气体分析仪与当中所用的光学区块的制作方法

气体分析仪与当中所用的光学区块的制作方法
【专利摘要】本发明是关于量测设备，特别有关于控制大气中碳氢化合物含量装置。气体分析仪含有光学区块（1），其内从入口（2）到出口（3）形成一通道（4），作为红外线辐射路径，控制组件（5）连接光学区块入口（2）与出口（3），以及位于光学区块（1）入口的红外线辐射源（6）、和安装在区块（1）出口的红外线辐射侦测器（7）；用来作为红外线辐射源的，为带有一镜面滤波器（10）的一速动差动光伏侦测器，其传输的反射与光谱特征，与红外线辐射源（6）的光谱与量测的气体吸收光谱对应一致。气体分析仪提供以下技术结果成就：高灵敏度与最小能耗需耗。气体分析仪的光学区块（1）含有作为红外线辐射路径之用的内部通道（4）、位于通道（4）入口处的红外线辐射源（6）、以及位于通道出口处的红外线辐射侦测器（7）。而通道（4）是由能集中自入口沿着路径至位于出口处、本辐射侦测器（7）的传输红外线辐射的一多路镜面光学盘体外形所构成，至于红外线辐射源（6），其所建立通向位于盘体速动脉波发光二极管中的集中器的方向性红外线辐射获得使用。气体分析仪光学区块（1）提供以下技术结果成就：高红外线辐射传输系数、从辐射源到侦测器的最小辐射能消散以及小尺寸的分析仪。
【专利说明】气体分析仪与当中所用的光学区块
【技术领域】
[0001]本发明有关于量测技术，特别有关于控制大气中碳氢化合物含量的装置。这些装置代表量测的方法工具，主要为可携式，并有其可能对爆炸性浓度程度执行持续控制的帮助好处，举例而言，因分子扩散-即未建立积极的气体流动之故，以建议装置测量并分析环境中的气体，监控生产设施与矿坑中的沼气。
【背景技术】
[0002]一种红外线气体分析仪(俄罗斯专利22039号，
【公开日】期2005年2月18日，国际分类号G01N21/61)，以下简称气体分析仪，其为已知。其含有一控制组件及一光学区块，光学区块包含红外线辐射(以下简称IR)源及侦测器。光学区块内形成由入口至出口的红外线辐射传输的通道，让红外线辐射从其源头传输到侦测器处。红外线辐射源安装于光学区块入口 ；红外线辐射侦测器安装在此区块的出口处。控制组件能够处理由侦测器接收的红外线辐射并展示对应结果。而红外线辐射源具有一球状镜面反射板。用于红外线辐射传输的通道是由运作及协助腔室所形成。运作腔室是由一具有内球状镜面反射板的中空扁平锥形物所形成，且直接安装于协助腔室内、与红外线辐射源的相同光轴上。此红外线辐射侦测器具有一调焦装置及，沿着与其垂直的光轴安装。一镜面分频器及具有一配置窗口的一旋转盘位于在这些主轴的交会处。
[0003]此气体分析仪具有一些严重缺点:
由于镜面反射板处红外线辐射能的大量耗失，以及因具有配置窗口的转盘所截取的红外线辐射光通量高能量需耗，还有辐射源仅有效利用在红外线广泛光谱中的小区域；
因多重机构组件之故的低运作可靠度，例如带有配置窗口的旋转盘及旋转光学滤波
器；
整体尺寸加大，其为光学区块代表一空间分隔复杂系统，带有一大量机构组件以及位于区块不同部分中的球状镜面反射板的条件；
气体分析仪(欧盟专利申请2169384号，国际分类号G01N21/35，
【公开日】期2010年3月31日)。其目的在于对辐射路径轨迹的外来影响补偿进行充分精确的测量，以监控呼吸气体。以红外线辐射源、气体盘、二向色分束器、分析滤波器、参考侦测器及量测侦测器等方法来解决此工作，而二向色分束器能根据所分析的气体而改变波束角度。二向色分束器以一 45度的角度，安装在以90度角彼此相对的光侦测器的法在线。
[0004]已知气体分析仪是用来建立位于固定环境或在移动医疗站台中的一多重组件装置，此已知分析仪具有体积大及高能量耗损的缺点。
[0005]使用在气体分析仪中的光学组件(俄罗斯专利2372606号，国际分类号G01N21/03，
【公开日】期2009年11月10日)，其中用以作为红外线辐射路径的通道，能借由穿过通道的路径与位于出口处的红外线辐射接收器来集中辐射。
[0006]已知的光学组件并不具备气体分析装置的必要灵敏度。
[0007]已知的红外线气体分析仪(美国专利6114700号，国际分类号GO 1N21/05，
【公开日】期2000年9月5日)，其中使用光伏侦测器作为红外线辐射侦测器。
[0008]但在已知气体分析仪中使用光伏侦测器，并不具备结合快速反应的高侦测能力。
[0009]已知以浸泡二极管光耦为基础的光学气体传感器(俄罗斯专利75885号，国际分类号G01N21/35，
【公开日】期2000年8月27日)，包含一气体盘，其反射面形成用于产生探针辐射波束的光学机制、一发光二极管形式的一探针红外线辐射源，及一光电二极管形式的一光学接收器，其机构连接至气体盘壳体。装置的气体盘包括机构调整组件；发光二极管及光电二极管使用浸入式光学(浸入二极管)所制成，并紧固连接至调整组件。
[0010]已知装置的缺点在于应用浸入式二极管所构成的装置，其具有光学机制与图像不受控制的错误校准。由于设有调整装置，使用浸入式二极管导致气体分析仪的结构复杂化。同样也导致尺寸增加。
[0011]已知为红外线频带气体分析仪(俄罗斯专利2287803号，国际分类号G01N21/35，
【公开日】期2000年11月26日)，含有发光二极管矩阵形式、发出参考与运作波长的电磁辐射源，位于辐射路径沿线处的气体盘，安装在盘体出口、用以接收参考与运作波长的主要光接收器，以及含有出口连接至微处理器的模拟数字转换器(ADC)的信号处理组件，指示装置。此额外光接收器安装在盘体入口，而二个光接收器皆用作为热释电光接收器。
[0012]在已知气体分析仪中的发光二极管矩阵，必须确保每一发光二极管的快速反应，以致总功率在脉冲电流供应方能衡定。
[0013]在此矩阵应用期间，不可能在单一光接收器上提供每一矩阵发光二极管的同时辐射集中，并且将光学区块的整体尺寸最小化。此外，已知发明中所用的红外线辐射源，与热释电型式光接收器结合。
[0014]已知上述气体分析仪发明(俄罗斯专利2292039号，
【公开日】期2005年2月18日)所说明的光学区块。光学区块内从入口处到出口处，形成从辐射源至侦测器的红外线辐射传输通道。红外线辐射源是安装在通道的入口处；红外线辐射侦测器是安装于此通道的出口处。而通道是由运作及协助腔室所构成。运作腔室是由具有内球状镜反射片的一中空扁平锥形物所构成，且直接安装在协助腔室内，位于与红外线辐射源相同的光轴上。红外线辐射侦测器具有一调焦装置，其沿着与其垂直的光轴安装。一镜面分频器及具有一配置窗口的一旋转盘位于这些主轴的交会处。使用例如一红外线辐射源作为相对应灯体。
[0015]此气体分析仪的光学区块缺点如下:
因存在有一机构组件之故而造成的低运作可靠度，即辐射侦测器中具有配置窗口的旋转盘，还有在区块中红外线辐射路径成形的复杂设计。
[0016]因作为具有辐射源与侦测器红外线辐射路径之用的现存空间分隔复杂信道系统，以及当中的辐射光集中器对应位置，而造成整体尺寸偏大。
[0017]已知光学气体传感器(欧盟专利1995586号，国际分类号G01N21/03,
【公开日】期2008年11月26日)，以下称为气体分析仪。其含有内有二弯折通道、用以建立从入口至出口处的红外线辐射路径的光学区块，起自位于光学区块入口的辐射源，并朝着安装在区块出口的侦测器的方向而去。在此有与光学区块入口和出口连接的控制组件，并能改变红外线辐射源运作模式以及处理侦测器所接收的红外线辐射，以及展示对应结果。通道呈空间分隔貌，而其弯折半径贴合光学区块壳体。
[0018]气体分析仪的缺点如下: 由于存在着作为路径之用的二曲线通道，还有必要从一通道到其它通道的辐射传输中的必需性以及相应大功率需耗，所导致红外线辐射能量大量耗损；
由于必在二通道内提供气体的自我扩散，气体的缓慢进入成为运作持续性的条件。
