CN104937394A - 用于气体的远程光学检测的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在观察空间区域(20)中光学地检测气体的检测器设备，该设备包括相机(22)和用于通过分析多个不同光谱带中的吸光度而在观察区域中连续地检测至少一种气体的装置。该设备还包括微镜的阵列(14)，所述微镜可在至少两个位置之间分别转向，在第一位置，所述微镜将来自观察区域的辐射通量(16)反射到用于检测所述光谱带中的气体的相机(22)，并且在第二位置，所述微镜将来自观察区域的辐射通量(16)反射到傅立叶变换红外光谱仪(24)。

Description

用于气体的远程光学检测的设备

本发明涉及一种用于气体的远程光学检测的设备，该设备适用于特别是监测诸如化工厂、精炼厂、气体存储设施等的工业场所。

文献EP-A-0 544 962和WO 03/044499公开了一种与光学测量和基准滤波器相关的红外成像仪，所述滤波器连续地置于成像仪的光轴上，且具有包含找寻气体的吸收线的通带(对于测量滤波器)或与所述吸收线互补(对于基准滤波器)。观察区域的背景用作红外源，并且找寻气体的存在通过对滤波器所拍摄的红外图像进行差分处理而揭示，其中所述处理可以计算出所检测气体的浓度。

在实际方式中，一组测量和标准滤波器由电机驱动的旋转盘承载，以便将滤波器连续地置于成像仪的光轴上。顺序地获取所观察区域在与滤波器的通带对应的各光谱带中的图像。

因此，这种类型的设备能够在成像仪所指向的空间区域中找寻和分析给定气体。这种设备需要利用不存在气体时发出标准辐射通量的背景事先校准。但是，发现这种类型的校准相对不精确，因为难以定义标准背景，所述背景将一直不同于真实背景，因而极大地限制了气体浓度测量的精度。因此，在实际中，这种类型的设备基本上用于识别给定气体的存在，但不能精确地显示其在观察的空间区域中的浓度。此外，识别给定气体需要具有相应吸收线的测量滤波器是可用的，这意味着分析具有多个不同吸收线的气体的混合物是难以实现的。观察区域中的不同化学物质的吸收线的分析受到所使用的滤波器的数量所限制。不同的化学物质可能存在相似的吸收线。

本发明的一个具体目的是以简单、有效且廉价的方式避免那些缺点。

为此，本发明提出一种用于在观察的空间区域中光学地检测气体(例如污染物)的检测器设备，所述设备包括相机和用于通过分析多个不同光谱带中的吸光度而在部分或全部观察区域中连续地检测至少一种气体的装置，该设备的特征在于其包括微镜的阵列，所述微镜可在至少两个位置之间各自转向，在第一位置，所述微镜将来自观察区域的辐射通量反射到用于检测所述光谱带中的气体的相机，并且在第二位置，所述微镜将来自观察区域的辐射通量反射到傅立叶变换红外光谱仪。

本发明在单个设备中结合了用于通过分析多个光谱带中的吸光度而检测的装置和傅里叶变换红外光谱仪。该设备的子组件之间的耦接借助于微镜阵列来实现，该微镜阵列能够将来自观察区域的辐射通量反射到相机或傅里叶变换光谱仪。

光谱带相机的使用能够以连续方式在宽视场中迅速地检测一种或多种气体，而快速傅立叶变换红外光谱仪能够对存在于来自小的观察场景区域的辐射通量中的气体(或多种)进行准确的光谱分析，以便通过相机无效或确认气体的检测。

根据本发明的另一个特征，气体检测装置包括至少六个不同的光谱带，用于检测所述光谱带中的气体。

微镜阵列包括衬底，每个微镜铰接在所述衬底上，以通过使用在衬底与微镜之间施加静电场的装置而在其第一和第二位置之间枢转。

优选地，每个微镜可围绕一枢轴转向，以便覆盖大约24°的角度范围。

本发明还提供一种使用上述检测器设备的方法，该方法的特征在于其包括：

a)使所述阵列的微镜同时被转向，从而将来自观察空间区域的所有辐射通量引导到相机；

b)在分析多个光谱带的基础上，推断气体(如果有的话)存在于全部或部分观察空间区域中；

c)在被检测的气体存在于至少一部分观察区域中的情况下，将对应于所述部分观察区域的至少一些微镜转向到其第二位置，从而将来自所述部分的辐射通量的一小部分引导到傅里叶变换红外光谱仪；以及

d)在傅立叶变换分析的基础上，确认或无效所检测气体的存在。

相机收集来自观察区域的辐射通量，在位于观察场景内的多个方向上通过多个光谱带中的吸光度来执行分析。

在一部分观察场景中明确地确认气体的情况下，微镜阵列中的对应于所述部分空间的反射镜被转向，以便将来自该部分空间的辐射通量引导到快速傅里叶变换红外光谱仪，从而执行通量的准确光谱分析，并无效或确认所述部分空间中气体的存在。

