专利名称：使用带通滤波器测量发射体的温度的气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器，所述传感器具有滤波装置、布置在所述滤波装置下游的检测装置和连接到检测装置的估算装置，滤波装置具有至少一个第一滤波器、被构造成允许第一预定波段(可疑波段(suspect band))通过的带通滤波器的可疑物滤波器(suspect filter)、至少一个第二滤波器、被构造成允许(一个或多个)第二预定波段((一个或多个)参考波段)通过的带通滤波器的(一个或多个)基准滤波器，其中检测装置具有与所述滤波器中的至少一个相关联的至少一个检测器。传感器使用带通滤波器测量发射源的温度。传感器有利地可以在顶波段中使用，并且可以有利地用于检测C02。
背景技术：
例如由US 5，081，998A已知被构造成为气体传感器的这种传感器。顶辐射源设置在该传感器中，所述顶辐射源通过滤波装置作用在总共四个检测器上。滤波装置具有两个滤波器，所述滤波器具有不同的通过特性。第一滤波器具有用于顶辐射的被(X)2吸收的通带。该滤波器因此还被称作为"CO2滤波器”。布置在下游的检测器为指定的CO2检测器。 另一个滤波器具有不同于所述第一滤波器的用于确定参考量的通带。布置在基准滤波器下游的检测器被称作为基准检测器。在顶源与两个滤波器之间布置有第三滤波器，所述第三滤波器被称作为自然密度滤波器(natural density filter)并与第一滤波器的一半和第二滤波器的一半重叠。因此，两个CO2检测器中的一个和基准检测器中的一个仅接收具有通过自然密度滤波器和CO2滤波器或基准滤波器的顶辐射。在估算装置中形成两个CO2检测器的输出信号的差值和两个基准检测器的差值。两个差值然后彼此相除。例如，这种(X)2 传感器需要例如用于确定病人呼吸中的CO2,以便能够在麻醉期间更好地监控病人。这种传感器的缺点在于该传感器具有相对较高的功率要求，并且另一个缺点在于所需的检测器的数量。由US 5，081，998A已知的装置需要辐射源，所述辐射源在长期使用的任何情况下都不适于电池供电的应用。此外，这种顶源通常需要一定的加热时间，使得在需要时在没有进行一定程度的事先准备的情况下不能总是可以执行测量。本发明要解决的问题是简化引入US 2008/0283753中所述的传感器中的顶传感器，其中第一滤波器的通带布置在第二滤波器的通带内，并且估算装置形成检测器的信号的差值并对于检测器的信号标准化所述差值。该结构使得可以估算相当多的顶辐射。顶辐射因此不会被分成两个单独的范围， 且每一个检测器仅检测一个范围。相反，一个检测器检测具有预设频谱范围的顶辐射，其中所述预设频谱范围还包括例如正在被确定的气体(这里为CO2)的吸收频谱。另一个检测器从其子范围检测顶频谱，其中所述顶频谱不包括正在被确定的气体的吸收频谱。传感器的灵敏度因此被显著增加，也就是说对于顶辐射到传感器的供应来说仅存在相对较低的要求。因为形成了检测器的输出信号之间的差值，因此消除了诸如本底噪声或类似信号的干扰信号。对于检测器的输出信号标准化该差值能够对顶辐射的强度的波动进行补偿。还可以使用具有相应更多数量的滤波器的多于两个的传感器，各个通带范围因此重叠。利用这种传感器还可以获得例如关于温度、室内运动、室内人数等的其它信息。因为可以检测相当多的辐射，因此可以降低功率消耗，使得也可以由电池供应所需的电力。这进而根据本地安装和用途给出了更多的自由度。传感器可以无线发送其信号。第一滤波器的通带优选地大于第二滤波器的通带。因此，除包括允许通过第二滤波器的频谱范围之外，第一滤波器还包括其中顶辐射被吸收的频谱范围。两个滤波器优选地具有共有截止波长。这简化了估算。接着可以容易地形成检测器的输出信号之间的差值，而不需要另外的计算步骤。截止波长是限定(也就是说限制) 通带的波长。所述截止波长被称作为“下波长”和“上波长”。无论是何种已知的情况，发射体的辐射量以及频谱分布具有与发射体的温度的相关性。