[0019]从光学气体感应器(欧盟专利1995586号，国际分类号GO 1N21/03，
【公开日】期2008年11月26日)气体分析仪的说明中，已知位于气体感应器内的一光学区块。从本辐射源到侦测器处、供红外线辐射传输之用的二空间分隔弯折通道，在区块内的入口到出口成形。这些通道在红外线辐射源所在的入口构成一盘状物，而在出口有一辐射侦测器。通道沿着贴合光学区块壳体的半径而成。气体以自然扩散的方式从外部进入内部，通道墙的内表面系反射红外线辐射光。
[0020]光学区块的缺失如下述:
由于作为路径之用的二曲线通道的存在，还有自一通道至其它通道的辐射必要传输，相应造成大功率需耗，导致红外线辐射能量大幅耗损；
因存在有不规则形状的二通道、和必须将其纳入单一盘体的必要性、以及让气体在自然扩散过程中从外部进入到盘体所造成的结构复杂性。
[0021]整合式光学气体传感器，已知为气体分析仪(英国专利2401432号，国际分类号G01N21/03，
【公开日】期2004年11月10日)。其含有光学区块。在区块内的入口到出口处，形成供红外线辐射传输从源头通到侦测器处之用的具矩形剖面U形通道。使用位于光学区块内通道入口处的一白热灯作为红外线辐射源，而红外线辐射侦测器则位于通道出口处。其中，U形通道半径贴合光学区块壳体。在此有一控制组件连接到光学区块的入口，并能够改变红外线辐射源运作模式，以及处理侦测器所接收的红外线辐射光和显示对应结果。
[0022]本发明获选为一原型，因为其与所应用的气体分析仪具最大共同数量的基本特色，并以解决类似问题为目标。
[0023]但此原型具有下列缺点:
因存在有作为路径之用的U形通道，导致红外线辐射能大幅耗损，其中因通道内壁的曲线表面造成红外线辐射反射癖性,致使产生辐射能高消散。
[0024]高功率需耗，由于使用一白热灯作为一红外线辐射源，且使用一热释电接收器作为一红外线辐射侦测器，而控制组件相对以具有低脉波比的低频模式运作。
[0025]不仅因U形通道的存在而造成红外线辐射能高消散，还有因通道出口处以及进入到侦测器的高发散角，造成侦测器所显示的红外线辐射能程度低落。
[0026]从整合式光学气体传感器(英国专利2401432号，国际分类号G01N21/03，
【公开日】期2004年11月10日)气体分析仪的说明得知，光学区块内自入口到出口处，形成作为红外线路径的一 U形通道。而红外线辐射源装设在区块内通道入口处，而本辐射的侦测器则位于出口处。U型通道半径贴合光学区块壳体并具有一矩形剖面。其内壁具有反射辐射的一均匀涂层。使用白热灯作为红外线辐射源。
[0027]选择此光学区块作为一原型，由于其具有对应应用目的的气体分析仪基本特点的最多数量基本特色，且以解决类似问题为目标。
[0028]但此原型具有下列缺点:
因其运作所造成的高能量需耗，其因使用白热灯作为红外线辐射源之故；
不仅因U形通道的存在而造成红外线辐射能高消散，还有因在通道出口及其进入侦测器的高发散角，而造成侦测器显示的红外线辐射能程度低落。

【发明内容】

[0029]本发明中所解决的工作，存在于建立气体分析仪与其光学区块，其可确保具最小耗能并维持最小体积的敏感度提升，以及具有最大能量使用的红外线辐射提升传输比。
[0030]气体分析仪含有光学区块，当中有建立作为红外线辐射路径之用的通道、与光学区块入口及出口相连的控制组件、位在光学区块入口处的红外线辐射源以及安装在该区块入口的辐射侦测器；而且控制组件能够改变红外线辐射源运作模式，并处理由具有取得结果指数的侦测器所接收的红外线辐射。根据本发明，在光学区块中用作红外线辐射路径的通道，可借由穿过通道并在红外线辐射侦测器的出口处集中此辐射。所使用的红外线辐射侦测器为具镜面滤波器的一速动差动光伏侦测器，其传输与反射的光谱特性，与所测得的气体吸收光谱与红外线源辐射光谱对应一致，其位于该侦测器中，且能沿着镜面盘补偿外部作用对红外线辐射路径轨迹在气体浓度测量结果上所造成的影响。所使用的红外线辐射源为一速动源，其开启与关闭的脉波比与以控制组件开启与关闭的差动光伏侦测器一致。
[0031]此带有所有基本特色的崭新技术方案允许建立一新式气体分析仪，其提供以下技术结果的成就:因辐射源能量集中故达到最大灵敏度，还有沿着所述通道中的大光学路径，补偿对红外线辐射路径的轨迹所产生的外部作用；因采用对应速动红外线辐射脉冲源及红外线辐射侦测器，以致具备最小能量损耗，其开启及关闭的脉波比受控制组件所调整，还有辐射能量消散的减少。
[0032]相较于原型，所主张的气体分析仪具有多数尚未知的重要区别特性。举例而言，侦测器中的镜面滤波器具有能根据气体浓度量测结果，沿着镜面盘补偿外部作用对红外线辐射路径轨迹所产生的影响。此外，若测得气体与红外线辐射源的辐射光谱相对应，则镜面滤波器的光谱传输和反射特征与吸收光谱一致。另外，红外线辐射源启动关闭的脉波比，与接收此辐射的差动光伏侦测器的启动开关脉波比一致。因此，所主张的气体侦测器具有重要区别特性。
[0033]依据本发明，供红外线辐射路径之用的通道能集中来自入口的红外线辐射能量，直到其到达侦测器为止。
[0034]利用本发明，解决了建立新式可携型气体分析仪的任务，尤其是建立在极端条件下亦能保障人员安全的新型可携式气体分析仪，并具备下列技术结果成就:达成最大灵敏度，同时具备最小耗能和小结构尺寸等特性。这些结果的实现是一矛盾任务。所以，为求最大灵敏度，必须提供最大的辐射消散路径光学长度，其意味将增加装置的结构尺寸。最小能量损耗最大灵敏度的实现相抵触，由于需要在其通道的一长向路径上经由镜面盘提供最大辐射路径。这些矛盾在已知的气体分析仪中尚未解决。可借由补偿辐射路径轨迹上外部影响(环境温度、湿度、压力、在镜面盘的机构作用)的方式，来增加已知气体分析仪中的量测正确性；于此，会发生结构尺寸损失及高能量损耗发生。此矛盾在所应用的气体分析仪中获得解决。
[0035]在应用的气体分析仪中所实现的机械补偿可至少分为二个步骤。第一步骤中，因有镜面盘中的球状元件结构安排而实现，由于球状元件位于波束偏移发生处，对镜面盘壳体造成机械动作因而产生补偿。第二步骤中，因使用差动接收器，所以机械补偿发生在源于镜面盘的出口处，差动接收器内有两光敏感平台、滤波器窗口及镜面滤波器，呈功能性与结构性方面的整合。本发明出现同相位移，即，若波束在镜面盘出口位移，其也会在二光敏平台处同侧以相同距离发生位移。于本案中，如实验所示，可能因外部机构作动的影响，而对波束轨道偏移角产生约10°的补偿，大约是已知发明中的补偿的5-10倍。因此，在本发明的应用中，更成功地实现了机械补偿的原则，由于已知分光器中心与光敏平台之间的距离较短，所以本系统所补偿的辐射波束入射角更大。此外，补偿是以二步骤执行，第二步骤中允许提闻补偿质量。
[0036]本发明应用中使用具有内在窄幅辐射光谱的发光二极管光源，作为红外线辐射源。其中，约有80%的辐射源能量获得使用。这是因为辐射通过镜面盘后，气体受到分析，辐射光谱以约有51-52%辐射源能量被反射至参考接收器的方式到达镜面滤波器，而部分辐射光谱(辐射源能量的22-23%以内)到达量测接收器，其含有为受分析气体所吸收的波长面积。因此，所应用的气体分析仪中，执行传输与反射光谱特性和受分析气体光谱的协调。有助于减少能量消耗。而发光二极管光源能量应用的总系数位于辐射源能量的74-75%内。
[0037]应特别注意，在所应用的本发明中，利用被分析气体的吸收光谱与辐射源辐射光谱来调整量测辐射光谱及参考接收器；已知发明中并无此类调整存。利用气体吸收光谱来调整量测接收器的光谱特征。但不利用辐射源辐射光谱来调整参考接收器的光谱特征或量测接收器的光谱特征。
