CN103975231B - 气体传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量预定气体的浓度的气体传感器包括：光源(2)，被配置为发出光脉冲；测量体(10)；检测器(4)，被配置为接收已穿过测量体(10)的光；以及可适应滤波器(6)，被设置在光源(2)与检测器(4)之间。该气体传感器具有：测量状态，其中，可适应滤波器(6)传递被气体吸收的至少一个波长带；以及参考状态，其中，所述波长带相对于该测量状态而衰减。该可适应滤波器(6)被配置为在每个脉冲期间至少一次地在所述测量状态与所述参考状态中的一个改变成另一个。

Description

气体传感器
技术领域
本发明涉及气体传感器，具体涉及通过测量红外光的吸收从而来测量气体的浓度的传感器。
背景技术
为了在长时间段内(通常超过一年)操作依赖电池电源的气体传感器，能量消耗必须较低。减少能量消耗的一种方式是保持传感器在大部分时间处于休眠或关机模式，并定期或不定期地将其打开。连续供电的红外线传感器的典型电源要求大约为0.1-1W。如果对于非连续操作的传感器，一次测量要花费一秒时间来完成，例如，并且所需的响应时间为10s，则占空比变为10％，能量消耗相应地降低至10-100mW。在该范围的下部，电池操作变为可能。响应时间要求将针对不同应用而不同。存在两种操作模式，其会需要可以以较低占空比操作的气体传感器。首先是间歇性或零星的使用。这里，气体传感器可以根据需要不定期地启动。测量可手动或通过第二传感器触发，该第二传感器监控环境的变化并估计可能存在气体的概率。在该模式下，只要唤醒时间足够短，则针对间歇传感器的响应时间可以与针对连续传感器的响应时间一样短。
第二模式是循环(或独立)使用的。对于循环测量，最大响应时间将受到循环周期的限制。只要所需的周期/响应时间比单个测量所需的时间长，则循环模式就将要求更少的电力。再者，需要充分短的唤醒时间。
对于这些模式中有效的两个，需要传感器可以在比测量之间的通常时间少得多的时间间隔内“冷启动”，并且在这样短的起动时间之后精确测量将是可用的。本发明的目的是提供一种传感器和使其可能的方法。
简单的NDIR(非扩散性红外线)气体传感器使用单个光源和单个检测器来测量浓度。这些通常不适用于安全应用或需要良好的长期稳定性而无需再校准的应用。
现有的可靠的气体传感器使用不同的方法和配置对误差进行补偿，例如两个光源和一个检测器，或两个检测器和一个光源，或两者(加倍补偿)。在最先进的加倍补偿传感器中，一个源被设置有其中用于气体吸收的“主动(active)”波长带的滤波器，并对另一个源进行滤波处理，使得其发出“参考”波长带。源通常利用1-100Hz的范围内的频率进行调制。参考检测器监控源强度，同时主要检测器通过测量体测量从两个源传输的光并检测光是否被气体吸收。该设定补偿几个误差，诸如测量体中的光损耗以及源强度改变。然而，良好的补偿取决于足够(热)稳定的系统。当源调制频率较低时，或如果安装两个检测器时，使得其看见源表面的不同区域是特别重要的。(热红外源表面是高度不均匀的)。在一些情况下，在测量误差足够低之前，需要几分钟的加温时间。
发明内容
当从第一方面观察时，本发明提供了一种用于测量预定气体的浓度的气体传感器，包括：光源，被配置为发出光脉冲；测量体(measurement volume)；检测器，被配置为接收已通过所述测量体的光；以及可适应滤波器，被设置在所述光源与所述检测器之间，并且所述气体传感器具有其中可适应滤波器传递被气体吸收的至少一个波长带(wavelengthband)的测量状态和所述波长带相对于测量状态而衰减的参考状态，其中，所述可适应滤波器被配置为在每个脉冲期间至少一次地将在所述测量状态和所述参考状态中的一个改变成另一个。
本发明适用范围扩及一种无线的电池操作气体检测器单元，包括如上文所阐述的气体传感器。
当从第二方面观察时，本发明提供了一种测量预定气体的浓度的方法，该方法包括：经由被设置在光源与检测器之间的可适应滤波器将光脉冲通过测量体传递至检测器，在每个脉冲中至少一次地将所述滤波器切换至其中所述滤波器传递被气体吸收的至少一个波长带的测量状态和与测量状态相比所述波长带衰减的参考状态/在每个脉冲中至少一次从其中所述滤波器传递被气体吸收的至少一个波长带的测量状态和与测量状态相比所述波长带衰减的参考状态切换所述滤波器，所述方法包括分别在所述测量状态和所述参考状态下从由检测器所接收的光的差异来确定气体的所述浓度。