这由公知的辐射的普朗克分布给出。假设给出发射体的温度，普朗克曲线则给出辐射与波长的相关性，其中普朗克曲线在某一波长处具有最大辐射，且该最大辐射值以及最大辐射的波长与温度相关。使用诸如类似于US 2008/0283753中所述的传感器系统的传感器系统中的天然源将使得滤波器的通带的能量(或换句话说，辐射强度密度)在波长波带上变化。这种天然源的温度通常不是已知的，并且甚至是不可控制的。这种结构能够补偿光源的辐射强度的变化，然而，该结构例如对于光源的温度变化是不稳固的。本发明的目的是通过引入估算源的温度的方法引入解决当前传感器的这些问题的方法和一种使用该解决方案的传感器。
发明内容
因此，本发明的一个目的是引入一种至少估算发射源的温度并利用该温度校正或调节传感器的测量值的方法。本发明通过引入具有不同的截止波长的可疑物滤波器和(一个或多个)基准滤波器来解决这些问题。“下波长”是滤波器允许辐射通过的最低波长，而“上波长”是滤波器切断辐射的通过的高于下波长的最高波长。(一个或多个)可疑物滤波器的允许波长范围在以下被称为“(一个或多个)可疑波段”，而(一个或多个)基准滤波器的允许波长以下被称为“(一个或多个)参考波段”。如所述，本发明中的可疑下波长不同于(一个或多个)参考下波长，而可疑上波长不同于(一个或多个)参考上波长。这样的优点在于可以通过将(一个或多个)参考波段分布成高于或低于可疑波段来补偿诸如入射辐射的强度的频谱分布的例如由所述源的温度波动产生的变化。在本发明的一个优选的实施例中，通过温度变化进行此分布，参考波段上的辐射强度(或强度密度或能量)的增加大致等于可疑波段上的辐射强度(或强度密度或能量)的增加。在一个可选的或另外的实施例中，辐射强度密度(或能量)在可疑波段上的平均值或平均数大致等于参考波段中的每一个上的辐射强度密度(或能量)的平均值或平均数。在一个可选的或另外的实施例中，可疑波段上的辐射强度密度(或能量)大致等于整个组合参考波段上的辐射强度密度(或能量)的平均值或平均数。(‘基准滤波系统波段’是所有基准滤波器的组合参考波段)。在另一个可选的或另外的实施例中，可疑波段上的辐射强度密度(或能量)大致等于参考波段中的每一个或所述参考波段中的一个的辐射强度密度(或能量)的平均值或平均数。在又一个可选的或另外的实施例中，辐射强度密度(或能量)对于参考波段中的每一个都大致相同。在波长的两个相对窄波段处测量平均辐射使得可以通过普朗克定律估算发射体的温度。这例如通过识别正确的普朗克曲线来实现，并因此计算温度。这是本发明的主要思想，其中协作的(一个或多个)可疑物滤波器和(一个或多个)基准滤波器或仅基准滤波器可以形成用于温度估算的这种波段。温度测量值可以用于补偿气体测量中的温度相关性，并因此在测量气体浓度时获得更高的精度。本发明的滤波器可以由串联的滤波元件形成，或者由作为可疑物滤波器和(一个或多个)基准滤波器操作的一个单个滤波元件形成。当两个或更多个滤波器被串联布置成滤波元件时，所述滤波器在辐射方向上一个接一个地布置，也就是说布置在(一个或多个) 辐射源与检测器之间。传感器有利地可以在任何辐射波长内操作，并且所述源可以为任意辐射源。该实例在下文中描述了用于确定其中顶源优选地作为光源的环境中的CO2含量的传感器，然而，除了(X)2之外的任何其它物质也可应用于本发明，正如除了在顶波段之外的任何其它光源可以应用一样。在本发明的又一个实施例中，至少一个基准滤波器(将称作为第一基准滤波器) 具有称作第一参考波段的参考波段，具有比可疑波段宽的波长范围，其中该第一基准滤波器的第一参考下波长为低于可疑下波长的波长，而该第一基准滤波器的第一参考上波长具有高于可疑上波长的波长。依此方式，可疑波段与第一参考波段重叠。在该实施例中，第一参考波段的中心波长(第一中心参考波长)和可疑波段的中心波长可以相同，或者可以不同。对于温度变化，可疑波段和参考波段中的强度的相对变化必须相同，以便温度相关性互相抵消。当使用有源驱动的辐射源或天然辐射源时，强度的相对变化以非线性方式取决于波段跨越的波长。