一种气体传感器系统的制作方法

一种气体传感器系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种气体传感器系统，包括：气体单元，可操作以接收样品气体；真空系统，与该气体单元流体地联接，可操作以将该气体单元内的该样品气体维持在低于周围的压强；压强传感器，可操作以感知该样品气体的压强；隔热外壳，该气体单元位于其中；热源或热交换器，可操作以影响该隔热外壳的内部温度；该隔热外壳内部的光源，可操作以提供进入并穿过该气体单元的中红外（中IR）光；该隔热外壳内部的光检测器，可操作以接收衰减的中IR；以及控制系统，与该真空系统并与该压强传感器电子地联接，可操作以将在预定压强下的该气体单元内部的该样品气体维持到133.3Pa以内。
【专利说明】一种气体传感器系统

【技术领域】
[0001]本发明总体涉及用于环境空气监测和工业空气监测的气体传感器，并且更具体地涉及此类能够通过测量归属于目标气体种类的红外光吸收来监测该目标气体种类随时间推移的浓度变化的气体传感器。

【背景技术】
[0002]对基于光学的高精度微量气体传感器的需要与许多学科有关,包括温室气体监测、污染监测、工业过程监测、工业气体质量监测和台式化学分析系统。来自(例如)填埋地、农业用地和公路的气体种类分散模式的现场测定包括温室气体监测和污染监测的重要方面。就这一点而言，尤其感兴趣的微量气体包括一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N20)、一氧化碳(CO),二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和甲烷(CH4)。
[0003]气体吸收光谱法是一种用于微量气体种类(比如上面列出的那些)的现场测定的重要技术。此类光谱法测量是通过测量在给定波长穿过一个气体样品的光的百分比而进行的。该技术利用了当穿过气体的光的波长变化时具体气体展示出特有的光吸收响应的事实。从而可以通过这些响应识别气体种类。
[0004]微量气体种类识别通常是通过识别归属于一个气体样品中的种类的一个或多个吸收“谱线”的存在而进行的。吸收谱线是气体吸收或衰减光的光波长(或相应地，频率或波数)的一个窄带。一种给定气体通常在不同的波长(或可替代地，频率或波数)具有多个吸收谱线。一种典型的气体传感器系统可以通过在对应于一个吸收谱线的一个波长处进行两测量来确定气体样品中的一种目标气体的分子浓度s:(1)测量透射通过该目标气体的光强；以及⑵测量当该目标气体不存在时沿着相同的路径透射的光强。这两个测量结果的比值被定义为透射率。
[0005]多个未决的法规将要求在各种发射源处监测温室气体，开始于目前要求监测其他大气污染物的上千个地点。以高置信度(例如，1000:1的保真度)检测各种温室气体的环境微量级别(预期为百万分之几(ppm)或十亿分之几(PPb)的级别)需要实时实现PPb检出水平的高精度传感器。例如，为了大体测量从地面上的一个源到大气的一种污染物或温室气体的竖直通量，可以将一个气体传感器装置与一个风速设备和其他大气测量仪器(例如，温度计和气压计)一起放置在假定的源上方的一个升高的位置，比如，例如一个牧场上方的塔上。对于一个完全涡流通量，该气体种类的平均竖直通量F可以通过将一种目标气体种类的竖直风速w和分子浓度s的测量结果相组合，根据“漩涡通量”(或“漩涡方差”)等式计算，
[0006]F = PaWS = Pa WS 等式I其中，P a是平均空气密度，W'和s'分别是竖直风速和目标气体浓度的时间导数，并且上划线表示平均值。在上述等式右手侧的近似解决了与风速的和气体浓度的测量同时并且以相同的重复率来测量空气密度的实际实验困难。然而，为了使用这个近似，必须计算出该浓度的时间导数。由于各种目标种类的期望的典型浓度是在百万分之几(ppm)或十亿分之几(ppb)的级别，s'的精确计算需要这些测量结果的精确度至少在几十PPb (或更好)的级别。进一步地，因为竖直风速可以在远小于一秒的时间标尺上改变，必须在相同的时间标尺上可得到同时的精确的气体浓度测量。
[0007]对于此类漩涡方差测量结果尤其需要快速仪器。已确立的IR光谱学传感器技术(比如，基于非分散的红外吸收的仪器)不能实现要求的精确度级别，因为干扰的存在(t匕如，水蒸汽)会混淆此类测量结果。此外，许多现有的气体传感器系统采用了笨重的超高反射率多通光学单元(比如，像散赫里奥特(Herr1t)或光腔衰荡单元)以便得到近红外(0.7-3 μ m)中的测量结果，并因此对可能由通常发生的微量级微粒导致的镜面的光学污染和其他污染比较敏感。因此，尽管目前存在一种运行在近红外的开路甲烷传感器，它需要通过以高速旋转该反射镜的同时用一种溶液冲洗该多通单元光学器件来对镜面进行周期性清洁，从而对传感器增加了消耗品、尺寸、和成本。额外地，这种常规传感器的尺寸并不理想，因为可能发生样品气体的局部加热。
[0008]电磁谱的中红外(中IR)范围(波长在3-8 μ m的范围内)对此类微量气体测量有更大作用，因为大多数重要的感兴趣的微量气体种类(在这个范围内)展现出显著的吸收谱线，这些吸收谱线可能与归属于水蒸汽(H2O)和其他干扰性种类的谱线相区分。通常，这些中IR吸收谱线远远强于在近IR中发现的吸收谱线。例如，甲烷在3.3 μ m附近展现出若干较强的旋转分辨式的(旋振的(ro-vibrat1nal))和无干涉的红外吸收谱线。同样,二氧化碳在4.3 μ m附近展现出类似有用的谱线，并且一氧化碳和二氧化氮在4.6 μ m附近展现出类似有用的谱线。
[0009]激光器是最适合用于在旋转分辨式的红外吸收谱线的波长下测量透射率的光源。激光器可以提供包括一个波长的强烈的单色光，该波长在一些情况下可以被调谐以与一个吸收谱线特征匹配并且包括一个比该吸收谱线特征的带宽更窄的带宽。由于其小尺寸、耐用性和低功率性要求，对于现场可携带仪器来说二极管激光器是优选的。
[0010]不幸的是，常规的二极管激光器不能被直接用在许多重要的中IR光谱应用中，因为它们产生在I到1.5 μ m范围(近红外)内的光频率。所谓的“铅盐”二极管激光器可用于在要求的波长范围处发射。然而，这些激光器不适合用于现场可携带的气体传感器，因为它们比较贵并且因为它们需要低温冷却，这增加了额外的复杂性并且限制了该气体传感器无人运行的能力。所谓的“量子级联”激光器也是可获得的但是基本不适合可携带的气体传感器系统，因为它们相对高成本、低产出并且不能接近3-4微米光谱范围。通过光学参数振荡器(OPO)提供偏移的频率的光源目前太过昂贵和笨重而不能被考虑用在现场可携带仪器中。
[0011]上述考虑的结果是，通过差频生成(DFG)来产生中IR光的光源是目前唯一可获得的适合用于现场可携带的自动运行气体传感器系统中的光源。此类光源可以利用两个(或更多)近IR光源与一种非线性晶体一起产生中IR光。然而，基于中IR吸收并具有必要的(气体通量的长期无人现场测量所要求的)灵敏度、精度和稳定性的气体传感器系统还未加以描述。本发明解决了这种需要。
[0012]


【发明内容】

[0013]本披露教导了各种用于以高精确度测量气体样品中给定微量气体种类的浓度的气体传感器。这些气体传感器是基于中红外光的光学吸收，这种中红外光特定地在一种独特的差频生成(DFG)激光源中生成。该激光源本身具有许多属性，这些属性使其成为比可替代的激光器或其他中红外光源更好的选择，尤其是关于光谱纯度、稳定性、和产生的光的传播质量。当这个光源与合适的光学成像和检测子部件、高性能模拟控制电子器件、微处理器控制装置、和软件联接时，会产生高精确度和高度专门自治的传感器。
[0014]根据本教导的实施例展示了，当不需要有效长的路径长度(除非通过该超高反射率多通单元本身)以实现一个可检测的吸收水平时，明显降低的对污染物的敏感度(例如，乘以一个十到一千的因子)。基本上，这是由于在本发明中监测的中红外吸收与在其他仪器中监测的近红外吸收相比固有地更强。甲烷吸收在中红外中的吸收与在近红外相比强近200倍，从而使得根据本教导的仪器在实现为灵敏的或比其他途径更好的准确度和精密度同时稳健得多。
[0015]根据不同的实施例，为了确定感兴趣的种类的浓度，进行了直接光学吸收测量。样品气体流过一个气体单元，并且一个中红外激光源被引导穿过该气体单元。该中红外光离开该气体单元之后，被引导到一个检测器上。对该中IR激光波长进行调谐时，可以测量来自感兴趣的种类的吸收峰。来自该检测器的信号被一个计算机放大、捕捉、数字化和分析。根据计算出的一条或多条吸收谱线的强度，确定感兴趣的种类的浓度。样品气体连续地流过该气体单元，并且该传感器实时地对该种类浓度进行连续测量。
[0016]实际上，当激光频率被改变以揭示吸收光谱时，激光可以在中红外DFG源中产生，被光学成像到一个气体询问区中，该气体询问区可以是(i)被包围并被泵用于引入气体的光学元件或(ii)不需要泵，完全对周围环境敞开，并且在该样品穿过之后被检测以测量光的衰减。具体地，以高保真度检测的、作为频率的函数的目标气体的旋振(旋转分辨式)吸收光谱，通常在本领域被描述为高分辨率“直接吸收”测量。该方法不需要在高频(KHz)进行频率或波长调制，如通常在常规途径中被用来实现灵敏度或克服那些途径中遇到的其他限制。该激光源的稳定的频率和幅度输出使得能够使用一种简单的直接吸收途径，部分是由于唯一地并直接地以高保真度确定该吸收光谱的“零水平”的能力，这在频率或波长调制的途径中没有完成。
[0017]该传感器采用中红外中的与低噪声信号放大器组合的非低温光伏检测器，当正确配对时这些非低温光伏检测器运行在一个使得能够快速获取光谱而不使本征吸收谱线形状发生畸变的时间带宽下。相对于在高速率时的激光能量零点的关联的积分的吸收分数的精确确定为该传感器提供了一个良好的占空比，同时也提供了在光谱特性可能互相干涉的情况下测量吸收的能力。在此类情况下，频率或波长已调制的途径在精确确定关联的吸收强度时可能失败，并且因此精确确定目标分子的浓度失败。根据本教导的实施例可能在小于一分钟的时间标度中进行PPt级别的检测以及在几秒中进行单位数的PPb级别检测。在不同的实施例中，该气体传感器采用了由于环境压强和温度的变化而减少系统漂移的若干种稳定特征。这种稳定减小了校准间隔和关联的校准气体消耗。本发明有效地消除了被称为“零气体”的需要，因为使用激光的每次扫描有效地了测量激光的零点(在几百Hz到kHz进行)。
[0018]相应地，在一个方面，提供了一种用于检测和测量具有周围温度和周围压强的环境中的气体分子种类的浓度的气体传感器系统，该系统包括:气体单元，可操作以从该环境接收该样品气体；与该气体单元流体地联接的真空系统，可操作以将该气体单元内的该样品气体维持在小于环境压强的预定压强；压强传感器，可操作以感应该气体单元内部的样品气体的压强；隔热外壳，该气体单元被安置在其中；热源或热交换器，可操作以影响该隔热外壳的内部的温度；该隔热外壳内的光源，可操作以提供进入该气体单元以便被透射穿过其中的样品气体的中红外(中IR)光，其中，该中IR光的波长与该气体分子种类的旋转分辨式的吸收谱线一致；该隔热外壳内部的光检测器，可操作以接收传输穿过该气体单元中的样品气体的中IR光；以及与该真空系统并与该压强传感器电子地联接的控制系统，可操作以将该气体单元内的在该预定压强的样品气体维持到一托(I托或133.3Pa)以内。