[0038]本发明中的所有组件，以顾全结构与功能的方式整合在一单独接收装置中；其中，波束分光器及分析滤波器系整合在镜面滤波器中。本气体分析仪中的光学机制，就辐射源辐射光谱波段应用与辐射源波束能量集中的观点看来，在每一光接收平台上提供了红外线辐射器能量应用的效益重复增益。此在本发明欲解决的课题上实属重要，例如提供低耗能气体分析仪的课题。
[0039]因此，所应用的气体分析仪中，可达成具有红外线辐射源能量最大应用、兼之小仪器尺寸的红外线辐射能量传输高系数。相较于已知发明，所应用的装置的小构造尺寸，以确保光敏感组件、镜面滤波器、滤波器窗口功能性与结构性的方法，整合在一单独光接收装置中，如同以光学区块的应用手段让其中的红外线辐射传输通道，可集中穿过通道的传输路径中的辐射，抵达出口处的红外线辐射侦测器，此做法确保住最大敏感度。借此，利用镜面盘的小尺寸创造出较长的光学路径可与一起。
[0040]此外，所应用的气体分析仪不同于已知发明，其作为红外线辐射路径的通道位于光学区块中。此通道可集中穿过通道的路径中的辐射，并抵达出口处的红外线辐射侦测器。其中，使用速动光伏组件作为构成一红外线辐射差动接收器的光敏感组件；并使用一速动辐射源作为一红外线辐射源。其中，借由控制组件的方式，利用差动接收器的启动关闭脉波比来调整辐射源的启动关闭脉波比。
[0041 ] 本应用发明中的光伏侦测器应用，主要优势为结合快速反应的高侦测能力。为降低能量需耗，选择使用简短有力脉冲模式的IRS中；其中，速动接收器必须能撷取这些脉冲。其中，借由控制组件的方式，利用差动接收器的启动关闭脉波比来调整辐射源的启动关闭脉波比。
[0042]此外，针对小尺寸和对侦测器波束轨迹上机械动作影响的不常可能性，应用发明中使用差动接收器，其中镜面滤波器与二光敏感电偶平台功能性地与结构性地整合一起。应特别注意，必须使用速动红外线辐射源并结合使用速动侦测器，以便在所应用的气体分析仪中达到最小能量需耗。
[0043]关于解决光学区块作业的方式如下，气体分析仪的光学区块含有作为红外线辐射路径之用的内部通道、位于通道入口的红外线辐射源以及位于通道出口的红外线辐射侦测器。依据本发明，通道为从其入口处沿着路径、一路集中传输红外线辐射至出口处本辐射侦测器的一多路镜面光学盘形态。使用速动脉波发光二极管作为一红外线辐射源，其对位于镜面盘中的集中器产生指向式红外线辐射。红外线辐射源代表具有一镜面滤波器的速动差光伏侦测器，其传输与反射的光谱特征被调整成量测与通过镜面盘的气体的吸收光谱以及红外线源辐射光谱，且能根据气体浓度量测结果，对通过镜面盘的红外线辐射轨迹的外部动作影响进行补偿。
[0044]可选择由扁平反射镜及球状、或数量多过扁平反射镜且担任一辐射能量集中器的抛物线反射镜来形成一多重镜面盘。在差动光接收器中的镜面滤波器是以相对于光接收器法线45度的角度进行安装。红外线辐射源被导向第一反射球面镜，第一反射球面镜以朝着镜面盘主要光轴的对应角度为方向，并可沿着镜面之间的锯齿轨迹，利用扁平镜上产生的辐射源影响进行辐射能传输，及含有以90度角相对的量测速动光伏侦测器和参考速度光伏侦测器的差动光接收器。
[0045]该新式技术方案具有所有基本特色，允许建立提供下列技术成果成就的气体分析仪光学区块:
1.红外线辐射传输的高系数是取决于作为红外线辐射路径的通道的存在，与由扁平反射镜和一数量超过扁平反射镜的球状及抛物线镜所形成的代表多路镜面盘，作为辐射能量集中器之用，以及利用测得穿过镜面盘的气体的吸收光谱和红外线辐射源辐射光谱、进行传输与反射光谱特性调整的镜面滤波器。其中，所提及的镜面滤波器可沿着镜面盘补偿外部作用对红外线辐射传输轨迹的影响，特别以对光接收器法线的45度角度。
[0046]2.从辐射源到侦测器的最小辐射源消散，允许对受传输的红外线辐射能量进行最大应用以决定气体内容。
[0047]3.小尺寸是取决于红外线辐射源的相对应连接与应用、供此辐射传输之用的通道及其侦测器。
[0048]依据所应用的本发明，若使用一速动脉波发光二极管作为一红外线辐射源，则可能有效使用镜面盘，而其辐射光被导至位于镜面盘中的集中器处，红外线辐射源代表具有一镜面滤波器的一速动差动光伏侦测器，其传输与反射的光谱特征被调整成通过镜面盘的测得气体的吸收光谱，以及红外线辐射源的辐射光谱。而具有一镜面滤波器的速动差动光伏侦测器，可就气体浓度量测的结果，沿着镜面盘补偿外部作用对红外线辐射路径轨迹的影响。
[0049]其中应用光学区块以便和上述有所区别，供红外线辐射路径之用的通道代表一多路镜面盘。此镜面盘能够集中自入口沿着路径通过镜面盘、到位于出口处的辐射侦测器。此速动脉波发光二极管所建立朝向性集中器的红外线辐射光，被当成一红外线辐射源使用。使用速动光伏侦测器作为接收器，构成差动辐射侦测器的一部分。为借由集中辐射能的方式来达成提高量测敏感度的目标，必须进行导向，将红外线辐射源导向以朝镜面盘主光轴对应角度为方向的第一反射球状镜，具有沿着镜面之间锯齿状路径来传输辐射能的可能，在扁平镜面及差动光接收器上产生同时源镜像；设置差动光接收器，以便镜面盘出口的辐射源镜像平面能和量测光敏感组件位置平面一致；其中，光接收装置的结构自动做好令辐射源镜像平面与第二(参考)光敏感组件的位置平面一致的准备。此有助于达成所称技术结果，即以集中辐射能的方式来提升量测敏感度。
[0050]最有效使用光学区块的方式，是结合所主张的结构组件，由于其不仅对量测的外部机构影响提供补偿，更如前所述，缩减了整体装置的尺寸。
[0051]设置在气体分析仪中作为辐射侦测器和辐射源之用的半导体组件，并具有快速反应的特性，低能耗属必要，但并不足在同时耗能最小化以及缩小装置体积的同时，达成快速响应的目标。举例而言，红外线脉波发光二极管具高度反应性，但这类辐射源的低能耗仅发生在电源供应的相对应模式中。控制组件的运作在所应用发明的这些议题上实属重要。
[0052]基本特色的聚集，有助于达成具有最大红外线辐射应用并让装置维持最小尺寸的红外线辐射光的高转换比，也提供由光学区块入口沿着大光学路径至其出口到侦测器处的红外线辐射路径。
【专利附图】

【附图说明】
[0053]所主张的气体分析仪及其中所使用的光学区块技术特点解释于图示中，如:
图1为气体分析仪的方块架构；
图2为光学区块的方块架构；
图3为源辐射光谱；
图4为差动光伏侦测器窗的传输光谱；
图5为镜面滤波器光谱传输的波形；
图6为镜面滤波器反射光谱的波形；
图7为主要气体分析仪组装运作的时序图。
[0054]附图标记说明 I:光学区块；
2:入口 ；
3:出口 ；
4:通道；
5:控制组件；
6:红外线辐射源；
7:红外线辐射侦测器；
8:量测速动光伏侦测器；
9:参考速动光伏侦测器；
10:镜面滤波器；
5.1:微控制器；
11、11’:反射球状或抛物面；
12:扁平反射镜；
13:数字输入/输出端口 ； 14:模拟输出埤；
15:出口窗口 ；
16:控制机制；
17:前置放大器；
L1、L2:距离。
【具体实施方式】
[0055]气体分析仪及其光学区块的实际应用说明如下。