因此，可以引入不匹配的中心波长以提高温度漂移的稳定性。在该实例中，(一个或多个)基准滤波器有利地具有从0. 2 μ m至1 μ m的大于可疑物滤波器的通带的通带。对于可疑物滤波器理想的是基本上仅涵盖相对较窄的波长范围或辐射谱的频谱范围，例如顶辐射被CO2吸收的范围。所述范围对此足以。由其它气体进行的吸收对测量结果具有不利影响并歪曲该结果的风险保持较小。这里对于第一基准滤波器优选的是具有在从4μπι至4.5μπι范围内的通带，而可疑物滤波器具有在从4. 1 μ m至4. 4μπι范围内的通带。在检测到对气体或其它量的相关性时，这些频谱范围当然也可以改变。在本发明的另一个优选的实施例中，所述系统包括分别具有第一参考波段和第二参考波段(一起构成组合参考波段)的第一基准滤波器和第二基准滤波器，其中第一参考波段和第二参考波段不重叠，这表示所述第一参考波段和所述第二参考波段没有共同的波长。这样的优点在于在除了所关心的一种或多种气体的环境中如果具有其它气体等，通过可以影响测量值的可疑波段附近的吸收波段难以避免参考波段与这种‘污染’波段重叠。已知的是通过确保最多一个参考波段受到这种‘污染’吸收波段的影响至少其它参考波段未受影响。在该实施例的一个优选的变型例中，第一参考波段和第二参考波段中的至少一个与可疑波段重叠，这表示第一参考上波长为高于可疑下波长的波长，和/或第二参考下波长为低于可疑上波长但高于第一参考上波长的波长，从而导致第一参考波段和第二参考波段在可疑波段的每一侧延伸而没有重叠。在该实施例的优选变型例中，第一参考上波长为低于可疑下波长的下波长，而第二参考下波长为高于可疑上波长的波长，从而使得第一参考波段和第二参考波段在可疑波段的每一侧延伸。在可选的实施例中，第一参考波段和第二参考波段重叠，从而具有至少一个共有波长。在尤其优选的结构中，传感器使用来自环境的诸如顶辐射的天然辐射。因此，对于需要单独电源并因此具有特定电源要求的辐射源没有要求。顶辐射基本上到处存在，即使当没有入射阳光时也存在。原则上，每一个主体都会发射一定量的热辐射。因为不需要顶辐射源则可以进行辐射，因此“测量范围”也被增加，也就是说对于可疑气体含量可以监测相对较大的室内面积。这有助于监测并建立“私人室内气候”或室内空气质量。没必要首先将室内的空气引导到传感器，其中所述空气在顶辐射源与具有上游滤波器的检测器之间通过。传感器足以布置在其中可以“测量”要被监测的大量空气的房间内的点处。在这种情况下，气体传感器例如可以以简单的方法检测平均气体浓度。传感器因此确定平均值，所述平均值尤其对于私人室内气候能够构成相当好的测量结果。当然，还可以使用该传感器提高通过灯或其它发光装置操作的传感器的技术。当使用自然或环境顶辐射时，可以降低照明装置的能量。这导致更长的维护周期和更长的使用寿命。估算装置优选地对于第一检测器的信号标准化差值。换句话说，为了标准化，使用包括例如(X)2含量的信号。该处理导致甚至更大的动态特性。传感器对辐射源的温度的变化的反应能力尤其与标准化相关，这是因为标准化仅在特定温度下工作，并且典型地仅对特定温度范围进行滤波设置。为了涵盖更宽的温度范围，通过准确地推导发射体的温度来执行补偿程序。此外，当不使用自然光源时，推导的信息在自动检查算法中用于估算是否超过或者接近超过发射体或光源的使用寿命。滤波器优选地包括CaF2、锗或硅。滤波器和传感器装置的有意义的任何其它部分优选地具有抗反射涂层以提高透射率。
以下参照结合附图的优选示例性实施例说明本发明。图1和图2显示普朗克曲线上的波带；图3是说明本发明的操作原理的图解视图；图4A-E以图解形式显示了两个或三个滤波器的通带，其中没有显示出辐射强度的任何波长相关性；CN 102460097 A说明书5/8 页图5以图解形式显示了可以由检测器检测到的能量的量；以及图6A-D是用于说明传感器的结构的不同实施例的方框线路图。