[0019]在不同实施例中，温度传感器和与该热源或热交换器以及该温度传感器两者电子地联接的控制系统，可以用来将该气体单元内的在预定温度的该样品气体维持到一度开尔文(1° K)以内。该预定温度可以大于周围温度，比如在约30°C到约40°C的范围内。在一些实施例中，该热源或热交换器可以包括安置于该隔热外壳的孔径内的热电元件，该热电元件可操作以将热向或从该隔热外壳传递。分别被安置在该隔热外壳外部或内部的第一和第二散热器和风扇组件可以被设置成与该热电元件热接触。
[0020]在不同的实施例中，该气体传感器系统在该隔热外壳内可以进一步包括激光器模块，该光源或其一部分被安置在该激光器模块内；该隔热外壳内的光学模块，该光检测器被安置在该光学模块内，该光学模块与该气体单元光学地联接；以及与该激光器模块并与该光学模块联接的一个或多个光导纤维，其中，该一个或多个光导纤维可操作以将从该光源提供的光引导到该光学模块中。
[0021]该光源可以包括第一和第二激光器，可操作以分别提供具有第一波长的第一近红夕卜(近IR)光和具有第二波长的第二近IR光；波分复用器(WDM)，与该第一激光器并与该第二激光器光学地联接并且可操作以从其接收这些第一和第二近IR光；光学上非线性的晶体，(可能通过一种或多种干涉光导纤维)与该WDM光学地联接，并且可操作从其接收这些第一和第二近IR光并通过差频生成来产生该中IR光；以及滤光片，与该非线性晶体光学地联接并可操作以透射该中IR光，同时阻断这些第一和第二近IR光的透射。这些第一和第二激光器中之一或两者可以包括一个二极管激光器或多个二极管激光器。在这种情况下，可以提供激光二极管电流驱动器，可操作以对供应给这些第一和第二二极管激光器中之一的驱动电流进行反复调制，这样使得该中IR光的波长反复地跨过(traverses across)该旋转分辨式的光吸收谱线的波长范围。此类实施例可以进一步包括数字化器，与该光检测器的输出电子地联接，这样使得该光检测器的输出在该驱动电流的每次调制期间在多个离散时间点中的每一个被数字化，以便产生与直接吸收光谱对应的多个数字检测器信号值；以及数字记忆存储装置，可操作以存储该多个数字检测器信号值。
[0022]在不同实施例中，该第一激光器可以发射具有在100-1lOOnm范围内的波长的光，并且该第二激光器可以发射具有1500-1600nm波长范围的光。在不同的其他实施例中，该第一激光器可以发射具有在1100-1200nm范围内的波长的光，并且该第二激光器可以发射具有1500-1600nm波长范围的光。在不同实施例中，该中IR光的波长在近似3.0微米到4.8微米的范围内。
[0023]在不同实施例中，该气体分子种类可以选自下组:一氧化碳(CO)、一氧化二氮(N2O)和二氧化碳(CO2),并且该旋转分辨式的吸收谱线的中心波长在近似4.2微米到4.7微米的范围内。在一些实施例中，该气体分子种类是甲烷(CH4),并且该旋转分辨式的吸收谱线的中心波长在近似3.2微米到3.4微米的范围内。在一些实施例中，该气体分子种类是一氧化碳(CO)，并且该旋转分辨式的吸收谱线的中心波长在近似4.57微米到4.65微米的范围内。在一些实施例中，该气体分子种类是一氧化二氮(N2O),并且该旋转分辨式的吸收谱线的中心波长在近似4.510微米到4.555微米的范围内。
[0024]在不同实施例中，该气体单元与该光学模块流体地联接，这样使得在运行中该样品气体从该气体单元流到该光学模块中。在不同的其他实施例中，可以在该气体单元和该光学模块之间设置一个窗口，这样使得该样品气体通过该气体单元的引出端口而排出。
[0025]在另一个方面中，提供了一种用于检测和测量在具有周围温度和周围压强的环境中的气体分子种类的方法，该方法包括:(a)提供能够提供发射的中IR光的光源，可以致使该中IR光的波长跨过该气体分子种类的旋转分辨式的吸收谱线的波长范围；(b)提供气体单元；(c)提供温度稳定的光学系统，用于将该中IR光从该光源引导到该气体单元中以便从其穿过，并且随后从该气体单元引导到光检测器；(d)提供一个系统，用于将流过在小于该周围压强的压强下的该气体单元的样品气体的压强稳定到一托(I托或133.3Pa)以内；(e)提供一个系统，用于将流过在大于该周围温度的温度下的该样品气体单元的样品气体的温度稳定到一度开尔文(1° K)以内的样品气体温度；(f)使来自该环境的该样品气体在该样品气体压强和该样品气体温度下流过该气体单元；(g)运行该光源以便使发射的中IR光的波长反复地跨过旋转分辨式的吸收谱线的波长范围；(h)运行该光学系统以便使所发射的中IR光穿过该气体单元中的样品气体并被其衰减，并且以便使已衰减的中IR光传到该光检测器；(i)在多个离散数据点中的每一个处用该检测器检测被衰减的中IR光，每个数据点对应于一次波长跨越期间的具体波长；(j)根据该多个数据点构建该旋转分辨式的吸收谱线的直接吸收光谱；以及(k)根据该直接吸收光谱确定该气体分子种类的浓度。
[0026]上面列出的步骤(a)可以包括下列步骤:(al)提供一个能够提供第一近IR光的第一二极管激光器，该近IR光包括在第一频率范围内的第一频率；(a2)提供一个能够提供第二近IR光的第二二极管激光器，该第二近IR光包括在第二频率范围内的第二频率，其中，该第二近IR光的频率可以在该第二频率范围内调谐，其中，该第一和第二频率范围是这样，使得该第一和第二频率之间存在运算可得到的差的范围，该范围跨越(spans)该旋转分辨式的吸收谱线的频率范围；以及(a3)提供非线性晶体，可操作以接收这些第一和第二近IR光并产生该中IR光。在此类实例中，上面列出的步骤(g)可以包括下列步骤:(gl)将供应给该第二二极管激光器的驱动电流设置为零，以便消除该中IR光的发射；(g2)将将供应给该第二二极管激光器的驱动电流设置为对应于该中IR光的开始波长的非零值；以及(g3)改变供应给该第二二极管激光器的该驱动电流，这样使得该中IR波长从该开始波长到一个结束波长连续地变化，其中，该开始波长和该结束波长跨越旋转分辨式的吸收谱线的该波长范围。一些实施例可以包括一个进一步的步骤:(g4)改变供应给该第二二极管激光器的该驱动电流，这样使得该中IR波长从该结束波长到该开始波长连续地变化。
[0027]上面列出的步骤(C)可以包括下列步骤:(Cl)提供隔热外壳；(c2)在该隔热外壳内提供该光学系统的多个部件；(c3)在该隔热外壳的孔径内提供热电元件，用于将热传递到该隔热外壳中或者将热传递到该隔热外壳外；(c4)提供第一和第二散热器和风扇组件，与该热电元件热接触并分别被安置在该隔热外壳外部和内部；(c5)为温度传感器提供该隔热外壳；以及(c6)提供温度控制器电路，该温度控制器电路与该温度传感器和该热电元件处于电联通，该温度控制器电路基于从该温度传感器接收的电子信号为该热电元件提供电流。在此类实例中，上面列出的步骤(e)可以包括下列步骤:(el)将该气体单元定位在该隔热外壳内；以及(e2)使该温度控制器将该隔热外壳的内部维持在该样品气体温度。
[0028]在不同实例中，上面列出的步骤(d)可以包括下列步骤:(dl)在该气体单元与该环境处于流体联通的第一端设置样品气体引入端口 ；(d2)在该气体单元的第二端设置样品气体引出端口 ；(d3)设置与该样品气体引出端口并与样品气体排出端口处于流体联通的一个真空泵；(d4)设置与该气体单元内部处于流体联通的压强换能器；以及(d5)设置与该压强换能器和该真空泵处于电联通的压强控制器电路，该压强控制器电路使该真空泵的泵送率基于从该压强换能器接收的电子信号而变化。在不同实例中，上面列出的步骤(j)可以包括下列步骤:(jl)确定对应于该光源无中IR光发射的一个空检测器响应；(j2)从该多个数据点逐点减去该空检测器响应；(j3)使用该旋转分辨式的吸收谱线的该波长范围之外的该多个数据点的子集拟合一个模型多项式基线；以及(j4)从在每个相应数据点的波长处计算出的拟合多项式的值逐点减去该多个数据点中的每个的值。
[0029]

【专利附图】

【附图说明】
[0030]从以下仅以举例的方式并且参照不必按比例绘制的附图所给出的说明中，本发明的以上所述的和各种其他方面将变得清楚，在附图中:
[0031]图1是根据本发明传授内容的气体传感器的一组外部视图；
[0032]图2是根据本发明传授内容的气体传感器的一个热外壳和其他选定部件的视图；
[0033]图3是图2的热外壳内的隔热材料的视图；
[0034]图4A是根据本发明传授内容的用于控制一个热外壳内部的温度并使其均匀的一个热交换器组件的透视图；
[0035]图4B是图4A的热交换器的另一个透视图，其中外壳被移除以显示内部部件；
[0036]图4C是图4A的热交换器的另一个透视图，其中一个上部部分被移除以显示内部部件；
[0037]图5A是根据本发明的传授内容的一个气体传感器内部的光学通路的一种第一可替代配置的示意性图解；
[0038]图5B是根据本发明的传授内容的一个气体传感器内部的光学通路的一种第二可替代配置的示意性图解；
[0039]图5C是根据本发明的传授内容的一个气体传感器内部的光学通路的一种第三可替代配置的示意性图解；
[0040]图6是是根据依据本发明的传授内容的不同实施例的用于产生中红外光的激光源的详细的示意性图解；
[0041]图7是根据本发明的传授内容的方法的流程图，用于设计一种用于目标气体浓度的近红外吸收测量的激光源；
[0042]图8A和图8B是根据本发明的传授的内容的不同实施例的用于差频生成的一种晶体、滤光片、透镜组件的示意性平面图和正视图；
[0043]图9是根据本发明的传授内容的用于气体传感器的气体单元的一个正面入口的透视图；
[0044]图1OA是根据本发明的传授内容的一个气体传感器内部的样品气体流的一种第一可替代配置的示意性图解；
[0045]图1OB是根据本发明的传授内容的一个气体传感器内部的样品气体流的一种第二可替代配置的示意性图解；
[0046]图1lA是根据本发明的传授内容的应用到气体传感器系统的光源的激光器的、示例性的重复的激光电流扫描波形图的单个循环的曲线图；
[0047]图1IB是将图1OA的电流扫描波形图应用到该系统的一个光源的激光器时一个检测器信号的一个示例的曲线图，该信号可以由一个根据本发明的传授内容的气体传感器系统生成；
[0048]图12A是使用根据本发明的传授内容气体传感器系统从甲烷的检测得到的检测器信号的曲线图；
[0049]图12B是通过将基线拟合到图1lA中所展示的检测器信号数据以及将拟合的基线从其移除得到的甲烷的校正的信号的曲线图，并进一步展示了波峰对该校正的信号的特征的拟合质量；
[0050]图13是一组展示了假想的由于压强增宽导致的光谱改变的洛伦兹曲线；
[0051]图14是根据本发明的传授内容的用于进行测量中红外气体吸收的气体传感器的操作的方法的流程图；
[0052]图15是根据本发明的传授内容的用于根据本发明的传授内容的气体传感器的系统检查的方法的流程图；以及