[0056]所提出的气体分析仪(图1)含有光学区块1，其内建立有一通道4供自入口 2到出口 3的红外线辐射传输之用，以及控制组件5，以微处理器5.1为例，即其连接光学区块I的入口 2及出口 3。亦有位于光学区块I的入口 2的红外线一辐射源6，以及一安装在前述区块I的出口 3的红外线辐射侦测器7。其中，控制组件5可利用取得结果的指示，处理该红外线辐射侦测器7所接收到的辐射。在光学区块I中，设有供红外线辐射传输之用的通道4，有可能沿着其穿过该通道4的路径集中该辐射，并到出口处的红外线辐射侦测器7，侦测器代表具有一镜面滤波器10的一速动光伏侦测器。可利用测得气体(未显示于图中)的吸收光谱和红外线辐射源6的红外线辐射光谱(图3)，来对应调整该镜向滤波器10的传输(图5)和反射(图6)光谱特性。镜向滤波器10位于红外线辐射侦测器7中，且可沿着所述通道4，补偿外部作用对红外线辐射路径轨迹的影响；使用一速动源作为红外线辐射源6，其调整启动关闭的脉波比受控制组件5调整，成为该侦测器7(差动光伏侦测器)的启动关闭脉波比。一具有由控制组件5所调整开启与关上的脉波比到侦测器7的开启与关上的脉波比的快速反应源可为红外线辐射源6。红外线辐射接收器7(图1)是连接到举例而言可为微控制器5.1的控制组件5的入口，微控制器5.1可使用数家制造商(例如德仪公司制造的MSP430系列，或ST公司所提供的STM家族)的产品。控制组件5含有一数字输入/输出端口 13，以及供安全系统气体分析仪控制与数据传输予使用者之用的模拟输出端口 14 (未显不于图中)。气体分析仪可位于壳体(未显不于图)中，其表面有供气体进入光学区块I的开口，特别是作为红外线辐射路径之用的通道。而且，这些开口可设有防尘装置，例如防尘网(未显示于图中)。如上所述，气体分析仪的光学区块1(图1、图2)可供红外线辐射路径之用的通道4所形成。红外线辐射源6位于光学方块I的入口 2处，而红外线辐射侦测器7位于出口 3。使用安装在通道4的入口上的速动红外线脉波发光二极管作为红外线辐射源6。通道4以一小型多路镜面盘形式所构成。其可沿着其路径，集中自入口穿透到出口的红外线辐射光，其排除光学信号的消散。红外线辐射侦测器7安装在通道4的出口处。位于通道4出口处、供所有非共心光束之用的横向焦散面尺寸，不超过红外线辐射侦测器7的出口窗口 15的面积。红外线辐射侦测器7含有量测速动光伏侦测器8及参考速动光伏侦测器9，两者以相互呈90度角的角度相对。干扰镜像滤波器10位于量测快速作动光伏侦测器8及参考速动光伏侦测器9之间，以45度角对着侦测器光感应层的法线。
[0057]利用测得气体(未显示于图中)的吸收光谱，对应调整镜像滤波器10的传输(图5)和反射(图6)光谱特性，以及辐射源6的红外线辐射光谱(图3)。镜像滤波器10位于红外线辐射侦测器7中，可沿着所述通道4对红外线辐射路径的轨迹补偿外部作用的影响。镜像滤波器10具有朝参考速动光伏侦测器9方向的一反射光谱(图6)。借此，可达到几乎完全应用红外线辐射源6。
[0058]通道4的最佳实际选择，为依据由扁平反射镜及球状或抛物面反射镜所形成的多路镜面盘，球状或抛物面反射镜的数量超过扁平反射镜。举例而言，镜面盘含有二扁平反射镜12(图1、图2)、三反射球状或抛物面11及11’，座落于例如交错借以建立一锯齿形的光学路径中。
[0059]球状面11及11’作为一辐射能量集中器。红外线辐射源6被导向在位于对应镜面盘的主要光轴的角度的第一反射球面镜，并能沿着介于镜面之间的锯齿状轨迹传输辐射，借以在扁平镜面及在红外线辐射差动侦测器7上建立源镜像。
[0060]举例而言，二扁平反射镜12座落于与球面镜11相距一确定距离的位置。举例而言(图2概要显示距离LI及L2)，LI等于L2，其中Fl为球面镜11的焦距(未显示于图中)。扁平镜面12可位于和镜面11’的光轴对称的角度，提供最佳传输光线到球面镜11’，其可具有一不同焦距。举例而言，安装球面镜11’以确保相关性:L2等于2F2，其中F2为球面镜11’的焦距(未显示于图中)，且L2大致等于10 ±2毫米。具有和球面镜11光学轴呈对称排列的扁平镜12的变化具优先性。
[0061]所提出的气体分析仪及用于其中的光学区块I代表二装置。第一装置为由光学区块I及控制组件5构成的一独立量测装置。第二装置为一光学区块，其为第一装置的一组件部，不能在无控制组件5的情况下单独使用。然而，其为第一量测装置的主要工作组件，且可用于其它相似量测装置中。因此，共同描述气体分析仪与其中所用的光学区块I的运作原则。
[0062] 申请人:已发展并测试气体分析仪及当中应用的光学区块的实验性例子。以下提供本发明运作的运算原则及所获结果。图7提供气体分析仪的运作时序图。
[0063]供电予气体分析仪。在微处理器5.1于时间点t0完成初始化后,控制组件5启动并传送能量给所控制的运算放大器17 (图1，图7)。
[0064]在自最初时间t0到tl等于75微秒中，应在40微秒内测得光学区块的一温度(图V，图7)。自时间点t0到迟延时间t3届满后，微控制器5.1启动红外线辐射源6的控制机制16，且形成带有12-15微秒(图1I，图7) —电流脉冲。红外线辐射源6形成红外线辐射流，图3出示其光谱型态。红外线辐射源6安装在光学区块I的入口处并连接控制组件5，被导向位于通道4中的第一反射球状镜11，其以镜面盘主要光轴的对应角度为方向。辐射能量(光流)来自沿着镜面11及12之间锯齿状轨迹的红外线辐射源，且建立扁平镜面11及红外线辐射侦测器7上的源镜像。在此一方式中，光流在位于例如交错其间而成一锯齿状光学路径的扁平镜11及球面镜11之间反复反射。所举沼气作为量测气体例子，是以分子扩散手段借由对应孔道而进入通道4的环境媒介，依据其吸收光谱改变光流的光谱特性。因气体动作而出现变化的光流，来自安装于通道4出口的红外线辐射侦测器7。光流来到以量测及参考速动光伏侦测器8、9之间的一角度进行安装的干涉镜面滤波器10。镜面滤波器10具有传输(图5)及反射(图6)的反向光谱的一波形，致使被分析气体所吸收的红外线辐射源6，部分通过具有传输光谱(图4)对应波形的红外线辐射侦测器5的滤波器窗口 15，接着通过镜面滤波器10其来到量测速动光伏侦测器8。镜面滤波器10将部分红外线辐射源光谱6的反射到参考速动光伏侦测器9。且量测及参考速动光伏侦测器8、9，在滤波器10手段的光流反射后，吸收光谱对应到导向其以镜面的光谱。在红外线辐射源6的电流脉冲的初始化后，控制组件5于7.5微秒中根据微处理器5.1，启动来量测、参考速动光伏侦测器8及9的信号数字化，将信号从前置放大器17 (图1II，图7)传送到控制组件5的入口。控制组件5在一信号的最大值的瞬间，将源自速动光伏侦测器的一信号数字化，历时为红外线辐射源6 (图1V，图7)的脉冲停止后10微秒内。量测及参考速动光伏侦测器8及9的信号振幅被判断为是数字化数值中的一差值。控制组件根据微控制器5.1计算量测及参考速动光伏侦测器8、9的信号振幅比率，执行数字累加以提高信号/噪声比，且建立计算与累加比率的温度修正，最重要的是，计算了所量测气体的浓度。举例而言，控制组件5 —般借由数字及/或模拟端口 13、14，传输在所量测气体浓度上的信息给使用者或安全系统(未显不于图中)。
[0065]量测的全部期间大致为180微秒。而红外线辐射源是在12-15微秒内的主动模式中。于此时间届满后，控制组件5切换到“待命”模式以减少能量耗损并终止量测周期。在预设时间结束时，例如2000微秒，周期从时间t0的开始重复。红外线辐射源的脉波功率是300mW，但因高脉波比率红外线辐射源功耗的平均功率并未超过2.5mW。气体分析仪的总功率需耗并未超过2.5mW，借此可达成最小能量耗损结果。
因此，可由此而得结论，即所主张气体分析仪及使用在内的光学区块可应用在大气(为此，有必要进行气体分析仪控制组件的对应校正)中的其它碳浓度量测，由于其因在镜面盘中组件的对应结构性安排具有较长的辐射路径；
几乎所有IRS的能量被使用，即能量损失达最小；
供给用于侦测器上的辐射浓度，其有助于灵敏度提高；
执行控制组件运算模式的必要调整，其有助于降低能量需耗；
确保外部影响的补偿，即:因具有内建镜面滤波器的差动侦测器而造成机械稳定性。
[0066]这也是为何与已知红外线气体分析仪相比，本应用发明具有高反应速度与高灵敏性，并同时将能量损耗及体积最小化。
【权利要求】