具体实施例方式图1显示了普遍普朗克曲线，所述曲线在波长λ 4±处具有最大辐射，并且对于大于λ 的增加波长具有连续减小的辐射，因此使用两个这种波长λ 1与λ 2之间的波段 Δ λ。下波长λ 1处的辐射Rl大于上波长λ 2处的辐射R2。当在测量时使用这种波段Δ λ时具有一些问题，这是因为所述波段中的强度变化可能起因于入射光的强度的简单变化，或起因于发射体的温度的变化。图2显示了相同的普朗克曲线，但是可以看到两个波段Δ λ 1和Δ λ 2。已知的是假设不会发生影响到达检测器的辐射强度的吸收，通过计算这两个波段的信号比值，使得这两个波段中的平均辐射可以通过辐射的普朗克分布进行温度估算。图3显示了用于确定例如测量区域(3)中的CO2含量(二氧化碳含量)的气体传感器(1)的图解视图，其中传感器(1)包括检测部分O)。测量区域可以例如是房间或其中私人室内气候要进行调节的房间的一部分。太阳符号(4)表示辐射源，例如天然顶源、 被动源或任何可能的放射源(日光、激光器、发光二极管、受控制的加热源等等)。太阳符号(4)这里仅用于进行说明。气体传感器(1)还能够在没有日光的情况下操作，这是因为原则上实际上任何主体都辐射热量并因此生成顶射线。在该示例中，大量CO2分子存在于测量区域O)中，且CO2分子在这里由小圆圈表示。气体分子(4)吸收特定频谱范围内的由箭头(5)表示的顶射线。CO2的浓度越高，则特定频谱范围中的气体传感器(1)可以检测到的能量越低。图6Α以图解形式显示了说明气体传感器(1)的简单检测部分O)的结构的方框线路图。检测部分( 具有滤波装置(6)、检测装置(7)和估算装置(8)。诸如壳体、固定装置或类似部件的进一步详细说明在这里没有示出。所示滤波装置具有第一基准滤波器(10)和可疑物滤波器(9)，其中两个滤波器 (9)和(10)具有不同的通过特性，其中一个实施例在图4A中被示出。第一基准滤波器(10) 允许第一参考波段RBl内的波长通过，而可疑物滤波器(10)允许可疑波段SB内的波长通过。在以下附图中，不能看到波长的辐射相关性。图4B中的实施例显示了范围大于可疑波段SB的第一参考波段RB1，但是其中可疑波段SB与第一参考波段RBl重叠，使得第一参考波段RBl包括与可疑波段SB相同的波长。因此，第一参考下波长RLWl为比可疑下波长SLW 低的波长，而第一参考上波长RUWl具有比可疑上波长SUW高的波长。第一参考波段RBl具有第一中心波长RCW1，而可疑波段具有可疑中心波长SCW。该图示出了具有共有中心波长 RCffl和SCW的两个波段。图4B显示了与图4A中所示的实施例相关的实施例，其中两个实施例的不同在于中心波长RCW和RCW1。对于温度的变化，可疑波段和参考波段的强度的相对变化必须相同， 以便使温度相关性互相抵消。当使用有源驱动的辐射源或天然辐射源时，强度的相对变化以非线性的方式取决于波段跨越的波长。因此，可以引入不匹配的中心波长以提高温度漂移的稳定性。图4C显示了其中第二基准滤波器00)已经被引入跨越从第二参考下波长RLW2延伸到第二参考上波长RUW2的第二参考波段RB2的系统中的另一个实施例。所示的实施例还具有可疑波段SB，所述可疑波段仅部分地与第一参考波段RBl和第二参考波段RB2重叠，使得可疑下波长SLW位于第一参考下波长RLWl与第一参考上波长RUWl之间。可疑上波长SUW位于第二参考下波长RLW2与第二参考上波长RUW2之间。所示的实施例具有高于第二参考下波长RLW2的第一参考上波长RUWl，然而在其它实施例中，第一参考波段RB和第二参考波段RB2可能不重叠，这表示第一参考上波长RUWl低于第二参考下波长RLW2。图4D显示了具有两个基准滤波器(10)和00)的可选实施例，其中参考波段RBl 和RB2中没有一个至少大致与可疑波段SB重叠，而是至少在所述可疑波段SB的每一侧延伸，这表示第一参考上波长RUWl不高于可疑下波长SLW，而是可选地可以是相同的，并且第二参考下波长RLW2不低于可疑上波长SUW，而是可选地可以是相同的。