CN110325839A - 气体监测器 - Google Patents

Abstract

基于可调谐二极管激光器光谱学的气体监测器，包括与至少一种目标气体(5000)匹配的至少一个光源(1000)和至少一个光敏检测器(3000)，以及由将来自光源(1000)的光束(4100)引导通过待分析目标气体(5000)的中心镜(2100)和围绕中心镜(2100)并将透射过气体(5000)的光引导到至少一个检测器(3000)的围绕镜(2300)制成的镜装置(2000)。气体监测器还包括控制光源(1000，1100，1200)、数字化模拟信号并确定气体(5000)的特征的控制系统。气体监测器还包括精确对准用内部对准装置。气体监测器包括在两个或多个波长范围中的针对气体具有吸收线的两个或多个光源(1000，1100，1200)。在某些实施例中，气体监测器包括可插入光学路径中以验证仪器的性能的一个或多个气体单元(2910，2920)。

Description

气体监测器

技术领域

本发明总体涉及通过光学装置监测气体。更具体地，本发明涉及一种气体监测器以及一种通过将光引导通过所述气体样品来确定目标气体的特性的方法。

背景技术

在工艺制造、能源工业和其他工业设置中，需要监测各种气体的浓度或压力，例如用于过程控制和出于安全原因。基于可调谐二极管激光器的气体监测器近年来已经获得了市场份额，这是因为其提供了一种不易受到其他气体干扰的稳健测量技术以及在高温和高压下就地测量的能力。

在典型的光学气体监测器中，由于有限的波长调谐范围并缺乏彼此接近的合适吸收线，一个单个激光传感器通常仅能测量一种或两种气体，在某些情况下可能测量三种。这意味着需要至少两个激光器，并且实际上需要至少两个气体监测仪器来测量两种或更多种气体，并且这可能导致管道或排道中的多组孔。另外，光路通常可能难以对准，特别是在长开放路径应用中。在用于长开放路径应用的典型气体监测仪器中，可以使用牛顿型望远镜将激光朝后向反射器引导，然后用于将反射光收集到检测器。这种气体监测仪器的对准要求整个望远镜准确地指向后向反射器，这通常是麻烦且耗时的。另外，这种设置对实现满足沿光束路径的多个激光器和检测器而言具有受限可能性，并且在光学组件的定位方面受到有限选择。在单个仪器中使用多个激光器和检测器可以通过使用光纤和耦合器来实现，但是这些组件通常会引入大量的光学噪声，这会导致测量性能的劣化。

现有技术

WO2006/022550A2描述了一种基于可调谐激光源的气体监测器，其可以与后向反射器一起使用，以测量激光器/检测器和后向反射器之间的气体。

DD 284527 A5描述了一种基于混合牛顿-卡塞格林望远镜的红外吸收测量装置，其中在主镜的中心处存在孔，并且分束镜取代了牛顿望远镜的普通对角副镜。该装置允许将激光器光束与检测路径同轴地对准，但是该装置仍然受到将整个望远镜、激光源和检测器朝向后向反射器对准的需要的限制。

EP2058671A2描述了一种用于激光测距的装置，其中使用镜组件，该镜组件由用于收集背散射光的大凹面镜组成，并且镜的小平面部分居中在大镜上，该小平面部分用于将激光器光束与大镜同轴地进行引导激光器光束。然而，本发明不允许激光源和检测器定位在分开的光轴上，并且该装置不用于气体测量。

US2005/0162655A1描述了一种装置，其中使用两个凹面镜，第一镜用于将来自光纤的光朝后向反射器引导，并且第二镜用于收集反射光并将反射光朝连接到检测器的第二光纤进行引导。本公开需要使用两个凹面镜，并且该构造要求整个装置朝向后向反射器对准，包括光源纤维和检测器纤维。其还使用光纤，这会引入光学噪声。

由于本领域中描述的技术的这些限制，用于气体监测的新改进的设备和方法将是有利的。

发明内容

本发明要解决的问题

因此，本发明的主要目的是提供克服上述问题的系统和方法。

因此，本公开的实施例优选地通过提供根据随附专利权利要求的基于光学装置的用于气体监测的装置、系统或方法来寻求缓解、减轻或消除本领域中的一个或多个缺陷、缺点或问题，例如上述、单独或以任何组合。

本公开解决了基于可调谐二极管激光光谱学的气体监测中的两个常见问题。第一问题，即传感器的对准，通过仅移动内部部件来允许对准而解决。第二问题，即监测一种以上的气体，通过在一个仪器中在一个公共光学路径中使用多个可调谐二极管激光器而不使用作为光学噪声源的光纤和耦合器而解决。

解决问题的手段

根据本发明，该目的通过以下实现：如权利要求1的前序部分限定的用于确定目标气体的至少一个特征的气体监测系统，该气体监测系统具有权利要求1的特征部分的特征；以及如权利要求25的前序部分所限定的用于确定目标气体的至少一个特征的方法，该方法具有权利要求25的特征部分的特征。

发明概述

本发明的第一目的是提供一种用于确定目标气体的至少一种特征的气体监测系统。

本发明的另一个目的是提供一种具有优化数量部件的气体监测系统以及这些部件的相对位置。

如所附权利要求所限定的，本发明正在解决这些目的中的一个或多个。

根据本发明的第一方面，提供一种用于确定目标气体的至少一个特征的气体监测系统，该气体监测系统包括至少一个光源，所述光源设置用于发射处于一定波长范围中的光，其中，目标气体具有至少一条吸收线，所述系统还包括后向反射器和控制单元，所述气体监测系统设置用于将光通过目标气体引导至后向反射器，该后向反射器将光返回到接收光学器件，所述系统还包括具有用于检测光的至少一个光敏检测器的检测器系统，所述检测器设置用于提供待由控制单元接收的信号，控制单元设置用于控制气体监测系统并计算气体的至少一个特征，其特征在于，气体监测系统包括镜装置，镜装置包括各自有表面和光轴的中心镜以及围绕镜，其中，中心镜和围绕镜在其光轴之间设置有偏移角，其中，中心镜和围绕镜的光轴在中心镜的表面的几何中心附近的交叉点处相交，其中，镜装置可以围绕枢转点在三维立体角内沿任何方向倾斜，其中，枢转点位于交叉点附近，中心镜设置用于接收来自光源的光并将光引导至后向反射器，后向反射器设置用于将光返回到围绕镜，围绕镜设置用于将光反射到检测器系统中。

