专利名称：用于开路式气体检测器的发射单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测气体的红外检测器，所述气体也包括水蒸气。本发明尤其涉及用于检测气体的开路式气体检测器，其包括沿被监视空间中的路径发射射线束的发射单元和检测通过该空间的射线的检测单元。术语“开路式气体检测器(open path gas detector)”覆盖不考虑路径长度以及不考虑是否路径对于大气状态是开放的和/或是封闭的所有检测器。
背景技术：
利用无色散红外光谱仪检测碳氢气体是公知的技术。其主要是沿被监视区域中的路径发射红外射线；选择红外射线的波长使得可被所关注气体(下称“目标气体”)吸收而基本上不被所监视区域的大气中的其它气体吸收。如果是户外监视，所选波长优选不被液态或气态水(如湿气，凝结水，雾，雨或喷雾)吸收。测量沿所监视区域中的路径通过的射线的强度，并通过射线强度的衰减来给出所监视区域中目标气体量的度量。
然而，除了被目标气体吸收外，其它因素也会使红外射线衰减，包括检测射线束的衰退，大气的散射，表面的污染物如灰尘或凝聚物，组件的老化。通过使用一种参照可使红外气体检测器的可靠性显著地提高，这种参照通常是具有不同波长的红外射线，该波长优选为目标气体对其没有显著的吸收。射线可使用一个以上的参考波长，同样可使用一个以上的取样波长。由于理论上对于参考波长的信号和取样波长的信号会受到相同程度的射线衰减的影响(除了目标气体之外)，因此，在目标气体所吸收的波长(“取样”波长)上所获取的信号与在目标气体不吸收的波长(“参考”波长)上所获取的信号的比率被用来补偿由于环境状态所引起的衰减。
已知监视大气中的有毒气体是使用点式气体检测器，其可以是电化学的或光学的(在本说明书中术语“有毒”气体是指除了氧气和氮气之外的气体和水蒸气，例如硫化氢，氟化氢，氨，二氧化硫，二氧化碳和一氧化碳)。点式气体检测器设备带来了在进行大面积监视时由于在整个区域设置大量检测器而成本过高的问题。此外，如果目标气体的集聚发生在检测器之间，则不能被检测到。开路式气体检测器具有超过1米的路径长度，典型地至少10m，因此能以单个设备监视较大的区域。
开路式气体检测器由于可利用价格实惠的可调二极管激光器而变得更加有吸引力，可调二极管激光器能调节到非常窄的波长以检测目标有毒气体的特殊吸收波长。然而，需要检测的有毒气体的浓度较低，典型为5ppm(百万分之一)以及更低，如1ppm。在如此低的浓度，检测器中的噪声可能大于目标气体的信号，使得难以检测如此低浓度的有毒目标气体。另外，信号可能随着电子的漂移或光学元件超时，温度的变化和/或大气状态等而变得难以识别。另外，可调激光二极管的相干激光射线可能使射线的强度变化在亮带和暗带之间产生干扰带，其可能远远超过低浓度目标气体所产生的信号。
因此，迄今为止还没有用于测量低至10ppm浓度目标气体的有毒气体的可靠的低成本开路式气体检测器。
GB-235391公开了一种利用可调激光二极管作为射线源定向射线束通过测量路径至射线检测器以检测路径中的目标气体的开路式气体检测器。激光二极管以非常窄的线宽发射射线，其比目标气体的吸收峰值窄。在该已知系统中，所扫描的激光二极管的波长包含具有频率f的目标气体吸收频带，目标气体的吸收频带为图1中的B线所示。在扫描过程中，所发射的激光射线的强度也随频率f变化，强度随波长的变化如图1中的曲线A所示。所发射的射线被检测器检测，该检测器产生与入射到其上的射线强度成比例的信号。未示出的强度随时间变化的曲线是正弦曲线。如果大气没有包含目标气体，射线的强度的变化为图1的曲线A并且检测器读出的频率信号与扫描频率f相同。然而，如果有目标气体在大气中，其将吸收射线，因此会使到达检测器的射线衰减。所检测到的射线强度的结果曲线是曲线A和B的组合，如图2所示的。从中可见，强度随时间变化的曲线具有另外的频率分量2f。
2f分量的振幅越大，在所测量路径中的目标气体的量越大。信号的2f分量(以及高的谐波分量)可使用相位灵敏测量放大器(锁定放大器)确定。目标气体对1f分量的影响比对2f分量的影响相对小。因此，2f分量与1f分量的比例可以确定所测路径中目标气体的量。1f和2f分量以相同的方式受到多个衰减条件如测量路径的长度、检测射线束的衰弱、大气散射等的影响。因此，2f∶1f比值可提供所测路径中的目标气体的量的度量。
这种基础技术的许多细节也是公知的，例如激光二极管输出的中央波长在低于f的频率变化。所提供的2f∶1f比值，可进行数学分析以提供对于目标气体浓度的可靠测量。
为获得扫描目标气体的吸收频带的波长的变化，通过激光器的电流是变化的，从而光输出能量也是变化的。由于激光二极管的特性，1f分量的量必定大。2f分量的量随气体吸收而变，并且有毒气体的浓度越低该量也越小。2f∶1f比值因此非常小，典型地为10-4至10-6，由于对其进行精确测量非常困难，因此该比值较小是这种技术的一个基本缺陷。
用于驱动激光的电子组件和相位灵敏测量放大器可引起信号的谐波畸变。当信号的1f分量通过这些电子组件传播时，任何非线性特性都将导致1f分量的谐波产生，包括一个2f的分量。该额外的2f分量加在由目标气体的吸收产生的2f分量中，从而导致对目标气体浓度的不正确测量，这可能产生错误的报警，在一些情况下，导致使设备缺乏可信度。
在GB-2353591中，扫描波长的中间值是由反馈电路控制的，如下述。为激光二极管射线束提供射线束分离器并且定向一部分射线束沿着所测路径传输以及一部分直接被定向至检测器；在检测单元前设置一个包含目标气体(或适合于知道吸收特性的其它物质)的样品的单元使得按目标气体的波长吸收射线。如上所述，通过这种与测量射线束有相同的方式的反馈射线束确定2f∶1f比值能使检测器的信号反应出是否二极管发射的波长能扫描目标气体的吸收频带。如果激光二极管的波长偏离了，则可从检测器中明显反应出，并允许对激光二极管进行修正以发射正确的波长。
如上所述，上述设置的一个缺陷是当目标气体以低浓度存在于所测路径中时射线束分离器提供干扰带可能会干扰目标气体的信号。
通常在所测路径相反两端的发射单元和检测单元之间提供所测路径适当对准是困难的。GB-2353591给出了在检测单元和发射单元之间的双向通信链路。发射单元包括用于改变发射射线束方向的控向镜(steering mirror)；周期性地扫描发射射线束并通过检测单元所测量的最大强度确定射线束的最佳方向；在检测单元和发射单元之间的通信链路上提供控向镜的最佳位置的反馈以实现对准。
开路式气体检测器的一个问题是在光学组件上的水凝聚体，其可使发射射线束衰弱。因此，需将光学组件保持在露点以上的温度以防止这种凝聚。然而，加热光路会增加系统的复杂程度并消耗大量的能量。
发明内容
本发明由权利要求书来定义。
根据本发明的一个方面，其提供了一种用于检测目标气体的开路式气体检测器的发射单元，包括按能被目标气体吸收的波长来发射射线的射线发射器，例如，可调激光二极管，具有偏转部分和非偏转部分的射线偏转器，其中偏转器被配置为使得偏转部分和非偏转部分两者都位于发射器所发射的射线的路径中，以及其中非偏转部分不对发射器所发射的射线进行偏转或与偏转部分进行不同程度的偏转。
射线偏转器优选是反射镜，其具有用于反射所述发射器所发射的射线的反射表面，并且也具有不反射该发射器所发射的射线或反射程度比该反射表面低的非反射部分。
射线偏转器的非偏转部分优选被偏转部分围绕并优选定位于射线偏转器的偏转部分的中心区。
非偏转部分的作用是，使所产生的射线束带有能被检测和用于使所发射射线与检测器对准的完整或部分阴影(shadow)。
入射到非偏转部分的射线可通过允许其通过非偏转部分而被利用，如使非偏转部分成为开口或开孔而透明或半透明。透明或半透明的偏转器部分具有小于3mm的直径，优选小于2mm，如1.5mm。例如可利用通过非偏转部分的射线定向其至少部分通过一个对射线半透明的容器，以用于控制由射线发射器所发射的射线的波长。该容器被用于容纳至少吸收发射器所发射的波长范围的一部分射线的材料的样品，优选为目标气体的样品。设置射线检测器去检测通过容器的射线以根据该射线的强度产生信号，将该信号反馈给控制器以控制射线发射器所发射的射线的波长。被样品吸收的波长是固定的和已知的，并被用作估计发射器发射的射线和将其维持在预定范围内的基础。
透明或半透明的非偏转部分也可以用于发射不直接来自射线发射器的射线，例如提供测量发射器所发射的射线强度的参考信号以在气体测量过程中允许射线强度波动。发射单元包括使来自射线偏转器的射线形成沿一个路径传输的射线束的光学组件。该光学组件优选包括具有表面的元件，所述表面优选为球面，其面对射线偏转器以及反射来自射线偏转器的射线并聚焦该射线以致于使该射线通过射线偏转器的非偏转部分，其入射到参考检测器以产生一个测量发射器发射的射线的信号，例如，射线的强度和/或波长。光学组件的反射表面优选被形成为能在邻近偏转器的透明或半透明部分聚焦被反射的射线的形状。
被透镜元件反射的射线将包括由非偏转部分产生的阴影(shadow)。通过设置第二射线偏转器，例如反射器、棱镜或折射部件，可使在阴影中传到样品容器的射线与传到参考检测器的射线保持分离，使得其不接收从透镜元件反射的光但接收从射线源发射到非偏转部分的射线。第二偏转器将这样的射线偏转到容器。
被所述光学组件表面反射的射线能通过额外的透镜聚焦到检测器上，该额外的透镜可为设置第二偏转器提供有用的支持。
优选设置一个遮罩(shield)以遮挡从远离射线发射器的射线偏转器侧发射并射向射线发射器的射线。遮罩遮挡这样的射线以减小或防止其与发射器发射的射线形成干扰带。
本发明也提供一种包括用于沿一路径定向射线束的发射单元和具有用于检测通过该路径的射线的检测器的接收单元的开路式气体检测器。其也可包括检测射线束与接收单元何时对准以及操控射线偏转器的控制器。由射线偏转器的非偏转部分产生的完整或部分阴影可被接收单元检测并用于操控射线偏转器以便将阴影射向检测器。
