具有辐射导管的气体传感器的制作方法

文档序号:5937977
专利名称:具有辐射导管的气体传感器的制作方法
技术领域
本发明涉及光学吸收气体传感器领域,包括但不限于红外线吸收气体传感器。
背景技术
气体传感器普遍应用于工业和消费者应用中,以测量气态的分析物。许多气体传感器依靠目标分析物在用辐射照射时的吸收特性,并且包括一个辐射源、一个能够检测该辐射源所发射的辐射的检测器、以及一个用于接收目标气态分析物的腔室。该腔室内的分析物气体吸收特定波长或波长范围的辐射,并且由检测器检测到的辐射衰减指示该腔室内的目标分析物的浓度。尽管已知主动将气体传送到腔室中的传感器,但是目标分析物通常扩散到腔室中。在一些光学吸收气体传感器中,该源发射一个宽范围波长的辐射并且在检 测器处提供一个波长选择性滤波器,在这种情况下,该气体传感器是指无色散传感器。在其他光学吸收气体传感器中,该源发射所界定的波长或波长范围的辐射或包括一个对特定波长带进行选择的滤波器。为了实现高灵敏度,令人希望的是该辐射从辐射源到检测器具有一个尽可能长的平均路径长度以穿过分析物,使得分析物吸收大部分的辐射,并且该辐射不被传感器内的任何其他过程所吸收。例如,如果在辐射源与检测器之间的路径不是直线状的,则该辐射必须被反射以指引到检测器。然而,反射表面将产生由吸收和/或散射造成的光学损耗,并且在低成本的传感器中这种光学损耗通常将很大。因此,在增加反射次数以增加路径长度与避免由过度反射导致所发射的辐射过度衰减之间要取得平衡。然而,对于许多实际应用,令人希望的是气体传感器较小或遵照标准化尺寸,从而产生大体上较短的路径长度和相应的低灵敏度。因此,本发明的一个目标是提供一种气体传感器,它在具有高灵敏度的同时又是紧凑的并且适合于具有成本效益的制造。已知提供具有笔直的中空管状辐射导管的气体传感器,该辐射导管在辐射源与检测器之间延伸并且具有矩形或其他横截面。这种辐射导管用一系列路径长度来引导辐射,这些路径长度取决于辐射进入辐射导管的定向。比起以接近辐射导管轴线的定向进入笔直的矩形辐射导管的辐射,以大入射角进入辐射导管到达辐射导管各壁的辐射反射许多次并且因此更高度地受到衰减。已知对于直线状的辐射导管,增加横截面的大小减少了反射次数并且因此减少了吸收损耗,但导致收集效率较差。较好的安排是使波导管的起点和末端的形状例如像复合抛物线形收集器(CPC)。它的效果是在辐射场沿着波导管移动时变换辐射场。在源处它具有一个大的角展度以及相对小的空间展度,在中间它具有小的角展度但是大的空间展度,并且在检测器处它又具有大的角展度但是小的空间展度。如果选择正确,那么这种安排可大量减少由于多次反射造成的吸收。比起没有弯曲部分的辐射导管,将弯曲部分并入到辐射导管中可促进在给定的体积中提供更长的路径以用于辐射。然而,在辐射导管弯曲的地方,落在导管的弯曲壁上的辐射导致更大的角展度而空间展度不会减小,并且因此由于多次反射中的吸收而导致损耗增力口。确切地说,在辐射落在弯曲壁上的地方,入射在弯曲壁上的平行辐射在反射之后将不再平行并且因此分散。比起如果是平坦壁的情况,一些辐射将以更大的入射角入射在弯曲壁上。因此,在辐射导管弯曲的地方,一些辐射反射到一条路径中,在这条路径中它以一个相对大的角度向相对的壁反射,结果是进入弯曲辐射导管的大部分辐射可被反射许多次并且因此强烈地被吸收。此外,在包括一个弯曲的辐射导管和一个位于检测器处的收集器的实施方案中,由于角展度的增加,准直仪不能将辐射指引到检测器上。因此,入射在检测器上的辐射强度减少,相应地减少了气体传感器的灵敏度。本发明的一些方面旨在提供具有改善的弯曲辐射导管的光学吸收气体传感器,这些改善的弯曲辐射导管更好地使辐射从辐射源穿过气体样本传输到检测器。吸收气体传感器领域中出现的另一个问题是在操作期间辐射源(通常是红外 线辐射发射器)和检测器是温度敏感的。辐射源的发射光谱可随着温度而变化,并且检测器的灵敏度也可随着温度而变化。同样地受到周围温度影响,确切地说辐射源在使用中将升温。如果辐射输出是大量并且脉冲的,那么温度波动可能非常大。当测量小衰减时,在源和检测器的任何一者或两者中由于温度波动而引起的小测量误差会在所测量的气体浓度中产生大量误差。WO 2007/091043 (气体感测解决方案组织(Gas Sensing Solutions Limited))披露了一种传感器,其中红外线发光二极管(充当辐射源)和光电二极管(充当检测器)被定位成彼此邻近并且彼此热连通。通过将源和检测器定位成彼此邻近并且热连通,它们保持在大体上相同的温度,从而简化对温度变化进行补偿的程序。因此,本发明的一些实施方案旨在,在将源和检测器限制为应处于彼此邻近和热连通两种状态中的任一者或两者的情况下提供具有高灵敏度的紧凑型气体传感器。光学吸收气体传感器通常包括一种用于除了测量信号以外还提供参考信号以实现更准确的测量的机制。一种用于在无色散光学吸收传感器中获得参考信号的机制旨在提供具有一个不同滤波器的第二检测器,以测量不被任何预期不定量存在的气体吸收的一个波长的光。然而,这增加了气体传感器的复杂性,并且因此增加了它的成本。已知提供分开的测量和参考辐射源,但是通常在这些源与检测器之间将有不同的路径,或者参考辐射源的存在将需要进行光学安排,这与没有第二辐射源的情况相比将较低比例的发射辐射指引到检测器。因此,本发明的一些方面旨在提供改善的或替代性的用于在光学吸收气体传感器中获得参考信号的机制。

发明内容
根据本发明的第一方面,提供了一种气体传感器,该气体传感器包括一个辐射源、一个可操作以检测由辐射源发射的辐射的检测器以及一个可操作以在辐射源与检测器之间引导辐射的辐射导管,该辐射导管包括一个具有大致上矩形横截面的弯曲部分,其中该辐射导管的弯曲部分围绕一个平行于矩形横截面的侧面之一的轴线而弯曲。大致上矩形横截面可以是大致上正方形横截面(例如,正方形横截面),但是优选地,矩形横截面是具有较大和较小维度的大致上长方形横截面(例如,长方形横截面)。由于弯曲部分具有大致上矩形横截面并且围绕一个平行于矩形横截面的侧面之一的轴线而弯曲,所以辐射的角展度将增加,并且某些辐射将被反射到它将被反射许多次的路径中(并且由此在大量吸收入射辐射的辐射导管中高度衰减)。然而,这种效果将只在一个平面内出现。这样,反射离开垂直于辐射导管弯曲所围绕的轴线的各壁的辐射将不会分散。因此,比起辐射导管没有矩形横截面以及辐射导管围绕一个平行于矩形横截面的侧面之一的轴线而弯曲的情况,在这种情况下到达检测器的辐射量更大。优选地,辐射导管包括一个准直仪,该准直仪可操作以至少部分地对由辐射源发射的辐射进行对准。通常,准直仪所减少的辐射角展度在平行于辐射导管的较大维度的轴线中比在平行于辐射导管的较小维度的轴线中要多。