所述光轴的交叉点可以优选地位于距所述中心镜的表面的几何中心小于10mm处。

枢转点可以优选地位于距光轴的交叉点小于20mm处。

更优选地，光轴的交叉点和枢转点可以位于中心镜的表面的几何中心处。

所述气体监测系统设置用于形成光束，每个光束具有轴线：从包括光源的光源系统到中心镜的光束，从中心镜到后向反射器的光束，从后向反射器到围绕镜的光束以及从围绕镜到检测器系统的光束，并且其中，气体监测系统设置成使到达以及来自后向反射器的光束基本上同轴，并且从光源系统到中心镜的光束的轴与从围绕镜到检测器系统的光束的轴不重合。

所述中心镜与所述围绕镜的光轴之间的角度的两倍基本上可对应于所述光源系统和检测器系统的光轴之间的角度。光源系统和检测器系统定位于不同的光轴上。

中心镜和围绕镜可各自包括用于反射光的表面，并且镜装置设置成使得围绕镜的表面围绕中心镜的表面，其中，围绕镜的表面大于中心镜的表面。所述中心镜和围绕镜的表面还可设置成使得所述光轴的交叉点位于所述中心镜的光学中心处。中心镜通常可以是以下形状中的一者：扁平、抛物面、离轴抛物面和球形；并且围绕镜：扁平、抛物面、离轴抛物面和球形。

所述检测器系统可位于所述镜装置和所述后向反射器之间的所述光束外部。光源通常是以下类型中的一者的激光器：VCSEL激光器、DFB激光器、QCL和ICL激光器、法布里-珀罗激光器、以及不同阵列类型激光器。

所述后向反射器可以是以下类型中的一者：立方角、反射带或者能够将一些光返回到仪器的任何其他装置或表面。

所述镜装置可设置用于将来自所述中心镜的光束沿指向方向主要朝所述后向反射器指向，并且其中，气体监测系统包括用于调节镜装置的指向方向的对准装置。

所述对准装置可设置用于提供所述镜装置主要围绕所述枢转点的倾斜。另外，所述枢转点可位于所述中心镜的表面的中心附近或者在中心镜光轴的延长部的附近处位于所述中心的后方。

对准装置可包括用于通过在监测信号并找到最佳信号的同时移动所述镜组件而使所述镜组件朝所述后向反射器自动地对准的装置。

所述气体监测系统可包括可见光源，所述可见光源设置用于与来自所述至少一个光源的光束基本上同轴地发送准直可见光束，以便于系统的对准。

另外，所述系统可包括以不同波长操作的多个光源，每个光源具有分束器，分束器用于将来自光源的光束合并到公共路径；所述分束器具有使来自对应于每个分束器的光源的光基本上被反射而来自其他光源的波长的光基本上被透射的光谱特性。

气体监测系统可包括多个光敏检测器和多个分束器，用于将来自每个光源的波长分离到各个检测器，所述系统可设置用于时分多路复用或频率多路复用以将来自每个光源的波长分离。

所述系统可设置成使来自所述分束器的过量光穿过用于光源中的每个的至少一个气体单元然后到达用于所述光源中的每个的至少一个额外光敏检测器上；所述至少一个气体单元含有具有如下吸收特性的气体：其适合用于自校准并适于监测关于光谱操作点方面的仪器完整性。

另外，所述后向反射器可包括光束阻挡板，所述光束阻挡板围绕所述后向反射器的中心轴线基本对称地设置以用于阻挡光由所述后向反射器经由中心镜反射回光源，并且所述阻挡板基本上形成类似圆盘，其直径针对光学路径长度和光束发散的范围进行了优化。此外，所述阻挡板可以设置成相对于所述后向反射器的光轴以一定角度倾斜。

此外，所述后向反射器可包括中心部分，其中基本上已经去除了所述反射装置以避免激光经由所述中心镜反射回所述光源。

此外，漫射器元件放置在后向反射器的反射装置已被移除的中心部分中，漫射器元件减少了光学噪声以及来自后向反射器后面的表面的反射。所述中心部分的反射表面包括可被喷砂或蚀刻的反射表面用于基本上去除所述反射表面并制造所述漫射器。

本发明的另一方面提供一种用于确定目标气体的至少一种特征的方法，包括以下步骤：

-发射处于目标气体在来自光源的光束中具有至少一条吸收线的范围内的光；

-通过中心镜将光穿过目标气体的样品朝向后向反射器反射；

-通过后向反射器使光朝围绕中心镜的围绕镜返回；

-通过围绕镜朝检测器系统反射光；

-通过由检测器系统包括的至少一个检测器来检测光；

-接收来自检测器系统的信号，并通过控制系统确定气体的至少一个特征。

气体监测器通常基于可调谐二极管激光光谱学，其包括至少一个光源，其中光源通常是与至少一种目标气体和至少一个光敏检测器匹配的可调谐激光器；以及光学装置，其形成光束并将将光束引导通过待进行分析的目标气体并将光引导至至少一个检测器上。气体监测器还包括控制系统，其控制光源、数字化模拟信号并确定气体的特性。气体监测器还包括用于精确对准的内部对准装置。气体监测器可包括两个或多个光源，其针对于在两个或多个波长范围中具有吸收线的气体。在某些实施例中，气体监测器可包括一个或多个气体单元，其可插入光学路径中以验证仪器的性能。