本发明进一步包括用于沿着一光学路径操控射线偏转器的装置，例如，反射镜。在该装置中，射线偏转器被支撑于能根据所施加的信号调节其位置的多个电动机械元件上，例如，压电元件。通过给元件施加合适的信号，可操控射线偏转器能沿预定的路径定向射线。
压电元件可以是具有两个相对端且中心部分位于两端之间的条。每个条在其端部被锚定并且射线偏转器被支撑于条的中心部分上。利用这样的构造压电元件可具有至少150Hz的谐振频率，例如至少200Hz，优选至少300Hz，例如，大于500Hz。
沿路径发射的射线束中的射线优选具有小于0.25°的发散角，更优选小于0.1°以便使射线束的强度最大化，然而接收器可具有＞±0.1°的宽的角接收范围，例如，＞±0.25°，优选＞±0.5°，如1°。
与用于修正沿路径传输的气体检测射线束相同的光学组件也可用于收集包含与检测目标气体相关的数据的信号。这样，根据本发明的另一方面，提供一种开路式气体检测器，包括发射单元包括射线发射器，配置为将发射器发射的射线形成沿路径传输的射线束的光学组件，以及通信信号检测器，接收单元包括配置为检测来自发射单元的射线的所述射线束的检测器和配置为以不同于射线发射器发射的波长的通信波长将数据信号发送给发射单元的通信发射器，数据信号包含关于检测器所检测的射线强度的数据，
其中所述光学组件被配置为向通信信号检测器发送数据信号。
射线偏转器可以是配置为把所述发射器发生的射线定向至所述光学组件的光学元件以便能够以通信波长将通信信号发送给设置在光学元件后的通信信号检测器。光学元件优选为反射器，如反射镜，其对于通信波长是透明或半透明的并且反射由射线发射器所发射的波长。
可在光学组件和通信检测器之间设置一透镜以从光学组件将通信信号聚焦到检测器上。
如上所述，发射器所发射的射线的强度可以变化以及，可形成射线的参考射线束用于测量所发射射线的强度以使补偿强度的变化。根据本发明的该方面，提供一种用于开路式气体检测器的发射单元，包括射线发射器，例如，可调激光二极管，配置为将入射到其上的发射器所发射的射线形成为沿路径传输的射线束的光学组件，所述光学组件包括至少一个具有面对入射到光学组件上的射线的表面(下称“后表面”)，后表面，优选为球面，其能反射一定比例的入射到其上的射线，以及配置为接收由后表面反射的射线以及产生测量由发射器所发射的射线的特性的信号的参考检测器，射线的特性例如为强度和/或射线的波长。
光学组件可以包括第一透镜以及设置在第一透镜和射线发射器之间的第二透镜，在这种情形下，后表面优选在第二透镜中提供。
可设置另外的透镜系统以将由后表面反射的射线定向至参考检测器。
使用光学组件的后表面的一个优点在于基本上所有的射线形成为入射到后表面上的射线束并使得由后表面反射的射线是由基本上整个射线束的宽度上得到的而不仅仅是从其一部分得到。
由射线发射器产生的热可用于加热光学组件以减小光学组件上的凝聚并给发射器散热。这样，根据本发明的另一方面，提供一种用于开路式气体检测器的发射单元，包括射线发射器，例如可调激光二极管发射器，以及配置为将发射器所发射的射线形成为沿路径传输的射线束的光学组件，其中发射器与光学组件热接触从而使热能从发射器传输给光学组件。射线发射器可与光学组件结合，例如，通过粘接。
光学组件可以包括第一透镜以及设置在第一透镜和射线发射器之间的第二透镜，在这种情形下射线发射器与第一透镜热接接触，这可利用具有中心通孔以致于射线发射器被容纳于孔中的第二透镜而实现。
从射线源散出的热也许不足以使射线发射器冷却因此可能需要设置散热器进一步冷却；也可用传感器检测射线发射器的温度并用控制器操作冷却器以使射线发射器保持在预定的温度范围内。
同样如果来自射线源的热不足以加热光学组件，可设置补充加热器以另外加热光学组件。
本发明也提供一种将发射器所发射射线束与检测器对准的方法，例如，将开路式气体检测器中的射线束与检测器对准，所述射线束沿路径传输。该方法包括a)产生射线束，b)利用检测器在射线通过路径后检测其强度以及产生所检测强度的测量值的信号，c)以频率f’在围绕检测器的预定环形图案(looped pattern)中操控射线束，
d)从检测器信号的强度以频率f’或f’的谐波(如2f’，4f’等)的变化中导出检测器相对于环形射线束的位置，e)向所述位置发送射线束以及可选地f)在从步骤d)导出的检测器的位置周围的另一个环形图案中操控射线束以及g)任选地重复步骤d)至f)直到射线束与检测器对准。
这样在检测器周围的路径中操控射线束并分析检测器的信号以发现路径中检测器的位置以使射线束能与检测器对准。可以重复该过程，例如，利用连续的窄的环形图案，直至实现对准。
如上所述，射线束可以是环形截面，具有完整或部分阴影的中心并且可通过检测阴影的存在实现射线束的对准。
检测器中频率为f’或f’的谐波的信号的振幅能用于测量环形图案的中心区域和检测器之间的角距离，例如圆形环和检测器之间的角距离，其中f’是射线束沿预定环形图案移动的频率。
可在圆形或非圆形路径中操控射线束，例如椭圆形；当沿非圆形路径操控时，在基频率f’或其谐波，如2f’的信号的振幅与在不同谐波，如4f’的信号的振幅的比率可用于测量环形图案的中心区域和检测器之间的距离。
由检测器所检测的频率为f’或f’的谐波的信号的强度变化的相位可确定检测器相对于所述环形图案的中心区域的方向，例如圆环的中心。
本发明甚至可以在存在由发射器的机械振动所引起检测器的信号变化的情况下工作。由于机械振动的振幅、频率、相位和方向可视为未对准的一种形式，因此可利用与发现射线束与检测器之间正确对准相同的技术计算这些振动。可操控射线束以便其与所检测到的振动相同的振幅和频率但以相反的相位变动以致于至少部分地减少由所述振动所引起的射线束的未对准。
可通过下列状态下的信号的振幅和相位(单独地)计算所述振动的振幅和方向-振动的频率或其谐波或-为(a)振动的频率或其谐波和(b)环状运动的频率f’或其谐波之间的和或差的频率。
根据本发明的另一方面，可通过在每个与检测器和发射源之间的直线具有不同角差异的的至少两个不同的方向上发射射线束以检测射线束源与射线检测器之间的距离，在至少两个不同的方向上测量检测器所检测的射线强度的变化以及计算所检测射线的强度随角差异的变化以测量检测器与射线束源之间的距离。
本发明的另一方面涉及避免上述通过计算(1)激光器在吸收频带附近波长进行扫描的频率为f的信号与(2)频率为2f的信号，即导致所计算的气体水平的失真的谐波失真和气体的存在所产生的频率为2f的信号的比率而检测目标气体的存在中所出现的问题。根据本发明的该方面，提供一种在一个空间中检测目标气体存在的方法，该方法包括产生一包含两个或多个不同调制频率成分的合成信号；利用该合成信号驱动信号源以产生根据合成信号改变波长的射线；定向所述射线穿过被监视空间；检测穿过所述空间的射线；根据所检测的射线产生检测射线信号，其中合成信号为使得在监视空间中由目标气体吸收的射线导致所检测的信号包括至少一个不是合成信号的一个或多个调制频率的基波或谐波的频率成分。
由于空间中目标气体的存在所产生的检测射线信号中的频率成分可以是合成信号中两个调制频率成分或其谐波之差和/或是合成信号中两个调制频率成分或其谐波之和。
一个调制频率成分的频率优选大于第二调制频率成分的频率1至108倍，例如1.1至100倍，如大约10倍。
使用具有通过组合两个或多个具有不同交错波形的信号形成的调制频率成分的合成信号可具有独特的优点。在整个时间段上，通过在合成信号中形成每个信号水平，通过两个或多个信号的信号水平的多个不同组合，可减小形成两个信号的发生器和由射线源发射的射线之间的非线性。因此本发明也提供一种检测空间中目标气体存在的方法，该方法包括结合两个或多个具有不同交错波形的信号以产生合成信号，利用合成信号驱动射线源，例如可调激光二极管，以产生根据合成信号改变波长的射线；定向所述射线穿过被监视空间；以及检测越过所述空间的射线；其中合成信号中每个信号水平是随时间通过两个或多个信号的信号水平的多个不同组合获得的。
优选合成信号能使得其平均信号水平引起射线源以目标气体的吸收波长产生射线。两个或多个信号优选包括两个或多个交错波形和直流电流，其中直流电流可以使射线源以目标气体的吸收波长产生射线。
本发明也涉及能实现上述方法的开路式气体检测器结构的发射单元以及包括这样的发射单元的开路式气体检测器。
利用具有两个或多个调制频率成分的合成信号去驱动气体检测器中的射线源能获得第三个优点。通过过滤掉通过检测从气体中通过的射线形成的一个频率成分的信号，可以减小由用于气体检测的电子元件的输入和输出之间的非线性引起的误差，如放大器或模数转换器。因此根据本发明的该方面提供了一种检测空间中目标气体的方法，包括根据所检测的信号产生检测射线信号；过滤所述检测射线信号以消除对应用于形成合成信号的一个信号的至少一个频率成分；将过滤的检测射线信号反馈给具有非线性输出的信号处理器的输入端，如模数转换器或放大器；以及分析过滤信号输出，以检测按所述目标气体的吸收波长定向穿过所述空间的射线的吸收。
这样过滤后的检测射线信号可被反馈给具有非线性输出端的信号处理器，如模数转换器或放大器，其中分析步骤包括分析所述输出端的被过滤的信号以检测按目标气体吸收波长定向经过所述空间的射线的吸收。
空间中存在的目标气体中检测射线信号中产生的频率成分，其可以包括为合成信号或其谐波的至少两个调制频率成分之差的第一频率成分和/或为合成信号或其谐波的至少两个调制频率成分之和的第二频率成分。
如上所述，第一和第二调制频率成分的频率的比率大于1∶1并可高至108∶1，例如1.1∶1至100∶1，如大约10∶1。
本发明也涉及能实现上述方法的开路式气体检测器结构的接收器单元以及包括这样的接收器单元的开路式气体检测器。