[0053]图16是根据本发明的传授内容的用于使用测量中红外线气体吸收的气体传感器获取气体浓度数据的方法的流程图。
[0054]图17是根据本传授内容的检测和测量气体分子种类浓度的方法的流程图。
[0055]

【具体实施方式】
[0056]以下说明的提出是为了使本领域的任何技术人员能够进行和使用本发明，并且是在特定的应用及其要求的背景下提供的。对于本领域技术人员来说，对所描述的实施例的各种修改将是显而易见的，并且在此的一般原则可以应用到其他实施例。因此，本发明并非旨在局限于所示出的实施例和实例，而是要根据所示出和所描述的特征和原则而给予可能的最宽范围。为了更为详细地理解本发明的这些特征，请结合以下论述参照图1至图16。
[0057]系统配置
[0058]图1是根据本发明传授内容的气体传感器的一组外部视图，包括透视、前视和后视图。所展示的气体传感器系统10包括一个底架12，该底架容纳多个内部电子器件，计算机部件，激光器，光学器件，一个气体单元(测量单元)，一个真空泵，一个气体流量计，多个用于温度、压强和气体流动速率的传感器，以及多个关联的电子联接和气体管件互连。在外部，该系统可以提供一个用于指示仪器状态或气体浓度测量值的显示窗口 14、一个电源按钮18、一个电源指示灯16、一个交流功率电接头端口 24、一个BNC插套30和一个冷却风扇32。样品或校准气体是通过一个或多个气体引入端口 26a、26b、26c、26d提供的，并且在穿过该系统之后通过一个气体排出端口 27排出。一个内部气体歧管(未示出)可以从这些气体引入端口 26a-26d中的一个或多个接收输入样品或气体。可以采用这个任选的BNC插套30输出一个与气体浓度成正比的模拟信号。此特征可以被用于使该系统10的输出与更老的常规气体传感器兼容，这些气体传感器提供一个可以与一个数据记录仪或一个条带图形记录仪连接的模拟输出。
[0059]该气体传感器系统10可以内部地包括一个计算机系统的全部或大部分部件，比如一台个人计算机或台式计算机的内部部件，包括具有一个微处理器的母板、高速缓冲存储器、ROM存储器、随机存取存储器(比如硬盘、光盘驱动或闪存)、操作系统、控制软件等。相应地，系统10可以在其前面和后面板提供各种外部通信端口用于将信息发送给内部计算机系统或从其接收信息。例如此类外部通信端口可以包括通用串行总线(USB)端口 20a、20b，用于将键盘、外部存储装置等与该系统连接；一个以太网端口 22，用于将该内部计算机系统与一个外部网络或其他计算机连接，和一个VGA端口 28，用于为使用者提供详细的视觉信息显示。
[0060]图2展不了一个热外壳40,该热外壳被完全包围在该底架12内。该热外壳40可以包括一个盒子，该盒子由(例如)各种片状金属板制作而成，这个盒子为被包围在其中的各种光源部件、光学部件和气体单元部件提供了一个温度受控的环境。可以提供若干个温度传感器以对该气体传感器系统10的不同部分进行监测。这些温度传感器中的若干个可以被设置在该热外壳40的内部并且可以包括在该热外壳的内部的该气体单元中或上(下面进行说明)的两个或更多个传感器、至少一个用于监测该热外壳内部的空气温度的传感器、以及该热外壳内部的不同部件上的不同专用传感器(下面进行更详细的说明)。额外地，可以将一个或多个温度传感器定位在该热外壳的外部。所有此类温度传感器都被监测，并且另外，这些传感器输出中的一个(或多个)被用作对于该温度控制器模块52的反馈信号，该温度控制器模块控制并稳定该热外壳40的内部温度。该系统该包括不同的加热(或冷却)装置，这些装置对通过该温度控制器模块52或者通过专门用于局部控制该热外壳内的特定部件的温度的各种温度控制器提供的信号做出响应。在图4中更详细地展示的热交换器模块50包括一个用于控制该热外壳40内部的总体温度的这种装置。
[0061]总体上，独立于外部温度的波动将该气体传感器的这些光学核心部件保持在一个固定温度由于若干原因而有助于提高该气体传感器的精确度和长期稳定性。首先，如果气体温度发生变化，则气体吸收谱线的形状也变化。将该气体元件和这种样品气体维持在一个恒定温度消除了温度诱发的谱线形状变化，从而保证更精确和稳定地对吸收数据进行拟合。第二，保持温度恒定减少了与光学系统中非预期的或无意的光学标准具(etalons)或光学背反射关联的问题。非预期的或无意的光学标准具可能是由于(有时是在分分开较宽的光学部件上的)光学表面的偶然平行导致的，从而导致了透射通过两个表面的光的法布里-珀罗形状的(作为波长的函数)正弦干涉图案。这种效应可能导致吸收数据明显但虚构的周期变化，并且这些变化可以与感兴趣的真实吸收谱线相加或从其减去。由于气体浓度与吸收谱线的大小成正比，所以这些标准可能导致气体浓度不正确的测量。额外地，标准具可以随着温度移动或改变。结果是，时间相关的温度变化可能被错误地解释为气体浓度的时间相关的变化。通过稳定光学元件的温度，这些标准具中温度诱导的漂移被消除了，从而导致了更精确且随着时间更稳定的气体浓度测量。
[0062]该热外壳40的外部还可以作为用于各种其他部件的一个安装平台。例如，如图2中所展示的系统包括一个印制电路板42，该印刷电路板可以充当该系统中用于将功率和信号路由到其他不同部件以及从这些其他不同部件路由的交换和信号调节板。分离的内部系统计算机可以执行信息处理和系统控制功能，这个分离的内部系统计算机可以被容纳在一个分尚的盒子(未不出)中，这个盒子被安置在于该底架内部与该热外壳40相邻。板上内部系统计算机可以包括一个主控制器板以及其他常用计算机部件。所展示的系统进一步包括一个光检测器温度控制器板44、一个使气体在一个预定的减小的压强下流过该传感器系统的气体单元部分的气体真空泵或流量控制器46以及一个用于从进入的气体中消除微粒的气体过滤器48。不要求温度受控的环境的各种其他标准部件可以被容纳在该底架12内但是在该热外壳40外部或跨过该热外壳。此类附加元件(为了清晰的目的没有展示)可以包括一个电源模块、多个计算机存储装置(比如硬盘驱动或ROM芯片存储器)、计算机外设板(比如显示控制器或外部通信板)、电子电缆和互连、一个气体歧管和气体管件的各种长度段。可以在该热外壳40的一个或多个外部表面上设置一个加热带和关联的温度传感器(未示出)，以便控制监测热外壳外部的温度。
[0063]—个部分地安置在该热外壳40内并部分地安置在该热外壳外部的热交换器模块50安装在该热外壳盒子的一个部分。被用来将该热外壳内的内部空气温度恒定在±0.1开尔文以内的热交换器模块50由该温度控制器电子模块52控制，该温度控制器电子模块从附接到该热外壳40内的一个内表面的一个热敏电阻或热电I禹接收内部温度信息。该热外壳内的紧密温度控制由安置在该热外壳内的一种隔热材料辅助，如图3中所示，这种材料与该热外壳的外部板直接邻接。这种隔热材料帮助维持该外壳的内部与周围热隔离。这种绝热材料可以(例如)包括一种形成不同板(比如泡沫板53a-53h)的合成的泡沫材料，这些泡沫板在前面、后面、顶部、底部和侧面将内部体积包围在该热外壳中(注意，在图3中底部泡沫板是不可见的)。这种隔热材料的一个顶部部分的一部分内的一个切口 54与该热外壳盒的一个配套的切口(未示出)使得该热交换器50 —部分驻留在该热外壳内并且一部分驻留在该热外壳外。虽然未示出，可以在该热外壳盒和隔热材料中提供一个或多个额外的切口以允许电线和携带气体的导管(例如，通过附接到该热外壳盒的馈电导孔或管接头)进入该热外壳。
[0064]图4A到图4C展示了与该气体传感器系统的剩余部分隔离的一个示例性热交换器组件50的各种描绘。图4A示出了该热交换器组件50包括两个分离的组件(如可商购的)，一个第一风扇和散热器组件54a (在工作中被定位在该热外壳的外部)以及一个第二(可能一样的)风扇和散热器组件54b (在工作中被定位在该热外壳的内部)。这些第一和第二风扇和散热器组件被(例如)螺钉或其他紧固件附接到一个安装板55。该安装板55本身在最终的系统中类似地附接到该热外壳盒。
[0065]该第一风扇和散热器组件54a可以包括一个将该散热器部分包围的覆盖物56a。同样，该第二风扇和散热器组件54b可以包括一个将其散热器部分包围的覆盖物56b。这些覆盖物辅助对由关联的风扇在该散热器部分上的工作所产生的气流进行传送，以便辅助各散热器与流动的空气之间的热能交换。图4B描绘了相同的热交换器组件50，其中，这些覆盖物被移除以便显不该第一风扇58a、该第一散热器60a、该第二风扇58b和该第二散热器60bο图4B还展不了一个被安置在该第一 54a和第二 54b风扇和散热器组件之间的隔热板53J0该隔热板53j可以由一种合适的隔热材料(比如合成泡沫)构造而成，并用于部分地填充图3所示的主隔热材料的切口部分54。
[0066]图4C描绘了相同的热交换器组件50，其中整个第一风扇和散热器组件54a和该安装板被移除。图4C展示了一个热电冷却器(TEC)组件62被维持在与这些第一和第二散热器60a、60b之间并与其紧密热接触。例如，可以提供螺钉或其他紧固件以便固定该第一和第二散热器60a、60b两者，同时穿过该热电冷却器组件62的安装凸缘中的穿通孔以便将该热电冷却器紧紧束缚在这两个散热器之间。众所周知，施加流过热电冷却器的电流会造成热量被从该热电冷却器的一个“冷侧”抽到该热电冷却器的一个“热侧”。如果该“热侧”被暴露给一个维持在环境温度的温度存储器，则该热电冷却器将用于冷却与其“冷侧”热接触的材料的目的。然而，如果该“冷侧”被暴露给一个环境温度热存储器，则该热电冷却器也可以同样地充当一个加热器，导致对于暴露给其“热侧”的材料的温度上升到周围环境以上。可以通过简单地颠倒流过该装置的电流的极性将这些热和冷侧的位置颠倒。
[0067]在根据本发明的一个不例性气体传感器系统中，该热外壳40 (图2)内的空气体积被维持在一个高于周围环境的恒定温度。该温度控制系统可以被配置成将运行环境的运行温度维持在一个从约0°C到约70°C的范围，其中温度偏差为约+1°C或更少。在一个示例中，该运行温度可以被维持在约10°C到约60°C之间、约20°C到约50°C之间、或约30°C到约40°C之间。示例性温度偏差窗口可以包括运行温度的±1°C、±0.5°C或±0.1°C。
[0068]在不同的其他典型运行情况下，该热外壳温度被设定在35°C -40°C范围内，并且该温度被稳定在目标温度的±0.1°C以内。从而，该热电冷却器62 (图4C)被典型地运行，这样使得面向该热外壳的内部的一侧是“热侧”。诸位发明人已经确定使该热外壳的设定点温度上升到典型的室温(?20°C -25°C )以上有几点优势。第一，当运行在加热模式而不是冷却模式时，该TEC元件更高效。第二，将这些光学器件保持在升高的温度避免了发生在该热外壳内的光学元件上的水凝结问题(下面更详细地讨论了这些光学器件的详情)。最后，如果该外壳的设定点温度要被设定在环境温度附近，则该TEC元件可能会不利地反复循环在加热和冷却状态之间(当它行动以稳定该外壳温度时)。如果允许该TEC元件在这两个运行状态之间切换，可能会发生小的电毛刺、可能出现变动或其他波动，并且这些尖峰脉冲或波动可以传播给系统中的其他元件(例如，该检测器)。因为该传感器系统被设计成用于特别精确地测量非常小的吸收特征，这种类型的任何电子波动可能导致测量的气体浓度的明显改变或毛刺，从而导致不精确的测量。