在阅读借助于非限制性实例并参照附图进行的以下描述的基础上，呈现本发明的其他优点和特征，附图中：

图1是本发明的设备的示意图；

图2是本发明中所使用的微镜阵列中的微镜的透视示意图；

图3是高度示意图，示出了气体的吸收线的外观；

图4和5是示出了两个滤波器的透射频带与波长的关系的示图。

首先参考图1，图1是示出本发明的检测器设备10的示图，其包括将来自观察空间区域的辐射通量16反射到微镜的阵列14上的光学装置12，其中空间区域可包括例如找寻气体的云18以及背景20。该设备还具有：红外相机或成像仪22，用于分析由微镜的阵列14反射的辐射通量的多个不同光谱带中的吸光度；以及快速傅立叶变换红外光谱仪24。

相机基本上包括用于拍摄图像的光学系统26、滤波器28、以及至少一个敏感元件30，光学系统将由微镜的阵列14反射的图像形成在敏感元件上。

微镜阵列14具有多个微镜，这些微镜被支承在一公共衬底32上且可在第一位置和第二位置之间单独地转向，在第一位置，每个微镜将来自吸收区域的辐射通量朝向相机22反射，在第二位置，每个微镜将辐射通量朝向傅立叶变换红外光谱仪24反射(图2)。

图2示出了微镜34和衬底32之间的连接。每个微镜由支柱36连接到板38，所述板自身安装于在两端铰接的枢轴40上，以相对于衬底32的两个臂部转向。该设备具有用于在衬底与微镜之间施加静电场的电极44，以便使微镜34在其第一位置和第二位置之间枢转。每个枢轴40可包括围绕枢轴40安装且在其端部固定到衬底32的臂部42的扭转弹簧(未示出)。每个微镜的扭转弹簧被构造成使得在不施加静电场的情况下每个微镜通过扭转力保持在其第一位置。

因此，当没有施加静电场时，微镜朝向相机22反射辐射通量。当施加静电力到微镜时，其枢转，以便倾斜到其第二位置，在该第二位置，其朝向傅立叶变换光谱仪24反射辐射通量。

微镜34因此可围绕其各自的枢轴40转向，例如，以便能够覆盖相对于垂直于衬底32的平面大约在-12°到+12°范围内的角度范围。

这种类型的微镜阵列由许多供应商出售，并且特别是由德州仪器出售。

在一个具体实施例中，相机包括至少两个滤波器28，所述滤波器通过使用电机系统而顺序且依次地设置或者叠加地设置在相机22的光轴上。

这两个滤波器28具有在很大程度上重叠且优选地大致相似的波长透射频带，所不同的是其中一个包括待检测气体的吸收线，而另一个基本上与该吸收线互补。参照图3至5更详细地解释这个概念。

图3是示出待检测气体的透射T随一定波长频带λ变化的示图，该透射曲线示出了波长λ₁处的吸收线46，例如，该吸收线的幅度是气体浓度的函数，而其宽度在几十或几百纳米级。

图4是作为波长的函数的用于两个滤波器中的一个滤波器(例如，给定标号F1的第一滤波器)的透射曲线的示意图。此透射频带包括待检测气体的吸收线的波长λ₁，并且其在大于待检测气体的吸收线46的宽度的波长频带上延伸。

另一个滤波器(给定标号F2)具有如图5所示的外观透射频带，其不包括待检测气体的吸收线46的波长λ₁，可以这么说，其相对于图4所示的滤波器F1的透射频带与所述吸收线互补。

因此，当滤波器F1置于相机或成像仪22的光轴上时，由敏感元件接收的辐射通量是在观察区域中存在或不存在待检测气体的云18的函数，并且其也是气体浓度的函数。

当滤波器F2置于相机或热成像仪22的光轴上时，透射到敏感元件的通量与在观察区域中存在或不存在待检测气体的云18无关。

通过滤波器F1然后通过滤波器F2顺序提供给敏感元件的通量的比率提供了这样的幅度，该幅度是观察区域中待检测气体的浓度的函数，但与辐射通量的温度和透射路径(即，光学装置12、微镜阵列14和相机22的成像光学装置26)无关。