下面将通过参照下述附图，对根据本发明的开路式气体检测器的发射单元和接收器单元以例子的方式进行描述图1和2为开路式气体检测器的检测单元所检测的射线的强度的示图；图3示出了根据本发明的发射单元和检测单元两者的开路式气体检测器的示意图；图4为开路式气体检测器的发射单元的各部件的装配图；图4a为图4的光学组件16截面图；图5为除部分分离和部分分解外与图4相同的示图；图6为射线束沿待测路径传输的射线图；图7为本发明的检测单元中的波长锁定射线束的射线图；图8为发射单元中参考射线束的射线图；图9为检测单元和发射单元之间通信连接的射线图；图10所示为所检测射线的强度随最佳射线束和实际射线束之间的角距离的变化。
图11为发射单元扫描射线的示意图；图12为图10所示的扫描射线束对检测单元检测的射线强度的影响的变化的示图；图13除表示不同的对准变化外与图12相同；图14为图10，12和13中的峰值的更详细示图；图15为图4和5的开路式气体检测器中发射单元的反射镜结构的平面示图；图16为根据本发明的发射单元的分解图；图17为在各种路径长度下所检测射线的强度随最佳射线束和实际射线束之间角距离变化的示图；图18为驱动开路式气体检测器的激光二极管的元件的结构图；图19所示的三个曲线，其中两个是合成用于驱动开路式气体检测器的激光二极管的驱动信号的第三个曲线的信号成分；图20所示为目标气体吸收频带的曲线；图21所示的三个曲线，一个表示通过开路被气体检测器检测的射线的波长随时间的变化，另外两个曲线为表示目标气体吸收所产生信号成分的路径端部检测射线的强度；图22为表示路径端部检测射线的频率的曲线；图23为激光二极管的输出随图18所示的信号源的输出的曲线；图24为开路式气体检测器的接收器单元的元件的结构图；图25为路径端部检测的射线的波长随时间的曲线，其也是检测信号的强度的曲线；以及图26为图25的信号被过滤掉一个频率成分后的曲线。
具体实施例方式
图3为根据本发明的开路式气体检测器的示意图，其包括发射单元10和检测单元20。发射单元沿待测路径发射平行射线束，其中平行射线束由附图标记30表示，待测路径的实际长度例如为20至1,000m。
发射单元10包括可调激光二极管12，该可调激光二极管12在非常窄的波段内产生红外射线束，射线束向后射向可转向反射镜14，又被反射到用于准直由反射镜14反射的射线束的光学组件16的布置，以形成平行射线束30沿待测路径定向到检测单元20。检测单元20包括过滤掉不相关的波长的射线的过滤器(未示出)。通过过滤器后，射线入射到检测器22上以产生所测量的入射到检测器22上的射线强度的信号。处理该信号以提取所承载信息的频率分量的量值。将该值传送给发射器(未示出)，发射器将通信信号(由箭头24所示)传回发射单元10。发射单元包括接收所传输信号24的接收器(未示出但将在下面描述)。
在开路式气体检测器的环境中，包括所发射波长的调谐和扫描的可调激光二极管的控制和操作是公知的，例如，如上面背景技术中所述。在下面将描述一种新颖的气体检测方式。
由激光器12所发射的波长带宽的宽度要窄于目标气体的气体吸收带宽。在GB-2353591中描述的系统中，激光器的输出波长是变化的以覆盖目标气体的气体吸收带宽，这通过例如按正弦改变通过激光器的电流来实现，激光器的光学输出功率也正弦地变化。波长和功率的变化是利用驱动信号驱动激光器实现的。
所述系统被更详细地示于图4至9、15和16中。首先参照图4，4a和5，其中示出了光学组件16，该光学组件16由准直透镜17以及由可调节底座(未在图4中示出但可参见图16)支撑的校正透镜18形成，其中准直透镜17形成一窗口，射线束30可通过该窗口传输到开路中。准直透镜17的前表面17a是球面的且后表面17b是平面的，而校正透镜18的前和后表面18a和18b都是球面的。激光器12穿过校正透镜18中的轴心孔19延伸(参见图4a)。激光器的电连接由柔性连接27实现，其可见于图4中。
激光器12可由实际激光装置、温度稳定装置例如帕尔贴效应(Peltier Effect)加热器/散热器、温度传感装置、封装窗口以及可能安装于公共外壳中的其他元件组成。
参见图4a，激光器12由热传导支撑元件(未示出)支撑，并通过薄的粘接层21，如环氧树脂，在其一端粘接到准直透镜17的平的后表面17b。所发射的射线束80被激光器12向后发射，即，朝向远离光学组件16的方向。使用中，可调激光器12会产生热而其温度必须被控制中一个窄的范围内，通过已知设计的热电冷却元件(未示出)来消除多余的热。然而，可通过粘接层21将热传给准直透镜17来提供另外的散热，使得准直透镜17部分地充当散热器。将热从可调激光器12传给准直透镜17不仅仅消除激光器12的热量而且具有加热透镜17的优点。
在正常的操作中，有必要加热发射单元的窗口，即准直透镜17，以防止水在其上凝聚，否则会使射线束衰弱。通常，由激光器传送给准直透镜17的能量不足以使元件维持在露点(dew point)以上的理想温度。因此，在温度调节装置的控制下提供辅助电阻加热器(未示出，但是属于公知设计)为准直透镜17提供补充热量以使其保持在预定温度。这样激光器与透镜17间的热粘接既减小了激光器需要冷却的热量也减小了加热准直透镜17所需的能量。准直透镜17的热量散到大气中。
发射单元10包括装配环50(参见图4，5，15)，装配环50具有用于固定端块54的三个销钉52，其中每个端块54具有用于夹持压电条56的端部的套口(socket)。提供三个这样的压电条(piezoelectricstrip)，如图15所示。图15与图4和5中的设置不同，在图15中有六个装配销钉52，每个压电条用两个，而图4和5中仅有三个装配销钉52，即，每个装配销钉固定两个压电条的端部。压电条的型号为PL127.10，德国PI Ceramic of Lederhos公司(www.pi.ws)有售。
压电条56的每个端部被端块54固定并给压电条施加电位以使其弯曲；这种弯曲能在小于2毫秒的时间内产生。依赖于所施加的电位，压电条的中心可以相对地移动高至0.25mm的距离。
在三个压电条56中每个的长度的一半处设置有套圈(collar)58，套圈58的一端夹在可转向平面镜14的边缘上。所述镜是圆形的并具有中心开口15。所述开口可以的实孔或优选为透明或半透明的非反射区域。开口15周围的非反射区域15’增加了平面镜中心部分不反射入射射线的面积，这将在下面进一步说明。三个夹子58支撑住镜14并允许其在压电条56弯曲时被移动。适当的控制算法可协调各个压电条的运动，使得镜14转向预定方向，以此改变射线束30沿待测路径传输的方向。利用压电条，可按预定方式引导射线束，例如，如下面将讨论的，沿圆形或椭圆形路径。
除了如上述使用多个装配销钉52夹住压电条56的端部之外，也可以用单个框架固定压电条；这样的框架可以是刚性的，以减小从一个压电条传送给另一个的横向摆动。
压电条在500Hz以上的频率将产生共振，因此可以在没有高至500Hz频率的共振的情况下使压电条移动。压电条的制造商仅规定压电条按仅在一端锚定的悬臂方式下工作。我们发现，通过锚定其两端，共振频率显著地增加，这大大增大了本发明的系统的响应速度。
除了提供三个压电条56之外，也可以使用两个压电条和一个锚定点，这样的结构也能控制反射镜。
因此反射镜14能被压电条精确快速地控制，其能够在大约0.005至0.01秒的时间内实现对准，并且因此它可能即使在检测单元在大约几百Hz的频率移动/振动的情况下保持对准。另外，如果需要压电条可以调节反射镜14沿轴向(z-轴)的位置。
图6示出了用于产生沿待测路径的主射线束30的结构。可调激光器12将射线束80射向反射镜14，反射镜14将射线束向光学组件16反射，由光学组件16沿待测路径形成平行射线束30。由于射线束80或者通过反射镜14的中心孔15或者被非反射区域15’吸收而不被反射镜14反射，因此射线束30具有中心阴影82，激光二极管12定位于该阴影中。
从图6中可明显看出，反射镜14的较小移动可能引起射线束30的方向的改变，换句话说，反射镜14可控制射线束30。
射线束中的阴影82的最佳直径与通过开口的射线束的最佳直径是彼此独立的，因此可以很好地实现射线束30中的阴影82的直径大于由开口15所提供的。在这种情况下，设置非反射区域15’的直径以提供所需的阴影82的直径。
如图6所示，没有必要在反射镜的轴线上设置激光器，激光器可设置在轴线之外，但是在这种情况下要设置激光器以使其产生的热被用于加热准直透镜17是困难的。
参见图4和5，截顶锥形射线吸收体或遮罩60被设置在反射镜14之前。吸收体60在其截顶表面62中具有直径为1.5mm的孔。吸收体60是空心的且透镜66设置在其底部。设置在透镜66中央的支撑体68具有相对于该检测单元的轴线成角度的反射表面70。成角度的表面70通过截顶表面62反射进入吸收体60的射线并将其射向包含有目标气体样品的样品腔72。这种构造示于图7的射线图中，其中激光器12产生的射线束表示为80。射线束中的大多数撞到反射镜14并被反射给光学组件16，尽管为了清楚起见没有示出反射束。然而，射线束中的一部分通过了反射镜中心的孔15且然后通过吸收体60的截顶表面62，这里该部分射线入射到成斜角的反射镜70上被反射，经过准直透镜71透过气体样品腔72。如图7所示气体腔72的壁由附图标记73表示并充当透镜，与透镜71一起，聚焦射线通过腔72射到射线检测器74上。
在使用可调激光二极管的开路式气体检测器中利用参考气体腔和检测器是众所周知的，其应用的概述可参见GB2353591。当存在目标气体时，参考气体腔模拟沿待测路径的主射线束30的状态。通过在腔72中提供目标气体，相对于目标气体的固定吸收频带，可确定激光器发射的射线的波长，如果必要可调节激光器，以使激光器发射的射线的波长能保持为恰当的波长。
再参见图4和5，反射气体参考射线束的表面70的直径与通过射线吸收体60中的孔62的射线束的直径相同或稍大于它，使得没有射线束80到达其上安装有支撑体68和反射表面70的透镜66。