本发明包括用于出射激光器光束的镜和用于收集反射光的较大镜的组合。图1描绘了使用可移动的镜组件(2000)的系统的示例，其包括凹面镜表面(2300)，所述凹面表面具有孔，该孔中安装有基本平面镜(2100)。镜组件可以使用机械和电动机或任何其他可用致动器在所有方向上倾斜。镜组件被设计成使得当激光器(1000)发射光(4100)时，该光到达镜组件中的平面镜，从平面镜反射的光(4200)将到达后向反射器(2200)并且从后向反射器反射的光(4300)撞击到凹面镜(2300)时，凹面镜聚焦最终到达检测器(3000)的光(4400)。只要仪器粗略对准并且在可调节范围内，则内部对准装置就能够对准仪器。

除了提供仪器的内部对准之外，本公开还使得多个激光器能够包括在遵循相同的光学路径并且利用相同的对准装置的设计中，如图2中的示例所示，其中额外激光器(1100)一并添加有两个分束器(2720)(2740)和镜(2600)。这样，两个激光器光束合并并遵循相同的路径。添加额外检测器(3100)并且还可以添加分束器(2700)。

本发明的中心方面是能够使用立方角(2200)而使激光器光束返回，并且然后能够将返回的光聚焦到一个或多个检测器(3000，3100)上，该一个或多个检测器为关于其中光源通常可以是激光器的光源系统的非共轴设计，。为此，设计了镜组件(2000)。镜组件包括两个镜，位于中心部分中的第一镜(2100)以及围绕第一镜的较大第二镜(2300)。这些镜将安装成使得这些镜之间具有角度。该角度选择为使得其适合光学系统的几何形状，即关于激光器系统和检测器系统到镜组件的距离的激光器系统和检测器系统之间的距离。检测器系统在包括一个激光器的仪器中包括单个光敏检测器(3000)。在包括两个激光器的仪器中，检测器系统包括两个检测器(3000，3100)和分束器(2700)。在包括一个激光器和平面围绕镜(2310)的仪器中，检测器系统包括检测器(3000)和聚焦透镜(6000)。

如果激光器光束发散适合用于所选择的设置，则中心镜(2100)将是平面的。如果想要减少或增加激光器光束发散，则中心镜将分别是凸面或凹面的。较大的围绕镜可以为扁平围绕镜(2310)、球形围绕镜或抛物面围绕镜(2300)。在一个第一实施例中，其是抛物面形。较大镜(2300)将光束聚焦到检测器系统(3000)上。在另一个第二实施例中，较大围绕镜(2310)将是平面的，如图5a所示。该实施例包括将光聚焦到检测器(3000)上的透镜(6000)。

如图5a和5b中所描述，包括两个平面镜(2100，2310)的系统关于激光器光束或射线与到达聚焦透镜(6000)和检测器(3000)的射线之间的角度更容易理解。在两个镜(2100，2310)之间的角度与包括光源(1000)和检测器系统(6000，3000)的光源系统的光轴之间的角度之间存在直接对应关系。

为了解释本发明的中心方面，假设已经调整了镜组件(2000)的倾斜以在检测器上获得最大光强度，使得我们处于如图5a所示的场景中。如果移动或旋转后向反射器，则包括激光器、镜组件、检测器系统等的整个仪器相对于后向反射器将失去对准并且将减小检测器上的光强度。作为示例，如果我们采取图5a)中所示的设置并且稍微向上移动后向反射器，则将显著减小检测器上的光强度。然后调节镜组件以实现在检测器上的最大光强度。然后，将遇到如图5b)所述的情况。在图5b中，可以看到后向反射器已经向上移动，并且镜组件的角度α已经减小了量δ。但是，光仍然聚焦在检测器上的同一点上。这是本发明的核心思想。

在典型的实施例中，平面的围绕镜(2310)将由离轴抛物面镜(2300)代替。然而，相同的原理适用于大镜和中心小镜之间的角度以及其与光源系统的光轴和检测器系统的光轴之间的角度的对应关系。通过使用抛物面镜，不需要聚焦透镜(6000)将光聚焦到检测器上。使用抛物面镜的系统如图1、2和3所示。

需要来自后向反射器的返回光束具有比小中心镜的尺寸更大的直径或横截面，使得足够的光聚焦到检测器系统上。

理想地，镜组件围绕位于小中心镜的中心中的表面处的点移动或倾斜。这可以通过以下来实现：使用类似万向节的机械设计来保持镜组件。然而，如图1、2和3所示，更容易实现光学机械解决方案，其中移动点位于中心镜的表面后方一定距离处。这种解决方案将给出稍微更小的调节范围。

应该强调的是，当在本说明书中使用时，术语“包括/包含”用于指定所述特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、组件或其组。

附图说明

本发明的上述和其它特征在所附权利要求中具体阐述，并且通过考虑参考附图给出的本发明的示例性实施例的以下详细描述，将使本发明的优点变得更加清楚。

下面将结合在附图中示意性示出的示例性实施例进一步描述本发明，附图中：

图1示出了本发明的基本对准部分，其具有激光器(1000)、镜组件(2000)、外部后向反射器(2200)和检测器(3000)；

图2示出了当第二激光器(1100)与分束器(2720)(2740)以及镜(2700)和第二检测器(3100)一起被引入时本发明的视图；

图3示出了在正常操作期间添加检查仪器完整性的装置；

图4a、b和c示出了安装在支架(2230)中并具有遮蔽部或光束阻挡板(2210、221)的后向反射器(2200)。

图5a和5b示出了由两个平面镜(2100和2310)组成的镜组件，其用于光束转向。

图6示出了对准系统的一种可能的实施方式，该对准系统可用于通过改变镜组件(2000)的指向方向来对准气体监测器。图6a)示出了对准机构的横截面。实际上，图6b)的横截面A-A示出了从镜一侧观看的镜组件。图6c)显示了从一侧观看的对准系统。图6d)显示了从后侧观看的对准系统。