因此，将认识到根据本发明，可以使用来自单个光源的单个光脉冲和使用单个检测器进行完全参考的气体浓度测量。这使得低功耗在较短的测量周期内从冷状态和可靠的精确测量中快速启动。因此，其开启了远程的、具有较长电池寿命的电池供电无线传感器单元的可能性，但是在优选实施方式中，其可以具有加倍补偿系统的可靠性和稳定性。
根据本发明，可适应滤波器将来自源的光引导至检测器上。通过改变其状态，来改变其传递的光的波长。优选地，其包括微机电系统(MEMS)。这些被制造以便能够改变所传递的光的波长。可以在小于一毫秒的时间尺度上执行变化，这意味着可以使用短的光脉冲，同时仍然给出了测量时间段和参考时间段，由此限制与测量相关联的功耗。MEMS可包括具有被配置为通过静电电位移动的多个光栅带(grating band)的衍射光学元件。
具体地，MEMS解决方案便于“冷启动”传感器系统并使用单个光脉冲执行完整的测量。因为波长调制可以如此快以使得可以对漂移或低频噪声进行滤波处理，并且因为“主动”和“参考”波长带使用完全相同的光路径来测量，故这可以被完成。漂移、非一致性和气体误差源将同样影响两次测量。
本发明不限于只具有两个状态的可适应滤波器，其还可以具有三个或更多状态。这可提供多个测量状态/参考状态，例如，以允许测量不同预定气体的浓度或补偿特定干扰气体或另一种已知类型的光谱干扰的存在。
因此，在一组实施方式中，可适应滤波器包括多个测量状态和针对每个测量的至少一个参考状态，在所述多个测量状态的每一个中其传递被气体吸收的至少一个波长带，并且在至少一个参考状态下与测量状态相对应的波长带相对于所述测量状态衰减。传感器可以被配置使得在每个脉冲中使用每个测量状态或可以在不同脉冲中使用不同的测量状态，例如，可以在交替的光脉冲中测量不同的气体。
可适应滤波器例如可以包括具有多个位置的一体式结构，或其可以包括多个滤波器元件，每个具有两个或更多状态并配置为给出所期望的整体状态。在任何一种情况下，MEMS是优选的。
如在本文中所使用的如应用于光的术语“脉冲”旨在意味着临时地在光输出上发出或增加。不可推断出特定脉冲形状并且不一定是脉冲的外侧不存在光发射的情况。脉冲的长度可以被定义为时间长度，光在该时间长度内在预定阈值以上。脉冲宽度在某些实施方式中可以在5毫秒与5秒之间，例如，在10毫秒与1000毫秒之间。
如前文所讨论的，脉冲频率可以是不规则的，测量是不定时的或按需的。可选择地，其可以是规则的，例如每次小于10秒、或每次小于每30秒、或每次小于一分钟、或每次小于一小时或每次小于一天。
光源可以是诸如白炽灯或加热膜的热源，或诸如二极管的固态源。重要的是该源发出测量波长带和参考波长带的光。
可适应滤波器可以在其参考状态和测量状态之间切换，反之亦然，每一脉冲仅此一次。优选地，其在所述测量状态和参考状态之间定期切换，在每个脉冲期间进行多次。在一些实施方式中，其可以每一脉冲多于10次的被切换，例如每一脉冲多于25次或多于50次。其切换的次数可以被控制以给出所期望的精确度水平。
在一组实施方式中，传感器测量在没有输入时(也被称为检测器的“暗电平”)来自检测器的输出随时间改变的速率。这允许进行更精确的气体浓度测量，因为接着可以对这样的改变进行补偿。
附图说明
现在将参照附图仅通过实例的方式来描述本发明的优选实施方式，附图中：
图1a和图1b分别是示出了在干净的空气和大量预定气体的测量期间的现有技术的加倍补偿传感器的示意图；
图2a和图2b分别是示出了在干净的空气和大量预定气体的测量期间根据本发明的传感器的示意图；
图3是示出了滤波器元件的两个状态和它们与待测量的气体的吸收光谱的关系的图表；
图4是示出了在不同情况下由检测器注册的输出的示图；
图5是示出了根据本发明的传感器系统的组件的框图；
图6是MEMS自适应滤波器的一部分的示图；
图7是滤波器的更详细的截面图；以及
图8是示出了操作期间的某些参数的变型的一系列图表。
具体实施方式
