CN116745588A - 全补偿光学气体传感设备 - Google Patents

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Abstract

用于稳健便携式气体检测的系统和设备。具体地，本公开描述了用于使用两个光学路径在紧凑封装中进行光学气体检测的设备和系统。需要一种用于诸如CO2、NOx、水蒸气、甲烷等气体的非常紧凑、低功率的气体检测系统。本公开提供了一种基于使用基本共线路径的光学吸收光谱原理的超紧凑、高度稳定和高效的光学测量系统。

Description

全补偿光学气体传感设备
相关申请的交叉引用
本申请涉及并要求下列优先权权益：2020年7月13日提交的题为“完全补偿光学气体传感系统”的美国临时专利申请No.63/051,042；和2021年5月21日提交的题为“全补偿光学气体传感系统和设备”的美国非临时专利申请No.17/327,172；和2018年5月30日提交的题为“紧凑型光学气体检测系统和设备”，现在为美国专利No.10,866,185；和2020年5月12日提交的题为“使用差分路径长度测量的气体检测”的美国专利申请No.16/872,758，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及便携式气体检测。更具体地，本公开描述了用于使用差分路径长度的光学气体检测的设备和系统。
背景技术
非色散红外传感器(或NDIR传感器)是一种通常用作气体检测器的简单光谱传感器。它在光学色散的意义上是非色散的，因为允许红外能量通过大气采样室而不变形。
它也是非色散的，因为没有色散元件(例如，棱镜或衍射光栅，通常存在于其他光谱仪中)用于将宽带光分离(如单色仪)成适合于气体传感的窄光谱。大多数NDIR传感器使用宽带光源和滤光器来选择与感兴趣气体的吸收区域重叠的窄带光谱区域。在这种情况下，窄的带宽可以是50-300nm。现代NDIR传感器可以使用微机电系统(MEM)或中红外LED光源，有或没有滤光器。
NDIR传感器的主要部件是红外源(灯)、样品室或灯管、滤光器和红外检测器。IR光通过样品室被引向检测器。平行地，存在另一个具有封闭的参考气体(通常为氮气)的腔室。根据比尔-朗伯定律，样品室中的气体会导致特定波长的吸收，检测器会测量这些波长的衰减，以确定气体浓度。检测器前面有滤光器，它可以消除除所选气体分子可以吸收的波长以外的所有光。
理想情况下，其他气体分子不会吸收该波长的光，并且不会影响到达检测器的光量，但是一些交叉灵敏度是不可避免的。例如，IR区域中的许多测量值对H2O是交叉敏感的，因此CO2、SO2和NO2等气体通常在低浓度下引发交叉敏感。
一种常见的应用是使用NDIR(非色散红外吸收)传感器来监测CO2。大多数分子可以吸收红外光，导致它们弯曲、拉伸或扭曲。吸收的红外光的量与浓度成正比。光子的能量不足以引起电离，因此检测原理与光电离检测器(PID)的原理非常不同。最终，能量转化为动能，使分子加速，从而加热气体。一种常见的红外光源是家用白炽灯泡。每个分子吸收代表存在的键类型的波长的红外光。
已经提出了许多通常由宽带光源组成的技术。不幸的是，它们需要相对较长的光路，这会降低光收集效率。本公开的发明人已经识别了这些缺点，并认识到需要具有高收集效率的更优雅、鲁棒、紧凑的光学气体检测测量系统。也就是说，本发明人提出了一种紧凑、低功耗的光学气体检测设备，该设备可以通过封装大规模生产而不产生精度。
此外，现有技术使用设置在光电检测器处的色轮或滤光器。具体而言，针对特定气体的吸收测量一种颜色(波长λ1)。参考测量通常通过色轮或第二传感器在另一种颜色(波长λ2)处进行，滤光器中心位于λ2。单位体积的气体浓度基于吸收光谱。然而，这些技术不能考虑几个参数的变化，特别是热漂移、滤波器带宽和灵敏度、作为波长函数的源的变化等。
该概述旨在提供本专利申请的主题的概述。其不旨在提供对本发明的排他性或详尽的解释。通过将这些系统与本申请的其余部分中参照附图所阐述的本发明的一些方面进行比较，常规和传统方法的进一步限制和缺点对于本领域技术人员来说将变得显而易见。
发明内容
用于稳健便携式气体检测的系统和设备。具体地，本公开描述了用于使用两个光学路径在紧凑封装中进行光学气体检测的设备和系统。需要一种用于诸如CO2、NOx、水蒸气、甲烷等气体的非常紧凑、低功率的气体检测系统。本公开提供了一种基于使用基本共线路径的光学吸收光谱原理的超紧凑、高度稳定和高效的光学测量系统。
它不仅将仪器的尺寸和功耗降低了一个数量级以上，从而可以广泛部署，而且提高了精度。这是通过在相同条件下测量两个光路长度来实现的，从而得出结果，其他人也一样。已经确定需要大量分布式气体传感器来改善人类健康、环境和节约能源使用。
根据本公开的一个方面，气体吸收测量装置，测量两个波长下的差分路径长度比–第一波长设置在目标气体的吸收波长处，和第二波长设置为使得其不被测量气体混合物中存在的任何气体吸收。
根据本公开的另一个方面，气体吸收测量装置，两个波长从光学滤波器开始沿着基本相同的光路通过气体采样光学器件。
根据本公开的另一方面，气体吸收测量装置源自如根据新颖的差分路径长度(DPL)比所描述的RoR的形成。
根据本公开的另一方面，气体吸收测量装置，其中第二LED紧邻第一LED放置，并且第一LED充当第二LED的第二反射器，使得在第一LED散射之后来自第二LED光线的光路基本相同。
根据本公开的另一方面，提供了一种气体吸收测量装置，其中第一/第二LED放置在第二/第一LED的下方或堆叠在其上方。
根据本公开的另一方面，气体吸收测量装置，其中一个物理LED产生可由电流控制的两个不同波长。
根据本公开的另一方面，气体吸收测量装置，其中第一LED和滤光器一起具有超过目标气体的吸收区域以包括另一气体，而第二LED和滤光器仅在另一气体处具有吸收。
根据本公开的一个方面，气体吸收测量装置(或工作流体吸收装置)包括形成公共光路的光源、对公共光路进行滤波的一个或多个滤波器、设置在公共光路中的准直器、用于分割公共光路和两个或更多个检测器，每个检测器用于收集分割的光路。
根据本公开的另一方面，气体吸收测量装置(或工作流体吸收装置)被配置为将两个或多个检测器设置在距光源的两个(或更多个相应地)不同距离处，其中每个检测器在两个不同的气体吸收路径长度之后测量光透射。
根据本公开的另一方面，气体吸收测量装置(或工作流体吸收装置)还包括在检测器之前的收集器光学器件。
根据本公开的另一方面，气体吸收测量装置(或工作流体吸收装置)，分束器可以是偏振分束器(PBS)、半波片、半镀银镜、菲涅耳棱镜或任何其他合适的光学器件。
根据本公开的另一方面，气体吸收测量装置(或工作流体吸收装置)还包括一个或多个波导。
根据本公开的另一方面，波导提供用于气体分子扩散的开口。
根据本公开的另一方面，滤光器可以包括吸收滤光器和/或干涉滤光器或二向色滤光器。
根据本公开的另一方面，光源可以包括发光器件(LED)或其他合适的器件。
根据本公开的另一方面，收集光学器件可以包括凸透镜或凹透镜。
根据本公开的另一方面，检测器是光敏元件，并且可以是以下的一个或多个：光电检测器、光电二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩光电二极管、光电倍增管(PMT)。
根据本公开的另一方面，在对光源进行滤波以进行特定气体吸收之后，采用路径长度的差异。
根据气体吸收测量装置(或工作流体吸收装置)的另一方面，使用两个检测器信号的比率来测量工作流体的浓度。
根据气体吸收测量装置(或工作流体吸收装置)的另一个方面，在校准步骤期间以已知条件保存两个检测器的比率，并随后用于将来的计算。