1.一种气体分析仪含一光学区块，于其内部自区块入口至区块出口建立有一通道，供红外线辐射路径之用，而红外线辐射源位于光学区块入口处，以及安装在该区块入口处的红外线辐射侦测器；而该控制组件能够改变该红外线辐射源运作模式，并处理带有取得结果的指示、受该侦测器所接收的红外线辐射光；其中不同之处在于，该光学区块中供红外线辐射路径之用的该通道，能够集中通过该通道的辐射光以及通道出口处该红外线辐射侦测器上的福射光，为此，具有镜面滤波器的一速动差动光伏侦测器的反射与传输光谱特征，相应地与测得的气体吸收光谱和红外线源辐射光谱一致，其设置在该侦测器中，能够就使用的气体浓度量测结果，沿着盘体补偿外部作用对红外线辐射路径轨迹所造成的影响，而因一红外线辐射源为一速动辐射源，其启动关闭的脉波比与以使用控制组件进行启动关闭的差动光伏侦测器脉波比一致。
2.一种气体分析仪的光学区块，含有供红外线辐射路线之用的内部通道、位于通道入口的红外线辐射源及位于通道出口的红外线辐射侦测器，其中不同之处在于该通道的构成形式为一多路镜面光学盘，能集中自其入口沿其路径至本辐射的侦测器所在出口处所传输的红外线辐射，即一红外线辐射源，其对位于盘体中的集中器产生方向性红外线辐射光，使用速动脉波发光二极管作为红外线辐射侦测器，一速动差动光伏侦测器具有一镜面滤波器，其反射与传输光谱特征被调整成被测得与通过盘体的气体吸收光谱，以及成为红外线源辐射光谱，其能够就所用的气体浓度量测结果，补偿外部作用对通过盘的红外线辐射光轨迹所造成的影响。
3.如权利要求2所述的气体分析仪的光学区块，其不同之处在于，该多路镜面盘是由扁平反射镜及球状或数量超过该扁平反射镜的抛物线反射镜所形成，其担任一辐射能集中器角色；该差动光接收器中的该镜面滤波器，是以对光接收器法线呈45度角的一角度安装；该红外线辐射源以针对镜面盘主光轴的对应角度为方向，并可沿着镜面之间的锯齿轨迹进行辐射能量传输，在扁平镜上产生源镜像，而含有量测速动光伏侦测器的差动光接收器和参考速动光伏侦测器，位于彼此相对90度角的位置。
【文档编号】G01N21/61)，以下简称气体分析仪，其为已知。其含有一控制组件及一光学区块，光学区块包含红外线辐射(以下简称IR)源及侦测器。光学区块内形成由入口至出口的红外线辐射传输的通道，让红外线辐射从其源头传输到侦测器处。红外线辐射源安装于光学区块入口 ；红外线辐射侦测器安装在此区块的出口处。控制组件能够处理由侦测器接收的红外线辐射并展示对应结果。而红外线辐射源具有一球状镜面反射板。用于红外线辐射传输的通道是由运作及协助腔室所形成。运作腔室是由一具有内球状镜面反射板的中空扁平锥形物所形成，且直接安装于协助腔室内、与红外线辐射源的相同光轴上。此红外线辐射侦测器具有一调焦装置及，沿着与其垂直的光轴安装。一镜面分频器及具有一配置窗口的一旋转盘位于在这些主轴的交会处。
[0003]此气体分析仪具有一些严重缺点:
由于镜面反射板处红外线辐射能的大量耗失，以及因具有配置窗口的转盘所截取的红外线辐射光通量高能量需耗，还有辐射源仅有效利用在红外线广泛光谱中的小区域；
因多重机构组件之故的低运作可靠度，例如带有配置窗口的旋转盘及旋转光学滤波
器；
整体尺寸加大，其为光学区块代表一空间分隔复杂系统，带有一大量机构组件以及位于区块不同部分中的球状镜面反射板的条件；
气体分析仪(欧盟专利申请2169384号，国际分类号G01N21/35，
【公开日】期2010年3月31日)。其目的在于对辐射路径轨迹的外来影响补偿进行充分精确的测量，以监控呼吸气体。以红外线辐射源、气体盘、二向色分束器、分析滤波器、参考侦测器及量测侦测器等方法来解决此工作，而二向色分束器能根据所分析的气体而改变波束角度。二向色分束器以一 45度的角度，安装在以90度角彼此相对的光侦测器的法在线。
[0004]已知气体分析仪是用来建立位于固定环境或在移动医疗站台中的一多重组件装置，此已知分析仪具有体积大及高能量耗损的缺点。
[0005]使用在气体分析仪中的光学组件(俄罗斯专利2372606号，国际分类号G01N21/03，
【公开日】期2009年11月10日)，其中用以作为红外线辐射路径的通道，能借由穿过通道的路径与位于出口处的红外线辐射接收器来集中辐射。
[0006]已知的光学组件并不具备气体分析装置的必要灵敏度。
[0007]已知的红外线气体分析仪(美国专利6114700号，国际分类号GO 1N21/05，
【公开日】期2000年9月5日)，其中使用光伏侦测器作为红外线辐射侦测器。
[0008]但在已知气体分析仪中使用光伏侦测器，并不具备结合快速反应的高侦测能力。
[0009]已知以浸泡二极管光耦为基础的光学气体传感器(俄罗斯专利75885号，国际分类号G01N21/35，
【公开日】期2000年8月27日)，包含一气体盘，其反射面形成用于产生探针辐射波束的光学机制、一发光二极管形式的一探针红外线辐射源，及一光电二极管形式的一光学接收器，其机构连接至气体盘壳体。装置的气体盘包括机构调整组件；发光二极管及光电二极管使用浸入式光学(浸入二极管)所制成，并紧固连接至调整组件。
[0010]已知装置的缺点在于应用浸入式二极管所构成的装置，其具有光学机制与图像不受控制的错误校准。由于设有调整装置，使用浸入式二极管导致气体分析仪的结构复杂化。同样也导致尺寸增加。
[0011]已知为红外线频带气体分析仪(俄罗斯专利2287803号，国际分类号G01N21/35，
【公开日】期2000年11月26日)，含有发光二极管矩阵形式、发出参考与运作波长的电磁辐射源，位于辐射路径沿线处的气体盘，安装在盘体出口、用以接收参考与运作波长的主要光接收器，以及含有出口连接至微处理器的模拟数字转换器(ADC)的信号处理组件，指示装置。此额外光接收器安装在盘体入口，而二个光接收器皆用作为热释电光接收器。
[0012]在已知气体分析仪中的发光二极管矩阵，必须确保每一发光二极管的快速反应，以致总功率在脉冲电流供应方能衡定。
[0013]在此矩阵应用期间，不可能在单一光接收器上提供每一矩阵发光二极管的同时辐射集中，并且将光学区块的整体尺寸最小化。此外，已知发明中所用的红外线辐射源，与热释电型式光接收器结合。
[0014]已知上述气体分析仪发明(俄罗斯专利2292039号，
【公开日】期2005年2月18日)所说明的光学区块。光学区块内从入口处到出口处，形成从辐射源至侦测器的红外线辐射传输通道。红外线辐射源是安装在通道的入口处；红外线辐射侦测器是安装于此通道的出口处。而通道是由运作及协助腔室所构成。运作腔室是由具有内球状镜反射片的一中空扁平锥形物所构成，且直接安装在协助腔室内，位于与红外线辐射源相同的光轴上。红外线辐射侦测器具有一调焦装置，其沿着与其垂直的光轴安装。一镜面分频器及具有一配置窗口的一旋转盘位于这些主轴的交会处。使用例如一红外线辐射源作为相对应灯体。
[0015]此气体分析仪的光学区块缺点如下:
因存在有一机构组件之故而造成的低运作可靠度，即辐射侦测器中具有配置窗口的旋转盘，还有在区块中红外线辐射路径成形的复杂设计。
[0016]因作为具有辐射源与侦测器红外线辐射路径之用的现存空间分隔复杂信道系统，以及当中的辐射光集中器对应位置，而造成整体尺寸偏大。
[0017]已知光学气体传感器(欧盟专利1995586号，国际分类号G01N21/03,
【公开日】期2008年11月26日)，以下称为气体分析仪。其含有内有二弯折通道、用以建立从入口至出口处的红外线辐射路径的光学区块，起自位于光学区块入口的辐射源，并朝着安装在区块出口的侦测器的方向而去。在此有与光学区块入口和出口连接的控制组件，并能改变红外线辐射源运作模式以及处理侦测器所接收的红外线辐射，以及展示对应结果。通道呈空间分隔貌，而其弯折半径贴合光学区块壳体。
[0018]气体分析仪的缺点如下: 由于存在着作为路径之用的二曲线通道，还有必要从一通道到其它通道的辐射传输中的必需性以及相应大功率需耗，所导致红外线辐射能量大量耗损；
由于必在二通道内提供气体的自我扩散，气体的缓慢进入成为运作持续性的条件。
[0019]从光学气体感应器(欧盟专利1995586号，国际分类号GO 1N21/03，
