该CPU接收由该ADC测得的数据并对其进行处理，以首先使用一个本领域普通技术人员已知的同步解调过程将信号从噪声和背景中分离，并以其他方式过滤并调节决定所得到的信号。然后，该微控制器计算该LED光输出与该光电二极管测得的光之间的传递比。例如，它可以通过以下方式在一个脉冲过程中估算来自该LED的总的光输出：计算一个函数和/或读取一个查询表以当从各自的LED电流中测量每个LED电流时确定光输出的测量，并将贯穿该脉冲的这些值整合以估算总的光输出。还可以通过在该脉冲过程中整合该光电二极管电流来计算由该光电二极管测得的光。这两个值可以根据需要进行调整和校正，并且可以整合到许多脉冲上。然后，这两个值的比率可被用作输出信号，指示分析物气体的浓度。 

在一些实施例中，可以在每个脉冲过程中及所有各种测量的过程中取得LED电流及光电二极管电流的多个读数(通常至少32个)，因为许多脉冲(通常至少8个或至少16个)中的每一个都可使用频域分析算法(如傅立叶变换、 快速傅立叶变换、离散傅立叶变换或戈泽尔(Goertzel)算法)被同时处理。在一个示例实施例中，这些脉冲是以一个连续和已知的速率生成的。选择了这些脉冲的重复率及该电感器的大小以获得期望的脉冲占空比，通常在30％至50％之间。这些脉冲的形状是介于正方形和三角形之间，所以该脉冲序列中大部分的能量皆包含在该脉冲频率的基本、第一、第二和第三谐波内。可使用傅立叶变换转换那些使用ADC获得的LED电流和光电二极管电流的采样值。从所得到的信号中，可以计算出基波和谐波中的能量。通常情况下，样本总数是2的幂以简化后续计算，例如有可能有512、1024或2048个样本。在总的采样周期中还应该有一个确切的脉冲数，这在实践中意味着脉冲数将是2的幂，通常为8、16或32。从傅立叶变换，可以很容易地用标准方法计算出基波和谐波的幅值及因此这些频带的能量。在这些频带中该LED电流中的总能量与这些频带中该光电二极管电流中的能量的比率提供了传递比的测量。这种技术允许这些信号在一个数学运算中既被过滤又被平均。通常情况下，傅立叶变换是由数字信号处理方面的普通技术人员已知的一种高计算效率的方法计算，如快速傅立叶变换或戈泽尔算法。 

这种方法还是有利的，因为脉冲测量中脉冲的一个难点是电源通常随每个脉冲下降一点点。虽然存在防止这一点的方法，它们在零件和功耗方面是昂贵的。如果每个脉冲都不同，应为每个单独的脉冲计算传递比，并且这需要非常精确地知道每个脉冲开始和停止的时间。这可能意味着，信号处理需要比另外期望的更大的带宽并增加了整体噪音。相应地，频域分析提供了一种用于成本和时间高效的数据处理的有用方法。 

此外，该微控制器动态地改变该晶体管从一个电流脉冲到下一个开启的时间段。该传递比随温度显著变化，所以通过调整该晶体管开启的时间段，该处 理器可以阻止该光电二极管信号的幅值在低温下变得更大，或在高温下更小，用于获得准确的读数。这确保了ADC量化噪声不会在高温下负面影响该系统，并使该ADC的动态范围能够被适当采用。 

差分放大器40提供了对该LED的正向电压的测量。这可以被用来建立该LED的温度，因为该正向电压是温度的函数。正向电压与温度之间的关系可以被存储在查询表中。该控制器可以例如在一个测量周期的开始(每个周期到脉冲的乘积)使一个或多个低电流脉冲被施加到该LED上以测量该LED中的温度。此时来自该差分放大器的输出被该ADC处理。 

其结果是，可以采用比如果必须仔细控制每个脉冲的形状的情况更短的LED脉冲。此外，该电感器的使用使峰值LED电流能够被电源电压独立地确定。因此，可以采用短的高幅值脉冲。这反过来提高了该测量系统整体(光电二极管、ADC和微控制器)的信噪比，因为虽然较短的脉冲需要较大的带宽，热噪声(其是该放大器链中噪声的主要来源)随带宽的平方根增加但该光电二极管输出信号呈线性增加。如果例如峰值LED电流从50mA增加到200mA并且每个脉冲的持续时间下降了四分之三，噪声将只增加一倍。在实践中，LED具有串联电阻，其随着电流的增加降低了效率，以便信噪比中的增益比预期少。然而，净效应是对信噪比的改善。 

动态调整LED电流和偏移量的能力还降低了ADC噪声的影响。本发明还具有可以非常快速地执行测量的好处。例如，可能在小于10毫秒中执行整个测量，包括进行温度测量、在五十个光脉冲过程中测量LED和光电二极管电流、以及处理所得到的数据。因此，该过程可能会被重复和平均并仍然提供一个快速的结果，虽然每次重复都增加总功率输出。 

图2中展示的电路与用于驱动采用了与该LED串联的一个电阻器的LED的简单电路或有源电流源相比还具有能效高的优点。此外，大部分此类电路要求电源超过3V。一个合适的开关稳压器当然可以以更高的电压转换3伏电源，虽然这会降低效率。 

该传感器容许LED与光电传感器之间的一个合理的温度差，使得该LED和光电传感器能够被间隔开，例如在一个波导管的相对的两端。 

在一个替代实施例中，提供了多个串联或并联连接的LED，并测量了穿过该多个LED的电流。这加大了光输出的范围，在该范围内电流是光输出的一个大致线性的函数，或者至少对光输出足够敏感以使光输出能够被以合理的准确性估算。 