现在参见图8，可调激光二极管12产生的射线束80被环状反射镜14反射以产生射线束87射向光学组件16。射线束87通过光学组件16以形成平行射线束30(见图6)。然而，小部分被校正透镜18的后表面18b反射。后表面18b为球面并具有曲率使得反射射线束87以形成在环状反射镜14的中心开孔15处或附近具有聚焦点85的射线束84。后表面不必是球面的，只要是可聚集射线以使其通过反射镜14的开孔15，其他形成也可使用，优选是尽可能小以使从反射镜14后面穿过、通过开孔到达激光器12的射线束最小，因其可能引起干扰带。射线束86因此通过反射镜14的开孔15和锥形体60的截顶平面62的孔入射到用来支撑倾斜反射面70的准直透镜66。透镜66将射线束86聚焦到参考检测器90上。参考检测器90提供由激光器12实际发射的射线的测量并用于检测单元20所记录信号的处理中，这将在下面描述。重要的是注意到上述的结构使来自射线束的整个截面的射线通过并传输给检测单元20，因此参考射线束是所发射的射线束真实的测量，而不是射线束一部分样品的测量。
在图8中反射镜14中央的孔15在射线束87中央投射一个阴影82，其然后在射线束86的中央形成阴影89。该阴影包围倾斜反射面70，因此射线束86不会落到反射面70上以被反射到气体参考腔72。
再参见图3，由检测单元20所检测的有关射线的数据被传回给(由附图标记24表示)发射单元10，然后入射到光学组件16上，光学组件16将通信信号聚焦(见图9)到反射镜14。然而，反射镜对于通信信号的波长是透明的因此射线束24能通过反射镜14。可替换地，也可以基于通信射线束的波长将通信信号与形成射线束30的射线相区分开，例如，通过将其射入可引起通信射线束24与射线束80相比以不同的角度转向的衍射媒质；然后可将通信检测器设置在接收被转向射线束24的位置。
截顶锥形吸收体或遮罩60的外侧阻挡射线入射到其上，因为射线被截顶体60吸收或被其外壁以远离发射单元10中的检测器74、90、100的方向反射，因此不会干扰检测的工作。唯一的例外是射线通过截顶面62的孔入射到用于将通信射线反射到气体腔72的反射面70上。然而，通信信号不会影响波长锁定控制工作，通过在透镜71上提供吸收或反射通信射线束的波长的涂层可将通信射线过滤到通过气体腔72的射线束之外。任何落到透镜66上的通信信号将在其上聚焦，被用于参考射线束的检测器90锁定，但对参考检测器90有最小的影响。
通信射线24在截顶锥形体60的外侧周围以环状射线束96的形式通过并入射到准直透镜98上(参见图5)并被聚焦到用于产生包含通信射线束24数据的信号的通信检测器100上；所述信号被馈送到微处理器(未示出)。参考检测器90被设置在通信透镜98上但由于支撑参考检测器的透镜部分是在通信射线束上被锥形体60投射的阴影中，因此不会干扰通信信号。
注意在图4和5中通信透镜98没有与检测单元10的光轴直交而是相对于光轴倾斜；这是为了避免透镜98或检测器90所反射的射线返回到激光二极管12，这将产生不期望的干扰带。为了相同的理由，发射单元10中的可反射能与发射至接收单元20的激光射线相结合的射线的任何元件优选相对于光轴倾斜。
图16为发射单元10的分解图，其所示为外壳250中组件以高紧凑方式的组装。外壳被具有遮光罩254的端帽252封闭。
微处理器控制发射单元10的工作并分析被通信检测器100接收的信号24，以及波长追踪检测器74和参考检测器90的信号，以产生待测路径中目标气体的分析。各种数据的处理以及处理的基本原理将在下面描述。
通过对参考检测器的输出执行与应用于接收器20中主检测器22的输出的分析类似的分析，用来自检测器90的参考数据补偿由激光器/电子元件和某些干扰过程产生的扰动。参考检测器90的输出的分析结果提供能与接收器中的主检测器22输出的分析结果作比较的基线，从而消除气体信号分析的扰动。
应注意到，上述结构没有包括提供参考信号或波长追踪信号的射线束分离器，这是非常有利的，因为射线束分离器会产生具有相干射线的干扰带。如果干扰带存在，干扰带的亮和暗部分之间的强度的变化可能大于待测路径中存在的目标气体衰减结果信号，致使目标气体的检测不可靠。因此，能避免这种干扰带是非常有利的。
检测单元20与发射单元10的精确对准是很重要的。发射单元10产生具有优选小于0.1°的发散角的较窄射线束30以使得到达检测器22的射线的强度最大。另一方面，检测器22具有较宽的接收角，即，其能检测以较宽弧度接收入射到其上的射线，例如，大约1°。由于射线束30较窄，如果它没有与检测器22适当地对准，到达检测器的射线的强度将急剧降低使得检测待测路径中目标气体所引起的衰减更加困难。然而，发射单元10和检测单元20之间的对准可相对快地改变；例如，定位于离岸石油平台的发射器和检测单元，在大风和风大浪急的海面中石油平台的结构变形可导致未对准。由于检测单元会相对发射单元10以石油平台结构决定的频率摆动因此这种未对准可能会变化。检测单元和/或发射单元的移动可能具有几Hz至几百Hz的频率，但如下所述，本发明能追踪这样的移动并使发射射线束对准检测单元以补偿这种移动。
同样，如果检测单元和/或发射单元被设置在北极石油区的永冻土的标杆上，永冻土可能白天融化引起标杆位置的变化导致发射单元10和检测单元20之间的未对准。这种未对准可能增加数倍间距，但本发明能追踪这种移动并使发射和检测单元对准，这将在下面描述。
参照图10，其示出了作为检测单元的角距离的函数的被检测单元20所测量的射线束强度从射线束30精确对准处(精确对准处的信号在点200)下降的状态。可见，如果对准不是在最佳位置200处，测量信号将急剧下降。
参照图11，通过在环状路径中移动射线束30来发现最佳对准；这可利用压电条56操控反射镜14来实现。由于压电条能以大约几百Hz的频率移动，因此能快速地沿环状路径制导射线束。如果检测单元是沿旋转射线轴的中心轴线202对准的，由于检测器在整个路径203上将保持等距，频率为1f’(即绕路径203移动的射线束的频率)射线束的强度将不会随时间变化，参见图10中的点201。然而，如果检测器的定位偏离中心轴202，信号将随射线束绕其环状路径203移动而变化。这示于图12和13中。
图12(a)为作为检测单元的角距离的函数的被检测单元20测量的射线束强度从射线束30精确对准处下降的三维示图。当处于精确对准时信号在图12(a)的图中的z轴上。如果射线束的环状路径203不以z轴线为中心，在环状路径的一个部分204中的射线束比直径上与其相对的部分206更接近对准。这样，在位置204，当射线束为与检测器最接近对准时，信号将最大，并且当其最偏离对准时，在位置206，信号将最小。从而检测器22所记录的射线是正弦波动的，如图12b所示。
可使用相位灵敏测量放大器(锁定放大器)检测信号的相位以便从检测器22中选择信号。傅立叶变化分析可提供信号的各种分量的相位细节。
在图12(a)中，检测器22相对z轴沿-Y轴定位，即射线束30。因此，图12b所示的由检测器记录的信号为频率与射线束沿路径203的频率相等的余弦波。对于给定的环状路径，信号的振幅可表示离精确对准位置的距离。这样可从具有射线束绕环状路径203移动的频率的信号的振幅获得未对准的量值。
从具有射线束绕环状路径203移动的频率的信号的相位，可以检测到未对准的方向。这被示于图13中，在图13中，除了检测单元20相对于z轴即射线束30沿+X轴定位外与图12相同。在图13所示的情况下，信号的相位改变90°(图13(b)与图12(b)所示相比)，即，其是正弦波而不是余弦波。这样利用信号的傅立叶变化分析测量具有射线束绕环状路径203移动的频率的信号的相位，根据下表，可以确定射线束30未对准的方向
大多数未对准将不会正好落到X和Y轴的一个上，在这种情况下信号将提供未对准位于其间的两个轴的每个的分量。例如如果射线束的对准点落到+X和-Y轴之间，信号的傅立叶变换将有+cos分量和-sin分量。这两个相位分量的相对振幅表示+X轴和-Y轴之间的角座标。
因此，根据处于射线束转动的频率的信号24的相位和振幅可发现未对准的方向和大小，从而可知道使射线束对准所需移动的方向。随着对准接近最佳，信号24的振幅在减小(如图12b和13b所示)。在最佳对准时，如果围绕检测器的路径是环形的，将不会观察到在频率1f’(射线束30绕路径30移动的频率)不变化，参见图10。
可利用相对较大直径的路径203进行射线束的初始对准以使检测器落到该路径内，然后随着环状射线束路径的中心区域接近与检测器22对准而使路径的直径变窄；在最佳对准位置，对进行气体测量。
代替以圆形路径移动射线束，可以按椭圆路径移动，在这种情况下信号24的变化将以射线束绕路径的频率1f’的两倍的频率发生。另外更高的谐波4f’、6f’等都可以产生。使用椭圆路径而不是圆形路径的优点在于其产生2f’信号和更高谐波，即使是在接近射线束30与检测单元20的最佳对准位置时。各个谐波的比率给出了未对准的量值的信息，同时也提供了一种确定椭圆形路径203的最佳直径的方式。对于非圆形路径，如椭圆形路径，当检测器位于环形中心时以频率1f’的信号减为零，然而一些更高谐波例如2f’和4f’的信号仍然存在。
又参见图6，可以看到所发射射线束30中有阴影82。其明显地作为如图14所示的信号峰值处的“凹陷”。因此可利用上述椭圆路径203的技术来确定最佳对准位置。当射线束30在凹陷区域变窄时，表示未对准的信号的频率将增大到产生较大直径的频率的两倍(此时频率为4f’)。这能从图14的线A中看出其中椭圆路径的主轴分别在b和a点形成最大和最小值而椭圆路径的副轴分别在d和c点形成最大值和最小值。所存在的4f’信号能被用于向对准位置靠近的检测。如前，在最佳对准位置，频率为1f’的信号没有变化，如线B所示的。