根据气体吸收测量装置(或工作流体吸收装置)的另一方面，计算预定气体的浓度。
根据本公开的另一方面，预定气体可以是CO2、水蒸气、甲烷CH4、NO以及各种醇的蒸气。
根据本公开的另一方面，预定气体可以是麻醉中使用的任何气体。
根据本公开的另一方面，预定气体可以是柴油、煤油或汽油的蒸汽。
根据本公开的另一方面，可以通过使用多个检测器和为每个气体选择的滤光器并使用宽带光源来同时检测多个气体。
根据本公开的另一个方面，预定气体可以是CO2和乙醇蒸气，其同时被检测用于宽度分析。
根据本公开的另一个方面，预定气体可以是水和醇蒸汽，它们被同时检测用于宽度分析。
根据本公开的另一方面，气体吸收测量装置(或工作流体吸收装置)设置在基板上。
根据本公开的另一方面，气体吸收测量装置(或工作流体吸收装置)还包括光学帽，光学帽固定到基底上。
根据本公开的另一方面，帽的内部形状形成镜子，其中镜子形状源自基本上以45度倾斜的两个椭圆镜面，以向检测器提供光源的高收集。
根据本公开的另一方面，帽提供用于气体分子扩散的开口。
根据本公开的另一方面，基板和帽提供了彼此对准的方法。
根据本公开的另一方面，用于测量光吸收的光电封装还包括其上设置有至少两个检测器的基板。
根据本公开的另一方面，其中第一检测器用作参考检测器，该参考检测器测量光，使得其信号对预定气体的吸收基本不敏感。
根据本公开的另一方面，第二检测器可以具有附接到其上或设置在其上的滤光器，以使其对预定气体的吸收基本上敏感。
根据本公开的另一方面，用于测量光吸收的光电封装还包括许多检测器，其中至少一个检测器用作参考检测器，并且其他检测器滤光器已经应用于它们，以便检测空腔中存在的不同气体。
根据本公开的另一方面，光源可以是热光源。
根据本公开的另一方面，用于测量光吸收的光电封装还包括基板，基板上设置有光源。LED的中心波长可以为0.2至12μm。
根据本公开的另一方面，检测器可以使用直接光子吸收或者可以使用间接测量方法，该间接测量方法包括转换成热以测量光通量。
根据本公开的另一方面，直接光子检测器包括由PbSe、PbS、HgCdTe、GaSb/InAs超晶格等制成的检测器。
根据本公开的另一方面，间接热检测器包括热电体、测辐射热计等。
根据本公开的另一方面，用于测量光吸收的光电封装还包括：形成帽的空腔的开口可以用细网覆盖，以防止较大的灰尘颗粒进入空腔。
根据本公开的另一方面，用于测量光吸收的光电封装还包括：该封装构造有“基封装”，该基封装可以与气室分开测试，并且通过组装将两者组合以形成完整的气体检测系统。
附图显示了示例性气体检测电路和配置。这些电路的变化，例如，改变电路的位置、从电路中添加或移除某些元件，并不超出本发明的范围。所示烟雾检测器、配置和补充装置旨在补充详细描述中的支撑。
附图说明
当与附图一起阅读时，从以下详细描述可以最好地理解本公开。需要强调的是，根据行业标准惯例，各种特征不一定按比例绘制，仅用于说明目的。在显式或隐式显示比例的情况下，它仅提供一个说明性示例。在其他实施例中，为了讨论清楚，可以任意增加或减少各种特征的尺寸。
为了更充分地理解本发明的性质和优点，参考以下优选实施例的详细描述并结合附图，其中：
图1描绘了根据本文提供的公开内容的一些实施例的用于使用吸收光谱法测量气体浓度的示例性差分路径长度测量系统；
图2描绘了根据本文提供的本公开的其他实施例的用于使用分束镜测量气体浓度的示例性差分路径长度测量系统；
图3描绘了根据本文提供的本公开的其他实施例的使用替代光束路径光学器件的示例性差分路径长度测量系统；和
图4示出了根据本文提供的本公开的其他实施例的使用替代光束路径光学器件的示例性差分路径长度测量系统。
具体实施方式
本公开涉及便携式气体检测。更具体地，本公开描述了用于使用差分路径的光学气体检测的设备和系统。本发明的发明人设想对公共光束路径进行滤波，将其分割以测量两个不同光长度路径处的光吸收，然后计算预定气体的浓度。
以下描述和附图详细阐述了本公开的某些说明性实施方式，其指示了可以执行本公开的各种原理的若干示例性方式。然而，说明性示例并非穷尽本公开的许多可能实施例。本公开的其他目的、优点和新颖特征在适用的情况下结合附图在程序中阐述。
最流行的定量测量工业重要气体(如CO2、NOx、水蒸气、甲烷等)的技术之一是光学吸收法。这些气体中的大多数在1-12μm的电磁频谱范围内具有强烈的振动吸收光谱，并包括各种振动模式及其泛音。
一种基本的测量技术包括随着目标气体浓度的变化而测量光源在感兴趣的特定波长下的消光变化。这种技术通常被称为非色散红外(NDIR)技术。
市场上有许多设备。它们通常由宽带光源(热光源，如灯泡或紧凑型加热器或LED)组成，其输出通过光学系统，该光学系统为气体吸收提供相对较长的路径长度，并通过检测器系统测量消光。光学系统中的小孔允许气体扩散到光路中。
检测器系统本身可由两个检测器组成。一个检测器提供参考信号，并被专门调谐以减少或避免感兴趣的气体吸收线。另一个检测器被调谐到待测气体的吸收波长。
过去已经提出了许多光学系统的配置，并且这些设备中的一些在市场上可用。最受欢迎的测量气体之一是CO2。在下面关于新型光学封装设计的讨论中，重点将放在CO2气体上，以使讨论具体化，但其原理适用于前面提到的许多工业相关气体，而且非常普遍。
此外，本公开将集中于使用室温检测器且不被冷却的系统，因为冷却增加了成本、增加了功耗并增加了系统复杂性。然而，主动和/或被动冷却并不超出本发明的范围。
公开了一种用于测量绝对气体浓度的更好方法。该方法同样适用于液体中的吸光度测量。该方法适用于可放置在光源和两个检测器之间的路径中的任何流体(气体或液体)。
存在大量使用参考检测器测量气体浓度的文献。最大的市场是非色散IR测量(NDIR)，其中使用滤光器来隔离感兴趣气体的吸光度。
一些系统使用单个检测器和源以及预先校准的查找表来补偿温度、湿度、老化等，而更精确的系统使用具有不同滤波器特性的两个不同检测器，或者使用同一检测器及时改变滤波器。目前的技术状况与图1相似。
图1示出了根据本文提供的公开内容的一些实施例的利用设置在检测器附近的过滤器的示例性光学气体检测测量系统。在一些实施例中，光源被供电以照射采样管。光源通常是宽带的，但是本实施例使用适合于检测CO2气体的红外(IR)源。
含CO2的气体通过通风口或端口通过采样管。一些光吸收作为目标气体的浓度和化学成分的函数而发生。也就是说，不同的气体吸收不同波长的光(实际上是带宽)。因此，较高浓度的目标气体吸收该相关波长的更多光。任何NDIR系统的目标都是准确地确定吸收/散射多少光，以便推断气体密度(即气体的分压)。
根据比尔-朗伯定律，样品室中的气体会导致特定波长的吸收，检测器会测量这些波长的衰减，以确定气体浓度。二氧化碳在4.26μm波长的红外(IR)区域具有特征吸收带。这意味着当红外辐射通过含有CO2的气体时，部分辐射被吸收。因此，通过气体的辐射量取决于存在的CO2的量，这可以用红外检测器检测。
这是通过使用两个光学带通滤波器和两个热电堆来实现的。热电堆是一种将热能转换为电能的电子设备。它由多个热电偶组成，这些热电偶通常串联连接，或者不太常见的并联连接。这种装置基于热电效应原理工作，即当其不同金属(热电偶)暴露于温差时产生电压。
一个带通滤波器用作参考频带，并且通常不与吸收信号频带显著重叠。如前所述，吸收信号带对应于目标气体。将两者进行比较(例如，比率等)，并可确定目标气体的浓度。
这样的系统确实需要校准。具体而言，需要在目标气体检测之前获取一些测量基线。然而，本系统容易受到来自光源的波长漂移的影响，这代表了现有技术的缺点之一。