首先转向图1和图2，可以看出图1a和图1b中的现有技术加倍补偿传感器和图2a和图2b中的本发明的实施方式之间的比较。图1a中所示的加倍补偿系统通常在市场上可买到的检测器中实施，以便用于安全应用。在该加倍补偿系统中，两个光源A1，A2和两个检测器B1，B2确保测量例如受脏的光学器件、光源漂移、温度的最小的影响。使用两个不同的滤波器C1，C2。一个滤波器C1传输被所测量的气体吸收的波长带。另一个滤波器C2是传输附近的波长带的参考滤波器。
如在图1b中可以看出，来自一个红外源A2的光穿过测量体D，然后到达分束器E，使得其碰击两个滤波器C1和C2。如果感兴趣的气体存在，则其将吸收某些波长的光。来自另一个红外源A1的光不穿过测量体D，但直接入射到分束器E上，依次类推至两个滤波器C1和C2上。
通过气体吸收将导致由第一检测器B1检测到的信号的减少，但不会影响参考检测器B2处的信号。在相应的检测器处的信号之间的差可以用于计算气体的浓度。这样的检测器在高安全性应用程序开发环境中总体来说是有效的且是可靠的。然而，提供两个源和两个检测器使它们的制造相对昂贵并且在操作中其需要相对大量的电力。同样，其需要一定预热时间以便达到可靠测量所需的均匀源温度调制的稳定状态。
图2a和图2b中示出了本发明的实施方式。这里，仅存在单个红外源2和单个检测器4。光经由反射镜8和自适应MEMS滤波器6从源2传递至检测器4。图2b示出了其两次穿过测量体10，但是这不是必须的。在使用中，滤波器元件6在两个不同的状态之间重复切换，使得出射光具有与相应状态相关联的两个可能的波长之一。这些波长中的一个在感兴趣的气体的吸收频带中而另一个不在。因此，如以前，气体的浓度可以从与两个相应状态对应的检测器4的输出来计算。然而，不同与现有技术的配置，光路径对于参考和主动波长这两者来说是相同的，并且不存在分束器。如果该源具有非均匀强度，光学表面上存在污垢，或检测器对改变做出响应，则这两个测量都以相同的方式被影响。滤波器元件6是全息的(holographic)，因此所有光路径都有助于主动测量和参考测量这两者。两个状态之间的切换是如此的快以至于可以容忍变化的/漂移的源。
图3示出了在其两个状态下的滤波器元件6的反射光谱。实线12示出了在测量状态期间的反射光谱。这里，将可以看出在该状态下存在所传递的与烃类气体的吸收光谱14的峰(在图3的顶部处示出了叠加)一致的单个中央峰的波长。在测量状态下，滤波器因此传递被气体吸收的波长的频带。因此，该波长带中的光被气体的浓度影响，因为这将影响其多少被吸收。
当滤波器元件被切换至其参考状态时，如虚线16所示，滤波器特性被改变，使得光在吸收光谱14中的峰的任意侧上的两个频带中传递并且在测量状态下事先传递的波长带(具有中央峰)与此状态相比明显衰减。因为来自测量状态的通频带在参考状态下衰减，故这里所传递的光将不受气体的浓度的显著影响，因为所传递的光将不被气体显著吸收。
这里所示的吸收光谱14仅是示例性的并且对于不同气体而言可以不同，例如，其可以具有一个以上的吸收峰。
图4示出了针对不同情况的波长带强度(在左边)和由光电检测器4输出的信号(在右边)的简化图。R频带是参考频带，而A频带是主动频带。因此，当空气中不存在烃类气体时，主动频带和参考频带相同并且光电检测器信号通过滤波器元件6的切换而未进行调制。
当存在烃类气体时，主动频带中的光与参考频带相比，通过气体的吸收而减少。在与两个状态之间的切换相对应的光电检测器信号中这显示作为调制。可以使用调制的振幅，与接通源时检测器输出中的差一起以计算气体的浓度。
如果源或光学器件被弄脏，则光在两个频带上的传输将同样被减少并且在没有调制的光电检测器信号中存在恒定的减少。
如果源温度在两个测量之间改变，则这将给出不同的绝对检测水平，但将再次不存在调制并因此避免错误读取。
最后，如果由于故障源或阻塞光束而不存在信号，则参考频带和主动频带将再次同样被影响。
该系统在图5中以框图表示的形式被示出。“光学传感器”区块表示由微控制器控制的光学传感器硬件。从源2发出的光通过窗口出射至测量单元10。在从测量单元10返回之后，其通过MEMS滤波器6(滤波器模块)来过滤并聚集到光电检测器4上。左侧上的端口连接至微控制器。
光经过以下几个阶段。第一阶段为生成。源2发出具有由灯丝温度给出的强度和光谱分布的宽带辐射。透镜(未示出)收集用于输出至测量单元10的光。