[0069]图5A到图5C根据本发明的传授内容示意性地展示了气体传感器系统的可替代光学结构的三个示例。不应以任何方式将这些示意图解释为限制性的，因为这三个示例性实施例中所示的各种特征可以被组合或省略，以便根据本发明的传授内容产生其他实施例。例如，可能的实施例可以包括图5A到图5B中所展示的示例的各种组合、混合或另外修改的版本(缺少某些部件或者具有附加的部件)。图5中所示的实施例中的每一个总体展示了一个激光室模块70、一个光学室模块72和一个气体单元74。这组三个模块总体被完全地包围在该温度受控的体积内，该温度受控的体积被该隔热材料包围(图3)。
[0070]该激光室模块70产生一种输出光发射，该发射通过至少一个光导纤维或光纤缆(图5A到图5B中的纤维或缆线95，和图5B中的纤维或缆线98a_98b)优选地被引导到该光学室模块72中。在不同实施例中，该激光室模块70将相干的窄带宽中IR光发射作为一个输出生成，该发射的波长跨过目标气体的一个或多个旋振带是可调谐的。在不同的其他实施例中，该激光室模块在近IR或短波长IR产生两个复用的光发射，其波长被这样配置以使得可以在该光学室模块内的一个光学上非线性的晶体中产生一束中IR光，这样使得所产生的中IR光的波长跨过目标气体的一个或多个旋旋振动带是可调谐的。
[0071]该光学室模块72接收来自该激光室模块70的光发射，进行任何需要的对接收的光的调节和过滤，将接收的光引导到该气体单元74内(在这个气体单元内光被反射多次)，从该气体单元接收被反射的光并将其引导到一个光检测器。至少一个纤维光学器件馈送件250用来将光导纤维或纤维光缆(图5A到图5B中的纤维或缆线95和图5C中的纤维或缆线98a-98b)引导到该光学室模块中。该光导纤维或缆线将激光从该激光室模块递送到该光学室模块中。在图5A中所展示的实施例中，激光是具有波长λ 3的中IR光，并且因此在这个实施例中光纤优选地是一种具有充足的中IR透射特征的专用光纤(比如氧族化合物玻璃纤维)。在图5Β到图5C中所示的实施例中，所递送的激光是一束包括两个波长λ I和入2的复用光，这些波长被聚焦到该光学室模块72内的一个非线性晶体84中以便生成具有一个第三波长λ 3的中IR光。该光学室模块72内的其他部件可以包括一个或多个转向镜91a、91b，一个控向(steering)反射镜88，一个拾取(pick-off )反射镜90，一个聚焦凹面镜92和一个光探测器93。这些反射镜中的每一个和这个检测器可以与合适的安装和定位硬件相关联，以便将每个相应的部件对齐并且将该部件维持在其对齐的位置和取向中。该光学室模块内的光线路径用带箭头的虚线表示。
[0072]该检测器93可以包括一个光电二极管(比如基于砷化铟(InAs )、锑化铟(InSb)或碲镉汞(MCT))，该光电二极管具有对中红外辐射敏感的电子响应(作为光电流或者作为电压)。因为此类检测器的性能在低温的时候提高，该检测器可以被设置成包括一个内部热电冷却器和一个内部温度传感器(比如一个热敏电阻器)的一种可商购的套件。这个套件还可以包括一个信号放大器。在一个示例中，MCT检测器从该中IR光生成一个电流，并且该光电流被馈入一个将电流转换成一个正比的电压的跨阻抗放大器。可以在不同的离散时间点(例如1024个点)将该电压数字化。图1lB (下面更详细地讨论)提供了这样一个针对时间绘制的正比的电压的示例。
[0073]在该检测器套件中或上还可以包括多个电引线或弓I脚以便施加偏置电压(或反向偏置电压)以及测量一个信号电压或电流。这个套件还可以包括一个窗口以用于保护光敏元件。这些电引线和与该检测器的连接可以通过与一个多引脚电接头(未示出)电联接的内部导线或缆线(未示出)来提供。分离的电馈送件(未示出)和关联的导线(未示出)可以被用于提供与支撑在该晶体、滤光片和透镜组件上的一个热电冷却器和温度传感器的电连接。
[0074]该气体单元74在受控的减小的压强和受控的温度下通过一个气体引入端口(在图5中未示出)接收一种流动的样品(或其他)气体，将该流动的、压强减小的气体引导穿过一个气体单元体积，这样造成从该光学室接收的光多次穿过该气体单元体积中的该气体并且通过一个气体引出端口(在图5中未示出)将该气体排出。可以通过一个压强换能器76以及至少一个第一气体单元温度传感器78a (比如一个热电偶或热敏电阻器)对该气体单元内的压强和温度进行测量，该压强传感器和该气体单元温度传感器都可以通过侧端口接近该气体单元的内部。可以抵靠该气体的一个管道部分248的一个外表面安装一个第二温度传感器78b。该压强换能器出于监测和控制该气体单元74内的样品气体压强的目的将一个信号发送到一个控制器或软件部件或模块。该气体单元可以这样运行使得其中的一种样品气体的压强被维持在一个减小的压强(50-300托或6.666kPa-39.997kPa)，通常是26.664kPa。
[0075]该气体单元74可以包括能够沿着一个规定的路径将一束中红外光引导穿过一种气体的任何类型的气体采样单元，但是优选地为赫里奥特单元，在赫里奥特单元中光在一对(在气体流过的管道或管子74的对端)面对面的凹面镜94a、94b之间被反射两次或更多次。离光学室模块72最近的反射镜94a具有一个小孔(或者也可能是缺少反射镜镀层的一个小的表面部分)，这个小孔允许未衰减的光束从该光学室模块进入该气体单元，并且允许被衰减的光束返回到该光学室模块。穿过该气体单元的反射次数可以通过对控向反射镜88的位置和取向的调整进行控制。优选地，穿过该气体单元的反射的数目是结合考虑一个或多个目标红外吸收谱线的特定吸收率而确定的，这样使得到达该检测器的衰减的光束的光学功率在该检测器的线性的和相对无噪声的响应范围以内。
[0076]如图5中所示,该气体单元74可以包括一个包括一个管道248的赫里奥特单元，一个前端组件246和一个后端组件247被附接到该管道上。该气体单元74的该后端组件247可以通过一个气体引入端口 241接收该样品气体的一个输入流，并且还容纳该后部反射镜94b。该前端组件246可以包括一个安装支架以将该气体单元74附接到光学室模块72并且可以将该样品气体排出(在一些实施例中(例如，见图10A)通过一个气体引出端口242a)。在不同的其他实施例中(例如，见图10B)，该气体引出端口 242a可以是塞紧的，并且该前端组件可以直接将该样品气体排出进入该光学室模块72。该前端组件246还可以容纳内部的前方反射镜94a (该反射镜使得来自该光学室模块的激光能够传递进入该气体单元)、至少一次将来自该管道248的光反射回到该管道中，并且允许衰减的光返回该光学室模块72。
[0077]在第一种示例性系统配置中(图5A中所展示的)，该激光室模块70包括分别在波长λ I和入2产生激光发射的两个激光源81&、8113。优选地，这些激光源包括多个激光二极管。当该第一激光器81a包括一个激光二极管时，则这个第一激光二极管与一个第一激光二极管电流驱动器模块226a和一个第一热电冷却器驱动器模块227a两者电联接。同样，当该第二激光器81a包括一个激光二极管时，则这个第二激光二极管与一个第二激光二极管电流驱动器模块226b和一个第二热电冷却器驱动器模块227b两者电联接。这些热电冷却器驱动器模块227a、227b中的每一个运行以对关联的激光二极管的套件内的温度传感器进行监测，并且将电流驱动到该套件内部的一个热电冷却器以稳定该激光二极管温度。这些激光发射(可以穿过光纤尾纤的短长度)被准直透镜82a和82b发射到准直的自由空间光束中。这两束光束被一个光束组合器(复用器)83组合以便将两者在其电矢量的空间和取向两者重叠。该复用器83可以是一个基于反射/透射的波长复用器，在该复用器中，一个激光源被透射通过一个二向光滤光片，同时另一个激光源被该滤光片反射。这些激光源和滤光片这样取向，以便这两个激光源在该复用器的输出端口处组合成单光束。
[0078]这两个激光源(现在已被组合为单光束)然后被透镜86a联接到该非线性晶体84中。该非线性晶体是这种类型使得通过两个激光发射的电场的相互作用在该晶体内产生具有一个第三波长λ 3的一个共传播光。该非线性光学晶体84可被周期性极化，并被配置成用于对第一和第二激光束进行频率转换。例如，通过人为构建材料域，该周期性极化的非线性光学晶体84可实现基频光子及对应差频光子的相位或准相位匹配。该周期性极化的非线性光学晶体84可包括大量的晶体材料中任何一种，比如，例如磷酸钛氧钾(ΚΤΡ)、铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)以及II1-V材料。根据一个实施例，该非线性光学晶体84为具有约1mm至约60mm范围内长度的周期性极化的铌酸锂(PPLN)结构。
[0079]这两个激光源81a、81b和非线性晶体84被这样配置和运行使得波长λ 3与目标气体的中IR光谱吸收特征(例如，由该气体传感器作为目标的特定化学种类的振动光谱中的一个强吸收谱线)一致。如下面进一步讨论的，可以对波长λ 3进行调整以便通过(在一些实施例中)仅调谐这些源激光波长之一(λ I或者λ 2)周期性地扫过一个目标吸收谱线。在这样的情况下，该复用器83对于的一个优选的取向为使被调谐的波长(λ I或者λ 2)被该复用器的滤光片反射并且未调谐的激光源被透射穿过该滤光片。这种取向将可能导致吸收信号失真并导致被测气体浓度值的不精确的标准具效应。
[0080]在穿过该非线性晶体之后，使用一个吸收和/或反射性滤光片85，将这两个激光源的残光自中红外光束移除。该滤光器85可以包括一个光带通或边缘滤光片85,其将波长λ 3的光透射，同时拒绝波长λ I的光和波长λ 2的光。在一些实施例中，该滤光片85可是一片抛光的锗(具有或没有介电涂层以增强λ I和λ 2的反射性)或者在一个或两个面上具有介电涂层(以反射这两个激光源波长并透射波长λ 3)的透射性光学基板。该滤光片85还可被制成楔形以进一步减小该滤光片的输入光学面与输出光学面之间的光学色偏。例如，该楔形可为从约3°到约5°。在图5Α中所示的配置中，该激光室70的输出是一束包括通过光导纤维(或光缆)95投送到该光学室72的波长λ 3的光。在这个具体示例中，光导纤维95可以是单模或者多模。图5Α中所示的设计具有如下有利特性:通过简单替换该激光室模块，在该气体传感器可以被物理地配置成用于一种不同的目标气体的意义上，该激光室模块是完全可交换的。
[0081]仍然参照图5Α，λ 3波长光被透镜86b发射到一个光导纤维95中，并被该光导纤维95投送到该光学室模块72的内部，在该光学室模块内通过准直透镜87将这束光发射到一个自由空间准直光束中。该控向反射镜88引导该光束在一个合适的位置和角度通过一个中IR透明窗口 89并进入该气体单元74,在该气体单元中该光束通过被流过该气体单元74的一种样品(或校准)气体对该光束一部分的光学吸收而衰减。衰减的λ 3波长光沿着一条路径通过该窗口 89返回该光学室模块72，该路径与出射光束的路径略微偏移(该出射光束是从该控向反射镜跨越到该窗口的光束)。该略微偏移的衰减的光束通过一个捡取镜90进一步与出射光束的路径分离。在通过换向镜91a的可能的额外反射之后，所返回的衰减的光束通过一个凹面镜92聚集到一个光检测器93上。该光检测器可以是能够响应中IR光的任意合适的检测器，如众所周知的碲镉汞(MCT)检测器。