虽然本实施例可以同时检测多种气体，但本系统与前一实施例不同。也就是说，该系统需要校准，并且容易受到波长和强度漂移的影响，特别是因为它没有参考信道测量。
最先进系统的理念是，参考通道与过滤通道的比率(对应于特定气体)消除了源随时间的强度变化以及检测器性能的常见变化。在这些测量气体浓度的方法中，不能直接从测量中去除光的波长谱的变化以及光学滤波器的细微变化。虽然缓解了一些漂移问题，但仍需要复杂的校准。
一些最先进的系统(如维萨拉)使用基于法布里-珀罗(FP)腔的系统，该系统使用相同的检测器，该检测器接收来自单个光源的辐射，因为过滤器在“气体上吸收率”和“气体下吸收率”之间交替调谐，以测量气体吸收率。然而，这不能适当地补偿光源或滤光器中的光谱偏移。在大多数气体红外测量的情况下，由于吸收特征的宽度，“非吸收滤光片”必须与“吸收滤光片”相差100多nm。这在波长上是充分分离的，因此该比率不能完全补偿LED和其他光源随时间和温度的光谱形状变化。
在发明人已经审查的所有先前设计中，参考通道使用与测量通道不同的滤波器来跟踪光源的强度变化。在维萨拉的传感器中，使用了FP腔，并将滤波器调整为在时间上交替打开和关闭气体吸收波长。
普通技术人员可以理解本公开的以下新颖特征。其他益处不超出本公开的范围。本公开高度独立于LED和滤光器对温度、强度等的性能以及光源和滤光器以及其他光学元件的波长谱的任何变化。
此外，所有光谱变化自然从测量中去除。这包括由于电气或光学系统漂移引起的强度变化。
本公开提供了比率度量测量的优点，即使在两个检测器相同制造的程度上也是这样。
本公开还提供了在感兴趣物种的已知浓度下用单个测量进行的高度简化的校准。
最后，本公开易于实现，因为当前的解决方案更易于处理。因此，校准程序在制造过程中高度简化。
图1描绘了根据本文提供的本公开的一些实施例的用于使用吸收光谱法测量气体浓度的示例性差分路径长度测量系统100。差分路径长度测量系统100包括光源110、滤波器120、准直透镜130、分束器140、参考收集透镜170、参考检测器180、信号收集透镜110和信号检测器160。
在一个或多个实施例中，光源110是发光二极管(LED)，例如红外(IR)发光二极管。然而，其他实施例可以具有具有较短波长的发光二极管，例如在可见光或紫外区域中的发光二极管。在其他实施例中，可以使用多个多波长。任何合适的、紧凑的光产生装置都不超出本公开的范围，无论是宽带灯、相干的、白炽的、非相干的灯泡、激光器，还是甚至热黑体辐射等。
在一个或多个实施例中，滤光器120至少部分地是二向色滤光器。二向色滤光器、薄膜滤光器或干涉滤光器是一种非常精确的滤色器，用于选择性地通过小范围颜色的光，同时反射其他颜色。相比之下，分色镜和分色镜的特点往往是反射的光的颜色，而不是通过的颜色。
虽然在本实施例中使用了二向色滤光器，但其他滤光器并不超出本发明的范围，例如干涉、吸收、衍射、光栅、法布里-珀罗等。干涉滤光器由具有不同折射率的多个介电材料薄层组成。也可以有金属层。在其最广泛的意义上，干扰滤波器还包括可以实现为可调谐干扰滤波器的标准具。干涉滤波器由于在薄膜边界处入射波和反射波之间发生的干涉效应而具有波长选择性。在其他实施例中，具有光学斩波器的色轮可以用作滤波器120。
准直透镜130是准直器。在光学中，准直器可以由曲面镜或透镜组成，在其焦点处具有某种类型的光源和/或图像。这可以用来复制聚焦在无限远处的目标，几乎没有视差。准直透镜130的目的是将同轴光路中的光线引向分束器140。
分束器140是本领域已知的分束器。分束器(或分束器)是将光束一分为二的光学设备。它是许多光学实验和测量系统(如干涉仪)的关键部分，也在光纤通信中得到广泛应用。
在最常见的立方体形式中，分束器140由两个三角形玻璃棱镜制成，这些棱镜在其底部使用聚酯、环氧树脂或氨基甲酸乙酯基粘合剂粘合在一起。调整树脂层的厚度，使得(对于特定波长)通过一个“端口”(即立方体的表面)入射的光的一半被反射，而另一半由于受抑全内反射而透射。偏振分束器，如沃拉斯顿棱镜，使用双折射材料将光分成两束正交偏振态。
在其他实施例中，分束器140是半镀银反射镜。这包括一个光学基底，通常是一片玻璃或塑料，带有一层部分透明的薄金属涂层。薄涂层可以是使用物理气相沉积方法从铝蒸气中沉积的铝。控制沉积物的厚度，使得以45度角入射且未被涂层或基底材料吸收的光的一部分(通常为一半)透射，其余部分反射。
在摄影中使用的非常薄的半镀银镜通常被称为薄膜镜，其也可以在一些实施例中使用。为了减少由于反射涂层吸收造成的光损失，使用了所谓的“瑞士奶酪(swisscheese)”分束镜。最初，这些是高度抛光的金属板，穿孔以获得所需的反射与透射比。后来，金属被溅射到玻璃上，以形成不连续的涂层，或者通过化学或机械作用去除连续涂层的小面积，以产生字面上的“半镀银”表面。
在又一实施例中，可以使用二向色光学涂层代替金属涂层。根据其特性，反射与透射的比率将根据入射光的波长而变化。二向色镜被用于一些椭球形反射器聚光灯中，以分离不需要的红外(热)辐射，并作为激光构造中的输出耦合器。
在又一实施例中，分束器140的第三种形式是二向色镜棱镜组件，其使用二向色光学涂层将入射光束分成多个光谱上不同的输出光束。这种装置被用于三个拾取管彩色电视摄像机和三条彩色电影摄像机。它目前用于现代三CCD相机。在三台LCD投影仪中，光学上类似的系统被反向用作光束组合器，其中来自三台单独的单色LCD显示器的光被组合成单个全彩图像用于投影。
如所列举的，可以使用任何分束器或光环行器。光环行器具有节省功率的特性，但大大增加了复杂性和成本。然而，任何合适的光学装置，例如偏振分束器、半波片、半镀银反射镜等，都不超出本发明的范围。
实际上，来自准直透镜130的准直光被分成两束195、190。光束195用作参考光束，光束190用作信号光束。它们的几何结构以及各自的路径长度是已知的。其重要性将在本公开稍后更详细地描述。
在一个或多个实施例中，参考收集透镜370和信号收集透镜150是光学透镜。光学透镜是一种通过折射来聚焦或散射光束的透射光学装置。简单透镜由一块透明材料组成，而复合透镜由多个简单透镜(元件)组成，通常沿公共轴排列。透镜由玻璃或塑料等材料制成，并经过研磨、抛光或模制成所需形状。
透镜可以聚焦光线以形成图像，而不像棱镜，它折射光线而不聚焦。类似地聚焦或分散可见光以外的波和辐射的装置也被称为透镜，例如微波透镜、电子透镜、声学透镜或爆炸透镜。
大多数透镜是球面透镜：它们的两个表面是球面的一部分。每个表面可以是凸面(从透镜向外凸出)、凹面(凹入透镜)或平面(平坦)。连接构成透镜表面的球体中心的线称为透镜轴。
透镜根据两个光学表面的曲率进行分类。如果两个表面都是凸的，则透镜是双凸的(或双凸的，或只是凸的)。如果两个曲面具有相同的曲率半径，则透镜是等凸的。具有两个凹面的透镜是双凹面的(或仅仅是凹面的)。如果其中一个表面是平的，则透镜是平凸或平凹的，这取决于另一个表面的曲率。具有一个凸侧和一个凹侧的透镜是凸凹或弯月面。正是这种类型的镜片最常用于矫正镜片。
如果透镜是双凸或平凸的，通过透镜的准直光束会聚到透镜后面的一个点(焦点)。在这种情况下，透镜被称为正透镜或会聚透镜。对于空气中的薄透镜，从透镜到光斑的距离是透镜的焦距，在图和方程中通常用f表示。扩展半球形透镜是一种特殊类型的平凸透镜，其中透镜的曲面是一个完整的半球，透镜的厚度远大于曲率半径。
如果透镜是双凹或平凹的，则通过透镜的准直光束发散(扩散)；因此透镜被称为负透镜或发散透镜。光束通过透镜后，似乎从透镜前面轴上的某一特定点发出。对于空气中的薄透镜，从这一点到透镜的距离是焦距，尽管它相对于会聚透镜的焦距是负的。