图7a示出了围绕镜表面(2300)及其光轴(2350)，其中没有用于中心镜的孔。

图7b示出了中心典型平面镜(2100)及其光轴(2150)。

图7c示出了具有其中心孔的围绕镜(2300)，该中心孔中放置了中心典型平面镜(2100)。

图8示出了后向反射器(2200)，其中基本上后向反射器(2200)的反射表面的中心部分(2240)已被移除并由漫射器元件(2250)代替。

请注意，这些附图并未按比例绘制。

附图标记的描述

以下示出了附图所涉的附图标记和符号：

具体实施方式

在下文中参考附图，更充分地描述了本发明的各个方面。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于贯穿本发明内容给出的任何特定结构或功能。相反，提供这些方面是为了使本发明充分和完整，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。基于本文的教导，本领域技术人员应当理解，本发明的范围旨在覆盖本文公开的本发明的任何方面，无论是独立实施还是与本发明的任何其他方面组合实施。例如，可以使用本文阐述的任何多个方面来实现设备或者可以实践方法。另外，除了本文所阐述的本发明的各个方面之外，本发明的范围旨在涵盖这种设备或方法：其使用其他结构、功能或结构和功能来实践。应当理解，本文公开的本发明的任何方面可以通过权利要求的一个或多个要素来体现。

以下公开集中于适用于通过光学装置进行气体监测的本发明的示例。例如，这对于气体监测的长开放路径应用是有利的。但是，应该理解的是，描述不限于该应用，而是可以应用于执行光学气体检测的许多其他系统。

在图1所示的第一示例中，示出了具有可移动镜组件(2000)的气体监测系统，所述可移动镜组件包括抛物面(2300)，所述抛物面具有孔，该孔中安装有基本平面镜(2100)。所述镜组件可以使用机械和马达或任何其他可用的致动器在所有方向上倾斜。致动器控制由电子部件完成，电子组件由处理单元控制。基于对检测器信号的激光器调制和测量，微处理器可以确定仪器的最佳对准，调谐最大“烟雾”，即最大信号。

镜组件(2000)被设计成使得当激光器(1000)发射光(4100)时，该光到达镜组件中的基本平面镜(2100)，从所述基本上平面镜反射的光(4200)将到达后向反射器(2200)，并且来自后向反射器的反射光(4300)撞击抛物面镜(2300)，抛物面镜聚焦最终到达检测器(3000)的光(4400)。只要仪器粗略对准并且处于可调节范围内，内部对准装置就能够对准仪器。此外，镜组件设计确保当需要远离中心位置对准时，激光也将遵循预期路径。

在另一个示例中，如图2所示，本发明还使得能够在设计中包括多个激光器，遵循相同的光学路径并利用相同的对准装置。额外激光器(1100)一并添加两个分束器(2720)(2740)和镜(2600)。这样，两个激光器光束合并并且遵循相同的路径。还添加了额外检测器(3100)和分束器(2700)。该分束器使来自第一激光器(1000)的光通过，而使来自第二激光器(1100)的光被反射并到达第二检测器(3100)。来自两组激光器和检测器的信号可以独立处理，以获得处于两个不同波长范围的测量值。

光源系统(1000，1100)包括激光和光束形成光学器件。在本申请中，光源系统将被称为“激光器”。光束形成光学器件将被设计并调整为使得激光器光束(4100)对于实际安装和光学路径长度而言具有合适的发散度。

在所示的示例中，还添加了具有准直光束的可见激光器(1200)，使得仪器的操作者可以看到仪器当前指向的位置。

图2示出了当第二激光器(1100)与分束器(2720)(2740)以及镜(2700)和第二检测器(3100)一起被引入时的本发明。图1中描述的光学设计在两个或多个激光器存在于类似图2中的一个系统中时是理想的，因为两个光束可以合并并通过相同的光学器件，并且该光学器件也可以在仪器壳体内内部地且自动地对准。还可以引入用于对准的可见激光器(1200)，使得可以看到仪器指向的位置。该激光器具有准直光束，而可调谐激光器具有发散光束。

在另一个示例中，如图3所示，本发明允许在相同的光学设计中包括验证装置，使得可以关于波长漂移等连续检查每个激光器。来自分束器(2720)(2740)的过量光可以通过气体单元(2910)(2920)并到达检测器(3200)(3300)。可以使用单元中气体的光谱特性来检查激光器的状况。

图3示出了添加在正常操作期间检查仪器完整性的装置。这可用于检查激光器波长是否在正确的范围内，或使用内部光路检查校准。在该图中，对于每个激光器而言具有一个单元或模块，该一个单元或模块通常包括不同的气体或含有一种或多种气体的相同气体混合物，其中这些气体对两个激光器的波长范围具有吸收线。来自一个或多个激光器的过量光通过一个或多个分束器(2720)(2740)发射并被一个或多个透镜(2810)(2820)聚焦，该光穿过一个或多个气体单元(2910)(2920)并到达一个或多个检测器(3200)(3300)。在通常不存在待测气体的情况下，目标气体可以存在于单元中，因此可以检查激光器是否仍然在正确的波长范围内运行。还可以进行跨距检查，因为校准变化通常是由于长时间漂移或变化引起的激光输出的变化引起的。