优选地,辐射导管包括一个聚光器,该聚光器可操作以将辐射聚集到检测器上。辐射导管的弯曲部分只在弯曲平面中增加辐射的角展度。因此,对于主要由平行于矩形横截面的较小维度的壁反射的辐射和主要由平行于矩形横截面的较大维度的壁反射而入射到聚光器上的辐射,在角展度方面有所不同。入射到聚光器的辐射聚集的方向由该辐射的角展度确定。通常,聚光器将被优化以将具有较低角展度的辐射指引到检测器上。因此,主要由平行于矩形横截面的较大维度的壁反射的辐射(它具有大的角展度)可能不会 到达检测器。比起具有小的角展度的经对准过的辐射,在弯曲的辐射导管内被反射之前具有大的角展度的辐射可由聚光器更有效地收集。因此,在本发明的本方面中,准直仪通常在平行于矩形横截面的较大维度的轴线中以较大程度对准由辐射源发射的辐射,其中来自垂直于该轴线的壁的反射通常将不会产生角展度,并且在平行于矩形横截面的较小维度的轴线中以较小程度对准由辐射源发射的辐射,其中来自垂直于该轴线的壁的反射通常将产生角展度。因此,本发明的当前方面将由辐射导管的弯曲部分提供的一个长的路径长度与由辐射源发射的到达检测器的辐射的高比例进行组合,从而导致高灵敏度。辐射导管的弯曲部分可围绕平行于大致上矩形横截面的较小维度的轴线而弯曲。然而,优选地,辐射导管的弯曲部分围绕平行于大致上矩形横截面的较大维度的轴线而弯曲。因此,对于一个给定的横截面区域(并且因此辐射穿过的气体容量),比起弯曲是围绕平行于较小维度的轴线而进行的情况或者辐射导管具有大致上正方形横截面的情况,分散和衰减将会较少。优选地,辐射导管以及辐射导管的弯曲部分包括一个中空管。辐射导管的内部与邻近气体传感器的空气成气态连通。在使用中分析物气体通过辐射导管的一个或多个孔口或气体可渗透区域而接收在中空管内。辐射导管可具有内部接触面,该内部接触面用一种可操作以反射由辐射源所发射的辐射的材料形成。该材料可以是一种金属涂层,例如金或铝。该材料可以是一种电介质涂层。通过使得能够使用吸收一些入射辐射的材料,本发明允许提供具成本效益的传感器。通常,该材料的反射率为至少O. 99,或通常至少O. 97。辐射源和检测器可以彼此邻近。辐射源与检测器之间的间隔可以比延伸穿过辐射源和检测器的一个平面(也可以是辐射导管的对称平面)中的辐射导管的平均宽度小三倍并且优选地小两倍。沿着辐射导管的在辐射源与检测器之间的最短辐射路径长度优选地至少为辐射源与检测器之间的间隔的10倍(在一项示例实施方案中为18倍)。因此,当辐射源和检测器彼此靠近时,获得一个大的路径长度。
辐射源和检测器可以彼此热连通,例如,直接地或通过热传送构件。辐射源和检测器可以处于热连通,使得在使用中辐射源和检测器大致上保持热平衡。气体传感器可包括一个支撑元件,它可以是平坦的支撑物,其中辐射源和检测器安装在该支撑元件上。支撑元件可包括一个电子电路,并且通常是印刷电路板(PCB)。支撑元件可进一步包括热传送构件,该热传送构件可操作以在辐射源与检测器之间传导热量。热传送构件可以是电路。辐射导管可包括多个所述弯曲部分。辐射导管可包括第一和第二弯曲部分,它们以相反方向弯曲。优选地,辐射导管包括以第一方向弯曲的第一弯曲部分以及随后的第二弯曲部分,该第二弯曲部分比第一弯曲部分进一步沿着辐射导管(从辐射源到检测器进行测量)且以第二相反方向弯曲。福射导管可进一步包括第三弯曲部分,该第三弯曲部分比第二弯曲部分进一步沿着辐射导管(从辐射源到检测器进行测量)且以第一方向弯曲。这样使得能够在给定的体积中提供更长的辐射路径,尤其是在光入射在检测器上的方向与光从辐射源进入辐射导管的方向大体上相反的实施方案中。 辐射导管可包括第一弯曲部分,该第一弯曲部分以第一方向弯曲至少10°并且通常弯曲至少25° ;以及第二弯曲部分,该第二弯曲部分比第一弯曲部分进一步沿着辐射导管(从辐射源到检测器进行测量)且以相反方向按大致上恒定曲线来弯曲至少180°。第一和第二弯曲部分可以彼此直接接触。辐射导管可大致上在一个平面内延伸。辐射导管可具有对称平面。辐射导管的弯曲部分可在一个平面内弯曲。辐射导管可将辐射源与检测器之间的平均辐射方向改变至少90°。辐射导管可将辐射源与检测器之间的平均辐射方向改变至少135°。在检测器接收的辐射的平均方向大致上与来自辐射源的辐射进入辐射导管的平均方向相反的实施方案中,辐射导管可将辐射源与检测器之间的平均辐射方向改变160-200°并且优选为170-190°或更优选为175-185。。辐射导管的曲率大小的整体可以是至少90°,优选是至少180°,并且更优选是至少260°。辐射导管的曲率大小的整体优选比辐射源与检测器之间的辐射导管的净曲率至少大90°。因此,有可能提供比在辐射导管在辐射源与检测器之间以单一方向连续弯曲的情况下更大的平均路径长度。尽管如此,可能的是辐射导管的曲率大小的整体小于720°或更优选小于540°以避免过量的辐射衰减。辐射导管可包括一个准直仪,该准直仪可操作以至少部分地对由该源发射的辐射进行对准。通过至少部分地对由该源发射的辐射进行对准,在辐射导管的弯曲部分中由于因多次反射所造成的衰减而损失的光量得以减少。优选地,准直仪是部分准直仪,它部分地减少辐射的角展度。优选的是辐射被指引穿过尽可能多的辐射导管的体积以使分析物气体的吸收最大化。此外,尽管以大角度入射到弯曲部分的平壁的辐射将被反射许多次,但它将具有一个比平行于弯曲部分的平壁的辐射更大的路径长度。因此,准直仪优选部分地对辐射进行对准。准直仪可以是一个反射器,例如,一个抛物线形反射器,并且通常是辐射导管的反射内表面的一部分。辐射导管的弯曲部分的至少一部分可以是准直仪的至少一部分。准直仪可以是一个透镜或一个透镜阵列。通常,准直仪具有具较小和较大维度的大致上长方形横截面,并且准直仪减少的辐射角展度在平行于较大维度的轴线中比在平行于较小维度的轴线中要大。优选地,准直仪的较大维度和辐射导管的该或每个弯曲部分的较大维度是平行的。准直仪可延伸达辐射导管长度的5%以上或优选10%以上。已经发现这个长度的准直仪为本发明的本方面提供了合适的对准度。辐射导管可包括一个聚光器,该聚光器可操作以将辐射聚集到检测器上。聚光器可以是一个反射器,例如一个抛物线形反射器或一个椭圆形反射器。然而,聚光器可包括一个透镜或一个透镜阵列。聚光器可延伸达辐射导管长度的5%以上或优选10%以上。通常,辐射导管的该或每个弯曲部分包括一个内壁和一个相对的外壁,使得内壁描述弯曲部分的内弧并且相对的外壁描述弯曲部分的外弧。可能的是一个或多个所述弯曲 部分的内壁包括一个入口以准许气体样本进入辐射导管中。