[发明专利]气体检测方法和气体检测装置

说明书

技术领域

本发明特别涉及如在WO2005/026705 A1中公开的低成本红外(IR)气体检测。

背景技术

如在该现有技术出版物中描述的气体检测方法和气体检测器装置是基于通过波长调制的垂直腔面发射激光器(VCSEL)或分布反馈(DFB)激光器所形成的源的，并且该气体检测方法和气体检测器装置利用将波长的调制直接与激光源输出强度的调制关联的事实。因此，通过气体容积并入射到检测器的光的强度显示出与激光源强度有关的第一调制和与气体吸收有关的第二调制，这是因为跨越气体吸收线扫描波长。因此，公知的检测方法和装置通过波长调制的激光源来提供初始光信号。

该源提供初始光信号，该初始光信号在要确定的气体周围的吸收线处，利用给定初始频率(f)的AC调制信号被进行波长调制。在检测区域的外围相应地布置光传感器，以便接收至少一种要确定其浓度的气体。光传感器接收由通过检测区域的初始光信号所形成的合成光信号。在下面，形成检测信号，该检测信号基本上与合成光信号的时间导数成比例。进一步公开的是用于产生给定频率(f)的第一调制参考信号的第一装置，和用于产生两倍于该频率(2f)的第二调制参考信号的第二装置。将检测信号与第一调制参考信号相乘，然后对时间求积分，以便提供第一测量信号，该第一测量信号是所述初始光信号的强度的函数，并且基本上与所述气体的浓度无关。将该检测信号进一步与所述第二调制参考信号相乘，然后对时间求积分，以便提供第二测量信号，该第二测量信号是该气体吸收的函数，并且基本上与该给定初始频率的初始光信号的强度调制无关。然后，通过把第二测量信号除以第一测量信号来接收最后的测量信号，从而提供与给定气体的浓度或存在有关的信号。该气体检测器和装置具有以下优点：针对一个激光源，只需要单个传感器单元。通过处理产生的检测信号来给出所有确定精确气体浓度值所必需的信息，该产生的检测信号与在通过限定气体的样品之后由传感器单元所接收的光信号的导数成比例。

第一和第二调制参考信号都与初始光信号的强度变化同相。利用该已知的测量技术，时间求导检测器信号，并将求导的信号馈入双通道同步(lock-in)放大器。第一通道在调制频率f上工作，并且输出信号与作为激光器电流的函数的光功率的斜率成比例。第二通道以所述调制频率的两倍的调制频率工作，并且其输出给出与激光束遭遇的气体浓度成比例的信号。频率为2f的测量信号与频率为f的测量信号的比率给出了与激光器输出无关的气体的绝对浓度，这是因为在以下假设的情况下，即激光强度的变化源于光路中的光学老化如灰尘、凝结(condensation)、斑点，频率为f的测量信号包括关于激光强度的信息。这个假设仅适用于以下两种情况：

1.激光并没有显示出模式跳变，也就是波长的突变。如果出现这种模式跳变，则不得不通过改变DC激光器电流来重新调整波长，该DC激光器电流的改变又改变了激光器输出功率。因此，由频率为f的信号所测量的斜率并不必随着VCSEL改变。在DFB激光器的情况下，输出功率严格地与DC电流成比例，该DC电流针对不同的输出功率给出相同的频率为f的信号。

2.将激光器的温度精确稳定。对于激光器温度的变化，波长改变，这又引起DC激光器电流的重新调整，从而集中于气体吸收线的波长。这种电流的变化意味着如第1条中所述的强度变化。

利用现有技术专利申请中所述的方法，基于频率为f的调制参考信号的信号显示出气体吸收线的中心周围的斜率，该斜率与气体浓度成比例。在高气体浓度的情况下，通过误差影响频率为f的调制参考信号的DC激光器电流的精确度来限制测量的精确度。电流的变化将引起激光器信号的变化，并且该效应随浓度而增大。这表明对于一些应用来说，在激光器的温度控制方面，现有技术方法和装置是非常苛求的，并且非常大地取决于后者的热安装。DFB激光器和VCSEL的激光器在其热预算方面区别很大，以致在DC电流方面常常是必需的气体吸收线的跟踪还不得不包括温度跟踪。