该图显示了两个具有大致相同的波长通过范围的参考波段RBl和RB2，然而如图2E中所示，可以不是该情况， 两个参考波段RBl和RB2可以具有十分不同的波长通过范围。波段的相对位置和尺寸取决于许多因素，例如，滤波器的边缘的公差、可疑带通的宽度、可疑波段的吸收线的分布和可能引起横向灵敏度的任何其它气体。在作为CO2传感器操作的传感器(1)的实例中具有其中顶辐射被CO2吸收的频谱范围λ (CO2)。该频谱范围大约从4.2 μ m至4.3 μ m。因此，可疑波段SB可以有利地具有大约4. 0 μ m的可疑下波长SLW和大约4. 5 μ m的可疑上波长SUW，或具有从4. 1 μ m至4. 4 μ m 的可疑波段的更加窄的范围，或涵盖(X)2的频谱范围的任何其它波段。参考起始波长和上波长则有利地可以分别在可疑下波长SLW以上且在可疑上波长SUW以下延伸大约0. 5 μ m。图5显示了图3中所示的本发明的第一实施例的第一参考波段RBl和可疑波段 SB，其中可疑波段具有由参考字母A表示的未降低的能量。该能量被减少例如被CO2所吸收的量C。在可疑波段的每一侧延伸的第一参考波段RBl的两个部分每一个都具有由参考字母B表示的能量。该能量实际上是恒定的，这是因为所述能量不会受到例如(X)2的影响。然后通过检测装置(7)检测不同能量。检测装置(7)具有检测例如通过可疑物滤波器(9)的IR辐射的第一检测器(1 和检测例如通过第一基准滤波器(10)的顶辐射的第二检测器(16)。两个检测器(15)、(16)可以具有还被公知为“热电堆”的热电元件的形式。每一个检测器根据出现的顶辐射产生电压或电流，也就是说产生电量，所述电量越大， 则入射的顶辐射越多。因此，第一检测器(1 生成信号Si，第二检测器(16)生成信号S2。热电堆传感器例如可从 PerkinElmer Optoelectronics GmbH, D-65199ffiesbaden, Germany 获得。图6A显示了滤波装置(6)的结构的一个简单实施例，其中可疑物滤波器(9)包括两个滤波元件(11)和(12)，第一可疑滤波元件(11)限定可疑上波长SUW并具有比可疑下波长SLW低的下波长。第二可疑滤波元件(1 限定可疑下波长SLW并具有基本上高于可疑上波长SUW的上波长。以同样方式，第一基准滤波器(10)包括分别限定第一参考上波长 RUWl和第一参考下波长RLWl的两个滤波元件(13)和(14)。基于诸如被引入系统中的滤波器(9)和(10)的数量，任意数量的这种结构的滤波元件(11)、(12)、(13)和(14)都可以被引入滤波装置(6)中。当滤波器具有相同的端部和/或下波长时，在该实施例和任何其它实施例中的一些滤波元件可以共用两个或更多个滤波器，这在图6B中被示出，其中两个 ‘上’滤波元件(11)和(1 为一个共用滤波元件。
图6C显示了具有附加基准滤波器、第二基准滤波器00)的类似传感器，并且其中每一滤波器仅具有单个滤波元件(21，22，23)，所述滤波元件包括对于上波长和下波长的期望带通特性，可疑物滤波器因此限定可疑下波长SLW和上可疑波长SUW。第一基准滤波器0 限定第一参考上波长RUWl和第一参考下波长RLWl，而第二基准滤波器限定第二参考上波长RUW2和第二参考下波长RLW2。两个滤波元件(22，2 在所示的实施例中连接到相同的检测器(16)，尽管实际上在例如通过两个单独的热电堆已经获得所述滤波元件的信号之后没有对所述信号进行数学相加。图6D显示了与图6C的实施例有关的实施例，其中仅第三检测器04)连接到第二基准滤波器OO)。应该注意的是诸如图5A-D中公开的实例的滤波元件(11，12，13，14)的任意组合、 排列、数量和定位都可应用于本发明。通常，传感器还可以用于测量多于一种的气体，则如本领域技术人员所公知的仅包括所需数量的传感器、检测器等。因为在热电堆传感器中，通常执行温度测量(因为输出信号随着温度而变化)，因此已经包含传感器周围的温度测量。如所考虑的，还可通过该传感器获得房间的辐射温度， 可以基于这两个测量值同时直接获得操作温度，所述操作温度然后可以用于控制室温或非常不同于室温的其它参数。对于顶，还可以想到的是可以直接通过传感器进行室内运动的测量，所述测量然后可以用于例如控制通风系统，所述通风系统例如仅在表示有人在室内的运动的情况下被启动。基于各种移动测量值，还可以想到的是可以估算室内人数，这种估算还可用于控制目的，从而基于室内人数控制/修改室温或通风。本发明的诸如图6A中所示的传感器的基本传感器通过被供应给估算装置(8)的两个信号S1、S2操作。因此，这给出