[0082]图5中所展示的第二示例性系统配置与图5A中所示出的区别在于该非线性晶体84和(必要地)该光学带通或边缘滤光片85被从该激光室模块70移到该光学室模块72中。这种配置消除了对该激光室模块内的自由空间光束传播区域的任何要求，从而从激光器81a发射的λ I波长的激光和从该激光器81b发射的λ 2波长的激光可以被一个光纤“尾纤”97a、97b的短长度透射到光纤的组合器或复用器96。该光纤的组合器或复用器96(可以与用于电信系统中的波分复用器类似)将两种波长的光复用到该纤维光缆95以便递送给该光腔模块72。在这个示例中，期望该光学组合器或复用器96将具有平行偏振的光束组合，并且光线尾纤97a、97b和纤维光缆95都包括单模保偏光纤，因为这两束激光都必须在进入非线性晶体84时被类似地偏振。虽然准直透镜87a被展示为位于该光纤95的末端的外部的分离元件，它可以替代地包括一个在该光纤的末端被合并到一个组件中的透镜，这样使得该光纤和透镜被一起集成为单个单元。
[0083]图5C中展示的第三示例性系统配置与图5B中所示出的区别在于这两个激光发射(包括波长λ I和波长λ 2)完全没有被组合在该激光室模块70而是被相反地发射到分离的各自的单模保偏光纤98a、98b。这两个光纤将这些分离的激光发射投送到该光学室模块72中，然后分别被准直透镜87a和准直透镜87b转换成准直的自由空间光束。使这两个光束被光束组合器83在一个朝该非线性晶体84的路径上的空间中叠加。这两个光纤98a、98b应该这样取向以便这些分离的激光发射的偏振在被该光束组合器83组合之后并在通过该非线性晶体84期间彼此平行。虽然准直透镜87a、87b中的每一个被展示为位于其关联的光纤的末端的外部的分离元件，这些透镜中的任意一个或两者可以替代地包括一个在该关联的光纤的末端被合并到一个组件中的透镜，这样使得该光纤和透镜被一起集成为单个单
J Li ο
[0084]图5C中所展示的系统配置具有如下优势:光导纤维98a、98b中的每一个的纤芯直径可以为通过它传播的相应的波长的模大小进行优化。这允许每个波长(波长λ I和波长入2)的光发射通过其相应的光纤传播，而没有光纤内的衰减或该光纤内的第二模的刺激造成的明显破坏。这提供了一个进一步的潜在优势，即不需要激光室模块70内的波长λ3的光的自由空间传播。
[0085]现在对该气体传感器中使用的光源的特性和特征进行讨论。根据本发明的传授内容的气体传感器可以采用差频生成(DFG)装置，在该差频生成装置中，通过将两个激光源在非线性晶体(比如周期性极化的铌酸锂(PPLN)晶体冲进行组合生成中红外光。在一个众所周知的方式中，在非线性晶体中会在两个输入激光频率之间的一个差频下产生相干光。描述这个过程的等式为:
[0086]f3=f1-f2,等式 2
[0087]其中，f1=输入激光频率#1，f2=输入激光频率#2，并且f3是DFG输出频率。等价地，按照激光波长的话:
I ^ 、
[0088]~ ~ 1T 等式 3a
H h λ2
[0089]其中，入丨和λ 2是两个输入激光波长,并且入3是0?6输出波长。该等式可以被重新整理为
[0090]λ3 = I 1 ；； a 等式3b例如，对于甲烷检测，两个源激光波长近似为1053nm

I人2 —人I )
和1554nm，这些波长通过差频生成在3.27微米左右产生中红外光。
[0091]这两个激光源可以是二极管激光器，二极管激光源具有的优势是作为可以通过温度和电流调谐频率的紧凑、高效、直接的发射器。二极管激光器具有几点额外的特征，当被用在根据本发明的传授内容的气体传感器中时这些特征提供了多种优势。第一，二极管激光器在包括一个集成的光隔离器和一个集成的保偏(PM)光导纤维(所谓的“尾纤”)作为输出的标准套件中能够容易地获得。如各种标准套件中设置的具有一个定位在该二极管激光发射器的输出小面附近的光隔离器有助于保持二极管激光器的输出强度和频率稳定并抵抗来自下游的光学表面的光学背反射造成的破坏。集成的PM光纤尾纤对于与下游光学部件的简单联接是有用的，尤其是在那些要求偏振保留的实施例中。第二，许多容易得到的激光器套件包括一个被定位为接近该二极管激光发射器以稳定该激光器的输出波长并将其变窄的波长选择元件(例如，体积全息光栅，又名体积布拉格光栅)。可替代地，该二极管激光器可以被设置成一个分布式反馈(DFB)激光二极管，在该激光二极管中该装置具有一个内置式周期性结构，该内置式周期性结构起作用以稳定该激光器的输出波长并将其变窄。可替代地，该二极管激光器可以是一个分布式布拉格反射器(DBR)激光二极管，由夹在两个布拉格反射器结构之间的激光二极管组成，在这种情况下，这些布拉格结构也起作用稳定该激光器的输出波长并将其变窄。仍第三个优势是，该二极管激光器的发射波长可以在一定限度内通过温度或者电流控制简单地调谐。
[0092]由于上面列出的优势，使用二极管激光器可以进行在一个3.0-4.8微米的典型中红外波长范围内具有一个非常窄的线宽度(通常为2MHz)的可调谐的中IR光的差频生成。如下面进一步讨论的，可以通过对这些源激光波长中的一个进行调谐来实现对中IR激光源的调谐。3.0-4.8微米的波长区域对于气体感应测量具有吸引力，因为感兴趣的气体的吸收强度在中IR中非常强，在比近红外区域(?1-2微米)内大10到10，000倍的数量级。如上述所产生的相干中IR光的特征可以是具有小于约1MHz的窄线宽度。在一个特定实施例中，该相干光束输出的线宽度可小于约2-3MHZ，或者可替代地小于约1MHz。该相干光束的线宽度作为以下宽度给出，例如，以频率表示的光谱的半最大全宽度(FWHM)。然而，如本领域普通技术人员所理解的，该相干光的线宽度可以可替代地以波数或波长表达。差频生成的中IR光的一些其他特征是:在30-60GHZ (或等价地，约1-2波数)左右的频率范围上的快速可调谐性以及在3.0-4.8 μ m (微米)范围内的运行波长。
[0093]可以通过改变DFB或DBR激光二极管的温度设定点对用差频技术生成的中红外光在波长进行调谐。改变激光二极管的温度会导致其输出波长偏移，这进而会在中IR激光波长中产生一个对应的偏移。激光二极管波长的这种温度调谐允许中IR激光波长被微调到测量感兴趣的吸收谱线所需要的准确波长。该激光二极管温度被一个位于该激光二极管附近的热敏电阻式温度传感器和一个上面安装该激光二极管芯片的热电冷却器(TEC)元件监测和控制。
[0094]额外地，可以通过仅将电流调制应用到这两个源二极管激光器中的一个而对该中IR激光器波长进行快速调谐。该电流调制应用到的激光器可以被称为“扫描激光器”。另一个激光器可以包括并可以被称为波长稳定型激光器。对二极管激光器的驱动电流进行调制产生对该激光器的输出波长的对应调制，该调制如上所述是对中红外线激光源的波长进行调制。这种类型的波长调谐是相当地高带宽的，产生一个可以在高频下扫描穿过多个吸收谱线的激光源。这些源激光器中的一个的这种电流调制所产生的中红外光的通常调谐范围为近似50GHz。
[0095]图6是根据本发明传授内容的气体传感器的另一个光源的详细图解。参照图6，提供激光源100是为了产生特征为在约4 μ m到约5 μ m的范围中的波长λ 3的中红外辐射或光。该激光源100包括一个第一激光器81a、一个第一光隔离器130a、一个第二激光器81b、一个第二光隔离器130b、一个复用器83、一种非线性光学晶体84 (被该复用器83光联接到这些第一和第二光隔离器130a、130b)、以及一个从该非线性光学晶体84沿光学路径下游的滤光片85。该第一激光器81a可以被配置成用于产生一个具有一个在约1500nm到约1650nm范围内的波长λ I的第一激光束,并且与一个第一光隔离器130a光联接,该第一光隔离器继而与该复用器83光联接。在所代表的实施例中，该第一激光器81a、该第一光隔离器130a、和该复用器83被光导纤维120a光联接。该第二激光器81b可以被配置成用于产生一个具有一个在约1120nm到约1200nm范围内的波长λ 2的第二激光束，并且与一个第二光隔离器130b光联接，该第二光隔离器继而与该复用器83光联接。在所表示的实施例中，该第二激光器81b、该第二光隔离器130b、和该复用器83被光导纤维120b光联接。该复用器83被配置成用于将这些第一和第二激光束组合以提供沿着一个共同光路被引导的组合的辐射的一个复用器输出。例如，沿着该共同光路被引导的该复用器输出可以通过将该复用器83配置成用于反射在波长λ I的第一激光束以及透射在波长λ 2的第二激光束而提供。该复用器83通过一个单光导纤维120c与该非线性光学晶体84光联接，该单光导纤维可以进一步包括一个聚焦元件(未示出)。该非线性光学晶体84输入沿着这些第一和第二激光束的该共同光路被引导的复用器输出，并输出一个相干光束，该光束包括在约4μπι到约5μπι的范围内一个波长λ 3处的一个基本的或主要的分量。该干涉光束继而穿过该滤光片85以将在原始波长λ 1、λ 2处的光的多个部分移除并将特征为波长λ 3的干涉光的部分输出。
[0096]该第一激光源100的第一激光器81a可为一个分布式反馈(DFB)激光器，其具有一种周期性地构造为衍射光栅的激光增益介质。DFB激光器内增益介质的周期性结构构成一维干涉光栅(布拉格散射)，这提供用于控制该第一激光器81a的光反馈。该DFB激光可在腔室的一端上具有一个抗反射涂层以及在腔室的相反端上具有一个高反射率涂层。替代性地，该DFB激光器可为一个相偏移DFB激光器，其具有被抗反射涂层所覆盖的两端并在腔室内具有相位偏移，如在腔室中心的单一的四分之一波偏移或者分布在该腔室内的多个较小的偏移。
[0097]在一个实施例中，该第一激光器81a可以是一个具有一种活性介质的二极管激光器，该激活介质由作为p-n结掺杂的半导体材料形成。在另一个实施例中，该第一激光器81a可以是一个光纤激光器(0FL)，在该光纤激光器中，增益介质是一种掺杂有稀土元素(比如铒、镱、钕、镝、镨、和钱)的光导纤维。
[0098]根据本发明的一个实施例，该第一激光器81a可以被配置成用于产生一个具有一个在约1500nm到约1650nm范围内的波长λ I的第一激光束。在更特定的实施例中，该第一激光器81a可以被配置成用于在约1500nm到约1600nm范围内的波长λ 1、在约1550nm到约1650nm范围内的波长λ 1、在约1550nm到约1600nm范围内的波长λ 1、和/或在约1550nm的波长λ I下产生辐射(B卩，发出激光)。
[0099]在一个实施例中，该激光源100的该第二激光器81b可以是一个量子点式半导体激光器。量子点式激光器是在其发光区域内结合有作为活性增益介质的量子点层的多种半导体激光器。由于电荷载流子在三维中的紧密限制，量子点展现出了类似于原子的电子结构，其中，可以通过控制量子点维度或量子点材料构成对能级进行调整。