【公开日】期2008年11月26日)气体分析仪的说明中，已知位于气体感应器内的一光学区块。从本辐射源到侦测器处、供红外线辐射传输之用的二空间分隔弯折通道，在区块内的入口到出口成形。这些通道在红外线辐射源所在的入口构成一盘状物，而在出口有一辐射侦测器。通道沿着贴合光学区块壳体的半径而成。气体以自然扩散的方式从外部进入内部，通道墙的内表面系反射红外线辐射光。
[0020]光学区块的缺失如下述:
由于作为路径之用的二曲线通道的存在，还有自一通道至其它通道的辐射必要传输，相应造成大功率需耗，导致红外线辐射能量大幅耗损；
因存在有不规则形状的二通道、和必须将其纳入单一盘体的必要性、以及让气体在自然扩散过程中从外部进入到盘体所造成的结构复杂性。
[0021]整合式光学气体传感器，已知为气体分析仪(英国专利2401432号，国际分类号G01N21/03，
【公开日】期2004年11月10日)。其含有光学区块。在区块内的入口到出口处，形成供红外线辐射传输从源头通到侦测器处之用的具矩形剖面U形通道。使用位于光学区块内通道入口处的一白热灯作为红外线辐射源，而红外线辐射侦测器则位于通道出口处。其中，U形通道半径贴合光学区块壳体。在此有一控制组件连接到光学区块的入口，并能够改变红外线辐射源运作模式，以及处理侦测器所接收的红外线辐射光和显示对应结果。
[0022]本发明获选为一原型，因为其与所应用的气体分析仪具最大共同数量的基本特色，并以解决类似问题为目标。
[0023]但此原型具有下列缺点:
因存在有作为路径之用的U形通道，导致红外线辐射能大幅耗损，其中因通道内壁的曲线表面造成红外线辐射反射癖性,致使产生辐射能高消散。
[0024]高功率需耗，由于使用一白热灯作为一红外线辐射源，且使用一热释电接收器作为一红外线辐射侦测器，而控制组件相对以具有低脉波比的低频模式运作。
[0025]不仅因U形通道的存在而造成红外线辐射能高消散，还有因通道出口处以及进入到侦测器的高发散角，造成侦测器所显示的红外线辐射能程度低落。
[0026]从整合式光学气体传感器(英国专利2401432号，国际分类号G01N21/03，
【公开日】期2004年11月10日)气体分析仪的说明得知，光学区块内自入口到出口处，形成作为红外线路径的一 U形通道。而红外线辐射源装设在区块内通道入口处，而本辐射的侦测器则位于出口处。U型通道半径贴合光学区块壳体并具有一矩形剖面。其内壁具有反射辐射的一均匀涂层。使用白热灯作为红外线辐射源。
[0027]选择此光学区块作为一原型，由于其具有对应应用目的的气体分析仪基本特点的最多数量基本特色，且以解决类似问题为目标。
[0028]但此原型具有下列缺点:
因其运作所造成的高能量需耗，其因使用白热灯作为红外线辐射源之故；
不仅因U形通道的存在而造成红外线辐射能高消散，还有因在通道出口及其进入侦测器的高发散角，而造成侦测器显示的红外线辐射能程度低落。

【发明内容】

[0029]本发明中所解决的工作，存在于建立气体分析仪与其光学区块，其可确保具最小耗能并维持最小体积的敏感度提升，以及具有最大能量使用的红外线辐射提升传输比。
[0030]气体分析仪含有光学区块，当中有建立作为红外线辐射路径之用的通道、与光学区块入口及出口相连的控制组件、位在光学区块入口处的红外线辐射源以及安装在该区块入口的辐射侦测器；而且控制组件能够改变红外线辐射源运作模式，并处理由具有取得结果指数的侦测器所接收的红外线辐射。根据本发明，在光学区块中用作红外线辐射路径的通道，可借由穿过通道并在红外线辐射侦测器的出口处集中此辐射。所使用的红外线辐射侦测器为具镜面滤波器的一速动差动光伏侦测器，其传输与反射的光谱特性，与所测得的气体吸收光谱与红外线源辐射光谱对应一致，其位于该侦测器中，且能沿着镜面盘补偿外部作用对红外线辐射路径轨迹在气体浓度测量结果上所造成的影响。所使用的红外线辐射源为一速动源，其开启与关闭的脉波比与以控制组件开启与关闭的差动光伏侦测器一致。
[0031]此带有所有基本特色的崭新技术方案允许建立一新式气体分析仪，其提供以下技术结果的成就:因辐射源能量集中故达到最大灵敏度，还有沿着所述通道中的大光学路径，补偿对红外线辐射路径的轨迹所产生的外部作用；因采用对应速动红外线辐射脉冲源及红外线辐射侦测器，以致具备最小能量损耗，其开启及关闭的脉波比受控制组件所调整，还有辐射能量消散的减少。
[0032]相较于原型，所主张的气体分析仪具有多数尚未知的重要区别特性。举例而言，侦测器中的镜面滤波器具有能根据气体浓度量测结果，沿着镜面盘补偿外部作用对红外线辐射路径轨迹所产生的影响。此外，若测得气体与红外线辐射源的辐射光谱相对应，则镜面滤波器的光谱传输和反射特征与吸收光谱一致。另外，红外线辐射源启动关闭的脉波比，与接收此辐射的差动光伏侦测器的启动开关脉波比一致。因此，所主张的气体侦测器具有重要区别特性。
[0033]依据本发明，供红外线辐射路径之用的通道能集中来自入口的红外线辐射能量，直到其到达侦测器为止。
[0034]利用本发明，解决了建立新式可携型气体分析仪的任务，尤其是建立在极端条件下亦能保障人员安全的新型可携式气体分析仪，并具备下列技术结果成就:达成最大灵敏度，同时具备最小耗能和小结构尺寸等特性。这些结果的实现是一矛盾任务。所以，为求最大灵敏度，必须提供最大的辐射消散路径光学长度，其意味将增加装置的结构尺寸。最小能量损耗最大灵敏度的实现相抵触，由于需要在其通道的一长向路径上经由镜面盘提供最大辐射路径。这些矛盾在已知的气体分析仪中尚未解决。可借由补偿辐射路径轨迹上外部影响(环境温度、湿度、压力、在镜面盘的机构作用)的方式，来增加已知气体分析仪中的量测正确性；于此，会发生结构尺寸损失及高能量损耗发生。此矛盾在所应用的气体分析仪中获得解决。
[0035]在应用的气体分析仪中所实现的机械补偿可至少分为二个步骤。第一步骤中，因有镜面盘中的球状元件结构安排而实现，由于球状元件位于波束偏移发生处，对镜面盘壳体造成机械动作因而产生补偿。第二步骤中，因使用差动接收器，所以机械补偿发生在源于镜面盘的出口处，差动接收器内有两光敏感平台、滤波器窗口及镜面滤波器，呈功能性与结构性方面的整合。本发明出现同相位移，即，若波束在镜面盘出口位移，其也会在二光敏平台处同侧以相同距离发生位移。于本案中，如实验所示，可能因外部机构作动的影响，而对波束轨道偏移角产生约10°的补偿，大约是已知发明中的补偿的5-10倍。因此，在本发明的应用中，更成功地实现了机械补偿的原则，由于已知分光器中心与光敏平台之间的距离较短，所以本系统所补偿的辐射波束入射角更大。此外，补偿是以二步骤执行，第二步骤中允许提闻补偿质量。
[0036]本发明应用中使用具有内在窄幅辐射光谱的发光二极管光源，作为红外线辐射源。其中，约有80%的辐射源能量获得使用。这是因为辐射通过镜面盘后，气体受到分析，辐射光谱以约有51-52%辐射源能量被反射至参考接收器的方式到达镜面滤波器，而部分辐射光谱(辐射源能量的22-23%以内)到达量测接收器，其含有为受分析气体所吸收的波长面积。因此，所应用的气体分析仪中，执行传输与反射光谱特性和受分析气体光谱的协调。有助于减少能量消耗。而发光二极管光源能量应用的总系数位于辐射源能量的74-75%内。
[0037]应特别注意，在所应用的本发明中，利用被分析气体的吸收光谱与辐射源辐射光谱来调整量测辐射光谱及参考接收器；已知发明中并无此类调整存。利用气体吸收光谱来调整量测接收器的光谱特征。但不利用辐射源辐射光谱来调整参考接收器的光谱特征或量测接收器的光谱特征。
[0038]本发明中的所有组件，以顾全结构与功能的方式整合在一单独接收装置中；其中，波束分光器及分析滤波器系整合在镜面滤波器中。本气体分析仪中的光学机制，就辐射源辐射光谱波段应用与辐射源波束能量集中的观点看来，在每一光接收平台上提供了红外线辐射器能量应用的效益重复增益。此在本发明欲解决的课题上实属重要，例如提供低耗能气体分析仪的课题。