射线束以圆形或椭圆形路径203的运行也能被用于测量检测器和发射单元10、20之间的距离。强度与未对准角距离曲线的宽度(见图17)随检测器和发射单元之间的间距的增加而减小。对于检测器和发射单元之间的给定距离，可通过以较宽直径的路径203开始并逐渐减小直径而在发射器和检测单元10、20对准时绘制曲线。图17中曲线的全宽半高(FWHH)与检测器和发射单元之间的距离按反向关系相关，因此可从曲线的FWHH(或其它所测量的宽度)导出检测器和发射单元之间的距离。图17示出了这样的三个表示检测器与发射单元之间不同距离的曲线a、b、c，曲线a表示在检测器与发射单元之间距离最大时绘制而曲线c是在检测器与发射单元之间距离最小时绘制的。
由于对于两个单元10、20之间目标气体的平均浓度是给定的情况，气体测量的信号是随着两单元之间的距离的增加而增加的，所以检测器和发射单元之间的距离的重要的。因此，两单元之间的距离对于确定它们之间的路径中目标气体的平均浓度是重要的。通常，在首先设置检测器和发射单元时确定它们之间的距离是非常必要的。
可通过周期性地检查发射器和检测单元之间的对准以确保其在最佳位置。然而，经常会存在发射单元或检测单元或两者发生被迫振动的情况。由于振动引起未对准因此这种振动会导致与上述未对准情况下相同的测量信号的变动。通过对信号24进行傅立叶变换，可按上述关于射线束30和检测单元对准相同的方式发现这种变动的频率相位、振幅和方向。知道这种变动的频率相位、振幅和方向就可利用反射镜14根据这种变动的路径进行操控，使得尽管存在变动也能保持对准。显然，上述测量仅仅可有效地消除在反射镜能操控的最大频率以下的频率所引起的未对准的影响。上述结构能在高至500Hz的频率下操控反射镜因此频率高至几百Hz的变动，如300Hz可适用于这种方式，其覆盖了实践中可能遇到的大多数变动情况。可操控反射镜具有几个优点·其便于射线束30的精确对准从而可提供发射器10和接收器单元20之间的高效率耦合，因此使得开路式气体检测器容许由大气引起的高度衰减，例如由雾引起的衰减；·其能适应发射器10和接收器单元20之间相对移动产生的对准误差，并对其进行补偿；这样的误差可能产生于例如发射器10和/或接收器20的位置的改变或变动；甚至高至150Hz或更高的变动能被可操控射线束消除；·由于射线束30可被可操控反射镜精确地对准，因此甚至在存在轻微的未对准情况下也可由较大直径光学组件捕获射线束，其可使接收器单元中的光学组件具有相对较小的直径，从而降低了成本；以及·精确的对准使得可使用窄的发散射线束30，例如具有＜0.25°，优选＜0.1°发散角的射线束；窄的射线束发散角可使得到达检测单元的射线束的强度最大化。
上面是关于射线束与检测器的对准的描述。下面将描述假定检测器与射线束30对准的情况下检测目标气体的方法。
在背景技术部分，已经详细地给出了在气体检测器中使用激光二极管发射器测量发射器10和检测器20之间路径30中目标气体的量的基本技术，其中通过计算2f∶1f比率而获得对路径中目标气体量的测量，其中f为激光二极管在其波长范围所扫描的频率。并提出了在该技术中信号固有的谐波畸变所产生的问题，也就是说，调制频率f的气体测量信号的谐波畸变也会在频率为2f(气体测量频率)的另外信号中产生，从而导致气体测量的不精确。
解决该问题的方案是利用激光调制技术使由气体对光学信号的吸收所产生的信号被局限于没有调制频率的谐波或信号的频率，如1f/2f/4f等的频率。
参见图18，其示出用于发射器中驱动激光二极管的功能模块基本结构。特别应该注意，两个单独的信号源501和502被模块503叠加，连同DC信号504一起提供一个信号用于调制通过激光器12的电流。所述信号源是利用直接数字综合技术实现的，但是任何信号发生电路都可以应用。
这两个信号源被用于产生两种周期信号波形，优选具有相同的函数(function)和振幅。两个源的频率不同，典型的是按大于1至108倍的系数，如1.1至100，例如大约10。两个源的波形函数优选为正弦或类似的简单波形，其具有将关于气体吸收的信息聚集到相对较少量的频率分量的优点。另外，如果需要可应用更复杂的波形，其可使气体测量信息扩展到其它频率。这对于将某些噪声源或干扰类气体从气体测量信号的分析中排除是有利的。
图19示出了两个信号源A和B的输出形式，它们被叠加为合成信号C。由于通过激光器的电流与该信号成比例以及激光器的光学波长和光学输出功率与电流成比例，曲线C也就是通过激光器的电流的曲线，另外其波长和光学输出功率是时间的函数。
复合调制波形C与待测量气体的吸收特性之间的关系示于图20中。曲线H表示目标气体的吸收带，即射线被目标气体吸收的衰减效应作为波长的函数；这与图1中的曲线B相同。波形C的平均值为发生器504的DC信号，其被配置为使DC信号让激光器的输出波长与所测量的目标气体的峰值吸收波长相同，如曲线H中的点I。该调制波形的最后的变量参数，每个信号源501、502的振幅是固定的，使得使激光器12的波长被调整为目标气体吸收特性的全宽半高(FWHH)的2至8倍之间的范围内，如J所表示的。每个信号源的波长调制范围如图中K所示，其中K为大约2倍FWHH。
通过这种方法将复合调制波形与气体吸收相关联，使得关于气体浓度的信息按检测单元20所接收的信号中的频率来编码，该方法可通过参见图21加以理解。图中示出了三个关于时间的曲线。中间的曲线M表示激光器所发射的射线的调制波长与时间的关系；所检测到的目标气体的吸收峰值，即图20中的I点，示出为波长I。当激光器12所发射的波长处于目标气体的峰值吸收波长时曲线M在值为I的波长线上产生的点已经被标上叉。可看出相邻叉之间的间隔的波动以及交错叉相对于两个调制频率的较高者随时间前进或后退，如图19中的曲线A所示。如果仅仅考虑交错点(为便于理解将曲线M中一组交错点的叉画上了圈)，可看出每组交错点的点按规则间隔产生。两个组的点之间频率与两个信号源501、502的频率FA和FB相关。一组交错点的频率为FA-FB而另一组的频率为FA+FB。
如果在路径30中存在目标气体，其将吸收图20中所示的目标气体吸收频带中的射线从而将减小到达检测器22的射线的量，该减小量与路径中目标气体的量相关。被检测器所检测的射线除了在目标气体吸收频带的波长减小外将与图19所示的曲线C相同，目标气体吸收频带的波长集中在频带的中心，如图20中所示的I。如果考虑图21的曲线M，其示出了吸收频带中心波长I的波长。由激光器12按波长I发射射线的例子，如上所述，由图21的叉所示，其能被分解为两个频率FA-FB和FA+FB。在曲线中目标气体对射线的吸收可分解为两个曲线，一个按频率FA-FB另一个按频率FA+FB，如图21的曲线N和P所示。实际的气体吸收函数是这些波形的叠加；然而，在图中两者的间隔所显示的更复杂的实际信号主要是由两个简单周期波形构成的。
检测器22所检测的射线的随时间变化的曲线没有示出但其由三个成分构成(a)激光器12输出的光学功率，即图19的曲线C，(b)由目标气体对频率为FA-FB和FA+FB的射线的吸收，如图21中曲线N和P所示以及(c)由大气状态所吸收的。目标气体所吸收的成分(b)的量取决于路径30中目标气体的量，如果不存在目标气体，由检测器所检测的信号将仅仅由成分(a)和(c)构成。
被检测射线的强度的频率光谱可通过对目标气体存在的所检测射线执行傅立叶变化获得，如图22所示的例子，其中两个基本调制频率FA和FB和由于气体存在而产生的两个主要频率成分FA-FB和FA+FB是明显的。未示出的这些主要频率的高次谐波也将带有关于气体存在的信息。
频率成分FA-FB和FA+FB的量是气体浓度和将使光信号衰减的多个大气条件这两者的函数。为规范化这些量并消除大气条件的影响，利用FA频率成分的量形成一比值(FA-FB/FA和FA+FB/FA)。FA频率的量在很大程度上不受气体存在的影响但是同样会受到大气条件的影响，因此该比值对于大气条件是相对独立的。
对于上述结构，可看到，利用两个独立的信号源，与气体吸收的强度相关的信息可按频率FA-FB和FA+FB获得，这些频率的值可随FA和FB的变化而改变。因此可以选择FA和FB以使FA-FB和FA+FB不是FA或FB的谐波。通过这种方式，可使目标气体检测的频率FA-FB和FA+FB不会成为FA或FB两者的谐波。
利用从两个叠加信号源中获得的信号是有利的。可通过首先考虑单个源的情况来理解其优点，如501或502，用于产生驱动激光进行波长扫描的信号。参见图23，单信号源的每个可能输出水平将导致激光器发出特定光功率和波长。单信号源输出和激光输出之间的理论线性关系如图23所示。单信号源驱动激光二极管12的非线性现象也被示于图23中，其在理论响应曲线周围波动。如图23所示非线性现象将导致单信号源的输出电位的误差以及因此产生激光器输出的光功率的误差。这些误差会导致所发射光信号的波形的失真，引起气体测量的误差。
对于两个信号源501，502，其输出被叠加，可减小这种误差，这将在下面描述。
任何一个光学输出功率水平可从两个光学信号源501、502的输出功率水平的无限多种组合中获得。如果考虑图19的曲线C，曲线C中的Y点可通过曲线A和曲线B的相等部分的适当水平加在一起而得到。然而，点Y也可以从曲线A和曲线B不相等部分得到，例如，曲线A的较小部分和曲线B的较大部分。理论上，用于导出曲线C上任意点的曲线A和B中信号源水平的数目可接近无穷大。如果曲线C是应用来自两个信号源501、502的不同比例的信号A和B得到，则在一个周期时间内特定光学功率输出水平的平均失真，即由非线性响应产生的误差，将成为在所述周期时间内所用的所有信号源水平组合平均失真的函数，其能减小图23所示的误差。为了以另一种方式进行表达，可将图23的曲线视为作为信号源501的输出的函数的由信号源501引起的激光器12的输出的曲线。当信号源501的相对小比例的信号A被用于产生激光输出信号C时，信号源将以水平1输出，引起的激光输出大于理想值(误差E1)。当信号源501的较大比例的信号A用于产生激光输出信号C时，信号源将以水平2输出，引起激光输出小于理想值(误差E2)。同样，当信号源501的大比例的信号A用于产生激光输出信号C时，信号源将以水平3输出，引起激光输出大于理想值(误差E3)。误差E1至E3趋向于互相抵偿以及使用如果无穷多个值，误差将彼此抵偿。