凸凹(弯月面)透镜可以是正的或负的，这取决于两个表面的相对曲率。负弯月形透镜具有更陡的凹面，并且中心比外围薄。相反，正弯月形透镜具有更陡的凸面，并且中心比外围更厚。具有两个等曲率表面的理想薄透镜将具有零光焦度，这意味着它既不会会聚也不会发散光。
然而，所有真实的透镜都具有非零厚度，这使得具有相同曲面的真实透镜略微为正。为了获得精确的零光焦度，弯月形透镜必须具有略微不等的曲率，以考虑透镜厚度的影响。
实际上，两个聚光透镜都用于将光聚焦到光检测器160、180上，光检测器160和180是光或其他电磁能的传感器。光电检测器160、180具有将光光子转换为电流的p-n结。吸收的光子在耗尽区形成电子-空穴对，用于检测接收到的光强度。在一些实施例中，光电检测器160、180是光电二极管或光电晶体管。然而，任何光检测装置，例如雪崩、光电倍增管等，都不超出本公开的范围。
根据图1，可以证明：
因此，我们看到光源和滤光器中的所有变化都抵消了。如果检测器的响应率比率已知或在已知气体浓度下校准，则可以使用该比率直接确定气体的任何浓度。
光源特性的这种消除使得整个检测系统独立于光源随时间的强度以及光谱变化、温度、机械应力以及可能随时间改变LS和滤波器特性的许多其他参数。
校准步骤可写成：
并且记录并保存该比率作为仪器校准的一部分。
现在，任何气体浓度下的测量值可确定为：
或
有许多实现可以实现ΔL的差分路径。其中一些如图2所示。
图2描绘了根据本文提供的本公开的其他实施例的用于使用分束镜测量气体浓度的示例性差分路径长度测量系统。
差分路径长度(DPL)自动消除LED和滤波器性能特性的变化，如强度或波长的变化，并有助于气体吸收的稳健测量。例如，在-40至70℃的温度范围内，气体吸收波长范围内的LED强度与光电二极管响应度的乘积可以变化约10X-30X。DPL方法消除了大部分这种变化，并且在相同的温度范围内，该比率稳定到百分之几。但光路中的机械变化仍有残余变化。
理想情况下，我们希望使该比率在温度和其他环境条件下稳定到0.1％或更好。DPL方法中剩余的未补偿变化似乎源自光路本身的变化。在本公开中，我们建立在DPL方法上，并补偿光路变化以及检测器和放大器中的任何其他残余变化，以使气体吸收的测量具有鲁棒性。
光路的变化导致测量强度的变化，而这种变化无法与气体吸收引起的变化区分开来(即使在使用DPL方法之后)。其中包括：振动；光学表面尺寸和变形的温度引起的变化；湿度引起的光学表面尺寸和变形变化；表面反射率的变化；以及作为温度和环境的函数的光电二极管的响应度的变化。
通过实施比率(RoR)的新方法，可以自动补偿所有上述变化。RoR将在下文详细描述。
通过使用不同波长的非谐振LED(第二LED)基本上遵循相同光路的三种方法：第二LED被反射离开第一LED的表面；附加封装设计——特殊过滤器设计；使用堆叠的LED两个提供两种颜色；将第二LED放置在非常靠近第一LED的位置，从而通过使用将两个稍微分开的LED源映射到同一参考和主光电二极管的光学器件来保证类似的路径。
在实践中实现了如图2所示的示例性设计。图2是实施差分路径长度测量的模块的侧视图。图2描绘了根据本文提供的本公开的其他实施例的用于使用分束镜测量气体浓度的示例性差分路径长度测量系统。
差分路径长度模块200包括基板210、LED 220、参考检测器230、主检测器240、ASIC250、光学滤波器255、反射镜260、反射镜285、反射镜270和分束器275。滤光器255直接放置在光源220的上方，并且制作在硅基板210上。复杂的反射器形状使部分滤波光朝向主检测器240准直，而另一部分朝向参考检测器230聚焦。在一个或多个实施例中，复合反射器形状用作分束器275，现在将更详细地讨论分束器。
分束器275包括反射镜260和反射镜285。反射镜260是离轴抛物线，反射镜285是椭圆反射镜。在一些实施例中，优选二维和三维抛物线/抛物面和椭圆/椭球。然而，其他圆锥截面和其他形状和表面并不超出本公开的范围。例如，可以使用具有平面镜的偏振分束器(PBS)。反射镜270收集穿过气体的准直光，并将其聚焦在主检测器240上。在一些实施例中，反射镜270是圆锥形截面，而在其他实施例中它是凹面准直透镜。任何合适的反射形状或材料都不超出本公开的范围。
在实践中和在一些实施例中，光源220产生宽带光，该宽带光被滤波器255滤波。光学滤波器255可以是针对吸收的目标气体的类型选择的带通滤波器。即，基于要检测的气体来选择光的颜色。在其他实施例中，可以实现旋转色轮，类似于光学斩波器。光学斩波器是一种周期性中断光束的装置。这导致同时检测到大量气体。
过滤后的光被分成两条路径：从反射镜260反射的准直部分，穿过腔室的气体吸收区域280并被主检测器240接收；以及被反射到参考检测器230的部分。然后在一个或多个实施例中，ASIC用于处理检测器信号，同时处理任何必要的比率。专用集成电路是为特定用途而不是为通用用途而定制的集成电路(IC)芯片。
其他电路不超出本公开的范围，例如FPGA、ADC和AFE。现场可编程门阵列(FPGA)是一种集成电路，设计为在制造后由客户或设计师进行配置，因此称为“现场可编程”。现场可编程门阵列(FPGA)是一种集成电路，设计用于在制造后由客户或设计师进行配置，因此称为“现场可编程”模数转换器(ADC、A/D或A-to-D)是一种将模拟信号(例如麦克风拾取的声音或进入数码相机的光线)转换为数字信号的系统。模拟前端(AFE或模拟前端控制器AFEC)是一组模拟信号调节电路，以提供将各种传感器连接到天线、模数转换器或在某些情况下连接到微控制器所需的可配置和灵活的电子功能块。
如上所述，LED的强度和波长偏移随温度和其他环境参数而消除。注意，由D表示的光电检测器和放大器的温度性能中的共模偏移也得到补偿。
如下等式所示(转载自DPL)：
注意，η表示当一部分光被发送到主检测器而另一部分被发送到参考检测器时LED光的光分割效率。从方程中可以看出，光学分裂没有被抵消，并且比率ηMain/ηRef的任何变化都不能与代表气体吸收的指数项区分开来。例如，如果分束器由于任何原因(例如由于温度引起的应力或膨胀/收缩)而相对于LED/PD移动，则它可以增加到主PD的光，并将其减少到参考PD，从而改变比率ηMain/ηRef。这个想法也是为了弥补这一点。
现在想象我们布置了第二光源，它基本上遵循相同的光路，但不被气体吸收。现在我们进行两次测量。首先使用测量气体吸收的第一LED，然后立即使用已知不被可能存在的任何其他气体吸收的第二LED进行测量。第二LED波长处的比率将与方程(1)类似，除了缺少吸收项。其内容如下：
现在我们可以形成比率(RoR)，并且可以很容易地看出η也会抵消。因此，RoR将消除由光学元件从应力或温度的机械位移引起的任何漂移。RoR为：
考虑第一术语：该比率是在连接到相同电子设备的物理上相同的检测器上测量的。两种波长共同的检测器特性的任何变化，如放大器增益、检测器的分路阻抗等，都将作为温度或某些其他环境参数的函数而抵消。这些参数中潜在的小的残余波长依赖性变化可能保持未补偿。但第二项/>具有相同的特征–因为它是由相同的材料制成的，并且在制造过程中一起制成，并且会将方程(3)中的第一项和前置因子，
尽可能独立于环境因素。现在，我们可以像DPL中所讨论的那样，继续校准气体浓度装置。
在没有任何气体的情况下，我们将方程(4)写成：
RoR(cgas＝0)＝γ#(5)
该比率可保存在存储器中，然后通过以下方式测量气体浓度：
当指数的自变量较小时，方程(6)中的近似右手项适用。
利用该方法，我们实现了气体浓度的直接无校准测量。它只需要光路长度和平均气体吸收αgas的知识。注意，对于许多流行的气体，如CO2或CH4等，可以计算给定LED和滤光器的吸收截面。