[0039]因此，所应用的气体分析仪中，可达成具有红外线辐射源能量最大应用、兼之小仪器尺寸的红外线辐射能量传输高系数。相较于已知发明，所应用的装置的小构造尺寸，以确保光敏感组件、镜面滤波器、滤波器窗口功能性与结构性的方法，整合在一单独光接收装置中，如同以光学区块的应用手段让其中的红外线辐射传输通道，可集中穿过通道的传输路径中的辐射，抵达出口处的红外线辐射侦测器，此做法确保住最大敏感度。借此，利用镜面盘的小尺寸创造出较长的光学路径可与一起。
[0040]此外，所应用的气体分析仪不同于已知发明，其作为红外线辐射路径的通道位于光学区块中。此通道可集中穿过通道的路径中的辐射，并抵达出口处的红外线辐射侦测器。其中，使用速动光伏组件作为构成一红外线辐射差动接收器的光敏感组件；并使用一速动辐射源作为一红外线辐射源。其中，借由控制组件的方式，利用差动接收器的启动关闭脉波比来调整辐射源的启动关闭脉波比。
[0041 ] 本应用发明中的光伏侦测器应用，主要优势为结合快速反应的高侦测能力。为降低能量需耗，选择使用简短有力脉冲模式的IRS中；其中，速动接收器必须能撷取这些脉冲。其中，借由控制组件的方式，利用差动接收器的启动关闭脉波比来调整辐射源的启动关闭脉波比。
[0042]此外，针对小尺寸和对侦测器波束轨迹上机械动作影响的不常可能性，应用发明中使用差动接收器，其中镜面滤波器与二光敏感电偶平台功能性地与结构性地整合一起。应特别注意，必须使用速动红外线辐射源并结合使用速动侦测器，以便在所应用的气体分析仪中达到最小能量需耗。
[0043]关于解决光学区块作业的方式如下，气体分析仪的光学区块含有作为红外线辐射路径之用的内部通道、位于通道入口的红外线辐射源以及位于通道出口的红外线辐射侦测器。依据本发明，通道为从其入口处沿着路径、一路集中传输红外线辐射至出口处本辐射侦测器的一多路镜面光学盘形态。使用速动脉波发光二极管作为一红外线辐射源，其对位于镜面盘中的集中器产生指向式红外线辐射。红外线辐射源代表具有一镜面滤波器的速动差光伏侦测器，其传输与反射的光谱特征被调整成量测与通过镜面盘的气体的吸收光谱以及红外线源辐射光谱，且能根据气体浓度量测结果，对通过镜面盘的红外线辐射轨迹的外部动作影响进行补偿。
[0044]可选择由扁平反射镜及球状、或数量多过扁平反射镜且担任一辐射能量集中器的抛物线反射镜来形成一多重镜面盘。在差动光接收器中的镜面滤波器是以相对于光接收器法线45度的角度进行安装。红外线辐射源被导向第一反射球面镜，第一反射球面镜以朝着镜面盘主要光轴的对应角度为方向，并可沿着镜面之间的锯齿轨迹，利用扁平镜上产生的辐射源影响进行辐射能传输，及含有以90度角相对的量测速动光伏侦测器和参考速度光伏侦测器的差动光接收器。
[0045]该新式技术方案具有所有基本特色，允许建立提供下列技术成果成就的气体分析仪光学区块:
1.红外线辐射传输的高系数是取决于作为红外线辐射路径的通道的存在，与由扁平反射镜和一数量超过扁平反射镜的球状及抛物线镜所形成的代表多路镜面盘，作为辐射能量集中器之用，以及利用测得穿过镜面盘的气体的吸收光谱和红外线辐射源辐射光谱、进行传输与反射光谱特性调整的镜面滤波器。其中，所提及的镜面滤波器可沿着镜面盘补偿外部作用对红外线辐射传输轨迹的影响，特别以对光接收器法线的45度角度。
[0046]2.从辐射源到侦测器的最小辐射源消散，允许对受传输的红外线辐射能量进行最大应用以决定气体内容。
[0047]3.小尺寸是取决于红外线辐射源的相对应连接与应用、供此辐射传输之用的通道及其侦测器。
[0048]依据所应用的本发明，若使用一速动脉波发光二极管作为一红外线辐射源，则可能有效使用镜面盘，而其辐射光被导至位于镜面盘中的集中器处，红外线辐射源代表具有一镜面滤波器的一速动差动光伏侦测器，其传输与反射的光谱特征被调整成通过镜面盘的测得气体的吸收光谱，以及红外线辐射源的辐射光谱。而具有一镜面滤波器的速动差动光伏侦测器，可就气体浓度量测的结果，沿着镜面盘补偿外部作用对红外线辐射路径轨迹的影响。
[0049]其中应用光学区块以便和上述有所区别，供红外线辐射路径之用的通道代表一多路镜面盘。此镜面盘能够集中自入口沿着路径通过镜面盘、到位于出口处的辐射侦测器。此速动脉波发光二极管所建立朝向性集中器的红外线辐射光，被当成一红外线辐射源使用。使用速动光伏侦测器作为接收器，构成差动辐射侦测器的一部分。为借由集中辐射能的方式来达成提高量测敏感度的目标，必须进行导向，将红外线辐射源导向以朝镜面盘主光轴对应角度为方向的第一反射球状镜，具有沿着镜面之间锯齿状路径来传输辐射能的可能，在扁平镜面及差动光接收器上产生同时源镜像；设置差动光接收器，以便镜面盘出口的辐射源镜像平面能和量测光敏感组件位置平面一致；其中，光接收装置的结构自动做好令辐射源镜像平面与第二(参考)光敏感组件的位置平面一致的准备。此有助于达成所称技术结果，即以集中辐射能的方式来提升量测敏感度。
[0050]最有效使用光学区块的方式，是结合所主张的结构组件，由于其不仅对量测的外部机构影响提供补偿，更如前所述，缩减了整体装置的尺寸。
[0051]设置在气体分析仪中作为辐射侦测器和辐射源之用的半导体组件，并具有快速反应的特性，低能耗属必要，但并不足在同时耗能最小化以及缩小装置体积的同时，达成快速响应的目标。举例而言，红外线脉波发光二极管具高度反应性，但这类辐射源的低能耗仅发生在电源供应的相对应模式中。控制组件的运作在所应用发明的这些议题上实属重要。
[0052]基本特色的聚集，有助于达成具有最大红外线辐射应用并让装置维持最小尺寸的红外线辐射光的高转换比，也提供由光学区块入口沿着大光学路径至其出口到侦测器处的红外线辐射路径。
【专利附图】

【附图说明】
[0053]所主张的气体分析仪及其中所使用的光学区块技术特点解释于图示中，如:
图1为气体分析仪的方块架构；
图2为光学区块的方块架构；
图3为源辐射光谱；
图4为差动光伏侦测器窗的传输光谱；
图5为镜面滤波器光谱传输的波形；
图6为镜面滤波器反射光谱的波形；
图7为主要气体分析仪组装运作的时序图。
[0054]附图标记说明 I:光学区块；
2:入口 ；
3:出口 ；
4:通道；
5:控制组件；
6:红外线辐射源；
7:红外线辐射侦测器；
8:量测速动光伏侦测器；
9:参考速动光伏侦测器；
10:镜面滤波器；
5.1:微控制器；
11、11’:反射球状或抛物面；
12:扁平反射镜；
13:数字输入/输出端口 ； 14:模拟输出埤；
15:出口窗口 ；
16:控制机制；
17:前置放大器；
L1、L2:距离。
【具体实施方式】
[0055]气体分析仪及其光学区块的实际应用说明如下。