[0100]一种示例性量子点激光器可以是具有一个1170nm左右的自由激射波长的一个亚瓦特级别的高度应变的InGaAs/GaAs，但是能够在一个从约1147nm到约1197nm的波长范围内被调谐。该量子点激光器可以进一步包括一个用于稳定该激光波长和将输出窄化为单模运行的外腔全息光栅。
[0101 ] 根据本发明的一个实施例，该第二激光器81b可以被配置成用于产生一个具有一个在约1120nm到约1200nm范围内的波长λ 2的第二激光束。在更特定的实施例中，该第二激光器81b可以被配置成用于在约1120nm到约1180nm范围内的波长λ 2、在约1150nm到约1200nm范围内的波长λ 2、在约1150nm到约1180nm范围内的波长λ 2、和/或在约1170nm的波长λ 2下产生辐射(即，发出激光)。
[0102]根据本发明的传授内容的实施例，该激光源100的该第一激光器81a和/或该第二激光器81b可以是可调谐的，其中，可以一种受控的方式在可能的波长的范围上对运行的波长进行改变或调整。该激光器81a和/或81b的可调谐性可以通过单个谱线、窄谱线、或多频带调谐实现。根据一个实施例，该第一激光器81a可以是可调谐的，同时该第二激光器81b在一个外腔构型中进一步包括一个外部波长选择元件。根据另一个实施例，该第二激光器81b是可调谐的，同时该第一激光器81a在一个外腔构型中进一步包括一个外部波长选择元件。根据又另一个实施例，这些第一和第二激光器81a、81b都是可调谐的。在一个特定实施例中，可以通过对于二极管激光器在固定结温度下调谐电流或者通过在固定温度下调谐激光器驱动电流实现可调谐性。
[0103]这些激光器81a、81b被激光器控制电子器件115控制，这些激光器控制电子器件可以被配置成用于如本领域普通技术人员所了解地提供调谐能力。这些激光器81a、81b可以被安装在蝴蝶状的套件中，这些套件本身被安装到一个电路板105。每个蝴蝶状的套件包括以单侧的或双侧的结构安装的多个弓I脚。
[0104]根据一个实施例，该第一光隔离器130a是在该第一激光器81a与该复用器83之间的该第一光路中，并且该第二光隔离器130b是在该第二激光器81b与该复用器83之间的该第二光路中。该第一激光源100的该第一激光器81a可以与该第一光隔离器130a光联接，并且该激光源100的该第二激光器81b可以与该第二光隔离器130b光联接。这些光隔离器130a、130b是仅在某个方向透射光同时在相反的方向阻断光前行(单向透射)的光学部件。这些光隔离器130a、130b的单向透射能力阻碍不想要的反馈进入各激光器81a、81b的增益介质，否则可能会扰动该激光器的频率和/或幅值输出。光隔离器130a、130b可为偏振相关或偏振无关的。根据一个实施例，该第一光隔离器130a被优化以用于在以约λ I为中心的光谱区中运行，和/或该第二光隔离器130b被优化以用于在以约λ 2为中心的光谱区中运行。在另一个实施例中，两个光隔离的激光器的输出都被优化以便直到注入该非线性光学(变频)晶体中的点为止类似地在偏振状态上对齐。
[0105]根据一个实施例，该第一光隔离器130a与该第一激光器81a的一个发射孔径以尽可能近的接近程度光联接。例如，到该第一光隔离器130a的一个输入131a可以与该第一激光器81a的一个输出联接器Illa的一个外部面紧密联接到几毫米以内。例如，以一个约0.0lmm到约5mm的距离Cl1，以一个约0.05mm到约2.5mm的距离，或者，以一个约0.1mm到约2mm的距离。根据另一个实施例，该第二光隔离器130b还可以与该第二激光器81b的一个发射孔径以尽可能近的接近程度光联接。例如，到该第二光隔离器130b的一个输入131b可以与来自该第二激光器81b的一个输出联接器Illb的一个外部面紧密联接到几毫米以内。例如，以一个约0.0lmm到约5mm的距离d2，以一个约0.05mm到约2.5mm的距离，或者，以一个约0.1mm到约2_的距离。该输出联接器Illa被配置成用于传输来自该第一激光器81a的增益介质的循环腔内式光学功率的一部分，以便在波长λ I处以第一激光束的形式产生一个有用输出。该输出联接器Illb被配置成用于传输来自第二激光器81b的增益介质的循环腔内式光学功率的一部分，以便在波长λ 2处以第二激光束的形式产生一个有用输出。
[0106]在这些个体激光器81a、81b中的每一个中，应该在个体的隔离的输出的光纤耦合之前，以与这些激光器的增益介质81a、81b尽可能近的接近程度来实现至少30分贝(dB)的光隔离。较近的接近程度减小了激光器81a、81b输出频率的激光模跳跃和/或不稳定性的可能性。具体地，需要较高的光隔离以防止反馈从下游的源进入该激光源，包括纤维成像光学器件、纤维端、非线性光学晶体准直光学器件、以及变频非线性光学晶体面和本体介质自身。
[0107]当存在时，一个外部波长选择元件(未示出)可以较近的接近程度与其相应的光隔离器光联接。相应地，一种外腔构型中的波长选择元件可以在一个约0.1mm到约5mm范围内的距离与其相应的光隔离器光联接。例如，该波长选择元件可以在一个约0.2到约3_的距离，或在一个约0.25mm到2mm的距离光联接。在一个实施例中，第二激光器81b在该外腔构型中包括一个外部波长选择元件，该外部波长选择元件在一个相对于该第二光隔离器130b的外表面约0.1mm到约5mm范围内的一个距离与该第二光隔离器130b的外部表面联接。
[0108]该复用器83可以分别通过第一和第二保偏光导纤维120a和120b与这些第一和第二光隔离器130a、130b联接以提供相对于与非线性光学晶体84关联的有利的轴进行偏振的复用器输出。进一步地，在另一个实施例中，该复用器83使用一个第三保偏光导纤维120c与该非线性光学晶体84光联接。
[0109]之前描述的由温度控制系统提供的热外壳的温度稳定作用运行以减小激光器的频率偏移以及在转换后的波长(λ 3)中维持恒定功率水平。温度稳定还有助于减小控制这些个体激光器温度和驱动电流的各种控制电子器件中的串扰。温度稳定还有助于将变频晶体保持在加热或者冷却模式中，减小了控制电路在两个模式之间切换的间隔。
[0110]在根据本发明的传授内容的不同典型实施例中，激光器81a、81b和非线性晶体84的运行温度本身(从局部意义上讲)独立于该热外壳的温度控制地被控制和被稳定。例如，可以独立于所有其他受控温度来控制每个激光二极管的温度，以便既调谐也稳定此激光器发射的光的波长。作为另一个例子，可以独立于其他受控温度对非线性晶体84的晶体温度进行控制，以进行这三个波长的高效相位匹配。如随后描述的，该非线性晶体可以被安装在一个专用底座上，该底座包括一个散热器、一个热电温度控制器以及一个温度传感器。在类似的方式中，可以将每个激光二极管安置在其自己的相似的专用温度控制底座装置上。然而，可商购的二极管激光器通常在集成套件中是可获得的，这些集成套件包括其自己的内部温度控制装置和温度感知元件。专用的电子逻辑电路可以与每个这样的温度受控的部件关联，以便接收一个表示该部件的温度的信号，并给该部件的温度控制元件提供控制信号(电压或电流)以便将感知的温度与各自设定点温度的偏差最小化。每一组专用电子逻辑电路可以与该系统计算机联通或可以被其控制。这些激光器、晶体和可能的其他部件中的每个的温度控制仅局部地影响每个各自部件的各自的瞬时环境。这些受控的部件温度对该热外壳整体体积的独立受控的温度几乎没有可测量的影响。
[0111]图7是根据本发明的传授内容的方法200的流程图，用于设计一种用于目标气体浓度的近红外线吸收测量的激光源。在步骤201中，首先标识了一组候选中IR吸收谱线。任何此类候选谱线都应该具有一个合适的比吸收率值。“合适的”比吸收率值是指当光通过在一个含有期望的目标气体浓度的气体单元内的一个可用的路径长度时产生百分比光衰减的比吸收率值，这个光衰减足够大以便在所检测的光强中产生一个可测量的下沉(dip)，但是不会大到以至于将所检测的光的量减小到零。合理的经验法则是，吸收的激光的百分比应该在约20%到80%范围内。该气体单元74内可用的路径长度近似为由2nL给定的一组值，其中，L是镜间距离，η是I和约30之间的一个整数，代表穿过该单元的往返的次数。候选的中IR吸收谱线在波长(或等价地，频率或波数)上还应该被充分地从其他气体(尤其是水蒸汽)的吸收特征去除，这样使得这些候选目标谱线与潜在干扰特征之间没有明显的重叠。
[0112]一旦在方法200的步骤201中对候选吸收谱线进行了鉴定，下一步骤(步骤203)是要鉴定(a) —个波长稳定的激光器、(b) —个扫描激光器和(C) 一种非线性晶体的适当组合，它们组合起来能够生成可以在这些候选吸收谱线中的一个或多个上被扫描的DFG波长。总体上，这些候选吸收谱线的子集将在这一点被消除，因为适当的硬件的组合(两个激光器和一种晶体)可能不是可得到的。如果从二极管激光器中选择两个激光器，则对于每种类型的二极管激光器，几种不同的标定发射波长可能是可获得的。进一步地，在正常操作期间大多数二极管激光器的发射波长可以在某个范围内调整或调谐。可以或者通过调整激光器温度或者驱动电流实现调谐。步骤203的目标是选择激光器和非线性晶体的组合，这样使得可以扫描这些激光器中的一个(扫描激光器)的波长，该扫描激光器的发射被输入到该晶体，这样使得该晶体产生的差频生成的中IR波长完全扫过或跨过一个候选吸收谱线。扫描也应当足够地宽以便包括足够宽的边界波长部分(在该吸收谱线部分的任意一侧并且与其邻近)，这些边界波长部分被从该吸收谱线中心充分地移除，这样使得可以计算出一个可靠的“基线”(参见下面的进一步讨论)。例如，如果％是吸收谱线特征的半波长(即，半最大全宽)，每个边界或基线波长部分应该包括一个从该谱线中心移开至少2wh的区域。
[0113]一旦鉴定了这些激光器和晶体，在步骤205中就提供一个使用已鉴定的波长稳定的激光器、扫描激光器和非线性晶体的气体传感器系统，以便产生中IR波长。在步骤207中，激光器运行温度和驱动电流被这样设置使得差频生成的发射波长被从吸收谱线的最大吸收波长移开某个预定的波长增量。该预定的波长差(相对于一个做为目标的吸收谱线的吸收最大值)充当扫过该吸收谱线(并且可能跨过其他吸收谱线)的后续波长的一个开始部分并且包括一个如上所述的界限或基线部分。预定波长差的选择保证了 DFG波长可以仅被扫描激光器的电流驱动的扫描在一个或多个吸收谱线上扫过。
[0114]使用类似于上述的方法，诸位发明人已经鉴定了对于CH4的检测近似3200-3400nm和对于C0、N20和CO2的检测4200-4700nm的波长范围。为了产生对于检测CH4有用的中IR光，分别可以采用在100-1lOOnm和1500_1600nm范围内发射的第一和第二激光器。为了产生对于检测CO或N2O有用的中IR光，分别可以采用在IlOO-1lOOnm和1500_1600nm范围内发射的第一和第二激光器。具体地，CO光谱在从近似4570nm到4650nm的范围内包括近似5-10个旋转分辨式的吸收谱线，这些谱线对于这一种类的测量(单独地或者组合地)是有用的。在另一个示例，N2O光谱在从近似4510nm到4555nm的范围内包括近似10个旋转分辨式的吸收谱线，这些谱线对于这一种类的测量(单独地或者组合地)是有用的。