通常，第二LED和通过滤波器后的第一LED都可以具有共同的吸收区域。在这种情况下，公共吸收区仍将被取消。
实现RoR的方法
方法1：第二LED从第一LED的表面反射
在这种方法中，我们利用了这样一个事实，即我们有过滤表面(如图3所示)。我们在近红外中添加另一个LED，该LED可以被滤波器F透射，并将其放置在主LED或第一个LED附近。通过如下图所示对滤光器进行构图，我们可以迫使来自第二LED的光线遵循第一LED的路径。
图3描绘了根据本文提供的本公开的其他实施例的使用替代光束路径光学器件的示例性差分路径长度测量系统300。差分路径长度测量系统300包括初级/第一LED 320、次级LED 330、反射镜310、滤波器350和基板370。
图3是用于测量气体吸收的第一LED 320附近区域的横截面。第二LED 330被放置在第一LED附近。图3显示了次级330放置的示例性范围。来自次级LED 330的光被反射离开反射镜310。反射镜330可以由镀银、电介质涂层或本领域公知的任何其他合适的方式制成。在本实施例中，反射镜330在LED 330的带宽处或附近反射光。至少，它们的带宽应该重叠，使得来自LED 330的光基本上被反射。
在玻璃上涂上一层金属反射层通常被称为“镀银”，尽管金属可能不是银。目前主要的工艺是电镀、“湿”化学沉积和真空沉积。前涂层金属镜在新的情况下可实现90–95％的反射率。
介电涂层应用可实现更高的反射率或更高的耐久性，但带宽并不重要。介电涂层可以在有限的波长范围内实现高达99.997％的反射率。由于它们通常是化学稳定的，不导电，所以电介质涂层几乎总是通过真空沉积的方法涂覆，最常见的是通过蒸发沉积。因为涂层通常是透明的，所以吸收损失可以忽略不计。与金属不同，单个电介质涂层的反射率是Snell定律(称为Fresnel方程)的函数，由层之间的折射率差决定。因此，涂层的厚度和折射率可以调整为以任何波长为中心。真空沉积可以通过多种方式实现，包括溅射、蒸发沉积、电弧沉积、反应气体沉积和离子镀等。
反射镜310被修改和图案化以在第一LED的顶部上具有开口，而表面的其余部分被金属化或在第二LED 330波长下用作高反射率反射镜310。
当第二LED 330打开时，光从镜面反射，其中一些光照射到非常接近的第一LED320。这受到第一和第二LED与发射锥体之间的距离的限制。也就是说，如果它们之间的距离太大或者如果光锥太窄，来自第二LED 330的光将不会正确地照射第一LED 320。
恒定地，第一LED 320的粗糙表面或其附近的其他结构(例如接合垫或接合线)将在与来自第一LED 320光相同的方向上散射光。该散射光是将到达光学器件的其余部分并遵循与第一LED 320相同的路径的唯一光。因此，我们实现了使两个LED具有基本相同路径的目标。注意，来自第二LED的光的强度不重要，如其他实施例中所示，特别是通过引用并入的那些实施例中。然而，它应该足以产生高质量的测量结果，以形成RoR计算。
在一个实施例中，在其上形成滤波器的基板是硅，因此第二LED必须处于对硅基本透明的波长区域中。滤波器350可以根据本公开中的前面讨论来制造。滤波器350的中心波长被选择用于特定应用。例如，对于要检测的特定气体，它们可以是带通的。
实际上，来自次级LED 330的光被反射离开反射镜310。然后，该光入射到初级LED320上。如图3所示，初级LED灯具有发射锥体375。初级光学测量路径360继续到系统光学器件的其余部分。本领域普通技术人员可以理解，在初级LED 320的散射和/或反射之后，来自次LED的一些光将与路径360共线行进。
方法2：使用堆叠LED
在这种情况下，一个较大的LED放在底部，另一个LED放在顶部。由于两个LED都在透镜的焦点区域内，并且实际上彼此非常接近，因此来自每个LED的光都遵循相同的路径。如图4所示。
图4示出了根据本文提供的本公开的其他实施例的使用替代光束路径光学器件的示例性差分路径长度测量系统。图4描绘了根据本文提供的本公开的其他实施例的使用替代光束路径光学器件的示例性差分路径长度测量系统400。差分路径长度测量系统400包括初级/第一LED 420、次级LED 430、滤波器450、印刷电路板(PCB)410和基板470。
图4是用于测量气体吸收的第一LED 420附近区域的横截面。第二LED 430被放置在第一LED附近。在一个或多个实施例中，第一LED 420设置在第二LED 430的顶部。来自次级LED 330的光产生与初级光学测量路径460的光传播近似共线的光传播465。
因此，我们实现了使两个LED具有基本相同路径的目标。注意，来自第二LED的光的强度不重要，如其他实施例中所示，特别是通过引用并入的那些实施例中。然而，它应该足以产生高质量的测量结果，以形成RoR计算。
在一个实施例中，在其上形成滤波器的基板是硅，因此第二LED必须处于对硅基本透明的波长区域中。滤波器450可以根据本公开中的前面讨论来制造。滤波器450的中心波长被选择用于特定应用。例如，对于要检测的特定气体，它们可以是带通的。
实际上，如图4所示，来自次级LED 430和初级LED 420的光产生基本上类似的发射锥体475。初级光学测量路径460、465继续到系统光学器件的其余部分。本领域普通技术人员可以理解，来自次级LED的一些光将与初级光学测量路径460共线行进。
在这种情况下，我们利用了这样一个事实，即收集光学器件被设计为收集来自可能具有几百微米范围的LED表面的光。来自LED整个表面的光需要被收集并成像到检测器表面上。因此，放置在彼此之上的两个LED将无法区分，并且仍然在检测器表面上形成图像。选择哪个波长应该具有更大的LED将取决于成本和电气便利性。
显然，如果LED被构造为以两种不同的波长发射，并且被电选择为以任何一种波长发射，则该方法可以被扩展，并且变得几乎完美。
虽然讨论通过示例使用了特定的光学模块来描述本发明，但其不限于分束器和准直光学器件的任何特定光学布置。应当理解，RoR的测量与如何具体布置差分路径长度无关。在许多情况下，需要测量极低浓度的气体。
在这种情况下，光路长度必须长以提供足够的吸收。但是，随着温度、应力或湿度等环境的变化，更长的差分路径长度更可能受到光学收集效率的机械变化的影响。同时，由于气体浓度较低，需要测量更小的变化。这里公开的方法对于超灵敏吸收测量变得更加强大，因为它完全补偿了机械以及LED、PD、放大器等的变化，只留下气体吸收作为测量参数。当完善时，本发明所示的解决方案可用于直接基于第一原理测量来校准气体浓度。
从历史上看，在大多数情况下，物理设备从未实现过对环境的固有稳定性，而是通过长期而艰巨的校准来实现的。建立一个查找表，通过测量温度和湿度等环境参数来补偿预期的变化。对于超精密测量，整个装置温度稳定。我们能够做到这一点，而无需采取任何一种昂贵和费力的措施。
选择示例
示例1提供了一种用于光学差分路径长度气体检测的设备，包括：产生以第一波长为中心的第一光的第一光源,产生以第二波长为中心的第二光的第二光源,滤光器，设置在所述第一光源的近侧并且被配置为使所述第二光通过；和反射镜，被配置为将所述第二光反射到所述分束器第一光源上。
示例2提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，进一步包括：被配置为计算表示所述第一和第二光的测量强度的信号的比率的电路。
示例3提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，其中所述电路是ASIC。