[0056]所提出的气体分析仪(图1)含有光学区块1，其内建立有一通道4供自入口 2到出口 3的红外线辐射传输之用，以及控制组件5，以微处理器5.1为例，即其连接光学区块I的入口 2及出口 3。亦有位于光学区块I的入口 2的红外线一辐射源6，以及一安装在前述区块I的出口 3的红外线辐射侦测器7。其中，控制组件5可利用取得结果的指示，处理该红外线辐射侦测器7所接收到的辐射。在光学区块I中，设有供红外线辐射传输之用的通道4，有可能沿着其穿过该通道4的路径集中该辐射，并到出口处的红外线辐射侦测器7，侦测器代表具有一镜面滤波器10的一速动光伏侦测器。可利用测得气体(未显示于图中)的吸收光谱和红外线辐射源6的红外线辐射光谱(图3)，来对应调整该镜向滤波器10的传输(图5)和反射(图6)光谱特性。镜向滤波器10位于红外线辐射侦测器7中，且可沿着所述通道4，补偿外部作用对红外线辐射路径轨迹的影响；使用一速动源作为红外线辐射源6，其调整启动关闭的脉波比受控制组件5调整，成为该侦测器7(差动光伏侦测器)的启动关闭脉波比。一具有由控制组件5所调整开启与关上的脉波比到侦测器7的开启与关上的脉波比的快速反应源可为红外线辐射源6。红外线辐射接收器7(图1)是连接到举例而言可为微控制器5.1的控制组件5的入口，微控制器5.1可使用数家制造商(例如德仪公司制造的MSP430系列，或ST公司所提供的STM家族)的产品。控制组件5含有一数字输入/输出端口 13，以及供安全系统气体分析仪控制与数据传输予使用者之用的模拟输出端口 14 (未显不于图中)。气体分析仪可位于壳体(未显不于图)中，其表面有供气体进入光学区块I的开口，特别是作为红外线辐射路径之用的通道。而且，这些开口可设有防尘装置，例如防尘网(未显示于图中)。如上所述，气体分析仪的光学区块1(图1、图2)可供红外线辐射路径之用的通道4所形成。红外线辐射源6位于光学方块I的入口 2处，而红外线辐射侦测器7位于出口 3。使用安装在通道4的入口上的速动红外线脉波发光二极管作为红外线辐射源6。通道4以一小型多路镜面盘形式所构成。其可沿着其路径，集中自入口穿透到出口的红外线辐射光，其排除光学信号的消散。红外线辐射侦测器7安装在通道4的出口处。位于通道4出口处、供所有非共心光束之用的横向焦散面尺寸，不超过红外线辐射侦测器7的出口窗口 15的面积。红外线辐射侦测器7含有量测速动光伏侦测器8及参考速动光伏侦测器9，两者以相互呈90度角的角度相对。干扰镜像滤波器10位于量测快速作动光伏侦测器8及参考速动光伏侦测器9之间，以45度角对着侦测器光感应层的法线。
[0057]利用测得气体(未显示于图中)的吸收光谱，对应调整镜像滤波器10的传输(图5)和反射(图6)光谱特性，以及辐射源6的红外线辐射光谱(图3)。镜像滤波器10位于红外线辐射侦测器7中，可沿着所述通道4对红外线辐射路径的轨迹补偿外部作用的影响。镜像滤波器10具有朝参考速动光伏侦测器9方向的一反射光谱(图6)。借此，可达到几乎完全应用红外线辐射源6。
[0058]通道4的最佳实际选择，为依据由扁平反射镜及球状或抛物面反射镜所形成的多路镜面盘，球状或抛物面反射镜的数量超过扁平反射镜。举例而言，镜面盘含有二扁平反射镜12(图1、图2)、三反射球状或抛物面11及11’，座落于例如交错借以建立一锯齿形的光学路径中。
[0059]球状面11及11’作为一辐射能量集中器。红外线辐射源6被导向在位于对应镜面盘的主要光轴的角度的第一反射球面镜，并能沿着介于镜面之间的锯齿状轨迹传输辐射，借以在扁平镜面及在红外线辐射差动侦测器7上建立源镜像。
[0060]举例而言，二扁平反射镜12座落于与球面镜11相距一确定距离的位置。举例而言(图2概要显示距离LI及L2)，LI等于L2，其中Fl为球面镜11的焦距(未显示于图中)。扁平镜面12可位于和镜面11’的光轴对称的角度，提供最佳传输光线到球面镜11’，其可具有一不同焦距。举例而言，安装球面镜11’以确保相关性:L2等于2F2，其中F2为球面镜11’的焦距(未显示于图中)，且L2大致等于10 ±2毫米。具有和球面镜11光学轴呈对称排列的扁平镜12的变化具优先性。
[0061]所提出的气体分析仪及用于其中的光学区块I代表二装置。第一装置为由光学区块I及控制组件5构成的一独立量测装置。第二装置为一光学区块，其为第一装置的一组件部，不能在无控制组件5的情况下单独使用。然而，其为第一量测装置的主要工作组件，且可用于其它相似量测装置中。因此，共同描述气体分析仪与其中所用的光学区块I的运作原则。
[0062] 申请人:已发展并测试气体分析仪及当中应用的光学区块的实验性例子。以下提供本发明运作的运算原则及所获结果。图7提供气体分析仪的运作时序图。
[0063]供电予气体分析仪。在微处理器5.1于时间点t0完成初始化后,控制组件5启动并传送能量给所控制的运算放大器17 (图1，图7)。
[0064]在自最初时间t0到tl等于75微秒中，应在40微秒内测得光学区块的一温度(图V，图7)。自时间点t0到迟延时间t3届满后，微控制器5.1启动红外线辐射源6的控制机制16，且形成带有12-15微秒(图1I，图7) —电流脉冲。红外线辐射源6形成红外线辐射流，图3出示其光谱型态。红外线辐射源6安装在光学区块I的入口处并连接控制组件5，被导向位于通道4中的第一反射球状镜11，其以镜面盘主要光轴的对应角度为方向。辐射能量(光流)来自沿着镜面11及12之间锯齿状轨迹的红外线辐射源，且建立扁平镜面11及红外线辐射侦测器7上的源镜像。在此一方式中，光流在位于例如交错其间而成一锯齿状光学路径的扁平镜11及球面镜11之间反复反射。所举沼气作为量测气体例子，是以分子扩散手段借由对应孔道而进入通道4的环境媒介，依据其吸收光谱改变光流的光谱特性。因气体动作而出现变化的光流，来自安装于通道4出口的红外线辐射侦测器7。光流来到以量测及参考速动光伏侦测器8、9之间的一角度进行安装的干涉镜面滤波器10。镜面滤波器10具有传输(图5)及反射(图6)的反向光谱的一波形，致使被分析气体所吸收的红外线辐射源6，部分通过具有传输光谱(图4)对应波形的红外线辐射侦测器5的滤波器窗口 15，接着通过镜面滤波器10其来到量测速动光伏侦测器8。镜面滤波器10将部分红外线辐射源光谱6的反射到参考速动光伏侦测器9。且量测及参考速动光伏侦测器8、9，在滤波器10手段的光流反射后，吸收光谱对应到导向其以镜面的光谱。在红外线辐射源6的电流脉冲的初始化后，控制组件5于7.5微秒中根据微处理器5.1，启动来量测、参考速动光伏侦测器8及9的信号数字化，将信号从前置放大器17 (图1II，图7)传送到控制组件5的入口。控制组件5在一信号的最大值的瞬间，将源自速动光伏侦测器的一信号数字化，历时为红外线辐射源6 (图1V，图7)的脉冲停止后10微秒内。量测及参考速动光伏侦测器8及9的信号振幅被判断为是数字化数值中的一差值。控制组件根据微控制器5.1计算量测及参考速动光伏侦测器8、9的信号振幅比率，执行数字累加以提高信号/噪声比，且建立计算与累加比率的温度修正，最重要的是，计算了所量测气体的浓度。举例而言，控制组件5 —般借由数字及/或模拟端口 13、14，传输在所量测气体浓度上的信息给使用者或安全系统(未显不于图中)。
[0065]量测的全部期间大致为180微秒。而红外线辐射源是在12-15微秒内的主动模式中。于此时间届满后，控制组件5切换到“待命”模式以减少能量耗损并终止量测周期。在预设时间结束时，例如2000微秒，周期从时间t0的开始重复。红外线辐射源的脉波功率是300mW，但因高脉波比率红外线辐射源功耗的平均功率并未超过2.5mW。气体分析仪的总功率需耗并未超过2.5mW，借此可达成最小能量耗损结果。
因此，可由此而得结论，即所主张气体分析仪及使用在内的光学区块可应用在大气(为此，有必要进行气体分析仪控制组件的对应校正)中的其它碳浓度量测，由于其因在镜面盘中组件的对应结构性安排具有较长的辐射路径；
几乎所有IRS的能量被使用，即能量损失达最小；
供给用于侦测器上的辐射浓度，其有助于灵敏度提高；
执行控制组件运算模式的必要调整，其有助于降低能量需耗；
确保外部影响的补偿，即:因具有内建镜面滤波器的差动侦测器而造成机械稳定性。
[0066]这也是为何与已知红外线气体分析仪相比，本应用发明具有高反应速度与高灵敏性，并同时将能量损耗及体积最小化。GK103492858SQ201180063937
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2011年11月11日 优先权日:2010年11月12日
【发明者】米嘉尔·安纳托里维奇·马克斯尤坦科, 舍盖依·法西里维奇·涅普尼阿斯奇, 苏菲亚·波里苏维纳·波哥迪纳, 维亚切斯拉夫·维拉迪米罗维奇·克瑞博托夫 申请人:欧普托圣斯有限公司