通常,较少的辐射落在辐射导管的弯曲部分的内壁上,并且通过在辐射导管的弯曲部分的内壁中提供气体样本入口,由该气体样本入口在辐射导管内造成的辐射衰减比在入口提供在外壁中的情况要少。这对于弯曲部分弯曲大于90°或优选大于180°的情况尤其是有利的。辐射导管的该或每个弯曲部分可包括一个朝内区域和一个朝外区域。辐射导管的朝内区域可对应于辐射导管的最接近内壁的那一半。辐射导管朝外的一半可对应于辐射导管的最接近外壁的那一半。通过辐射导管从辐射源行进到检测器的辐射可围绕主要位于辐射导管的朝外区域内的辐射导管的弯曲部分行进,这是辐射导管、辐射源和检测器的配置的结果。这样减少了在辐射源与检测器之间的辐射的平均反射次数。辐射导管的宽度可以比辐射导管的长度小十分之一(沿着辐射导管的中心来测量),但优选比辐射导管的长度小二十分之一。气体传感器可包括一个辐射滤波器,该辐射滤波器选择性地准许在所界定的波长范围内的辐射进入检测器中。该波长范围是根据目标分析物来选择的。通常,目标分析物是气态物质,例如C02、CO、NO、CH4或NO2等。气体传感器可包括一个辐射滤波器,该辐射滤波器选择性地准许在辐射源处产生在所界定的波长范围内的辐射。可以选择辐射源和/或检测器以使得所发射的或检测到的辐射分别与有待检测的目标分析物的波长吸收峰值一致。气体传感器可以是无色散红外线传感器。通常,由辐射源发射的大部分辐射是近红外线。辐射源可以是一个发光二极管(LED)、一个有机LED、一个激光二极管或可操作以将电流转换为辐射的另一电气组件。辐射源可发射宽波长光谱的辐射。辐射源可发射窄波长光谱的辐射。通常,辐射源具有与目标分析物的吸收光谱重叠的峰值发射波长,使得目标分析物可强烈地吸收由辐射源发射的辐射。检测器可以是一个光电二极管。或者,检测器可以是一个可操作以将入射辐射转换为热能并且随后将热能转换为电流的装置。例如,该装置可以是热电堆或焦热电检测器。气体传感器可包括一个辐射导管元件(包括该所述辐射导管或由该所述辐射导管组成)以及上面提到的支撑元件。福射导管元件或支撑元件可包括多个定位元件,这些定位元件被配置为将支撑元件相对于辐射导管元件来定位(并且由此将检测器和辐射源对齐辐射导管)。一些或所有定位元件可包括位于辐射导管元件上的突出或凹槽。在至少一些情况下,支撑元件可分别包括一个协同操作的凹槽或突出。优选地,将存在三个定位元件(形成于辐射导管元件或支撑元件中)。通常,将针对这三个定位元件中的两者存在一个协同操作的凹槽或突出(分别形成于支撑元件或辐射导管元件中)。这样使得辐射导管元件和支撑元件的相对移动能够被充分限制而不是被过度限制。多个定位元件可包括位于辐射导管元件(或支撑元件)中的一个枢轴(例如,由一个互补的凹口接纳的凸出),在将辐射导管元件相对于支撑元件而定位的过程期间,辐射导管元件可围绕该枢轴相对于支撑元件旋转。该枢轴可包括一个半球或其他突出。多个定位元件可包括位于辐射导管元件(或支撑元件)中的至少一个突出(例如,一个柱),该突出由位于支撑元件(或各自的辐射导管元件)中的一个互补形成物(例如,一 个凹槽)接纳并且被配置为防止在垂直于辐射导管的平面中支撑元件相对于辐射导管元件发生旋转。支撑元件中的互补形成物可以是细长的。细长的互补形成物可允许支撑元件或辐射导管元件相对于各自的辐射导管元件或支撑元件而扩张(例如,由于温度上升),而没有支撑元件与辐射导管元件之间的相对旋转。多个定位元件可包括至少一个隔离物。该至少一个隔离物可被定位为使得当支撑元件安装到辐射导管元件上时,该至少一个隔离物位于检测器与辐射源之间。该至少一个隔离物可被配置为在支撑元件与辐射导管元件之间保持指定的间距。该至少一个隔离物可被适配为在检测器和辐射源与辐射导管元件的辐射导管之间保持指定的间距。优选地,该至少一个隔离物不是由一个协同操作的凹槽来接纳,而是邻接相对的表面。例如,在隔离物位于辐射导管元件上的实施方案中,隔离物邻接支撑元件并且不是由一个协同操作的凹槽来接纳。提供多个被配置为将支撑元件定位到气体传感器的定位元件允许辐射源和检测器被准确地定位到气体传感器,使得辐射源邻近于辐射导管中的一个孔口,并且检测器邻近于辐射导管中的一个孔口或相对于辐射导管来对齐辐射源和检测器。优选地,气体传感器包括三个定位元件。优选地,这三个定位元件包括一个枢轴、一个突出和一个隔离物。这三个定位元件可被安排为形成三角形的角,即,这些定位元件之一定位在另外两个定位元件的连线外面。优选地,气体传感器包括偏置构件(例如,一个偏置装置)以将支撑元件朝向辐射导管元件偏置。该偏置构件可以是刚性的或柔性的元件(例如弹簧),它朝向辐射导管元件将压力施加到支撑元件上。这样使得定位元件能够限制辐射导管元件和支撑元件的相对位置和定向。提供偏置构件确保了多个定位元件保持与它们各自的协同操作的凹槽和表面啮合,由此确保支撑元件稳定地限制成抵靠着辐射导管元件,因此保持辐射导管和检测器对齐福射导管。辐射导管可包括一个支撑元件接触面。可在支撑元件接触面中在邻近辐射源处形成一个凹口。可在支撑元件接触面中在邻近检测器处形成一个凹口。在支撑元件接触面中在邻近辐射源和/或检测器处形成的凹口可被定位为使得在辐射源和/或检测器与辐射导管的支撑元件接触面之间有一个间距。
在辐射导管包括一个导电表面(通常,金属涂层,例如金)的本发明的实施方案中,提供在支撑元件接触面中在邻近辐射源和/或检测器处形成的一个凹口防止了在辐射导管与辐射源或检测器之间形成电短路。这可适用于支撑元件接触面形成辐射导管的导电表面的至少一部分的情况。这在检测器和/或辐射导管元件具有辐射导管接触面并且在各自的辐射导管接触面上具有电连接件(例如,一个到延伸到电路板的电线的连接件)的情况中尤其是有利的。根据本发明的第二方面,提供了一种气体传感器,该气体传感器包括一个辐射源、一个可操作以检测由辐射源所发射的辐射的检测器以及一个可操作以在辐射源与检测器之间引导辐射的辐射导管,其中该检测器可操作以发射具有不同于由辐射源所发射的辐射的波长光谱的辐射,并且该辐射源可操作以检测由检测器发射的辐射。优选地,该气体传感器可进一步包括一个电子电路,该电子电路可操作以使辐射源和检测器以两种模式进行操作,使得在第一模式中该辐射源发射辐射且由该检测器来检测所述辐射以提供测量信号,并且在第二模式中该检测器发射辐射并且由该辐射源来检测所述辐射以提供参考信号。因此,本发明的本方面允许沿着相同的辐射路径获得一个参考信号和一个测量信号,而不需要提供单独的辐射源和单独的检测器。一个包括第一和第二辐射源以及第一和第二检测器的气体传感器将比一个包括单一福射源和单一检测器的气体传感器大。因此,提供一个辐射源和一个检测器(它们各自可操作以发射辐射并且对于对方所发射的辐射是灵敏的)使得本发明的本方面的气体传感器能够比需要额外辐射源和检测器的气体传感器小。