示例4提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，其中所述电路是AFE。
示例5提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，进一步包括：控制器，所述控制器被配置为控制到所述第一和第二光源的电。
示例6提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，进一步包括：第一光电检测器，所述第一光电检测器被配置为检测以所述第一波长为中心的光，所述第一光电检测器产生指示所述测量强度的第一信号。
示例7提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，进一步包括：第一光电检测器，所述第一光电检测器被配置为检测以所述第二波长为中心的光，所述第二光电检测器产生指示所述测量强度的第二信号。
示例8提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，进一步包括：被配置为至少基于所述第一和第二信号来计算第一比率的电路。
示例9提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，其中所述电路还被配置为至少基于所述第一比率来计算比率的比率。
示例10提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，进一步包括：第二滤光器，被配置为使所述第一光通过。
示例11提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，进一步包括：时间复用器，其中所述时间复用器被配置为在第一和第二信号之间交替。
示例12提供了一种用于光学差分路径长度气体检测的设备，包括：第一光源，产生以第一波长为中心的第一光锥,第二光源，产生以第二波长为中心的第二光锥，和滤光器，设置在所述第一光源的近侧并且被配置为使所述第二光通过，其中所述第一和第二光锥基本上重叠。
示例13提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，其中所述第一光源直接邻近所述第二光源设置。
示例14提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，其中所述第一光源直接设置在所述第二光源的顶部。
示例15提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，进一步包括：被配置为计算表示所述第一和第二光的测量强度的信号的第一比率的电路。
示例16提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，其中所述电路还被配置为至少基于所述第一比率来计算比率的比率。
示例17提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，其中所述第一光源和所述第二光源是LED。
示例18提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，进一步包括：控制器，所述控制器被配置为控制到所述第一和第二光源的电流。
示例19提供了根据前述和/或进行中的任一示例的光学差分路径长度气体检测器，进一步包括：第二滤光器，被配置为使所述第二光通过。
示例20提供一种用于计算光学差分路径长度气体检测的方法，包括从第一LED发射第一光，所述第一光以第一波长为中心；从第二LED发射第二光，所述第二光以第二波长为中心,将所述第二光反射离开所述第一LED，测量所述第一光、测量所述第二光；和至少基于所述第一光和第二光的测量来计算比率的比率。
对所示实施例的上述描述，包括在摘要中描述的内容，并不旨在穷尽或限制所公开的精确形式。尽管本文出于说明性目的描述了各种实施例或概念的具体实现和示例，但如相关领域技术人员将认识到的，各种等效修改可能是可能的。这些修改可以根据上述详细描述、摘要、附图或权利要求进行。
在描述了本申请的技术的几个方面和实施例之后，应当理解，本领域普通技术人员将容易发生各种改变、修改和改进。这种改变、修改、改进旨在在本申请中描述的技术的精神和范围内。例如，本领域普通技术人员将容易地设想用于执行本文描述的功能和/或获得结果和/或一个或多个优点的各种其他装置和/或结构，并且这种变化和/或修改中的每一个都被认为在本文描述的实施例的范围内。
本领域技术人员将认识到，或能够仅使用常规实验来确定本文所描述的特定实施例的许多等效物。因此，应当理解，上述实施例仅以示例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等效物的范围内，可以以不同于具体描述的方式实践本发明的实施例。此外，本文所述的两个或多个特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合，如果这些特征、系统，物品、材料，套件和/或者方法不是相互不一致的，则包括在本公开的范围内。
上述概述了本文公开的主题的一个或多个实施例的特征。提供这些实施例以使本领域普通技术人员(PHOSITA)能够更好地理解本公开的各个方面。可以引用某些众所周知的术语以及底层技术和/或标准，而无需详细描述。预计PHOSITA将拥有或有权获得足以实践本公开的教导的那些技术和标准的背景知识或信息。
PHOSITA将理解，他们可以容易地将本公开用作设计或修改其他工艺、结构或变体的基础，以实现本文所介绍的实施例的相同目的和/或实现相同优点。PHOSITA还将认识到，这样的等效构造并不脱离本公开的精神和范围，并且它们可以在不脱离本公开精神和范围的情况下进行各种改变、替换和改变。
上述实施例可以多种方式中的任何方式实现。涉及过程或方法的执行的本申请的一个或多个方面和实施例可以利用可由设备(例如，计算机、处理器或其他设备)执行的程序指令来执行或控制过程或方法。
在这方面，各种发明概念可以体现为用一个或多个可编程门阵列或其他半导体器件中的电路配置或其他有形计算机存储介质编码的计算机可读存储介质(或多个计算机可读存储媒体)(例如，计算机存储器、一个或更多个软盘、光盘、光盘、磁带、闪存、或其他有形的计算机存储介质)当在一个或多个计算机或其他处理器上执行时，执行实现上述各种实施例中的一个或更多个的方法的程序。
一个或多个计算机可读介质可以是可传送的，使得存储在其上的程序可以被加载到一个或更多个不同的计算机或其他处理器上，以实现上述各个方面。在一些实施例中，计算机可读介质可以是非暂时性介质。
注意，上面参考图讨论的活动适用于涉及信号处理(例如，手势信号处理、视频信号处理、音频信号处理、模数转换、数模转换)的任何集成电路，特别是那些可以执行专用软件程序或算法的集成电路，其中一些可以与处理数字化实时数据相关联。
在一些情况下，本公开的教导可以被编码成一个或多个有形的、非暂时性的计算机可读介质，其上存储有可执行指令，当执行时，可执行指令指示可编程设备(例如处理器或DSP)执行本文公开的方法或功能。在本文的教导至少部分地体现在硬件设备(例如ASIC、IP块或SoC)中的情况下，非暂时性介质可以包括硬件设备硬件，该硬件设备硬件被编程以执行本文公开的方法或功能。还可以以寄存器传输级(RTL)或其他硬件描述语言(例如VHDL或Verilog)的形式来实践所述教导，其可以用于编程制造过程以产生所公开的硬件元件。