第二阶段为吸收。发射两次穿过测量体10，在外部镜8中反射之后返回至窗口和入口孔。任何碳氢化合物将使大约3.3μm的波长带中的辐射衰减，同时其他气体、污染物和弄脏的光学器件将在更广的波长范围内衰减。
第三阶段为滤波。电压控制的MEMS光学滤波器交替地选择3.3μm波长测量频带，以及具有在3.3μm测量频带的任意一侧上的峰的双参考频带。
第四阶段为检测。光电检测器4与滤波器调制同步测量经过所滤波的光。该信号通过微控制器放大并取样。
图6和图7示出了MEMS自适应滤波器的更多细节。滤波器元件4的光学表面是最初将光聚集在单个波长带内的衍射光学元件(DOE)。为了从一个滤波器状态改为另一个滤波器状态，光学表面被分成可移动303和静止301表面的频带(其参照图7更详细地描述)。这些表面之间的高度差确定衍射光的建设性或破坏性干扰的程度。830nm或λ/4的差对在3.3μm的中心波长处的破坏性干扰来说是需要的。位移或高度差通过可移动表面303的静电致动来实现，可移动表面303连接至弹簧305并悬挂在衬底304上方。来自偏转弹簧(deflectedspring)305的回复力平衡静电力直至达到临界位移并且将整个框架305拉向衬底304。然后，由此产生的高度差通过衬底中的蚀刻凹部来确定。
图7示出了滤波器的截面图。交替的静态光束102和可移动光束103提供了上文描述的静止和可移动表面。在每个光束的顶部，存在衍射光栅凸起101。静态光束102借助例如熔融结合至氧化硅层106而附接至衬底105，同时可移动光束103能够倚靠止动器108在蚀刻凹部107中移动。
滤波器元件电气等效于具有最初通常在100pF至300pF的范围内并随着所施加的电压增加的电容的电压依赖性电容器。微控制器生成控制单级、双掷开关的数字方波，其输出在0V与24V之间交替。24V通过升压调节器生成。感测电阻器用于测量流入电容器和流出电容器的电流(出于自检测目的)。因为其允许在滤波器元件不工作时做出确定，故这是有益的。从安全的角度来看这是非常重要的，因为如果滤波器在本文公开的实施方式中不起作用，则将给出假阴性信号，甚至在气体存在时也如此。
图8示出了光学传感器的操作。沿水平时间轴望去，在点I处，接通光学传感器。在点I和点II之间的时间段期间，预加热光源。在直到点III的下一阶段期间，测量“暗的”电平和斜率。此后，直到点IV，加热源。在从点IV至点V的最终阶段，测量调制。
曲线A示出了光电检测器信号。曲线标记的α是不存在气体时的信号。曲线标记的β是存在所感测的高浓度气体时接收的信号。曲线标记的γ是外推暗信号，其用于计算S_SRC(接收信号的增加是由通过测量体从光传输导致的)和S_MOD(与测量模式下的气体的光吸收对应的接收信号上的调制振幅)的校正值，将在下面进一步解释。
曲线B示出了由微控制器生成以控制滤波器元件的操作的信号。当滤波器控制信号较高时，滤波器处于参考状态，当控制信号变低时，滤波器切换至测量状态。
曲线C示出了信号取样。首先，对暗信号取样以便计算曲线A中所示的γ曲线的水平和斜率。然后，与滤波器切换同步对信号取样。每个周期可能具有两个以上的样品，但是为了简单起见，每个周期仅示出了一对样品。S_SRC和S_MOD的值从取样电压和外推暗信号来计算。S_SRC和S_MOD在图中所示的测量期间是恒定的，但是如果源电力不是恒定的，则可以改变。如果使用S_SRC和S_MOD的平均值，则该变型对测量基本上没有影响。
最后，曲线D示出了来自控制光源的微控制器的信号。首先，如上文所提及的，源被预加热至足够低以便不通过检测器测量的温度。预加热阶段缩短了点III与点IV之间的时间，时间倾斜上升，其有益于测量精度和功耗。在测量暗信号之后，源电压步进地或连续地改变，直至达到正确的源温度。在这里所示的实例中，在调制测量期间施加恒定电压。然而，原则上，在调制测量期间，可以控制源电力电压。
为了计算气体浓度，需要以下变量：光脉冲的强度(S_SRC)，和光调制的振幅(S_MOD)。另外，人们自然需要诸如测量体中的光学路径长度、调制滤波器的特性、近似源光谱和光电检测器的光谱响应的系统信息。系统信息部分通过设计给出，并且部分从校准测量发现。