优选地,由检测器发射且由辐射源检测的辐射提供一个参考信号,并且由辐射源发射且由检测器检测的辐射提供一个测量信号。通常,检测器和辐射源发射具有不同峰值波长的辐射。通常,辐射源发射在大致上对应于目标分析物气体吸收辐射所在的波长的波长处具有峰值强度的辐射。通常,与辐射源发射的辐射的峰值强度的所述波长相比,检测器发射的辐射主要处于大致上较少被目标分析物吸收的波长处。 相对于本发明的第一或第二方面所描述的任选特征是本发明的第二方面的任选特征,并且本发明的第一方面的气体传感器也可以是根据本发明的第二方面的气体传感器。根据本发明的第三方面,提供了一种气体传感器,该气体传感器包括一个第一辐射源、一个第二辐射源、一个可操作以检测由第一辐射源和第二辐射源发射的辐射的检测器以及一个可操作以将来自第一辐射源和第二辐射源的辐射引导到检测器的辐射导管,其中从第二辐射源发射的辐射是沿着一条路径引导,该路径以围绕或穿过第一辐射源中的任一种或两种状态进行延伸。从第一辐射源检测到的辐射可用于在使用中计算测量或参考信号。从第二辐射源检测到的辐射可用于分别计算参考或测量信号。因此,第二辐射源通常发射具有不同于第一辐射源的波长光谱的辐射。从第二辐射源发射的辐射可沿着一条延伸穿过第一辐射源的路径来引导。可能的是到达检测器的来自第二辐射源的大部分或全部辐射经过第一辐射源。通常,一些或所有所述辐射只在辐射经过第一辐射源之后才从辐射导管反射。第一辐射源可以位于从第二辐射源沿着辐射导管延伸到检测器的路径中。在由第二辐射源发射的峰值波长处,第一辐射源可以是半透明的。由第二辐射源发射的辐射的至少1%可以传输通过第一辐射源,优选为至少3%,并且更优选为至少10%。从第二辐射源发射的辐射可以围绕第一辐射源而传输。第二辐射源可围绕第一辐射源而延伸。例如,第二辐射源可以是环形的。第一和第二辐射源可以安装到一个印刷电路板的相对侧面。该印刷电路板可包括一个穿过其中的钻孔,其中第一和第二辐射源位于钻孔的相对末端处。第一辐射源可封闭该钻孔。第二辐射源可被定向为指引光通过钻孔、至少部分地通过第一辐射源。第二辐射源可被定向为指引光通过钻孔并且围绕第一辐射源。气体传感器可包括一个电子电路,该电子电路可操作以使第一和第二辐射源进行脉冲。第一和第二辐射源可交替地脉冲,使得来自第一辐射源或第二辐射源的辐射可由检测器来检测。
因此,可来自检测器的输出信号进行分析以在第一辐射源进行发射时确定一个测量信号以及在第二辐射源进行发射时确定来自检测器的参考信号。因此,测量信号和参考信号两者可从单一检测器获得,并且经处理以确定所测量的分析物气体的浓度。气体传感器可进一步包括一个参考检测器,该参考检测器可操作以检测来自第二辐射源的辐射,其中辐射导管进一步包括指引构件,该指引构件可操作以将来自第二辐射源的辐射指引到参考检测器并且防止来自第二辐射源的辐射被检测器吸收。指弓I构件可包括一个二向色反射器,该二向色反射器可操作以反射由第二辐射源发射的辐射并且传输由第一辐射源发射的辐射。相对于本发明的第一或第二方面所描述的任选特征是本发明的第三方面的任选特征,并且本发明的第一方面的气体传感器也可以是根据本发明的第三方面的气体传感器。根据本发明的第四方面,提供了一种光学吸收气体传感器,该光学吸收气体传感器包括一个辐射源、一个可操作以检测从辐射源发射的辐射的检测器以及一个具有多个反射壁的辐射导管,其中辐射导管由两个邻接的具有大致上L形反射表面的辐射导管部分形成。通过大致上L形反射表面来指代在垂直于每个邻接处的接触线的平面内的辐射导管部分的反射壁的形状。通常,每个大致上L形反射表面由两个平坦的反射壁界定,这两个平坦的反射壁以80-100度并且通常90度的角度相交。通常,辐射导管部分的反射壁包括位于衬底上的反射涂层。涂层可包括一种金属,例如金或招,但可包括两种或更多种电介质材料,例如MgF2和ZnS。相对于本发明的任何前述方面所描述的任选特征是本发明的第四方面的任选特征,并且本发明的第一方面的气体传感器也可以是根据本发明的第四方面的气体传感器。根据本发明的第五方面,提供了一种制造光学吸收气体传感器的方法,该方法包括提供本发明的第四方面的两个辐射导管部分并且接合这两个辐射导管部分,以使得这两个辐射导管部分彼此邻接以形成一个辐射导管,其中这两个辐射导管部分的反射表面形成辐射导管的内表面。辐射导管部分可包括单个连续的细长部件,该部件包括一个L形反射表面。或者,辐射导管部分可包括两个细长部件,这两个部件沿着一个边缘接合以形成L形反射表面。优选地,该材料是一种金属,例如金或铝,但可包括两种或更多种电介质材料,例如 MgF2 和 ZnS。通常,用于气体传感器的辐射导管是通过将第一平坦部件接合到包括一个沟槽的第二部件上以形成中空主体来制造的。用一种材料来覆盖平坦的表面是简单的,并且可容易产生均匀膜。然而,在小长度尺度上,在包括一个沟槽的部件中产生一个均匀膜是有技术挑战的。比起对于包括一个沟槽的部件,在L形表面的内表面上产生一个均匀膜的技术挑战性要小得多。因此,比起在沟槽中产生一个均匀膜,可在L形表面上产生更高质量的膜并且其费用更低。因此,本发明的本方面的制造方法使得能够以比先前方法更高的标准且更低的费用用均匀反射膜来制造包括一个空腔的中空主体(例如辐射导管和样本腔室)。本发明在第六方面中延伸到一种气体传感器,该气体传感器包括一个支撑元件和一个辐射导管元件,该支撑元件包括一个辐射源和一个可操作以检测由辐射源发射的辐射的检测器;该辐射导管元件包括一个可操作以在辐射源与检测器之间引导辐射的辐射导管;其中该支撑元件或该辐射导管元件包括多个定位元件,这些定位元件被配置为将支撑元件相对于辐射导管元件来定位以由此将辐射源和检测器对齐辐射导管。通常,该气体传感器包括三个定位元件。该气体传感器可进一步包括偏置构件以将支撑元件朝向辐射导管元件偏置。根据本发明的第六方面的气体传感器的进一步任选特征对应于上文相对于本发明的第一到第五方面论述的那些任选特征。本发明在第七方面中延伸到一种气体传感器,该气体传感器包括一个支撑元件和一个辐射导管元件,该支撑元件包括一个辐射源和一个可操作以检测由辐射源发射的辐射 的检测器,该辐射导管元件包括一个具有导电表面的辐射导管,该辐射源和/或检测器具有一个辐射导管接触面,在该辐射导管接触面上有一个电连接件,该辐射导管包括一个形成导电表面的至少一部分的支撑元件接触面,以及一个在支撑元件接触面中邻近该辐射源的凹口和/或一个在支撑元件接触面中邻近该检测器的凹口。根据本发明的第六方面的气体传感器的进一步任选特征对应于相对于本发明的第一到第五方面论述的那些任选特征。