在示例实现中，本文概述的处理活动的至少一些部分也可以在软件中实现。在一些实施例中，这些特征中的一个或多个可以在所公开的附图的元件外部提供的硬件中实现，或者以任何适当的方式合并以实现预期的功能。各种组件可以包括软件(或往复软件)，其可以进行协调以实现本文所概述的操作。在其他实施例中，这些元件可以包括促进其操作的任何合适的算法、硬件、软件、组件、模块、接口或对象。
任何适当配置的处理器组件可以执行与数据相关联的任何类型的指令，以实现本文详述的操作。本文中公开的任何处理器都可以将元素或物品(例如，数据)从一种状态或事物转换为另一状态或事物。在另一示例中，本文概述的一些活动可以用固定逻辑或可编程逻辑(例如，由处理器执行的软件和/或计算机指令)来实现，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))、包括数字逻辑、软件、代码、电子指令、闪存、光盘、CD-ROM、DVD-ROM、磁卡或光学卡、适合于存储电子指令的其他类型的机器可读介质或其任何适当组合的ASIC。
在操作中，处理器可以将信息存储在任何合适类型的非暂时性存储介质(例如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、FPGA、EPROM、电可擦除可编程ROM(EEPROM)等)、软件、硬件中，或者存储在任何其他合适的组件、设备、元件或对象中，在适当的情况下并基于特定需要。此外，基于特定需求和实现，可以在任何数据库、寄存器、表、高速缓存、队列、控制列表或存储结构中提供在处理器中跟踪、发送、接收或存储的信息，所有这些都可以在任何合适的时间段中引用。
本文所讨论的任何存储器项都应被理解为包含在广义术语“存储器”内类似地，本文所述的任何潜在处理元件、模块和机器应被理解为包含在广义术语“微处理器”或“处理器”内此外，在各种实施例中，这里描述的处理器、存储器、网卡、总线、存储设备、相关外围设备和其他硬件元件可以由处理器、存储器和其他相关设备实现，这些处理器、存储器以及其他相关设备由软件或固件配置以仿真或虚拟化这些硬件元件的功能。
此外，应当理解，作为非限制性示例，计算机可以以多种形式中的任何形式实现，例如机架式计算机、台式计算机、膝上型计算机或平板计算机。此外，计算机可以嵌入通常不被视为计算机但具有适当处理能力的设备中，包括个人数字助理(PDA)、智能电话、移动电话、iPad或任何其他适当的便携式或固定电子设备。
此外，计算机可以具有一个或多个输入和输出设备。除其他外，这些设备可用于呈现用户界面。可用于提供用户界面的输出设备的示例包括用于输出的视觉呈现的打印机或显示屏以及用于输出的听觉呈现的扬声器或其他声音生成设备。可用于用户界面的输入设备的示例包括键盘和定点设备，例如鼠标、触摸板和数字化平板电脑。作为另一示例，计算机可以通过语音识别或以其他可听格式接收输入信息。
这样的计算机可以通过一个或多个网络以任何合适的形式互连，包括局域网或广域网，例如企业网络，以及智能网络(IN)或因特网。这样的网络可以基于任何合适的技术并且可以根据任何合适的协议操作，并且可以包括无线网络或有线网络。
计算机可执行指令可以是由一个或多个计算机或其他设备执行的许多形式，例如程序模块。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。通常，在各种实施例中，程序模块的功能可以根据需要进行组合或分布。
本文中的术语“程序”或“软件”在一般意义上是指可用于对计算机或其他处理器进行编程以实现上述各个方面的任何类型的计算机代码或计算机可执行指令集。此外，应当理解，根据一个方面，当执行本申请的方法时，一个或多个计算机程序不需要驻留在单个计算机或处理器上，而是可以以模块化的方式分布在多个不同的计算机或处理器之间，以实现本申请的各个方面。
此外，数据结构可以以任何合适的形式存储在计算机可读介质中。为了简化说明，可以将数据结构显示为具有通过数据结构中的位置相关的字段。这样的关系同样可以通过在计算机可读介质中为字段分配存储位置来实现，所述存储位置传达字段之间的关系。然而，可以使用任何合适的机制来建立数据结构的字段中的信息之间的关系，包括通过使用指针、标签或建立数据元素之间的关系的其他机制。
当以软件实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行，无论是在单个计算机中提供还是分布在多个计算机之间。
实现本文所描述的全部或部分功能的计算机程序逻辑以各种形式体现，包括但不限于源代码形式、计算机可执行形式、硬件描述形式和各种中间形式(例如，掩码工作或由汇编程序、编译器、链接器或定位器生成的形式)。在一个示例中，源代码包括以各种编程语言实现的一系列计算机程序指令，诸如目标代码、汇编语言或高级语言，诸如OpenCL、RTL、Verilog、VHDL、Fortran、C、C++、JAVA或HTML，用于各种操作系统或操作环境。源代码可以定义和使用各种数据结构和通信消息。源代码可以是计算机可执行的形式(例如，经由解释器)，或者源代码可以被转换(例如，通过翻译器、汇编程序或编译器)为计算机可执行形式。
在一些实施例中，可以在相关电子设备的板上实现图中的任意数量的电路。该板可以是通用电路板，该通用电路板可以保持电子设备的内部电子系统的各种组件，并且进一步为其他外围设备提供连接器。更具体地，板可以提供电连接，通过该电连接，系统的其他部件可以进行电通信。任何合适的处理器(包括数字信号处理器、微处理器、支持芯片组等)、存储器元件等可以基于特定的配置需求、处理需求、计算机设计等适当地耦合到板。
诸如外部存储器、附加传感器、用于音频/视频显示的控制器和外围设备等其他组件可以作为插件卡、通过电缆连接到板上，或者集成到板本身中。在另一示例实施例中，图的电路可以被实现为独立模块(例如，具有被配置为执行特定应用或功能的相关组件和电路的设备)，或者被实现为电子设备的应用特定硬件中的插件模块。
注意，对于本文提供的众多示例，可以根据两个、三个、四个或更多个电组件来描述交互。然而，这样做只是为了清楚和举例。应当理解，该系统可以以任何合适的方式被合并。沿着类似的设计备选方案，图中所示的任何组件、模块和元件可以以各种可能的配置组合，所有这些都清楚地在本公开的广泛范围内。
在某些情况下，通过仅参考有限数量的电气元件，可以更容易地描述给定流集合的一个或多个功能。应当理解，图及其教导的电路是容易扩展的，并且可以容纳大量组件以及更复杂/复杂的布置和配置。因此，所提供的示例不应限制电路的范围或抑制电路的广泛教导，因为电路可能应用于无数其他架构。
此外，如所描述的，一些方面可以体现为一个或多个方法。作为方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造实施例，其中以不同于所示的顺序执行动作，这可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施例中被示为顺序动作。
术语解释
本文定义和使用的所有定义应理解为控制字典定义、通过引用合并的文件中的定义和/或定义术语的普通含义。除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求中：
“包括”、“包含”等应解释为具有包容性，而非排他性或穷尽性；也就是说，在“包括但不限于”的意义上。
“连接”、“耦合”或其任何变体是指两个或多个元件之间的直接或间接连接或耦合；元件之间的耦合或连接可以是物理的、逻辑的或其组合。
“此处”、“上方”、“下方”以及类似含义的词语用于描述本规范时，应指本规范的整体，而非本规范的任何特定部分。