权利要求
1.一种传感器，所述传感器具有滤波装置、布置在所述滤波装置下游的检测装置和连接到所述检测装置的估算装置，所述滤波装置包括第一基准滤波器和第二基准滤波器，所述第一基准滤波器和所述第二基准滤波器分别具有第一参考波段和第二参考波段，其特征在于所述第一参考波段和所述第二参考波段中测量的强度密度用于估算辐射发射源的温度。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器还具有可疑物滤波器，所述可疑物滤波器使具有至少在可疑波段内的波长的辐射通过。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述第一基准滤波器和所述第二基准滤波器构成参考系统，并且所述第一参考波段和所述第二参考波段构成参考系统波段，其中所述参考系统波段分布在所述可疑波段的两侧。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述可疑波段至少部分地与所述参考系统波段重叠。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述可疑波段和所述第一参考波段具有不同的中心波长。
6.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述可疑波段至少部分地与所述第一参考波段和所述第二参考波段重叠。
7.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述可疑波段、所述第一参考波段和所述第二参考波段中没有一个包括任何共有波长。
8.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述第一参考波段和所述第二参考波段的平均强度密度(或能量)是相同的。
9.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述可疑波段的平均强度密度(或能量)与所述第一参考波段和所述第二参考波段的平均强度密度(或能量)相同。
10.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述传感器能够包括具有相应的任意数量的可疑通带的任意数量的可疑物滤波器和/或具有相应的任意数量的参考通带的基准滤波器，用于测量任意数量的不同物质。
全文摘要
本发明涉及一种传感器，所述传感器具有滤波装置、布置在所述滤波装置下游的检测装置和连接到检测装置的估算装置，滤波装置具有至少一个第一滤波器、被构造成允许第一预定波段(可疑波段)通过的带通滤波器的可疑物滤波器、至少一个第二滤波器、被构造成允许(一个或多个)第二预定波段((一个或多个)参考波段)通过的带通滤波器的(一个或多个)基准滤波器，其中检测装置具有与所述滤波器中的至少一个相关联的至少一个检测器。传感器使用带通滤波器测量发射源的温度。传感器有利地可以在IR波段中使用，并且可以有利地用于检测CO2。
文档编号G01J5/60GK102460097SQ201080026880
公开日2012年5月16日 申请日期2010年4月16日 优先权日2009年4月17日
发明者亨利克·格德·穆斯, 延斯·莫勒·延森, 托米纳·施托尔贝格-罗尔, 拉尔斯·蒙奇, 阿伦·克里希纳, 雷恩·毕希纳 申请人:丹佛斯Ixa股份有限公司