现在将根据以下附图展示本发明的一个示例实施方案,其中图I是一个气体传感器的平面图,展示了一条示例光线的路径;图2展示了气体传感器的辐射源和检测器的安装;图3是图I的气体传感器的辐射导管的平面图,包括若干示例光线的迹线;图4是图I的气体传感器的辐射导管的透视图,包括多条光线迹线;图5是图I的气体传感器的辐射导管的透视图,包括多条光线迹线;图6是用于在气体传感器中获得参考和测量信号两者的第一配置的组件的示意图;图7是一个示例发光二极管的辐射传输与波长的关系图;图8展示了在用于在气体传感器中获得参考和测量信号两者的第二配置中由(a)发光二极管和(b)光电二极管发射的辐射的光谱;图9展示了用(A)两个“L形”主体和用(B) —个平坦主体与一个沟槽状主体来组装辐射导管的对照;以及图10是气体传感器的主体的透视图。
具体实施例方式参照图I到图5,一种光学吸收气体传感器I包括一个支撑物(充当支撑元件)2,该支撑物包括一个发光二极管4 (充当辐射源)和一个中间红外线发射光电二极管6 (充当检测器),该发光二极管和该光电二极管彼此邻近定位并且安装在一个印刷电路板8上。该印刷电路板上的电子电路10在发光二极管与光电二极管之间传导热量,并且由此充当热 传导构件。光学吸收气体传感器包括主体12 (充当辐射导管元件),该主体包括一个中空管状辐射导管14。该主体包括一个支撑物接触面16。该支撑物接触面包括一个枢轴18,该枢轴作为第一参考点;一个柱20,该柱装配到一个辐射状凹槽中,以防止主体和支撑物的相对旋转,同时允许一些差异性热膨胀;以及一个隔离物22 (枢轴、柱和隔离物共同充当多个定位元件)。该支撑物安装到主体上并且由枢轴、柱和隔离物来定位,使得辐射导管从发光二极管延伸到光电二极管,其中发光二极管和光电二极管对齐福射导管。该支撑物进一步包括一个板23 (作为偏置构件),它从主体开始围绕支撑物延伸,并且产生一个将支撑物拉向主体的力,这个力由枢轴、柱和隔离物来对抗,从而确保枢轴、柱和隔离物与支撑物完全啮合,由此保持发光二极管和光电二极管对齐辐射导管。该板可以是装有弹簧的,或刚性的并且简单地直接抵靠着支撑物。例如,该板可以简单地包括多个孔来接纳枢轴和柱,并且使用干涉配合来附接。发光二极管和光电二极管都是安装在前面的,其中暴露的金导线24从印刷电路板的表面延伸到每个装置的表面。支撑物接触面进一步包括两个凹口 26。第一凹口邻近光电二极管而定位,并且第二凹口邻近发光二极管而定位。这些凹口避免了通过这些导线和辐射导管的金反射表面而引起电短路的可能性。这些凹口只沿着辐射导管的具有导线的边缘而定位,并且辐射导管优选在检测器和光电二极管的不具有暴露导线的侧面周围非常接近或接触印刷电路板。辐射导管具有一个金反射涂层,该涂层吸收入射在其上的红外线光的2%到5%,并且将其余光反射掉。辐射导管包括第一弯曲部分28、第二弯曲部分30和第三弯曲部分32、一个朝向发光二极管逐渐变小的准直仪34以及一个朝向检测器逐渐变小的聚光器36。尽管作为辐射导管的分开区域来说明,但准直仪和聚光器通常将分别混合到第一和第三弯曲部分中。除了在发光二极管和光电二极管后面的抛物线形反射器40之外,辐射导管始终具有矩形横截面38。矩形横截面的较小维度是在一个延伸穿过发光二极管、光电二极管以及辐射导管的平面(与图I的横截面相同的平面)内,并且矩形横截面的较大维度是垂直于这个平面。具有最大横截面的辐射导管的纵横比通常是在约4:1与约8:1之间。辐射导管大体上在所述平面内弯曲。第一弯曲部分向外弯曲。在任何给定点处,它围绕平行于矩形横截面的较大维度的轴线而弯曲,尽管它弯曲所围绕的轴线的位置以及因此曲率半径可沿着第一弯曲部分的长度而变化。第二弯曲部分以相反的方向弯曲,同样围绕平行于矩形横截面的较大维度的轴线而弯曲。第二弯曲部分描述了一个部分圆,具有围绕轴线42的恒定曲率半径。第三弯曲部分也向外弯曲,它与第一弯曲部分的方向相同并且与第二弯曲部分的方向相反。通过反射来围绕弯曲部分引导辐射,并且图4展示了示例光线迹线44。辐射导管具有垂直于传感器平面的内壁46和外壁48以及平行于传感器平面的相对的平壁50和52。在内壁内提供了一个或多个气体进入点54,以使得气体样本能够从气体传感器的直接围绕物扩散到由辐射导管的各壁界定的空腔56中。传感器的主体可包括一个除尘格栅或织物覆盖的通道(未示出),用于使气体从气体传感器的围绕物扩散到该或每个气体进入点。发光二极管和光电二极管都是用一种窄带隙III-V材料一锑化铟铝材料 ((Inl-x)AlxSb)形成的,在砷化镓(GaAs)衬底上生长,选择掺杂该衬底是为了调整带隙以使发光二极管发射窄波长范围的光,该窄波长范围对应于气态二氧化碳强烈吸收的波长。合适的发光二极管和光电二极管的形成在EP O 864 180、EP O 992 094中以及在海格·Μ·Κ (Haigh,M.K.)等人的应用物理学快报第90卷231116 (2007)中披露,这些文献的内容都以引用的方式并入本文中。发光二极管和光电二极管可用相同的半导体衬底制成。发光二极管和光电二极管也可用类似的衬底制成并且只有它们的外延层厚度不同,外延层厚度可经调整以在发光二极管的情况下增强光发射性能或在光电二极管的情况下增强收集性能。由于它们接近并且具有热传导构件,发光二极管和光电二极管将保持热平衡,从而促进温度补偿,例如,使用W02009/019467 (气体感测解决方案组织)中陈述的温度补偿电路。在使用中,发光二极管由一个常规发光二极管驱动电路来驱动。发光二极管发射集中于4. 3 μ m的窄带波长的电磁辐射(在用于测量二氧化碳浓度的气体传感器的情况下)。该辐射用一个宽的角展度和一个大体上朗伯分布来发射。该辐射部分地由准直仪来对准并且依次通过辐射导管的第一、第二和第三弯曲部分。所有辐射将至少被反射若干次。由于辐射导管的平面内的曲率,一些辐射将被反射到一条路径上,在这条路径上它将在相对壁之间反射许多次并且因此发生大量衰减,例如光线58。然而,反射离开大体上平行于辐射导管平面的各壁的辐射将不会在辐射导管的平面内改变其路径的分量,从而避免了额外的分散和衰减,这种分散和衰减在大体上平行于辐射导管平面的各壁不平的情况下将会增加。来自源的许多辐射将反射离开大体上平行于辐射导管平面的各壁达若干次。因此,比起来自发光二极管的辐射经充分对准以与辐射导管的平面仅具有窄范围的角度的情况,在这种情况下发光二极管与光电二极管之间的平均路径长度要更大。聚光器通常具有与准直仪相同的轮廓,只是它面向相反的方向。辐射导管在发光二极管与检测器之间将发射辐射的平均方向改变180°,但第一弯曲部分弯曲大约45°,第二弯曲部分以相反的方向弯曲大约270°,并且第三弯曲部分与第一弯曲部分同方向地弯曲大约45°。