在一些示例中，所述基本上平面镜(2100)不是精确地平面，而是具有曲率，从而在一些示例中允许更好地聚焦激光器光束。

在一些示例中，所述凹面(2300)不是抛物面的，而是具有另一曲率。

在一些示例中，不是通过使用分束器而是通过使用对不同波长敏感的组合或夹层检测器来利用多个检测器，或者在一些示例中通过其他光谱分离手段来使用多个检测器。

在一些示例中，使用单个检测器并且通过使用时间复用或频率复用技术，来分离不同的激光波长。

有些激光器对光学反馈比其他激光器更敏感。本发明的基本设计使来自后向反射器的光中的一些返回到小中心镜，该小中心镜又将光返回光源系统。该反馈可能干扰激光器，从而产生更多的光学噪声，或者在最坏的情况下使激光器不工作。这可以通过在后向反射器(2200)的中心部分(2240)中插入遮蔽部或光束阻挡板(2210、2211)来解决。遮蔽部的直径可以根据光学路径长度和光束发散度进行调节。对于给定光束发散度和准直光学器件的几何形状，可以针对特定范围的光学路径长度优化直径。理想情况下，遮蔽部应阻挡光到达中心镜，因为这种光不会对检测器上的信号产生助力，但可能会干扰激光。

图4a、b和c示出了安装在支架(2230)中并具有遮蔽部或光束阻挡板(2210、2211)的后向反射器(2200)。图4b示出了比图4a和图4c中所示的遮蔽部(2210)稍大的遮蔽部(2211)。从图4c中可以看出，遮蔽部或光束阻挡板(2210)是倾斜的，使得反射光束将被发送出光学路径，使得这些发射光束不会到达激光器或在检测器上结束。

用于减少被反射回到光源(1000)的光的另一个实施例是当后向反射器(2200)被实现为反射表面立方角时，移除后向反射器(2200)的中心部分(2240)。如果需要清洁光学表面，这比光束阻挡板(2210)更容易维护。另外的特征是将漫射器元件放置在后向反射器(2200)的中心部分(2240)中，以减少光学噪声并减少来自后向反射器(2210)后方的表面的反射。如图8所示。

移除反射表面的中心区域(2240)的尺寸将适应不同部件的实际距离和尺寸，以避免反射回到光源(1000)，但同时为气体监测器提供最佳可能测量信号。

移除后向反射器(2200)的中心部分(2240)并同时创建漫射器元件的一个示例是喷砂或蚀刻后向反射器(2200)的中心部分，以产生无光泽且漫射的表面。

图5a和5b示出了由两个平面镜(2100和2310)组成的镜组件，这两个平面镜用于光束转向。中心镜(2100)将来自激光器(1000)的略微发散的光束(图5a中的4200和图5b中的4210)引导到立方角(2200)。立方角(2200)在两个图中均位于光束的中心(图5a中的4200和图5b中的4210)。立方角(2200)将光束(图5a中的4300和图5b中的4310)反射回镜组件。由于轻微的发散，反射光束的一些部分(图5a中的4300和图5b中的4310)瞄准更大平面镜(2310)。反射光束(4450)被导向聚焦透镜(6000)，该聚焦透镜将光束(4460)聚焦到光电二极管(3000)上。在图5a中，镜组件以角度α倾斜。在图5B中，镜组件以角度α-δ倾斜。来自中心镜(2100)的反射光束(图5a中的4300和图5b中的4310)的方向从图5a到图5b变化了2δ。从立方角(2200)到更大平面镜(2310)的反射光束(图5a中的4300和图5b中的4310)的方向从图5a到图5b也变化2δ。由于更大平面镜(2310)的倾斜角度从图5a到图5b变化-δ，因此来自更大平面镜(2310)的反射光束(4450)的方向从图5a到图5b将不变。因此，来自透镜(6000)的聚焦光束(4460)将瞄准光电二极管(3000)处的相同光斑。

必须对准根据本发明的仪器，使得光束从激光器(1000)行进到中心镜(2100)、从中心镜穿过窗口(2500)、穿过目标气体(5000)、然后到达后向反射器(2200)、然后从后向反射器通过窗口反射回到围绕镜(2300)、并最终聚焦到检测器(3000)上。

调整光学部件以实现上述目的将在本申请中被称为“对准”。

在仪器制造期间通常需要对激光器(1000，1100)、分束器(2720，2740)、镜(2600)、检测器部段中的分束器(2700)以及检测器(3000，3100)进行对准。根据镜装置的实际实施方式，可能另外需要位于检测器前方的透镜装置。这种透镜装置也可能需要对准。

通常使用整个仪器的粗略对准并且然后仅使用镜组件(2000)进行最终微调来完成最终用户在正常使用中的对准。正常使用中的对准将使用调节螺钉(2060，2070)完成，如图6所示。

图6示出了对准系统的一种可能的实施方式，该对准系统可用于通过改变镜组件(2000)的指向方向来对准气体监测器。图6a)示出了对准机构的横截面。实际上，图6b)的横截面A-A示出了从镜一侧观看的镜组件。图6c)显示了一侧观看的对准系统。图6d)显示了后侧观看的对准系统。镜组件(2000)围绕钢球(2050)移动。使用推动螺钉(2060)进行调节，并且通过具有包括螺钉和钢弹簧的拉动螺钉来布置沿另一方向的移动。

仪器在现场安装时，可以使用手动对准装置或使用自动或半自动装置完成对准。完整的手动系统可以基于调节螺钉从而使镜组件(2000)围绕“枢转”点(2050)倾斜或移动。一种可能的实现方式如图6所示。

图7a示出了没有用于中心镜的孔的围绕镜面(2300)及其光轴(2350)。图7b示出了典型中心平面镜(2100)及其光轴(2150)。图7c示出了具有中心孔的围绕镜(2300)，其中放置了典型中心平面镜(2100)。两个表面(2100，2300)的光轴'(2150，2350)在同一点上相交，该点应当用作系统的最佳性能的枢转点。