应该理解，信号源501的相对较小比例的信号A能用于以信号源输出水平1产生激光输出信号C，因同时使用了信号源502的相对大比例的信号B并将两个信号叠加。类似在信号源501的信号源输出水平3，信号源502的相对小比例的信号B被使用。与上面描述信号源501相同的考虑可用于信号源502。可利用信号A和B的比例的变化快速产生给定水平的合成信号C，图23的曲线所示的实际值与理想值之间误差将被互相抵偿，因此与仅使用一个信号源的情况相比这种激光输出能大大地减小误差。
如果优选地将直接数字合成技术用于信号源501、502以产生两个信号A和B，则仅仅能产生有限数目的不同信号源输出水平，上述的双频调制技术因此仅仅能以有限数目的方式输出相同的功率水平。这样的有限值被顺序地使用并且序列最终必然被重复。这会限制克服图23所示的误差的改进。
序列的重复率Fs被定义为复合调制波形的重复率，即每秒内两个频率分量(曲线A和B)同时处于零相位的次数。通过选择FA和FB可控制重复率。Fs的实际值为大于1Hz。在一秒内输出特定光学功率的次数大约为2×FA；因此在特定序列中输出的次数为2×FA/Fs给定Fs为20Hz以及FA为50Hz，则每秒内所输出特定光学功率的次数大约为5000。在这种情况下通过使用两个信号源，可使失真减少5000的平方根或系数为70。
通过使用直接数字合成技术施加不同信号源水平的限制也限制所产生的失真的减小。如果使用12-bit DAC数字合成能够有大约212的平方根或系数为64的最大改进。
用于接收开路30中传输的光学信号电子部件也可通过复合调制波形C的利用中获益，如下所述。
图24所示为接收器20中的基本功能模块结构。包括将所接收的光功率转换为电信号的光电二极管22和跨阻放大器510；用于在信号水平低时通过放大补偿大气传输中的变化的可编程增益放大器511；用于消除带外信号的高通滤波器512和低通滤波器513；以及将信号转换为用于数字信号处理器515中并发处理的数字域的模拟数字转换器514。
除了高通滤波器512外，该结构中最典型的是用于开路式气体检测器的光检测器电子系统。然而，如果高通滤波器512被设计为具有与复合调制波形C相互作用的特性，则能实现下述优点。
如果系统开始没有高通滤波器512，则复合调制的所有频率分量将传输到ADC 514的输入端。类似于上述存在的发射器单信号源情形，即将所接收的光学功率水平转换为特定模拟信号水平随后转换为特定数字值。ADC的操作的任何非线性现象将导致模拟信号水平被转换为错误的数字值。这种误差源导致表示信号的数字与原始模拟信号相比产生失真，从而导致所测量的气体浓度的误差。
在前面关于图22的讨论中，其示出了路径中的气体浓度可由所接收信号的频率分量FA-FB，FA+FB和FA的量确定。较低的调制频率FB的量是不需要的，利用高通滤波器从输入到ADC的信号中过滤掉这个频率分量对路径中气体浓度的测量不产生影响。
然而过滤掉FB的频率分量会对输入到ADC的信号的形式产生显著的影响。这种影响可参见图25和26，过滤掉FB频率之前由检测器22所检测的信号示于图25中，过滤掉FB频率之后的相应曲线示于图26中。尽管图25是光学功率(信号强度)随时间变化的曲线，由于二极管12所发射的功率与所发射的波长同步变化，因此其与波长随时间变化的曲线相同。
图25和26中的信号表示没有任何目标气体存在于路径30中。然而如果目标气体存在于路径30中，信号将在目标气体所吸收的波长(示于图25中的波长I)处减小并且这些点以图25中的叉示出。如前面对于图21的描述，这些点随着频率FA-FB和FA+FB变化，以及如果存在目标气体，频率为FA-FB和FA+FB的信号与路径中气体的量成比例。
当低频率FB被过滤掉，信号如图26中所示；图25中的叉点表示图26中被转化的波长I(目标气体吸收的波长)，使得它们在频率为FB的信号水平的最小值和最大值之间循环。因此，不再由总是具有相同失真的单个电信号水平表示光的波长和光功率水平而是由整个时间周期上的可能值的全部值表示。在整个时间周期上，通过转换所接收光功率水平的数字值而引入的平均失真，因此成为在整个所述时间周期上用于表示光学功率水平的所有信号水平失真的平均值的函数；以与上述关于信号源501、502和激光器12的输出之间的非线性关系同样的方式，总误差将小于按多个单个信号水平所产生的误差。
即使在过滤掉FB后，目标气体的存在仍将产生频率为FA-FB和FA+FB的信号，因此这种过滤除了减小各种电子元件、特别是ADC的非线性效应产生的误差外，不会影响上述按FA-FB和FA+FB对气体进行的测量。同样，这种过滤也不会影响用于形成进行目标气体的测量的FA-FB/FA和/或FA+FB/FA的FA的值。
在理论上，所利用的信号水平的数目可以接近无穷大，将失真减为零；然而，在上述的信号源情形下，数目是有限的；其取决于序列重复前相同光学功率水平的发生次数以及可由数模转换器识别的不同信号水平的数目。
序列的重复率Fs以及相同光学功率水平的发生数目2×FA/Fs是为上述双信号源定义的。同样，给定Fs为20Hz以及FA为50Hz，则存在特定光学功率的次数大约为5000，失真的下降因子大约为70。
上述的发射器中双信号源结构、高通滤波器512执行接收器中的模数转换器514以及波形C的双频调制的结构，使得所获得的性能水平超过了给定电子元件组所期望的水平。
这些性能增益，使得能利用调制波形的数字合成以及所接收的光信号到数字域的早转换，测量较之其他可能更低浓度的气体，从而可利用数字处理方法进行信号处理和测定气体浓度。同时也减小了模拟处理步骤的使用，模拟方法对温度变化、随时间的衰减更敏感，并且对于相同的性能水平成本更高。
尽管已经根据所发射射线(30)的环状操控路径的频率以及由发射器机械变化在路径中产生的任何变化对本发明进行了描述，但是优选使用气体感测调制频率的高频旁带，典型为500Hz，以确定这些成分的量。该技术在其它领域是公知的，例如，声音信号由高频载波信号的旁带叠加的简易AM收音机。
权利要求
1.一种用于检测目标气体的开路式气体检测器的发射单元(10)，包括射线发射器(12)，该发射器按能被所述目标气体吸收的波长发射射线，例如，是可调激光二极管，具有偏转部分和非偏转部分(15)的射线偏转器，其中配置所述偏转器使得所述偏转部分和非偏转部分两者都位于所述发射器所发射的射线的路径中，并且其中所述非偏转部分不对所述发射器所发射的射线进行偏转或与所述偏转部分相比进行不同程度的偏转。
2.如前述任一权利要求所述的发射单元，其中所述射线偏转器是可操控的。
3.如权利要求1所述的发射单元，其中所述射线偏转器为反射镜(14)，其具有用于反射所述发射器所发射的射线的反射表面，所述反射表面具有非反射部分(15)，该非反射部分(15)不反射所述发射器所发射的射线或反射程度比反射部分低。
4.如前述任一权利要求所述的发射单元，其中所述非偏转部分(15)的至少一部分被构造为使得入射到其上的由所述发射器发射的射线通过，例如，所述部分是透明的、半透明的或是一开口。
5.如权利要求4所述的发射单元，其包括遮罩(60)，设置该遮罩(60)用于遮挡从所述射线偏转器的远离所述射线发射器的一侧发射并射向所述射线发射器(12)的射线。
6.如权利要求4或5所述的发射单元，其中所述发射单元进一步包括容器(72)，该容器(72)对所述发射器所发射的波长范围的射线半透明，所述容器被设置于已经通过所述非偏转部分(15)的射线的路径上，并被构造为包含材料样品，该材料样品至少按所述发射器(12)所发射的波长范围的一部分吸收射线，所述材料优选为目标气体，射线检测器(74)，被配置为用于检测已经通过所述容器的射线并根据该射线的强度产生信号，以及控制器，被配置为用于控制由所述射线发射器(12)所发射的波长，从而相对于所述样品所吸收的射线将其保持在预定范围。
7.如权利要求4至6中任一个所述的发射单元，其中进一步包括光学组件(16)，被构造为使得由所述射线偏转器所偏转的射线形成沿一个路径传输的射线束，所述光学组件包括至少一个具有表面(18b)的元件(18)，所述表面优选为球面，其面对所述射线偏转器并且用于反射来自所述射线偏转器(14)的射线并聚焦该射线，使得该射线通过所述射线偏转器的非偏转部分(15)，以及检测器(90)，被构造为用于接收由所述透镜元件表面(18b)反射的射线并产生信号，该信号给出了所述发射器所发射的射线的特性的测量值，例如由所述发射器所发射的射线的强度和/或波长。
8.如权利要求7所述的发射单元，当引用权利要求6时，其进一步包括被配置为将通过第一射线偏转器的非偏转部分的射线偏转到所述容器的第二射线偏转器(70)，例如是反射器、棱镜或折射元件，其中这种设置使得所述第一射线偏转器(14)的非偏转部分(15)在由光学组件的表面(18b)反射的射线束中形成阴影(89)，并且其中所述第二偏转器被设置于该阴影中。
9.如权利要求8所述的发射单元，其中包括被配置为用于将所述光学组件表面(18b)反射的射线束定向至检测器(90)的透镜，其中所述第二偏转器(70)被安装于所述透镜上。
10.如前述任一权利要求所述的发射单元，其中所述第一射线偏转器(14)的非偏转部分(15)被该第一射线偏转器(14)的所述偏转部分包围以及优选定位于该第一射线偏转器的该偏转部分的中心。
11.一种开路式气体检测器，包括如前述任一权利要求所述的用于沿一路径定向射线束的发射单元(10)，具有用于检测在所述路径中传输的射线的检测器的接收单元(20)，以及构造为用于检测射线束与所述接收单元何时对准并操控射线偏转器的控制器，其中所述射线偏转器的非偏转部分(15)在射线束中形成完整或部分阴影，所述控制器被配置为用于监控所述检测器检测所述阴影并操控所述射线偏转器以使该阴影落到所述检测器。