因此,发光二极管与光电二极管之间的辐射导管的曲率大小的整体是大约360°。已提供了一个相对长的逐渐弯曲的辐射导管,从而使得能够在一个紧凑的传感器中实现一个相对长的平均路径长度。此外,由于辐射导管的配置,由发光二极管发射的大部分辐射将到达光电二极管,只要它不被气体所吸收。由光电二极管检测到的辐射量将取决于辐射导管内吸收来自发光二极管的辐射的气体的浓度。气体样本通过扩散穿过气体进入端口而进入和离开辐射导管内的腔室。气体进入端口位于第二弯曲部分的内表面上。入射在内表面上的辐射比在外表面上的少。因此,t匕起如果气体进入端口是位于第二弯曲部分的外表面上的情况,在这种情况下由于气体进入端口的吸收或散射而引起的辐射损耗较小。可在第二弯曲部分的内表面上提供若干气体进入端口,并且如果可能,也可在其他弯曲部分上提供。由于传感器相对紧凑,倘若是一个对变化的气体浓度响应相对快速的传感器,辐射导管内的气体成分与外部气体(例如,空气)达到平衡的速率相对较快。该传感器可在没有参考信号的情况下操作。然而,优选的是一个对分析物气体的浓度只具有低灵敏度或不灵敏的参考信号也被测量,并且用于校准测量信号,以使得能够获得对分析物气体浓度的更准确测量。 现在将描述用于获得合适的参考信号的替代性设备和方法的两个实例。这些设备和方法各自可以与上文描述且参照图I到图5所说明的设备一起使用,并且也可以与具有辐射源和对来自辐射源的辐射灵敏的检测器的其他类型的光学吸收气体传感器一起使用。实例I参照图6,在一个I. 6mm厚的玻璃纤维树脂印刷电路板104的第一侧面102上提供第一锑化铟铝发光二极管100,在使用中它发射峰值强度处于约4. 3μπι的辐射。该第一发光二极管是根据EP O 864 180、EP O 992 094以及海格· M · K (Haigh,M K.)等人的应用物理学快报第90卷231116 (2007)而形成。这个第一发光二极管在一个微控制器108的控制下由电子电路106来驱动,以提供由光电二极管110检测的电磁辐射。光电二极管也是基于锑化铟铝并且安装到印刷电路板112上,该印刷电路板、当与图I到图5的气体传感器一起使用时优选地为第一发光二极管所安装到其上的印刷电路板的一个区域,邻近于该发光二极管,以通过印刷在印刷电路板上的电子电路来促进发光二极管与光电二极管之间的热连通。图I到图5中所展示的辐射导管在发光二极管与光电二极管之间延伸,以将来自发光二极管的辐射指引通过样本气体,使得由光电二极管检测到的辐射量对于吸收处于约
4.3μπι的辐射的气体的浓度是灵敏的。来自光电二极管的电流由光电二极管放大器电路113放大,并且将所得的测量结果提供给微控制器。第一发光二极管包括一个延伸通过电路板的钻孔114。发射950nm波长的电磁福射的第二发光二极管116固定到电路板的与第一发光二极管相对的侧面,并且经定向以指引所发射的辐射通过该钻孔。第一发光二极管具有图7中所展示的吸收光谱。第一发光二极管传输约10%的950nm波长的辐射,并且因此对这个波长的辐射是半透明的。尽管光电二极管经优化以检测约4. 3 μ m波长的辐射,但是它在某种程度上对950nm的辐射也是灵敏的。因此,来自第二发光二极管的辐射也可由光电二极管来检测,并且使用光电二极管放大器来测量。提供第二发光二极管驱动电路118以在微控制器的控制下驱动第二发光二极管。在使用中,微控制器发信号通知用于第一和第二发光二极管的驱动电路,使得第一和第二发光二极管交替地脉冲。因此,由光电二极管产生的电流交替地提供对依次从第一和第二发光二极管接收的辐射的测量。依据所存在的二氧化碳的量来吸收约4. 3 μ m波长的来自第一发光二极管的辐射,并且当第一发光二极管照亮时测量到的强度提供一个测量信号。由第二发光二极管发射的950nm的辐射只极微量地被二氧化碳吸收,并且通常在大气中找到的其他气体的吸收量也低。因此,微控制器可以从测量信号确定一氧化碳的浓度,同时使用由第二发光二极管发射的辐射的吸收来校准所测量的信号。理想地,第二发光二极管经选择为对温度和其他环境因素的响应与第一发光二极管类似。尽管来自第二发光二极管通过第一发光二极管的辐射的角展度可能与第一发光二极管产生的辐射的角展度不同,但是辐射从第二发光二极管到光电二极管的路径与辐射从第一发光二极管到光电二极管的路径是一样的。尽管如此,这提供了一种有用的校准信号,与只使用单个发光二极管的情况相比,该信号可用于提供更加准确的所测量的气体浓度信号。在此策略的一种变体中,不是通过第一发光辐射源来传输,而是来自第二辐射源的辐射可以围绕第一辐射源而反射,或者可提供一个围绕第一辐射源而延伸的第二辐射源。如之前一样来控制第一和第二福射源。 实例2在用于获得参考测量的第二种替代性方法中,发现了一种基于锑化铟铝的光电二极管在使用常规发光二极管驱动电路来驱动时将发射光。类似地,根据以上提到的EP O864 180、EP O 992 094以及海格· M · K (Haigh, M. K.)等人的应用物理学快报第90卷231116 (2007)的基于锑化铟铝的发光二极管可通过附接到常规光电二极管放大器电路而
用作光电二极管。因此,在第二实例中,发光二极管如之前一样进行脉冲,并且光电二极管处的电流经测量以提供一个测量信号。在发光二极管的每个脉冲之间,驱动光电二极管以发射辐射,并且使用一个放大器来测量在发光二极管处接收的辐射。在这种模式中,由光电二极管发射的辐射主要是在一个比由发光二极管发射的辐射大很多的波长处,并且对二氧化碳浓度不灵敏得多。图8A和图8B所示为发光二极管200和光电二极管202的发射光谱。因此,当发光二极管发射辐射时由光电二极管产生的电流用于导出测量信号,并且当光电二极管发射辐射时由发光二极管产生的电流用于导出参考信号。与没有参考信号的情况相比,微控制器使用参考信号来校准测量信号并且随后输出一个信号,该信号是二氧化碳浓度的更准确测量。所属领域的技术人员将了解,用于获得参考测量的设备和方法的这两个实例可用于任何光学吸收气体传感器中而不只是根据图I到图5的光学吸收气体传感器。尽管本文披露的示例光学吸收气体传感器经适配用于检测二氧化碳,但可通过选择辐射源和检测器来将这些传感器定制成用于检测不同的气态分析物,这些检测器经适配用以测量具有一个波长或波长范围的辐射的衰减,该波长或波长范围对应于特定分析物强烈地吸收但空气的其他成分或潜在干扰物不强烈地吸收的波长。参照图9,本发明的替代性实施方案提供一种制造包括空腔的光学吸收气体传感器的方法。一种直线状的矩形辐射导管的示例实施方案将用于说明这种制造方法。第一 L形辐射导管部分300包括具有较大和较小维度的第一细长部件302和第二细长部件304。