该交叉点也优选地位于中心镜(2100)的表面处。另外，如果在该镜的中心没有孔，则交叉点是围绕镜(2300)的光轴与围绕镜(2300)的表面相交的理论点。

中心镜(2100)和围绕镜(2300)的光轴(2150，2350)在中心镜(2100)的表面的(几何中心的)附近的交叉点处相交。优选地，交叉点与表面之间的距离小于10mm，更优选地，交叉点位于中心镜(2100)的表面处。镜装置(2000)可以在围绕枢转点(2050)的三维立体角内沿任何方向倾斜，其中枢转点(2050)位于交叉点附近。枢转点(2050)与交叉点之间的距离优选地小于20mm，并且更优选地，枢转点(2050)位于交叉点处。此外，如果枢转点和交叉点不是同一定位的，则枢转点(2050)优选地位于中心镜(2100)的表面后方。

镜装置可以作为一个整体单元相对于气体监测系统的其他部分而在三维立体角内沿任何方向倾斜，并且因此通过仅倾斜镜装置来提供系统的对准。

除了不需要锁定螺钉，自动或半自动对准系统将基于具有与调节螺钉类似功能的致动器。通过使用激光器中的至少一个和包括电子器件和数字化单元的检测器中的至少一个，致动器将用于扫描可能的范围以找到最大信号强度。一种可能的扫描策略是从中心开始并沿着螺旋形(要么是正常螺旋形要么是像螺旋形的正方形)图案向外。可能的方法是停在足够高的局部最大值或扫描整个范围以找到全局最大值。在半自动模式中，对准过程将通过手动干预开始，而在自动模式下，当信号强度低于特定阈值达指定时间时，对准过程将开始。用于启动对准过程的许多其他更复杂的标准也是可能的。

根据实施类型，接收光学器件将要么是弯曲的要么是典型抛物面镜(2300)，其将光聚焦到检测器系统上。在围绕镜是平面镜(2310)的情况下，接收光学器件也包括聚焦透镜(6000)。

根据本发明的仪器将获取作为目标气体特征的数据。仪器还可以获取作为仪器内部光学路径中存在的气体或空气的特征以及仪器外部光学路径中的气体或空气的特征的数据，而不是目标气体中的气体或空气的特征的数据。可以用氮气吹扫整个仪器，以避免仪器内部空气中的氧气产生影响。

该仪器还可以从温度、压力、流速和其他传感器获取数据。

基于所获取的数据和预定的知识和数据，控制单元将基于光谱数据计算一种或多种气体的浓度以及可能的温度(T)和/或压力(p)。

控制单元包括控制仪器(即温度控制)的装置、扫描和调制激光器的装置、从检测器获取数据和其他输入(T，p等)的装置。控制单元还将为仪器执行其他所需的“内务”任务。如前所述，控制单元将计算气体浓度和其他参数。控制单元具有并控制不同的输入和输出单元(I/O)，这些输入和输出单元(I/O)用于输入其他信号(如T和p)，并输出结果(如一个或多个气体浓度)。控制单元还使用I/O进行仪器设置以及校准和故障诊断。

在本申请中，镜组件(2000)也被称为镜装置，因为中心镜和围绕镜之间以一定角度设置。镜组件具有指向方向，该指向方向可以参考围绕镜的光轴或中心镜的光轴或两者来定义。在对准期间，将调节镜组件的指向方向。

平面镜的光轴将是镜面的法线。如果适用，将选择与其他元件的光轴一致的法线作为光轴，否则将选择平面镜中心处的法线。

在本发明中，术语“后向反射器”将用于所有装置或表面，其将至少一些光反射回仪器，使得这些光可以被检测器系统检测到。然后，后向反射器可以是立方角、反射带或能够将一些光返回到仪器的任何其他装置或表面。即使是室内或室外物体或表面也可以用作后向反射器，也可以使用墙壁、岩石、地面。

激光器设置成使光到达中心镜；中心镜和围绕镜以及检测器系统设置成使得到达中心镜的光沿后向反射器的方向进行发送，然后被发送回围绕镜然后到达检测器系统。可以根据图5中给出的示例来设置角度和位置。

镜组件围绕点或球2050移动。镜组件在具有较大直径的弯曲表面的顶部进行滑动的设置也是可能的。这可能会导致中心镜表面和移动点之间的距离更大并且将导致更小的调节范围。

可以使用具有两个反射表面的中心镜来制造如图2和3所示的双激光器系统的可选实施方式，所述两个反射表面之间具有角度。第一表面可以涂覆反射760nm范围的涂层，同时其透射其他波长。下一个表面(可能是具有不同角度的后表面)将反射所有光。这种设置可以使激光器和检测器系统的安装与图2和图3所示的示例不同。激光器和检测器系统可以而仅根据中心镜的不同表面之间的角度更独立地安装。

本发明的一个实施例具有大约760nm的VCSEL激光器(1100)，光束进入分束器(2740)，该分束器通常反射来自激光器的90％的光并透射来自对准激光器(1200)的一些可见光。大约2.3微米的DFB激光器(1000)向分束器(2720)发射光，该分束器反射2.3微米范围内的光的大约90％，该分束器还包括760nm范围的抗反射涂层，使得来自第一激光器(1100)的光将透射。镜(2600)在中心镜(2100)的方向上引导光。分束器(2720)还透射对准激光器(1200)的一些可见光。

入射到检测器系统的入射光将到达分束器(2700)，其将760nm范围内的光反射到检测器(3100)。相同的分束器具有针对2.3微米区域优化的抗反射涂层，并且源自激光器(1000)的光将在检测器(3000)上结束。