[0115]图8A和图SB分别是根据本发明的传授的内容的不同实施例的一种晶体、滤光片和透镜组件252的示意性平面图和正视图。可以采用组件252将该非线性晶体84、激光滤片85和一个聚焦透镜87a关于彼此并关于该光学室模块72内的该光导纤维95保持在精确的位置。如所展示的，组件252包括一个安装板或平台260，该安装板或平台支撑一个非线性晶体84、一个激光谱线拒光滤光片85和一个准直透镜87b。在一个晶体固定器装置262内部被保持就位的该非线性晶体84也充当用于使得晶体的温度均匀和将晶体的温度波动最小化的热学散热器。该晶体固定器装置262被固定为与一个热电温度控制装置264热接触，该热电温度控制装置能够将该晶体固定器262和非线性晶体维持在一个预定温度。该晶体固定器262可以包括一个顶部构件266和一个底部构件267,这些构件一起将该晶体84在其间夹持就位。该晶体固定器、晶体、热电温度控制装置和安装板或平台可以被紧固件(比如螺钉)固定为紧密热接触。优选地，该晶体固定器装置262 (包括该顶部构件266个底部构件267)由一种具有高热导率的材料(比如铜)制成。
[0116]该激光谱线拒光滤光片85 (图8A到图8B)被安置在相对于从该晶体84出来的光束的路径的一个角度上，以便将波长λ I和λ 2的光从该光路反射离开，同时透射差频生成的波长λ3的光。该滤光片的两个面优选地彼此不平行(即，该滤光片略微楔形或横截面被制成楔形)以消除标准具干扰效应或使其最小化。在穿过该滤光片85之后，光λ 3光束被透镜87b准直以准备用于跨过该气体单元74。
[0117]该晶体、滤光片和透镜组件252还可以为递送激光室模块中生成的复用激光的光导纤维或纤维光缆95提供支撑和对准。该安装板或平台260上的一个支架269用于将该纤维95和聚焦透镜87a固定在相对于该非线性晶体的一个合适的光学位置，以便该激光可以完全沿着该非线性晶体84的整个长度传播。该安装板或平台260为图8A到图SB中所示的各种光学部件提供相对彼此的正确定位和对准。
[0118]图9是该气体单元74的前端组件246的一部分的透视图，示出了安置在一个安装凸缘99中的一个前方反射镜94a。来自该光学室模块72的中IR光和被引导回到该光学室模块的衰减的中IR光都穿过该前方反射镜94a的一小部分274。例如，该反射镜94a可以包括一个中IR透明基板，该透镜基板在一个面上具有一个反射镜镀层。那一面的一小部分可能没有反射镜镀层，由此允许光通过该未镀层的部分并通过该基板的一部分进入和离开该气体单元。可替代地，该光可以穿过一个孔，该孔完全通过该反射镜94a。这样的孔还会允许流动的样品气体从该气体单元穿过该前方反射镜排出。
[0119]图1OA到图1OB是根据本发明的传授内容的一个气体传感器内部的用于样品气体流的两种可替代装置配置和方法的示意性图解。图1OA到图1OB中的每一个以示意的方式展示了一个气体单元74和一个光学室模块72。虽然图1OA到图1OB中所示的光学部件安排与图5B中所展示的类似，光学器件的安排不需要如这些图中所示，但是可替代地可以包括如图5A到图5C中任意一个所示的光学安排或者可以包括此类光学安排的任意组合、混合或其他修改。
[0120]在图1OA中所展示的系统配置中，一个窗口 89被安置在该光学室模块72内部与该气体单元74内部之间，由此防止了该光学室模块和该气体单元之间的气体联通。该窗口89可以附加在该气体室模块的外壳的一个壁或该光学室模块的一个外壳的一个壁。在系统的组装期间，可以用一种惰性气体(例如，氮气)冲洗该光学室然后密封。从而，在图1OA中所示的配置中，该气体单元74和该光学室模块72与彼此流体地隔离。相应地，样品气体在到达该光学室模块之前通过该气体单元的前端组件246的一个气体引出端口 242a排出到排气管件(未示出)。该排气管件可以在其对端与一个真空泵连接，该真空泵的运行将样品气体维持在一个受控的减小的压强。使用此类配置，该光学室模块的内部可以被维持为一个密封的环境，以便防止精密光学元件被灰尘或其他微粒或腐蚀性气体污染或降级。
[0121]如图1OA中所展示的，该第一气流构型适合许多目的。然而诸位发明人发现某种分析物气体(比如，甲烷(ch4)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2))的测量准确度可以由该光学系统中的材料将相同的相应化学种类放气而受损。可以用在该光学室中并且可以有助于放气的常见材料包括:机加工过的裸铝、机加工且阳极化的铝、铜、不锈钢螺钉和垫圈、环氧树月旨、电路板、导线和缆线、润滑剂和润滑脂。诸位发明人发现，随着时间的推移，在使用密封的光学室的情况下，这些气体的浓度会增加。逐渐地，些背景干扰气体的累积可能促使将不希望的且显著的背景信号增加至来自于流过气体单元的样品气体的吸收信号。而该气体单兀74中的样品气体总体被维持在一个受控的低于周围的压强,该光学室模块72中的相同种类的污染气体将基本在环境(例如，大气)压强。因为中IR吸收谱线的谱线宽度在这些压强范围内对压强高度敏感，环境压强种类的存在将会导致较宽的背景吸收特征，该特征与目标吸收谱线的位置重叠并且随着时间的推移增加。
[0122]提供图1OB中的系统配置是为了解决潜在的来自排气种类的干扰问题。在图1OB中所示的气流配置中，该气体单元74和该光学室模块72的内部体积没有与彼此隔离。相反，这两个体积流体地连接，并且样品气体流过该气体单元并进入该光学室中。然后样品气体通过一个设置为穿过该光学室模块的一个壁的气体引出端口 242b离开该光学室，该气体引出端口在其对端与该真空泵连接。因此，使用图1OB中所示的系统配置，光学室模块内部被维持在与该气体单元的内部相同的压强，并且驻留在该光学室模块的光学通道中的气体被该样品气体连续地冲出。从而，光学室中的材料释出的任何背景干扰气体都不会累积。相反，这些背景气体被流动的气体样品冲出该光学室。相应地，这些干扰气体没有导致背景吸收信号的累积。
[0123]运行模式
[0124]争取红外透射率的高灵敏度测定的其他常规的基于激光器的系统采用了频率调制光谱法(FMS)。在FMS技术中，激光的发射频率被跨过吸收特征调制，并且产生的信号以傅里叶级数扩展。扩展的系数被表示为谐波。偶次谐波分别展示一个最大值，并且奇次谐波分别展示在一个吸收谱线的中心的零点交叉。除了样品气体单元之外，还采用了一个参考气体单元。该参考气体单元包含感兴趣的目标气体的一个样品。激光谱线到感兴趣的吸收特征的谱线中心的谱线锁定是通过监测透射过该参考单元中的气体的光的信号的三次谐波完成的。因此，这种技术需在采样腔之前将激光束分离。
[0125]虽然FMS技术可以提高灵敏度，它会造成一些实际的困难。如所提到的，要求一个参考单元。额外地，可能需要将包括本质上没有目标分析物气体的纯化的气体的“零”气体偶尔地冲过该样品单元，以便确定不存在感兴趣的吸收特征时系统的基线响应。灵敏度通常受可归因于系统的光学器件的干扰图案的限制。消除干扰图案的不同方法包括机械途径、专门的调制波形、专门的调制频率、多重调制频率。灵敏度可能还受限于激光强度的波动，以及(更重要地)第二谐波信号的背景水平。为了将这些波动考虑在内，可能要求第二检测器和额外的光路。
[0126]为了克服与提供参考气体、零气体、额外的单元、额外的光学器件和额外的检测器关联的额外费用、复杂性、空间和材料要求，诸位发明人开发了一种采用直接中IR吸收测量的方法和系统。该方法包括跨过一种目标气体的吸收特征反复地扫描差频生成的光的波长。图1lA是根据本发明的传授内容的应用到气体传感器系统的光源的一个激光器的、示例性的循环的激光电流扫描波形图的单个循环的曲线图。图1lB是将图1OA的电流扫描波形图应用到该系统的光源的一个激光器时可以生成的一个检测器信号的一个示例的曲线图。通常，这种循环的驱动电流只会被施加到一个激光器，因为可以通过改变激光器之一使差频生成的中IR波长变化。代表激光驱动电流相对于时间的循环波形300包括一个第一部分301a,在该第一部分中，没有向该激光器施加电流，相应地，该激光器不发光。该循环波形300还包括一个第二斜坡部分301b，在该第二斜坡部分中，激光器驱动电流通过控制电子器件从一个初始较低值线性地增加到一个较大结束值。可替代地，该激光器驱动电流在该斜坡部分可以从一个初始相对较大的值降低到一个较低的结束值。如仍在另一个替代方案中，该驱动电流可以先向上斜然后(随后)向下斜，以形成一个“锯齿”图案。其他的变化时可能的。该波形可以一定频率(例如，200-300HZ)应用。
[0127]驱动电流被调制的激光器的发射波长(或者λ I或者λ 2)和差频生成的波长(λ 3)与该驱动电流一齐变化。相应地，图1lB的水平轴不仅代表循环应用期间的时间还代表驱动电流变斜的时间期间的波长(或可替代地，频率)。波长在增加的激光器电流(和时间)的方向增大。因此，该曲线图从较高的光学频率(在时间=0)前进到一个较低的频率。从而在这个周期中测量的检测器信号(电压或电流，取决于检测器的类型和运行模式)的曲线图302代表如任何样品气体吸收或其他损失或随机“噪声”的叠加所修改的λ 3发射强度的记录。在波形300的每次重复中，该检测器信号在多个离散时间点(例如，1024个时间点)被数字化。
[0128]在驱动电流周期301a的没有施加驱动电流的这部分期间将不会存在激光发射。假设该检测器是光电导类型，在这些时间期间该检测器信号回复到一个非零背景电压V#e。该背景电压可以根据该检测器信号302的多个区段303a确定。在周期301b的驱动电流倾斜的这部分期间，使光源的发射波长和输出功率两者都变化，从而产生检测器信号的曲线图的总体倾斜的区段303b。当任何气体中IR吸收特征都不存在时，在该驱动电流周期的倾斜的部分301b期间获得的检测器信号的曲线图将会跟随总体倾斜的“基线”308的趋势(为了表现的清晰，在图1lB的两端都以外推的延伸示出)。随着变化(如通过任何系统损失而不是通过气体吸收改变的)的波长(当驱动电流倾斜时)，基线的趋势跟随激光发射功率的变化。系统损耗可能与多种因素相关，比如任何透镜和滤光片的透射效率、散射或杂散光损失和标准具效应，其中有一些可能是与波长有关的。
[0129]基线308中的所有或部分弯曲可能是由标准具效应导致的。为了减小标准具效应，该光束通道中的各种光学元件可以被制成楔形(例如，图5、图6和图8中所示的激光谱线拒光滤光片85)或者可以是倾斜的或者以另外的方式以对于该光束传播(例如，纤维端小面、各种透镜等)的一个角度成角度。虽然可以减小这种标准具效应，总体来说不可能将其完全消除。虽然如此，可以通过将一个多项式函数对弯曲的基线进行拟合来移除任何剩余的标准具效益，前提是这些标准具效应比较稳定，即不随时间的推移而变化。如之前所述的，温度稳定化可以稳定残留的标准具效应，由此保证多项式基线拟合以及因此后续的波峰拟合的稳定性。出于这个原因，提供了隔热的热外壳系统40 (图2和图3)和热交换器系统(图4)以便将所有的光学部件热隔离并且将其温度稳定到0.1K以内。