12.一种用于开路式气体检测器的发射单元(10)，包括射线发射器(12)，例如可调激光二极管发射器，和配置为使所述发射器发射的射线形成沿一路径传输的射线束的光学组件(16)，其中所述发射器与光学组件是热连接的从而使热能从所述发射器传输到所述光学组件。
13.如权利要求12所述的发射单元，其中所述射线发射器(12)被粘接到所述光学组件(16)，例如，用粘接剂(21)。
14.如权利要求12或13所述的发射单元，其中所述光学组件(16)至少包括第一透镜(17)和第二透镜(18)，其中所述第二透镜被设置于所述第一透镜和所述射线发射器(12)之间，并且其中所述射线发射器(12)与所述第一透镜(17)热连接。
15.如权利要求14所述的发射单元，其中所述第一透镜具有一后表面(17b)以及所述射线发射器(12)与所述后表面热连接。
16.如权利要求14或15所述的发射单元，其中所述第二透镜(18)具有中心通孔(19)以及所述射线发射器(12)被容纳于所述中心孔中。
17.如权利要求12至16中任一项所述的发射单元，其中包括用于冷却所述射线发射器(12)的散热器，用于检测所述射线发射器的温度的传感器，以及用于控制所述散热器以使所述射线发射器(12)保持在预定温度的控制器。
18.如权利要求12至17中任一项所述的发射单元，其包括用于加热所述光学组件的加热器。
19.一种包括如权利要求12至18中任一项所述的发射单元的开路式气体检测器。
20.一种用于开路式气体检测器的发射单元，包括射线发射器(12)，例如可调激光二极管，光学组件(16)，其被配置为使所述发射器发射的入射到该光学组件上的射线形成沿一路径传输的射线束(30)，所述光学组件包括至少一个元件，该元件具有面对入射到所述光学组件上的射线的表面(18b)(下称“后表面”)，所述后表面能反射一定比例的入射到其上的射线，以及检测器(90)，被配置为接收由所述后表面反射的射线并且产生信号，该信号给出由所述发射器所发射的射线的特性的测量值，例如该射线的强度和/或波长。
21.如权利要求20所述的发射单元，其包括射线偏转器(14)，例如反射镜，其被配置为用于接收由所述射线发射器所发射的射线并将射线定向至所述光学组件，所述偏转器优选是可操控的以改变被偏转射线的路径。
22.如权利要求21所述的发射单元，其中所述偏转器(14)包括部分(15)，该部分(15)对于被所述光学组件反射的射线透明或半透明，并且被配置为用于使被所述光学组件反射的射线通过该透明或半透明部分。
23.如权利要求22所述的发射单元，其中所述偏转器的对于所述光学组件所反射的射线透明或半透明的所述部分(15)具有小于3mm的直径，优选小于2mm，如大约1.5mm。
24.如权利要求22或23所述的发射单元，其中所述偏转器(14)的透明或半透明的部分(15)是一个孔。
25.如权利要求22至24中任一项所述的发射单元，其中所述后表面(18b)被配置为用于聚焦射线以及所述偏转器(14)的透明或半透明的部分(15)被设置于邻近该焦点的位置。
26.如权利要求20至25中任一项所述的发射单元，其中所述光学组件至少包括第一透镜(17)和第二透镜(18)，其中所述第二透镜被设置于所述第一透镜和所述射线发射器(12)之间以及其中所述后表面被设置于所述第二透镜中。
27.如权利要求20至26中任一项所述的发射单元，其包括配置为用于将由所述后表面反射的射线定向至所述检测器(90)的透镜系统(66)。
28.如权利要求20至27中任一项所述的发射单元，其中所述后表面(18b)被构造为用于使得基本上所有形成射线束(30)的射线被入射到所述后表面(18b)上，并且所述后表面(18b)基本上将所有入射到其上的光传送给所述检测器(90)。
29.如权利要求20至28中任一项所述的发射单元，其中所述后表面(18b)为球面。
30.一种开路式气体检测器，包括配置为沿一路径定向射线束的如权利要求20至29中任一项所述的发射单元(10)，以及具有配置为用于检测在所述路径中传输的射线的检测器(22)的接收单元(20)。
31.一种开路式气体检测器，包括发射单元(10)，具有射线发射器(12)，光学组件(16)，被配置为用于将所述发射器发射的射线形成沿路径传输的射线束(30)，以及通信信号检测器(100)，接收单元(20)，具有检测器(22)，被配置为用于检测来自所述发射单元的射线的所述射线束，和通信发射器，被配置为用于按不同于所述射线发射器(12)发射的波长的通信波长将数据信号(24)发送给所述发射单元，所述数据信号包含关于所述检测器(22)所检测的射线强度的数据，其中所述光学组件(16)被配置为向所述通信信号检测器(100)发送所述数据信号。
32.如权利要求31所述的开路式气体检测器，其中所述发射单元进一步包括被配置为用于将所述发射器发射的射线定向至所述光学组件(16)的光学元件(14)，所述通信信号检测器(100)被设置于所述光学元件的远离所述光学组件的一侧，以及所述光学元件能将具有通信波长的通信信号传输给所述通信信号检测器(100)。
33.如权利要求32所述的开路式气体检测器，其中所述光学元件为反射器或折射器。
34.如权利要求33所述的开路式气体检测器，其中所述光学元件为反射器，如反射镜，其对于通信波长是透明或半透明的并反射由所述射线发射器(12)发射的波长。
35.如权利要求32至34中任一项所述的开路式气体检测器，其中操控所述光学元件(14)以沿期望的路径定向由所述射线发射器发射的射线。
36.如权利要求31至35中任一项所述的开路式气体检测器，其中通信检测器具有＞±0.1°，例如＞±0.25°，优选＞±0.5°，的视场。
37.如权利要求31至36中任一项所述的开路式气体检测器，其中透镜(98)被设置于所述光学组件(16)和所述检测器(100)之间并被配置为用于将射线从所述光学组件聚焦到所述检测器上。
38.一种用于操控射线偏转器如反射镜(14)的结构，所述射线偏转器被配置为用于沿光学路径(30)定向由发射器发射的射线，其中所述结构包括射线偏转器和多个支撑所述射线偏转器的电机械元件(56)，如压电元件，其中所述电机械元件中的每个的位置能根据施加到其上的信号进行调节，从而能操控所述射线偏转器沿期望的路径定向所述射线。
39.如权利要求38所述的射线偏转器结构，其中所述电机械元件为压电元件。
40.如权利要求39所述的射线偏转器结构，其中所述压电元件每个包括具有两个相对端和位于两端之间的中心部分的条，其中所述条在其每个端部被锚定并且所述射线偏转器被支撑于所述条的中心部分上。
41.如权利要求38至40中任一项所述的射线偏转器结构，其中所述电机械元件具有至少150Hz的谐振频率，例如至少200Hz，优选至少300Hz，如大于500Hz。
42.一种用于测量目标气体的开路式气体检测器，其包括射线发射器和如权利要求38至41任一项所述结构配置的可操控射线偏转器，其被配置为沿一路径定向由所述发射器发射的射线。
43.如权利要求42所述的开路式气体检测器，其中所述射线发射器为可调激光二极管(12)。
44.如权利要求42或43所述的开路式气体检测器，其包括接收单元(20)，该接收单元(20)具有用于检测所述路径中传输的射线的检测器。
45如权利要求42至44中任一项所述的开路式气体检测器，其被构造为使所发射射线束具有小于0.25°的发散角，更优选小于0.1°。
46.一种用于将发射器(12)所发射射线束与检测器(22)对准的方法，例如，将开路式气体检测器中的射线束与检测器对准，所述射线束(30)沿路径传输。该方法包括a)产生射线束(30)，b)利用所述检测器(22)在射线通过路径后检测其强度并且产生给出所检测强度的测量值的信号，c)按频率f’在围绕所述检测器的预定环形图案中操控射线束，d)根据检测器信号的强度以频率f’或f’的谐波(如2f’，4f’等)的变化导出所述检测器相对于该环形射线束的位置，e)把所述射线束定向至所述位置。
47.如权利要求46所述的方法，其进一步包括f)在步骤d)所导出的检测器的位置周围的另一个环形图案中操控射线束以及g)可选地重复步骤d)至f)，直到射线束与所述检测器对准。
48.如权利要求47所述的方法，其中，在步骤g)中，所述环形图案的角直径随着所述检测器与所述环形图案的中心区域的愈加对准而减小。
49.如权利要求46至48中任一个所述的方法，其中所述射线束的截面为环形，其在中心(82)具有完整或部分阴影，并且其中通过检测强度由该阴影引起的下降来检测所述射线束的对准。
50.如权利要求46至49中任一个所述的方法，其中检测来自所述检测器的频率为f’或f’的谐波的信号的振幅，因此提供所述环形图案的中心区域与所述检测器之间的角距离的测量值，例如，圆环的中心与所述检测器之间的角距离。
51.如权利要求46至50中任一个所述的方法，其中可在预定非圆形图案中操控射线束，并且计算基频率f’或其谐波如2f’的信号的振幅与不同谐波如大于2f’的谐波的信号的振幅的比率，从而提供环形图案的中心区域和所述检测器之间距离的测量值。52.如权利要求46至51中任一个所述的方法，其中检测来自所述检测器的频率为f’或f’的谐波的信号的强度变化的相位，以提供检测器相对于所述环形图案的中心区域例如圆环的中心的方向的测量。
53.如权利要求46至52中任一个所述的方法，其中环形图案为圆形或椭圆形。
54.如权利要求46至53中任一个所述的方法，其包括检测由发射器的机械振动所引起的来自所述检测器的信号变化，计算所述机械振动的振幅、频率、相位和方向并操控射线束使其按与所检测到的振动相同的振幅和频率但按相反的相位移动，从而至少部分地减少由所述振动所引起的射线束(30)的未对准。