可以在分束器(2700)和检测器(3000)之间的单元中插入含有气体CO的单元。这可用于线跟踪和跨度或验证检查。

气体单元(2910，2920)可以与检测器(3200，3300)组合用于线跟踪和/或跨度或验证检查。所有提到的单元都可以使用致动器系统永久安装或插入。在没有单元的情况下，可以检查零点设置。单元可以要么可流动通过的要么是密封的。

本发明的优点在于，其允许多于一个激光器被包括在同一光学路径中，并因此也允许一个气体监测仪器测量数种气体成分，即使这些气体具有相隔很远的吸收线，使得这些气体无法利用一个激光器而被扫描到。包括在不同波长范围内工作的两种不同激光器的实施例组对于本发明的利用是典型的。

一个这方面的例子是用于燃烧分析的仪器，其包括用于测量氧气(O2)的在760nm区域中允许的第一激光器并包括用于测量一氧化碳(CO)的在2327nm区域中的第二激光器。在760nm区域中运行的激光器甚至可以扫描多于一条氧气线，从而能够使用光谱装置测量气体温度。其还可以扫描周围的NO2线，从而可以用第一激光器测量O2、NO2和温度。通过选择第二激光器的波长范围，使得该仪器可以扫描CO线、甲烷(CH4)线和两条水蒸气线，第二激光器可以使用相同的气体监测仪器测量额外三种气体并使用两条吸水线来测量温度。然后，可以在一个仪器中测量6种分量、5种气体和温度，其仅需要排到或管道中的一个孔用于原位操作。

在玻璃熔炉等特定应用中，工艺温度很高，并且人们希望避免将分析仪直接连接到工艺管道，使用氧气线进行温度测量将不适用，这是因为激光器光束将通过该工艺和分析仪和工艺导管之间的空气。对于这样的应用，可以使用2300nm区域中的水蒸气线来代替760nm区域中的氧气线来测量温度。

根据本发明的仪器可以适应多种激光器类型，一些样品是但不限于VCSEL激光器、DFB激光器、QCL和ICL激光器，法布里-珀罗激光器、以及不同阵列类型的激光器。这些激光器可以在可用激光器并且存在匹配的气体吸收线的所有波长范围内工作。只要穿过光学窗口、透镜和分束器基板的透射足以进行操作，则激光器和波长范围的任何组合都是可能的。

本发明的气体监测仪器可以以不同的配置使用，例如但不限于打开路径、使用后向反射器的交叉堆叠、或使用具有内置后向反射器的探头的单法兰解决方案。单法兰探针解决方案还可以包括阻止粒子进入光路或光束的装置。这可以允许在灰尘负载对于光学系统的操作而言太高的环境中操作。

Claims (29)

1.一种用于确定目标气体(5000)的至少一个特征的气体监测系统，所述气体监测系统包括至少一个光源(1000)，所述光源(1000)设置用于发射处于一定波长范围中的光，所述目标气体(5000)在该波长范围中具有至少一条吸收线，所述系统还包括具有反射装置的后向反射器(2200)以及控制单元，所述气体监测系统设置用于将所述光穿过所述目标气体(5000)引导至所述后向反射器(2200)，所述后向反射器将所述光返回到接收光学器件，所述系统还包括具有用于检测光的至少一个光敏检测器的检测器系统，所述检测器设置用于提供待由所述控制单元接收的信号，所述控制单元设置用于控制所述气体监测系统并计算所述气体的所述至少一个特征，

其特征在于，

所述气体监测系统包括镜装置(2000)，所述镜装置(2000)包括中心镜(2100)以及围绕镜(2300)，所述中心镜和所述围绕镜各自具有表面、几何中心和光轴，其中，所述中心镜(2100)和所述围绕镜(2300)设置成在其光轴(2150，2350)之间具有偏移角，其中，所述中心镜(2100)和所述围绕镜(2300)的所述光轴(2150，2350)在所述中心镜(2100)的所述表面的所述几何中心附近处的交叉点处相交，其中，所述镜装置(2000)能够围绕枢转点(2050)沿三维立体角内的任何方向倾斜，其中，所述枢转点(2050)位于所述交叉点附近，所述中心镜(2100)设置用于接收来自所述光源(1000)的光并将所述光引导到所述后向反射器(2200)，所述后向反射器(2200)设置用于将所述光返回到所述围绕镜(2300)，所述围绕镜(2300)设置用于将所述光反射到所述检测器系统中。

2.根据权利要求1所述的气体监测系统，其中，所述光轴(2150，2350)的所述交叉点位于距所述中心镜(2100)的所述表面的所述几何中心小于10mm处。

3.根据前述权利要求中任一项所述的气体监测系统，其中，所述枢转点(2050)位于距所述光轴(2150，2350)的所述交叉点小于20mm处。

4.根据前述权利要求中任一项所述的气体监测系统，其中，所述光轴(2150，2350)的交叉点和所述枢转点(2050)位于所述中心镜(2100)的所述表面的所述几何中心处。

5.根据前述权利要求中任一项所述的气体监测系统，其中，所述气体监测系统设置用于形成光束，每个光束具有轴线：从包括所述光源(1000)的光源系统到中心镜(2100)的光束(4100)、从所述中心镜(2100)到所述后向反射器(2200)的光束(4200)、从所述后向反射器(2200)到所述围绕镜(2300)的光束(4300)以及从所述围绕镜到所述检测器系统的光束(4400)，并且其中，所述气体监测系统设置成对到达和来自所述后向反射器(2200)的光束而言基本上是同轴的，并且从所述光源系统到所述中心镜(2100)的光束的轴线和从所述围绕镜(2300)到所述检测器系统的光束的轴线不重合。