在一些实施例中，放置了一个与该电感器(L1)串联的电阻器，并且该串联电阻器上的电位差以测量穿过该电感器的电流。这使得该微控制器能够调节所产生的这些脉冲，以确保该电感器中的电流不超过阈值。 

进一步的变化和修改可由本领域普通技术人员在本文中披露的本发明的范围内完成。 

Claims (25)

1.一种操作用于检测分析物气体的光学吸收气体传感器的方法，该传感器包括一个气体样本接收室、至少一个发光二极管(LED)及一个光电传感器，该光电传感器具有对该光电传感器接收的光的量敏感的一个输出信号，该方法包括通过将多个电流脉冲传过该至少一个LED来生成多个光脉冲，并在每个所述脉冲过程中多次测量穿过该至少一个LED的电流，并通过同时将该光电传感器输出信号及对穿过该至少一个LED的电流的该多次测量二者考虑在内而生成一个指示该气体样本接收室中的分析物气体的浓度的补偿信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该光电传感器输出信号还在每个所述脉冲过程中被多次测量。

3.根据权利要求2所述的方法，其中对该光电传感器输出信号的该多次测量还在生成该补偿信号时被考虑在内。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中穿过该至少一个LED的电流及该光电传感器输出信号在该多个脉冲过程中被交替测量。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中穿过该至少一个LED的电流被使用一个模数转换器(ADC)测量。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中使用了一个ADC来测量穿过该至少一个LED的电流及该光电传感器输出信号。

7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中该至少一个LED的温度被测量并且所测得的温度在生成该补偿信号时被考虑在内。

8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中该方法包括在一个脉冲的过程中至少一次计算所测得的穿过该至少一个LED的电流与该光电传感器输出信号之间的比率。

9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中该方法包括对所测得的穿过该至少一个LED的电流及该光电传感器输出信号的多次测量进行频域分析。

10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中该方法包括以一个已知频率生成这些脉冲并且在一个或多个频带中计算与所测得的穿过该至少一个LED的电流和/或该光电传感器输出信号的能量相关的参数。

11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中穿过该至少一个LED的电流的这些脉冲是通过断开到一个电感器的电流源并且将来自该电感器的电流引导通过该至少一个LED来生成的。

12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中一个LED电流脉冲的一个或多个属性是依据在一个较早的LED电流脉冲过程中对穿过该至少一个LED的电流进行的一次或多次测量选择的。

13.根据权利要求121所述的方法，其中所述一个或多个属性是通过确定由一个开关装置向一个电感器供应电流的时间段来选择的，该电感器在该开关装置限制对该电感器的电流供应之前可操作地连接到该至少一个LED。

14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中一个LED电流脉冲的一个或多个属性是依据对该光电传感器输出信号的一次或多次测量选择的。

15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，其中一个LED电流脉冲的该一个或多个属性被选择以补偿该至少一个LED或该光电传感器的一个所测得的属性。

16.根据任一前述权利要求所述的方法，其中穿过该至少一个LED的电流是通过将电流传过一个电阻器并且测量该电阻器上的电位差来测量的。

17.一种光学吸收气体传感器，该传感器包括：一个气体样本接收室；至少一个发光二极管(LED)；及一个光检测器，该光检测器具有对该光电传感器接收的光的量敏感的一个输出信号；一个LED控制电路，被配置成通过将多个电流脉冲传过该至少一个LED在该光学吸收气体传感器的测量模式下生成多个光脉冲；一个测量装置，被配置成在每个所述脉冲过程中多次测量穿过该至少一个LED的电流；以及一个补偿模块，被配置成通过同时将该光检测器输出信号及对穿过该至少一个LED的电流的该多次测量二者考虑在内而输出一个指示该气体样本接收室中的分析物气体的浓度的补偿信号。

18.根据权利要求17所述的光学吸收气体传感器，其中该气体传感器包括一个测量装置以在每个脉冲过程中多次测量该光电传感器输出信号。

19.根据权利要求17或权利要求18所述的光学吸收气体传感器，包括一个ADC以测量穿过该至少一个LED的电流及该光电传感器输出信号二者。

20.根据权利要求17至19中的任一项所述的光学吸收气体传感器，其中该光学吸收气体传感器还包括一个或多个温度传感器并且该补偿模块将该一个或多个所感应的温度考虑在内。

21.根据权利要求17至20中的任一项所述的光学吸收气体传感器，其中该LED控制电路被配置成响应于在较早的LED电流脉冲过程中进行的对穿过该至少一个LED的电流的一次或多次测量和/或对该光电传感器输出信号的多次测量中的一次而确定由该至少一个LED控制电路控制的这些LED脉冲的一个或多个属性。

22.根据权利要求19至21中的任一项所述的光学吸收气体传感器，其中该LED控制电路包括一个可操作地连接到该至少一个LED的电感器，并且该电路可操作来向该电感器供应电流并且然后限制向该电感器的电流的供应，由此使电流流过该至少一个LED。

23.根据权利要求22所述的光学吸收气体传感器，其中该LED控制电路可被配置成响应于在较早的LED电流脉冲过程中进行的对穿过该至少一个LED的电流的一次或多次测量和/或对该光电传感器输出信号的多次测量中的一次而选择供应给该电感器的电流和/或向该电感器供应电流的时间段。

24.根据权利要求17至23中的任一项所述的光学吸收气体传感器，包括一个频域分析模块，该频域分析模块可操作来分析所测得的穿过该至少一个LED的电流及该光电传感器输出信号的多次测量。

25.一种光学吸收气体传感器包括：一个气体样本接收室；至少一个发光二极管(LED)；及一个光检测器，该光检测器具有对该光电传感器接收的光的量敏感的一个输出信号；以及一个控制电路，该控制电路被配置成根据权利要求1至16中的任一项所述的方法使该光学吸收气体传感器工作。

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