55.如权利要求54所述的方法，其中可按下列频率的信号的振幅计算所述振动的振幅振动频率或其谐波或作为(a)振动频率或其谐波和(b)环形运动的频率f’或其谐波之间的和或差的频率。
56.如权利要求54或55所述的方法，其中可通过下列频率的信号的相位计算所述振动的方向振动频率或其谐波或作为(a)振动频率或其谐波和(b)环形运动的频率f’或其谐波之间的和或差的频率。
57.一种确定射线束源与射线检测器之间的距离的方法，其包括在各与所述检测器和发射源之间的直线具有不同角差异的至少两个不同的方向上定向射线束，测量在所述至少两个不同的方向上由所述检测器所检测的射线强度的变化，以及计算所检测射线的强度随角差异的变化，从而给出所述检测器与射线束源之间距离的测量值。
58.一种在空间中检测目标气体存在的方法，该方法包括产生包含两个或多个不同调制频率成分(A，B)的合成信号(C)；利用该合成信号驱动射线源(12)以产生根据该合成信号改变波长的射线；在所监视的空间定向射线；检测越过所述空间的射线；以及根据所检测的射线产生检测射线信号，其中合成信号(C)使得在被监视空间中由目标气体吸收的射线导致所检测的信号包括至少一个不是合成信号(C)的一个或多个调制频率的基波或谐波的频率成分。
59.如权利要求58所述的方法，其中，由于空间中目标气体的存在所产生的检测射线信号中的频率成分是这样的频率，该频率是合成信号或其谐波的调制频率成分中的两个之差和/或是合成信号或其谐波的调制频率成分中的两个之和。
60.如权利要求58或59所述的方法，其中所述调制频率成分包括第一调制频率成分和第二调制频率成分，其中所述第一调制频率成分的频率比所述第二调制频率成分的频率大1至108倍，例如1.1至100倍，如大约10倍。
61.如权利要求58至60中任一个所述的方法，其中所述合成信号(C)通过组合两个或多个有不同交错波形的信号(A，B)而形成，以及其中随时间通过两个或多个信号水平的多个不同组合而获得合成信号中的每个信号水平。
62.如权利要求58至61中任一个所述的方法，其中包括过滤所检测的射线信号以消除至少一个频率成分；将过滤的检测射线信号馈送给具有非线性输出的信号处理器(514)的输入端，如模数转换器或放大器；以及分析由该信号处理器(514)输出的过滤信号以检测被空间中目标气体吸收的射线。
63.一种开路式气体检测器的发射单元，包括射线源(12)；信号发生器(501-503)，被配置为用于产生具有至少两个不同调制频率成分的合成信号；驱动器(505)，被配置为用于利用合成信号来驱动射线源，以产生其波长根据合成信号变化的射线；其中设置所述信号发生器使得下述至少一个a)合成信号中的两个调制频率成分或其谐波之间的和，以及b)合成信号中的两个调制频率成分或其谐波之间的差既不是合成信号中任何调制频率成分的基频率也不是其谐波。
64.如权利要求63所述的发射单元，其中所述信号发生器包括两个或多个配置为用于产生两个或多个具有不同交错波形的信号的信号发生器(501，502)，以及将信号合成为合成信号(C)的信号合成器，其中所述信号发生器被配置为通过随时间使用两个或多个信号的多种不同信号水平组合而产生合成信号中的每个信号水平。
65.一种用于检测空间中目标气体存在的开路式气体检测器，包括如权利要求63或64所述的发射单元(10)，以及能接收通过所述空间的射线并根据所检测射线产生检测射线信号的检测单元(20)。
66.如权利要求65所述的开路式气体检测器，其中所述检测单元包括过滤器(512)，被配置为用于从所述检测射线信号中消除一个或多个频率成分；信号处理器(514)，具有被配置为用于接收所述过滤后信号的输入端以及被配置为提供过滤后信号输出的非线性输出端，如模数转换器或放大器；以及附加处理器，被配置为处理所述过滤后信号输出以检测预定波长的射线吸收。
67.检测空间中存在目标气体的方法，该方法包括组合两个或多个具有不同交错波形的信号，以产生合成信号，利用该合成信号来驱动射线源以产生根据合成信号改变波长的射线，在所监视空间定向所述信号；以及检测通过所述空间的射线；其中所述合成信号中的每个信号水平是通过两个或多个信号的多个不同信号水平组合而获得的。
68.如权利要求67所述的方法，其中所述合成信号的平均信号水平使所述射线源按所述目标气体的吸收波长产生射线。
69.如权利要求67或68所述的方法，其中所述两个或多个信号包括两个或多个交错波形和直流电流。
70.如权利要求69所述的方法，其中所述直流电流能使所述射线源按所述目标气体的吸收波长产生射线。
71.如权利要求67至70中任一个所述的方法，其包括在空间中检测目标气体存在，该方法包括根据所检测的射线产生检测射线信号；过滤所述检测射线信号，以消除至少一个对应于用于形成合成信号的信号之一的频率成分；将过滤后的检测射线信号馈送给具有非线性输出端的信号处理器的输入端，如模数转换器或放大器；分析所述过滤后的信号输出，以检测按目标气体的吸收波长定向穿过所述空间的射线的吸收。
72.一种开路式气体检测器的发射单元，包括射线源(12)；至少两个信号发生器(501，502)，被配置为用于产生具有不同交错波形的相应信号；信号组合器(503，504)，被配置为用于将来自所述至少两个信号发生器的信号合成，以产生具有多个不同信号水平的合成信号(C)；驱动器，被配置为利用所述信号驱动所述射线源，使得所述射线源产生根据所述合成信号改变波长的射线；其中所述信号发生器被配置为随时间利用由所述信号发生器产生的信号的多个不同信号水平的组合形成所述合成信号(C)中的每个信号水平。
73.如权利要求72所述的发射单元，其中所述信号合成器(503，504)被配置为形成具有某种平均信号水平的合成信号，在所述平均信号水平，所述射线源按目标气体的吸收波长产生射线。
74.如权利要求72或73所述的发射单元，其中由所述信号发生器(501，502)产生的所述信号包括两个或多个交错波形和直流电流。
75.如权利要求74所述的发射单元，其中所述直流电流能引起所述射线源按目标气体的吸收波长产生射线。
76.一种检测空间中目标气体存在的方法，该方法包括利用包含两个或多个不同调制频率成分的合成信号来驱动射线源，以产生根据所述合成信号改变波长的射线；定向射线穿过被监视空间；以及检测通过所述空间的射线并根据所检测射线产生检测射线信号；过滤所述检测射线信号以消除一个或多个频率成分；以及分析过滤后的信号以检测按目标气体的吸收波长定向通过所述空间的射线的吸收。
77.如权利要求76所述的方法，其包括将过滤后的检测射线信号馈送给具有非线性输出端的信号处理器的输入端，如模数转换器或放大器，以及所述分析步骤包括分析来自所述输出端的过滤后的信号以检测按目标气体的吸收波长定向通过所述空间的射线的吸收。
78.如权利要求76或77所述的方法，其中在所述检测射线信号中由于空间中目标气体的存在所产生的频率成分，包括第一频率成分，其频率为合成信号或其谐波的调制频率成分中的两个之差和/或其频率为合成信号或其谐波的调制频率成分中的两个之和。
79.如权利要求76至78中任一个所述的方法，其中所述合成信号包括第一和第二调制频率成分，其中第一调制频率成分的频率比第二调制频率成分的频率大1至108倍，例如1.1至100倍，如大约10倍。
80.如权利要求76至79中任一个所述的方法，其中合成信号的平均信号水平能使所述射线源按目标气体的吸收波长产生射线。
81.如权利要求76至80中任一个所述的方法，其中所述合成信号由包含两个或多个具有不同交错波形的信号和至少一个具有直流电流形式的信号形成。
82.如权利要求81所述的方法，其中所述直流电流能使所述射线源按目标气体的吸收波长产生射线。
83.一种用于检测空间中目标气体存在的开路式气体检测器，该检测器包括射线源，能产生射线并且能够定向所述射线穿过被监视空间；信号发生器，被配置为用于产生包含两个或多个不同调制频率成分的合成信号；驱动器，被配置为能以所述信号驱动所述射线源，以产生根据所述合成信号改变波长的射线；检测单元，能够接收穿过所述空间的射线，并根据所检测射线产生检测射线信号；过滤器，被配置为从所述检测射线信号中消除一个或多个频率成分；以及信号处理器，被配置为处理过滤后的信号以检测预定频率射线的吸收。
84.如权利要求83所述的开路式气体检测器，其中进一步包括具有被连接用来接收被过滤信号的输入端以及相对于所述输出端的非线性输出端的非线性处理器，如模数转换器或放大器，以及其中所述信号处理器被配置为接收来自所述非线性信号处理器的过滤信号以检测预定频率的射线的吸收。
85.如权利要求83所述的开路式气体检测器，其中所述空间中的目标气体存在所产生的频率成分，包括第一频率成分，其频率为为合成信号或其谐波的调制频率成分中的两个之差和/或其频率为合成信号或其谐波的调制频率成分中的两个之和。
全文摘要
本发明提供一种用于检测目标气体的开路式气体检测器的发射单元(10)，其包括按能被目标气体吸收的波长发射射线的射线发射器(12)，例如，可调激光二极管，以及具有偏转部分和非偏转部分(15)的射线偏转器，如具有非反射部分的反射镜。偏转部分和非偏转部分都位于发射器所发射的射线的路径中，并且其中非偏转部分不对发射器所发射的射线进行偏转或与偏转部分进行不同程度的偏转。这样，中心具有阴影的射线束被用于使射线束与接收单元对准。射线偏转器优选为具有用于反射所述发射器所发射射线的反射表面以及不反射所述发射器所发射的射线或较之反射部分反射程度低的非反射部分(15)的反射镜(14)。非反射部分优选是透明的以允许射线通过它，如果需要校正，其可被用于测量发射器所发射的波长。
文档编号G01N21/39GK101080626SQ200580043487
公开日2007年11月28日 申请日期2005年12月16日 优先权日2004年12月17日
发明者斯蒂芬·N·萨顿, 罗德尼·罗伊斯顿·瓦茨, 迈克尔·普罗克特 申请人:霍尼韦尔分析股份公司