从测量信号确定气体浓度的优选方法通过比率S_NORM＝S_MOD/S_SRC进行。S_MOD的符号取决于其是否与曲线B中的滤波器控制信号同相。当不存在气体时，S_MOD(并且因此S_NORM)接近于零。然后，校准信号S_CAL被计算为S_CAL＝GAIN_S(T)*(S_NORM–S_0(T))，其中S_0(T)和GAIN_S(T)被用于补偿滤波器之间的温度漂移和各个变型。在温度范围内，使用已知的气体混合物从校准测量确定系数。气体浓度是S_CAL的非线性函数。
光电检测器暗电平S_DET可以在测量期间大量地漂移，其将导致S_SRC和S_MOD出现测量误差。为了补偿该误差，在该实施方式中，测量S_DET的变化率，并且当计算S_SRC时使用外推值。
虽然在所描述的实施方式中，滤波器仅具有一个测量状态，但是其可以具有多个这样的状态，从而允许测量多种气体的浓度。

Claims (15)

1.一种用于测量预定气体的浓度的气体传感器，包括：光源，被配置为发出光脉冲；测量体；检测器，被配置为接收已通过所述测量体的光；以及可适应滤波器，被设置在所述光源与所述检测器之间，并且所述可适应滤波器具有：测量状态，在所述测量状态中，所述可适应滤波器传递被所述气体吸收的至少一个波长带；以及参考状态，在所述参考状态中，所述波长带相对于所述测量状态而衰减，其中，所述可适应滤波器被配置为在每个脉冲期间至少一次地将所述测量状态和所述参考状态中的一个改变成另一个。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述可适应滤波器包括微机电系统(MEMS)。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其中，所述可适应滤波器包括具有被配置为通过静电电位移动的多个光栅带的衍射光学元件。
4.根据权利要求2或3所述的气体传感器，其中，所述MEMS滤波器包括用于测量所述MEMS滤波器中的电容的改变以用于诊断目的的配置。
5.根据权利要求1、2或3所述的气体传感器，包括单个光源和单个检测器。
6.根据权利要求1、2或3所述的气体传感器，被配置为测量在没有输入时来自所述检测器的输出随时间改变的速率。
7.根据权利要求1、2或3所述的气体传感器，其中，所述可适应滤波器包括：多个测量状态，在所述多个测量状态中的每一个中，所述可适应滤波器传递被所述气体吸收的至少一个波长带；以及用于每个测量的至少一个参考状态，在所述至少一个参考状态中，与所述测量状态相对应的所述波长带相对于所述测量状态而衰减。
8.一种无线的、电池操作的气体检测器单元，包括根据权利要求1、2或3所述的气体传感器。
9.一种测量预定气体的浓度的方法，所述方法包括：经由被设置在光源与检测器之间的可适应滤波器将光脉冲传递通过测量体至所述检测器，在每个脉冲中至少一次地将所述滤波器切换至其中所述滤波器传递被所述气体吸收的至少一个波长带的测量状态和其中与所述测量状态相比所述波长带衰减的参考状态/在每个脉冲中至少一次地从其中所述滤波器传递被所述气体吸收的所述至少一个波长带的所述测量状态和其中与所述测量状态相比所述波长带衰减的所述参考状态切换所述滤波器；所述方法包括分别在所述测量状态和所述参考状态下从由所述检测器所接收到的光的差异来确定气体的所述浓度。
10.根据权利要求9所述的方法，包括从单个脉冲确定所述浓度。
11.根据权利要求9或10所述的方法，包括使用单个光源和单个检测器来测量所述浓度。
12.根据权利要求9或10所述的方法，包括在每个脉冲期间多次地使所述滤波器在所述测量状态与所述参考状态之间重复地切换。
13.根据权利要求12所述的方法，包括使用由所述检测器所检测到的信号的调制振幅来测量所述浓度。
14.根据权利要求9或10所述的方法，包括测量在没有输入时来自所述检测器的输出随时间改变的速率。
15.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述可适应滤波器包括：多个测量状态，在所述多个测量状态的每一个中，所述可适应滤波器传递被所述气体吸收的至少一个波长带；以及用于每个测量的至少一个参考状态，在所述至少一个参考状态中，与所述测量状态相对应的所述波长带相对于所述测量状态而衰减，所述方法包括在每个脉冲期间至少一次地切换至所述测量状态中的每一个。
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