在一个变型中，滤波器F1可置于在光轴上，获得测量结果，然后滤波器F2可置于在光轴上同时使滤波器F1保留在适当位置，并再次获得测量结果。

借助于以上所述的具有不同吸收线的几组滤波器，可以以连续方式检测观察空间区域中的多种气体的存在。

根据本发明，微镜阵列14与红外光谱仪24相关联，红外光谱仪用于获得具有观察区域的所有频率分量的干涉图。快速傅里叶变换使得可以查看对应于不同化学化合物的不同波长处的峰值，并由此准确地推断在观察下的化学化合物的存在，具有的光谱分辨率比光谱带相机22获得的光谱分辨率好。每个峰值的高度给出关于与该峰值有关的化学化合物的浓度的准确信息。

根据本发明，通过控制阵列14的微镜同时转向而使用该设备，以便将来自观察空间区域20的所有辐射通量16引导到相机。此后，如上所述，在多个光谱带中执行吸光度分析，以推断是否存在对应于吸收线的预定气态化合物。在一部分观察区域中存在待检测气体的情况下，选择阵列14中的对应于该部分的一些微镜，并将这些微镜同时转向到其第二位置，以便将来自该部分的辐射通量的至少一小部分引导到傅立叶变换红外光谱仪，从而能够在傅立叶变换分析的基础上确认或无效检测气体的存在。当一些微镜定位在其第二位置时，其他微镜继续将辐射通量发送到相机22，从而可以实时地跟踪观察空间区域。本发明的设备可以非常紧凑，并且可以以移动或便携设备的形式实现，从而进行现场检测并使监测更容易。

在本发明的实际实施例中，相机具有六至九个滤波器，并且相机的敏感元件30是具有640×480像素的传感器，从而可以与光学系统26组合以收集来自空间区域的辐射通量，该空间区域在相机的640个像素的排列方向上占据大约30°，并在相机的480个像素的排列方向上占据大约24°。

傅立叶变换光谱仪能够分析在一个方向上为0.5°的立体角乘以在垂直方向上为0.5°的立体角对应的空间区域。因此，在实践中，在由相机22成功地检测气体的情况下，从其第一位置到其第二位置仅转向几微米。在本发明的特定实施例中，相机具有与微镜相同数量的像素。

本发明的设备将具有大角度孔径的相机和具有小角度孔径的傅里叶变换光谱仪结合，该相机用于实时地检测气体，但不适于准确地计算所检测气体的浓度，该光谱仪能够在分析空间区域中的给定方向上准确地检测分量和其相应浓度。

Claims (5)

1.一种用于在观察空间区域(20)中光学地检测气体例如污染物的检测器设备，所述设备包括相机(22)和用于通过分析多个不同光谱带中的吸光度而在观察区域中连续地检测至少一种气体的装置，所述设备的特征在于，其包括微镜的阵列(14)，所述微镜能够在至少两个位置之间分别转向，在第一位置，所述微镜将来自所述观察区域的辐射通量(16)反射到用于检测所述光谱带中的气体的相机(22)，并且在第二位置，所述微镜将来自所述观察区域的辐射通量(16)反射到傅立叶变换红外光谱仪(24)。

2.根据权利要求1所述的检测器设备，其特征在于，所述气体检测装置包括至少六个不同的光谱带，用于检测所述光谱带中的气体。

3.根据权利要求1或2所述的检测器设备，其特征在于，所述微镜阵列包括衬底，每个微镜铰接在所述衬底上，以通过使用在所述衬底与所述微镜之间施加静电场的装置而在其第一和第二位置之间枢转。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的检测器设备，其特征在于，每个所述微镜能够围绕一枢轴转向，以便覆盖大约24°的角度范围。

5.一种使用根据上述任一权利要求所述的检测器设备的方法，所述方法的特征在于其包括：

a)使所述阵列(14)的微镜同时被转向，从而将来自所述观察空间区域的所有辐射通量(16)引导到所述相机(22)；

b)在分析所述多个光谱带的基础上，如果有气体，则推断气体存在于部分所述观察空间区域中；

c)在被检测的气体存在于一部分观察区域中的情况下，将对应于所述部分观察区域的至少一些微镜转向到其第二位置，从而将来自所述部分的辐射通量(16)的一小部分引导到所述傅里叶变换红外光谱仪(24)；以及

d)在傅立叶变换分析的基础上，确认或无效所检测气体的存在。