6.根据权利要求5所述的气体监测系统，其中，所述系统设置成使得所述中心镜(2100)和所述围绕镜(2300)的光轴之间的角度的两倍基本上对应于所述光源系统和检测器系统(3000)的光轴之间的角度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的气体监测系统，其中，所述中心镜(2100)和所述围绕镜(2300)各自包括用于反射光的表面，并且所述镜装置(2000)设置成使得所述围绕镜(2300)的表面围绕所述中心镜(2100)的表面。

8.根据权利要求7所述的气体监测系统，所述中心镜(2100)和所述围绕镜(2300)的表面还设置成使得所述光轴(2150，2350)的所述交叉点位于所述中心镜(2100)的所述光学中心处。

9.根据前述权利要求中任一项所述的气体监测系统，其中，所述中心镜(2100)是以下形式中的一者：平面、抛物面、离轴抛物面和球形面；并且所述围绕镜(2300)为：平面、抛物面、离轴抛物面和球形面。

10.根据前述权利要求中任一项所述的气体监测系统，其中，所述检测器系统位于所述镜装置(2000)和所述后向反射器(2200)之间的所述光束(4200，4300)外部。

11.根据前述权利要求中任一项的气体监测系统，其中，所述光源(1000)是以下类型中的一者的激光器：VCSEL激光器、DFB激光器、QCL和ICL激光器、法布里-珀罗激光器、以及不同阵列类型激光器。

12.根据前述权利要求中任一项所述的气体监测系统，其中，所述后向反射器(2200)是以下类型中的一者：立方角或反射带。

13.根据前述权利要求中任一项所述的气体监测系统，其中，所述镜装置(2000)设置用于将来自所述中心镜(2100)的光束沿指向方向主要朝所述后向反射器(2200)指向，并且其中，所述气体监测系统包括用于调节所述镜装置(2000)的所述指向方向的对准装置。

14.根据权利要求13所述的气体监测系统，其中，所述对准装置设置用于主要围绕所述枢转点(2050)提供所述镜装置(2000)的倾斜。

15.根据权利要求13或14所述的气体监测系统，其中，所述枢转点(2050)位于所述中心镜(2100)的所述几何中心附近。

16.根据权利要求13或14所述的气体监测系统，其中，所述枢转点(2050)在所述中心镜(2100)的所述几何中心后方位于所述中心镜(2100)的所述光轴(2150)附近。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的系统，其中，对准装置包括用于通过在监测信号并且找到最佳信号的同时移动所述镜组件而使所述镜组件自动朝所述后向反射器(2200)对准的装置。

18.根据前述权利要求中任一项所述的气体监测系统，其中，所述系统包括可见光源(1200)，所述可见光源设置用于发送准直可见光束，所述准直可见光束与来自所述至少一个光源(1000)的光束基本上同轴以便于所述系统的对准。

19.根据前述权利要求中任一项所述的气体监测系统，其中，所述系统包括在不同波长下运行的多个光源(1000，1100)，每个光源(1000，1100)具有分束器，所述分束器用于将来自所述光源(1000，1100)的光束合并到公共路径；所述分束器具有对于来自所述光源(1000，1100)的对应于每个分束器的光被基本上反射而来自其他光源(1000，1100)的一定波长的光基本上透射的光谱特性。

20.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括多个光敏检测器和多个分束器，所述多个分束器用于将来自每个光源(1000)的波长分离到各个检测器。

21.根据权利要求19和20中任一项所述的系统，其中，所述系统设置用于时分多路复用或频率多路复用以分离来自每个光源(1000)的波长。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的系统，其中，所述系统设置成使来自所述分束器的过量光通过用于所述光源(1000，1100)中的每个的至少一个气体单元然后使所述过量光到达用于所述光源(1000，1100)中的每个的至少一个额外光敏检测器上；所述至少一个气体单元含有具有吸收特性的气体，该气体适合用于自校准并监测仪器在光谱操作点方面的完整性。

23.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述后向反射器(2200)包括光束阻挡板(2211)，所述光束阻挡板围绕所述后向反射器(2200)的中心轴线基本对称地设置以用于阻挡光被所述后向反射器经由所述中心镜(2300)反射回所述光源(1000)。

24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述阻挡板(2211)基本上形成为类似圆盘形状，其具有针对光学路径长度和光束发散度的范围进行优化的直径。

25.根据权利要求23或24所述的系统，其中，所述阻挡板(2211)以相对于所述后向反射器(2200)的所述光轴倾斜的一定角度设置。

26.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述后向反射器(2200)包括中心部分(2240)，在所述中心部分中，基本上已经移除了所述反射装置以避免激光器光经由所述中心镜(2100)被反射回所述光源(1000)。

27.根据权利要求26所述的系统，其中，漫射器元件(2250)放置在所述后向反射器(2200)的所述中心部分(2240)中，在所述中心部分中，所述反射装置已被移除；所述漫射器元件(2250)减少了来自所述后向反射器(2200)后方的表面的光学噪声和反射。

28.根据权利要求27所述的系统，所述中心部分(2240)的所述反射装置包括被喷砂或蚀刻的反射表面用于基本上去除所述反射表面并制成所述漫射器元件(2250)。

29.一种用于确定目标气体(5000)的至少一种特征的方法，包括以下步骤：

-发射处于所述目标气体(5000)在来自光源(1000)的光束中具有至少一条吸收线的范围中的光；

-通过中心镜(2100)将所述光通过所述目标气体(5000)的样品朝后向反射器(2200)反射；

-通过所述后向反射器(2200)使所述光朝围绕所述中心镜(1000)的围绕镜(2300)返回；

-通过所述围绕镜(2300)朝检测器系统反射所述光；

-通过所述检测器系统包括的至少一个检测器来检测所述光；

-接收来自所述检测器系统的信号并通过控制系统确定所述气体的所述至少一个特征。