第一细长部件沿着一个沿着较大维度306的边缘而连接到第二细长部件以形成一个大体上“L形”辐射导管部分。第二 L形辐射导管部分308包括具有较大和较小维度的第一细长部件310和第二细长部件312。第一细长部件沿着一个沿着较大维度314的边缘而连接到第二细长部件以形成一个大体上“L形”福射导管部分。第一和第二辐射导管部分包括一个内表面316和一个外表面318。通过所属领域中众所周知的溅射工序而将一个金层施加到第一和第二 L形辐射导管部分的内表面。将一层铬施加到L形辐射导管部分的内表面可能是必要的。铬层使得金能够坚固地结合到L形辐射导管部分,并且当L形辐射导管部分包括一种对金具有低亲和力的材料时这可能是必要的。第一和第二 L形辐射导管部分如图IOA所展示来安排,使得第一 L形辐射导管部分与第二 L形辐射导管部分反向对齐以使得在其间形成一个空腔,并且金层在这样形成的中空主体的内表面上。第一和第二 L形辐射导管部分的边缘通过焊接而接合到一起。或者, 它们可通过例如胶水或熔接而接合。在一项替代性实施方案中,该金层可由一个铝层或两个电介质层来代替。在后种情况下,一个低折射率的层(例如ZnS)被施加到一个高折射率的层(例如MgF2或TiO2)上。虽然是一种极度有效的反射材料,但施加两个电介质层需要高水平的精确度并且相对较昂

贝ο以上方法对比的是用于辐射导管和样本腔室的典型制造方法,其中平坦的部件320被接合到包括一个沟槽322的部件上。平坦的表面上容易施加反射材料,但是如果要获得平滑的成品,那么将一种反射材料施加到一个沟槽的内表面是有挑战性的。可在本文所披露的本发明的范围内做出进一步的变动和修改。
权利要求
1.一种气体传感器,该气体传感器包括一个辐射源、一个可操作以检测由该辐射源发射的辐射的检测器以及一个可操作以在该辐射源与该检测器之间引导辐射的辐射导管,该辐射导管包括一个具有大致上矩形横截面的弯曲部分,其中该辐射导管的弯曲部分围绕平行于该矩形横截面的侧面之一的一个轴线而弯曲。
2.根据权利要求I所述的气体传感器,其中该大致上矩形横截面是一个具有较大维度和较小维度的大致上长方形横截面。
3.根据权利要求2所述的气体传感器,其中该辐射导管的弯曲部分围绕平行于该大致上矩形横截面的较大维度的一个轴线而弯曲。
4.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,其中该辐射导管包括一个准直仪,该准直仪可操作以至少部分地对由该辐射源发射的辐射进行对准。
5.根据权利要求4所述的气体传感器,其中该辐射导管包括一个较大维度,并且由该辐射源发射的辐射主要在平行于该辐射导管的较大维度的一个单一方向上大体上由该准直仪进行对准。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的气体传感器,其中该准直仪包括一个抛物线形反射器。
7.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,其中该辐射导管包括一个聚光器,该聚光器可操作以将辐射聚集到该检测器上。
8.根据权利要求7所述的气体传感器,其中该辐射导管包括一个较大维度,并且从该辐射导管进入该聚光器的辐射主要在平行于该辐射导管的较大维度的一个单一方向上聚集到该检测器上。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的气体传感器,其中该聚光器包括一个抛物线形反射器。
10.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,其中该辐射导管具有一个由可操作以反射由该辐射源发射的辐射的材料形成的内部接触面,该材料吸收至少1%的入射辐射。
11.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,其中该辐射源和该检测器彼此邻近。
12.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,其中沿着该辐射导管的在该辐射源与该检测器之间的最短辐射路径长度至少是在该辐射源与该检测器之间的间隔的十倍。
13.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,其中该辐射源和该检测器彼此热连通。
14.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,其中该辐射导管包括多个所述弯曲部分。
15.根据权利要求14所述的气体传感器,其中该辐射导管包括以相反方向弯曲的第一和第二弯曲部分。
16.根据权利要求15所述的气体传感器,其中该辐射导管包括一个以第一方向弯曲的第一弯曲部分和随后的一个第二弯曲部分,该第二弯曲部分比该第一弯曲部分进一步沿着该辐射导管(从该辐射源到该检测器进行测量)且以第二相反方向弯曲,以及一个第三弯曲部分,该第三弯曲部分比该第二弯曲部分进一步沿着该辐射导管(从该辐射源到该检测器进行测量)且以该第一方向弯曲。
17.根据权利要求16所述的气体传感器,其中该第一和第三弯曲部分各自以该第一方向弯曲至少10°,并且该第二弯曲部分以该相反方向按大致上恒定曲线弯曲至少180°。
18.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,其中该辐射导管具有一个对称平面。
19.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,该气体传感器将该辐射源与该检测器之间的平均辐射方向改变至少90 °。
20.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,其中该辐射导管的曲率大小的整体是至少90°并且小于720°。
21.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,其中该辐射导管的该或每个弯曲部分包括一个内壁和一个相对的外壁,使得该内壁描述该弯曲部分的内弧且该相对的外壁描述该弯曲部分的外弧,并且一个或多个所述弯曲部分的内壁包括一个入口以准许一种气体样本进入该辐射导管中。
22.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,其中该辐射导管具有一个邻近该辐射源和/或检测器的凹口,该辐射源和/或检测器具有一个辐射导管接触面并且在各自的辐射导管接触面上具有一个电连接件。