“或”是指两个或多个项目的列表，包括对该词的以下所有解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中项目的任何组合。
单数形式“一个”、“一种”和“所述”也包括任何适当的复数形式的含义。
指示方向的单词，如“垂直”、“横向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“垂直”，“横向”，“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“下面”、“上方”、“下方”等，在本说明书和任何随附权利要求(如果存在)中使用的装置取决于所描述和图示的装置的特定取向。本文所描述的主题可以采取各种替代取向。因此，这些方向性术语没有严格定义，不应狭义解释。
本说明书和权利要求书中使用的不确定条款“一个”和“一种”，除非明确相反，应理解为“至少一个”
此处在说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应理解为指如此结合的元素中的“一个或两个”，即，在某些情况下结合存在而在其他情况下分离存在的元素。用“和/或”列出的多个元素应以相同的方式进行解释，即“一个或多个”元素如此结合。
除“和/或”条款明确标识的元素外，其他元素可以可选地存在，无论是否与明确标识的那些元素相关。因此，作为非限制性示例，在一个实施例中，当与诸如“包含”之类的开放式语言结合使用时，对“a和/或B”的引用可以仅指a(可选地包括除B之外的元素)；在另一个实施例中仅限于B(可选地包括除A以外的元素)；在又一实施例中，连接到A和B两者(可选地包括其他元件)；等。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，短语“至少一个”，参考一个或多个元素的列表，应理解为指从元素列表中的任何一个或更多个元素中选择的至少一个元素，但不一定包括元素列表中具体列出的每个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中的元素的任何组合。该定义还允许元素可选地存在于短语“至少一个”所指的元素列表中特定标识的元素之外，无论是否与特定标识的那些元素相关。
因此，作为非限制性示例，在一个实施例中，“a和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的一个”，或等效地“A和/或B中至少一个)可以指至少一个，可选地包括多于一个的A，而不存在B(并且可选地包括除B之外的元素)；在另一实施例中，至少一种，任选地包括多于一种的B，不存在A(并且任选地包括除A以外的元素)；在又一实施例中，涉及至少一种，可选地包括多于一种的A，以及至少一种可选地包括少于一种的B(并且可选地包括其他元素)；等。
如本文所用，除非另有说明，术语“双方”应包含在内。例如，“A和B之间”包括A和B，除非另有说明。
此外，此处使用的措辞和术语是为了描述的目的，不应被视为限制。本文中使用的“含有”、“包括”或“具有”、“包含”、“涉及”及其变体，是指包含其后列出的项目及其等价物以及其他项目。
在权利要求书中以及在上述说明书中，所有过渡短语如“含有”、“包括”、“携带”、“具有”、“包含”和“涉及”、“持有”、“组成”等都应理解为是开放的，即指包括但不限于。只有过渡短语“由”和“主要由”应分别为封闭或半封闭过渡短语。
本领域技术人员可以确定许多其他的改变、替换、变化、变更和修改，并且本公开意图包括落入所附权利要求范围内的所有这些改变、替代、变化、修改和修改。
为了协助美国专利和商标局(USPTO)以及本申请中任何专利的任何读者解释本申请所附权利要求，申请人希望注意，申请人：(a)不打算引用本申请提交之日存在的《美国法典》第35篇第112(f)节中的任何附加权利要求，除非在特定权利要求中专门使用了“手段”或“步骤”；以及(b)不打算通过公开内容中的任何陈述，以所附权利要求中未另行反映的任何方式限制本公开内容。
因此，本发明不应被认为局限于上述特定实施例。对本发明所针对的本领域技术人员来说，在审查本公开之后，本发明可适用的各种修改、等效方法以及多种结构将是显而易见的。

Claims (20)

1.一种光学差分路径长度气体检测器，包括：
产生以第一波长为中心的第一光的第一光源；
产生以第二波长为中心的第二光的第二光源；
滤光器，设置在所述第一光源的近侧并且被配置为使所述第二光通过；和
反射镜，被配置为将所述第二光反射到所述分束器第一光源上。
2.根据权利要求1所述的光学差分路径长度气体检测器，还包括被配置为计算表示所述第一和第二光的测量强度的信号的比率的电路。
3.根据权利要求2所述的光学差分路径长度气体检测器，其中所述电路是ASIC。
4.根据权利要求2所述的光学差分路径长度气体检测器，其中所述电路是AFE。
5.根据权利要求1所述的光学差分路径长度气体检测器，还包括控制器，所述控制器被配置为控制到所述第一和第二光源的电流。
6.根据权利要求1所述的光学差分路径长度气体检测器，还包括第一光电检测器，所述第一光电检测器被配置为检测以所述第一波长为中心的光，所述第一光电检测器产生指示所述测量强度的第一信号。
7.根据权利要求6所述的光学差分路径长度气体检测器，还包括第一光电检测器，所述第一光电检测器被配置为检测以所述第二波长为中心的光，所述第二光电检测器产生指示所述测量强度的第二信号。
8.根据权利要求7所述的光学差分路径长度气体检测器，还包括被配置为至少基于所述第一和第二信号来计算第一比率的电路。
9.根据权利要求8所述的光学差分路径长度气体检测器，其中所述电路还被配置为至少基于所述第一比率来计算比率的比率。
10.根据权利要求1所述的光学差分路径长度气体检测器，还包括第二滤光器，被配置为使所述第一光通过。
11.根据权利要求7所述的光学差分路径长度气体检测器，还包括时间复用器，其中所述时间复用器被配置为在第一和第二信号之间交替。
12.一种光学差分路径长度气体检测器，包括：
第一光源，产生以第一波长为中心的第一光锥；
第二光源，产生以第二波长为中心的第二光锥；和
滤光器，设置在所述第一光源的近侧并且被配置为使所述第二光通过；
其中所述第一和第二光锥基本上重叠。
13.根据权利要求12所述的光学差分路径长度气体检测器，其中所述第一光源直接邻近所述第二光源设置。
14.根据权利要求12所述的光学差分路径长度气体检测器，其中所述第一光源直接设置在所述第二光源的顶部。
15.根据权利要求12所述的光学差分路径长度气体检测器，还包括被配置为计算表示所述第一和第二光的测量强度的信号的第一比率的电路。
16.根据权利要求15所述的光学差分路径长度气体检测器，其中所述电路还被配置为至少基于所述第一比率来计算比率的比率。
17.根据权利要求12所述的光学差分路径长度气体检测器，其中所述第一光源和所述第二光源是LED。
18.根据权利要求12所述的光学差分路径长度气体检测器，还包括控制器，所述控制器被配置为控制到所述第一和第二光源的电流。
19.根据权利要求12所述的光学差分路径长度气体检测器，还包括第二滤光器，被配置为使所述第二光通过。
20.一种用于计算光学差分路径长度气体检测的方法，包括：
从第一LED发射第一光，所述第一光以第一波长为中心；
从第二LED发射第二光，所述第二光以第二波长为中心；
将所述第二光反射离开所述第一LED；
测量所述第一光；
测量所述第二光；和
至少基于所述第一光和第二光的测量来计算比率的比率。
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