23.根据任一前述权利要求所述的气体传感器,其中该气体传感器包括一个辐射导管元件,该辐射导管元件包括该所述辐射导管或由该所述辐射导管组成;以及一个支撑元件,该支撑元件包括该辐射源和/或该检测器,其中该辐射导管元件或该支撑元件可包括多个定位元件,这些定位元件被配置为将该支撑元件相对于该辐射导管元件来定位以由此将该检测器和辐射源与该辐射导管对齐。
24.根据权利要求23所述的气体传感器,其中该辐射导管或该支撑元件包括三个定位元件。
25.根据权利要求23或24所述的气体传感器,其中该辐射导管或该支撑元件包括一个偏置构件以将该支撑元件朝向该辐射导管元件偏置。
26.一种气体传感器,该气体传感器包括一个支撑元件和一个辐射导管元件,该支撑元件包括一个辐射源和一个可操作以检测由该辐射源发射的辐射的检测器;该辐射导管元件包括一个可操作以在该辐射源与该检测器之间引导辐射的辐射导管;其中该支撑元件或该辐射导管元件包括多个定位元件,这些定位元件被配置为将该支撑元件相对于该辐射导管元件来定位以由此将该辐射源和该检测器与该辐射导管对齐。
27.根据权利要求24所述的气体传感器,其中该气体传感器包括三个定位元件。
28.根据权利要求26或27所述的气体传感器,其中该气体传感器包括一个偏置构件以将该支撑元件朝向该辐射导管元件偏置。
29.一种气体传感器,该气体传感器包括一个辐射源、一个可操作以检测由该辐射源发射的辐射的检测器以及一个可操作以在该辐射源与该检测器之间引导辐射的辐射导管,其中该检测器可操作以发射具有不同于由该辐射源发射的辐射的波长光谱的辐射,并且该辐射源可操作以检测由该检测器发射的辐射。
30.根据权利要求29所述的气体传感器,进一步包括一个电子电路,该电子电路可操作以使该辐射源和该检测器以两种模式操作,使得在第一模式中该辐射源发射辐射并且所述辐射由该检测器来检测以提供一个测量信号,并且在第二模式中该检测器发射辐射并且所述辐射由该辐射源来检测以提供一个参考信号。
31.根据权利要求29或权利要求30所述的气体传感器,其中由该检测器发射且由该辐射源检测的辐射提供一个参考信号,并且由该辐射源发射且由该检测器检测的辐射提供一个测量信号。
32.根据权利要求29到31中任一项所述的气体传感器,其中该检测器和该辐射源发射具有不同峰值波长的辐射。
33.一种根据权利要求29到32中任一项并且还根据权利要求I到25中任一项所述的气体传感器。
34.一种气体传感器,该气体传感器包括一个第一辐射源、一个第二辐射源、一个可操作以检测由该第一辐射源和该第二辐射源发射的辐射的检测器以及一个可操作以将来自该第一辐射源和该第二辐射源的辐射引导到该检测器的辐射导管,其中从该第二辐射源发射的辐射是沿着一条路径来引导,该路径以围绕或穿过该第一辐射源中的任一种或两种状态进行延伸。
35.根据权利要求34所述的气体传感器,其中该第二辐射源发射具有不同于该第一辐射源的波长光谱的辐射。
36.根据权利要求34或35所述的气体传感器,其中从该第二辐射源发射的辐射是沿着一条延伸穿过该第一辐射源的路径来弓I导。
37.根据权利要求34到36中任一项所述的气体传感器,其中到达该检测器的来自该第二辐射源的辐射的大部分或全部经过该第一辐射源。
38.根据权利要求36或37所述的气体传感器,其中由该第二辐射源发射的辐射的至少1%传输通过该第一福射源。
39.根据权利要求34或权利要求35所述的气体传感器,其中从该第二辐射源发射的辐射围绕该第一福射源来传输。
40.根据权利要求34到39中任一项所述的气体传感器,其中该第一和第二辐射源安装到一个印刷电路板的相对侧面,该印刷电路板包括一个穿过其中的钻孔,该第一和第二辐射源位于该钻孔的相对末端处。
41.根据权利要求34到40中任一项所述的气体传感器,其中该气体传感器包括一个电子电路,该电子电路可操作以使该第一和第二辐射源交替地脉冲,使得来自该第一辐射源或该第二辐射源的辐射可由该检测器来检测。
42.一种根据权利要求34到41中任一项并且还根据权利要求I到15中任一项所述的气体传感器。
43.一种气体传感器,该气体传感器包括一个辐射源、一个可操作以检测从该辐射源发射的辐射的检测器以及一个具有多个反射壁的辐射导管,其中该辐射导管由两个邻接的具有大致上L形反射表面的辐射导管部分来界定。
44.一种制造光学吸收气体传感器的方法,该气体传感器包括两个或更多个L形辐射导管,这些辐射导管包括至少一个反射表面并且接合该两个或更多个L形辐射导管部分以形成一个辐射导管,使得该两个或更多个L形辐射导管部分的反射表面形成该辐射导管的内表面。
45.一种气体传感器,该气体传感器包括一个支撑元件和一个辐射导管元件,该支撑元件包括一个辐射源和一个可操作以检测由该辐射源发射的辐射的检测器,该辐射导管元件包括一个具有导电表面的辐射导管,该辐射源和/或检测器具有一个辐射导管接触面,在该辐射导管接触面上有一个电连接件,该辐射导管包括一个形成该导电表面的至少一部分的支撑元件接触面,以及一个在该支撑元件接触面中邻近该辐射源的凹口和/或一个在该支撑元件接触面中邻近 该检测器的凹口。
全文摘要
一种光学吸收气体传感器包括一个辐射源、检测器和一个辐射导管。该辐射源和检测器靠近在一起并且热连通。该辐射导管具有一个矩形横截面并且以一个第一方向围绕平行于该矩形横截面的较大维度的一个轴线弯曲,随后以一个第二相反方向弯曲,并且再次以该第一方向弯曲。在一个紧凑的装置中提供一个相对较长的辐射路径,而不会产生在该辐射导管不具有矩形横截面以及只围绕平行于该矩形横截面的较大维度的一个轴线而弯曲的情况下将发生的辐射衰减。可通过将一个参考辐射源安装在一个半透明的测量辐射源后面并且将来自该参考辐射源的辐射指引通过该测量辐射源来获得一个参考测量。来自一个参考辐射源的辐射可围绕该测量参考源来指引。可通过以下方式来获得测量和参考信号在第一操作模式中,使用一个发光二极管产生由一个光电二极管检测的辐射;并且在第二操作模式中,驱动该光电二极管以产生具有不同发射光谱的辐射,同时使用该发光二极管检测该所得的辐射。可通过邻接两个或更多个L形辐射导管部分以形成一个辐射导管来制造一个光学吸收气体传感器。该辐射导管具有一个内表面,该内表面可操作以反射由该光学吸收气体传感器的辐射源发射的辐射。
文档编号G01N21/35GK102869980SQ201180014336
公开日2013年1月9日 申请日期2011年1月18日 优先权日2010年1月18日
发明者D·R·吉布森, C·J·麦克格, E·M·瓦德尔 申请人:气体敏感液有限公司
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