[0130]曲线图302代表来自一个信号波长扫描的假设的信号，可以在激光器电流从低到高(或从高到低)的单扫描中得到。对应于任何单扫描的检测器信号可以包括一个重要的随机“噪声”度，比如该检测器中生成的电子或热噪声。在实际中，在几次连续的扫描中得到的信号被共加和(co-added)，以便对噪声中的随机波动进行平均，并由此提高信噪比特性。目前可获得的二极管激光器能够在非常高的重复率下被电流调制。作为在本发明的传授内容中有用的一个示例，图1lA中所示的驱动电流图案可以一个200-300HZ的频率重复，从而每秒产生曲线图302的200-300个样本。当这些被共加和时，可以产生(比如如12A中所示的)一个所得到的干净的信号。
[0131]曲线图302(图11B)包括检测器信号中的两个假设的特征304和306，这些特征对应于一种或多种气体的各自的红外吸收谱线。此类吸收谱线在检测器信号相对于波长的曲线中在基线308的下方作为下降出现。如果空信号的恒定值Vws(Vtjffsrt)被从曲线图区段303b上每个点的纵坐标逐点减去，然后会产生一组点，这组点的纵坐标AV代表检测器对受检光的响应加上可以通过共加和而降低的噪声成分。该基线308可以被建模为一个多项式，该多项式拟合远离吸收特征304、306的点。同样，空信号的值Vws可以通过对区域303a中的值做平均而确定。让基线纵坐标值和在吸收特征的波长的Vws之间的差用AVtl表示，并且让实际信号值(衰减的信号)和在相同波长Vws的之间的差用Λ Vp表示(见图11Β)。
[0132]量AVtl (如上面定义的)代表对将在吸收特征不存在时观察到的光的检测器响应，并且从而避免了运行一个“空的”或“零气体”参考样品的需要。量△ Vtl代表对实际的衰减的光的检测器响应。相应地，通过仪器校准可以在比例(AVP/AV0)和透射率t之间建立一种关系，其中，t如在比尔-朗伯定律中所定义的:

I
I D ~~/? / N
[0133]t = ^~ = e等式3其中，Ici是输入到样品气体的光的强度或功率，Ip是
1
透射穿过该气体时的光的强度或功率，σ是每个粒子的吸收截面，I是穿过样品的路径长度，并且N是每单位体积的吸收性粒子的数目。总体上讲，真实的是
7P _avP
[0134]— = 0() +0\-—- 等式4其中，常数Btl和B1可以通过仪器校准使用(例如)
；0Δ? O
已知浓度的校准气体来确定。因为路径长度I由实验设计设定，且量σ从参考数据中可获得，所以可以计算出在实验压强下的量N。如果希望，可以使用理想气体定律将后者的量对环境压强进行校正。即使不准确地知道σ，但是可以精确地监测目标气体的浓度的时间上的变化。
[0135]上面描述的计算通常在共加和的数据上执行，以便改进信噪比。图12Α是根据本发明的传授内容使用气体传感器系统从甲烷的检测得到的检测器信号的曲线图310。图12Β的上部部分是甲烷的校正的信号的曲线图312，该曲线图是通过减去空信号，将一个多项式基线对数据拟合并将拟合的基线从原始检测器信号数据中移除而得到的。用在pl、p2和Ρ3表示的位置处的分离的部分分辨的吸收特征代表的三重吸收特征来自甲烷吸收，左侧的单吸收谱线来自水。在移除基线之后，图12Β的上部部分中所示的所有吸收特征可以用一组洛伦兹或佛依格特(Voigt)模型特征曲线进行建模。在图12B的下部部分中实际拟合的残留部分以高度扩展的纵向比例示为曲线314。然后匹配的特征曲线可以被用于计算上面讨论的量(AV1ZAVci)和(Λ Ιρ/Λ ItlX然后可以通过内部系统计算机和软件使用等式3自动计算甲烷和水浓度并展示给使用者。
[0136]上面涉及数据归约的讨论隐含地假设:吸收特征是充分良好分辨的(相对于相同或其他种类的吸收特征)从而是可测量的，这些特征可以被毫无歧义地指定给特定气体种类，这些特征可以被跨过其宽度充分地扫描以便能够进行充分的基线拟合和光谱特征曲线拟合，并且这些吸收特征在其位置和形状方面是可再现的。红外吸收谱线仅可以在绝对零压强和绝对零温度下得到其近似15MHz的理论最小谱线宽度。在有限温度和有限环境压强和低于周围的压强下，气体的实际IR光谱的谱线宽度正比于绝对温度的平方根并直接正比于压强P而拓宽。旋转分辨式的谱线在298K的固有线宽(B卩，不存在明显的压强宽化时多普勒拓宽的线宽)可以取决于感兴趣的种类的分子量从几十MHz到几百MHz变化。叠加于该固有线宽之上，压强宽化可以为近似几兆赫每托。谱线中心位置的漂移也可以随着压强和温度的变化而发生，但是此类漂移的效果远小于宽化的效果。
[0137]由于上述注意到的线宽的温度和压强依赖性，可能要求样品气体温度和压强的严格控制以防止用于计算光吸收强度的模型峰值拟合的计算中让人难以接受的高度不确定性。图13中所示的计算结果展示了吸收特征曲线对压强的灵敏度，其中，在不同压强示出了由两个相邻吸收谱线所导致的透射率光谱包络(envelope)。这些计算(其结果在图13中展示)假定了两个假设性谱线的存在，这些假设性谱线间隔开1000MHz的、300MHz的固有(SP，多普勒拓宽的)线宽度，并且它们的线宽度(半最大全宽或FWHM)都以速率2.6MHz/托增力口。这些多普勒拓宽的线宽度Λ ω与甲烷(16Da的质量m)的吸收谱线一致，将近3.17nm(约94.6THz的频率ω )，根据下列等式在313° K的温度T计算的
Λ ΛΙ I /ιγ\?/2
[0138]-= — 2In 2- ο 等式 5 线宽拓宽速率 2.6MHz/托与 Predo1-Cross 等
m c\ m j
人(《分子光谱学杂志)，2006年，第236期，201-205页)提供的若干甲烷中IR谱线的实验测得的压强拓宽系数的平均值一致。从而，图13中所展示的假设性光谱提供了一个当样品气体(本质上包括空气加甲烷)的压强改变时预计紧密间隔的甲烷中IR谱线的包络会怎样改变的示例。使用在零压强的限制下预计将会发生的分量高斯线计算图13中所示的最高的曲线。其他的曲线使用伪佛依格特特征曲线(具有相同的FWHM值的高斯曲线和洛伦兹曲线的平均值)计算。
[0139]图13的下面的三个框中的曲线316和317代表压强拓宽的分量线特征曲线，曲线318代表计算为这两个分量特征曲线之和的光谱带或包络。不同光谱包络的基线(100%透射)作为水平线319示出。顶部框中的分量谱线特征曲线(极限压强为零)与包络难以分辨，并且因此没有示出。图13中所展示的光谱吸收包络示出当压强从OkPa上升到39.997kPa时线分辨率的快速丧失。在53.329kPa的压强(未示出)，在这两条谱线的位置之间该包络基本上是平的(在所展示的比例)。同样要注意的是谱线中心位置随着压强有一个较小的偏移。在甲烷的情况下，该偏移比压强拓宽小一个数量级并且因此在图13的描绘中被忽略。
[0140]在本示例中(图13)，压强拓宽是这样，使得FWHM线宽变得与在39.997kPa的压强下的谱线分离近似相等。从而，在这个压强，(例如)曲线316的幅值或峰面积的峰拟合计算，当干扰峰317存在时，可能不具有期望的0.1%精度。随着增大的压强，谱线增宽速率甚至可以比图13中的曲线所显示得更快，因为谱线形状的洛伦兹特性程度可以随着压强增大。洛伦兹特性的增加可能导致峰翼超过实验探测到的光谱范围的边缘，从而同样增加基线拟合的不确定性。相应地，样品气体压强应该被维持在或低于一个压强，在这个压强下期望的波峰FWHM等于平均谱线宽度，(在所展示的情况下)低于近似39.997kPa。
[0141]在增大的压强下分辨率的损失表明了希望维持低样品气体压强。然而，出现了为最适压强提供下限的额外的考虑。第一个考虑是，为了维持最大的仪器便携性和最小重量，真空泵不应该太大。因此，在真空泵送能力与系统大小和重量之间必须实现折中。出于以下情况出现了第二个考虑:实际上，气体单元中的吸收性分子的数量将会随着减小的压强而降低，从而导致吸收包络318在零压强与基线319合并，并且从而将可用信号熄灭。(要注意的是，在图13中光谱包络的纵刻度被标准化，以便看起来高度相同)。因此，样品气体压强必须被维持在某个最小压强以上，例如，在一个13.332kPa以上的压强。由于所表示的线谱幅度、线谱形状和线谱宽度对这个范围内的压强的灵敏度，该压强应该被维持在一个恒定压强(优选地一托(133.3Pa)以内)。
[0142]图14是根据本发明的传授内容的用于进行测量中红外线气体吸收的气体传感器的操作的方法的流程图。在一个第一步骤中(步骤321)，分配了足够的时间以允许激光器、检测器、非线性晶体、气体单元和隔热外壳的温度稳定，以及(可能地)，以允许充分地冲洗气体单元并且允许其压强稳定。在下一步骤(步骤322)中可以进行系统检查操作(例如，见图15)。如果步骤323中确定系统检查导致错误，则可能需要终止启动程序(步骤324)。如果没有错误，则在一个可选步骤(步骤325 )中，可以通过在一个具体的专用气体弓I入端口打开一个阀将一种校准或参考气体引入该系统以便在后续步骤中的检测。如果目标气体在周围环境中是可得到的以便由该气体传感器容易地检测或鉴定，则这个步骤可以忽略。在下一步骤(步骤326)中，通过使用用于控制一个激光驱动电流的默认波形来扫描DFG发射波长，可以进行初始的或初步的数据收集步骤。该初始数据收集步骤是通过该驱动电流扫描来保证期望的吸收特征存在并被正确地定位在该光谱窗口内的一个勘测步骤。在步骤327中，对所收集的数据的吸收特征进行鉴定。该步骤可以包括各种数据归约或操纵过程，比如光谱共加和、基线校正或曲线拟合。该步骤还可以包括自动检测吸收特征的存在及其位置。在后续的决定步骤(步骤328)中，将鉴定的波峰的所确定的位置与预定的期望的位置进行比较。如果吸收特征不在一定的容差内发生在期望的位置，则方法320分支到步骤329，在该步骤中，以一种方式对激光器电流特征曲线进行调整以便在该光谱特性曲线内将所鉴定的吸收特征带到期望的位置。可选地，该方法可以返回到步骤326以验证调整成功。如果在步骤327中观察到的波峰的确在容差范围内发生在期望的位置，则步骤320结束。
[0143]图15是根据本发明的传授内容用于监测测量中红外气体吸收的气体传感器方法的流程图。图15中示意性展示的方法340包括若干测量、比较和决定步骤，即步骤342、344、346、348、350、352、354、356、358和360。在这些步骤中，对该系统内的不同传感器的读数进行询问，并将每个相应的读数与标定的或期望的值进行比较，其中比较的结果被用作给一个关于接下来执行哪个步骤的决定的输入。例如，对系统温度(系统T)、样品气体温度(气体T)和样品气体压强(气体P)进行测量并将其与各自的标定或期望值分别在步骤342、步骤344和步骤346进行比较。该系统温度可以由一个隔热光学室模块内的一个或多个热电偶或热敏电阻器测量。该样品气体压强可以由一个压强传感器测量，该压强传感器与一个气体单元内部处于流体联通。进一步地，可以分别在步骤348和步骤350对该第一激光二极管芯片的温度(激光器1T)和从该激光二极管芯片发射的光的功率或强度(激光器I功率)进行测量并将其与标定的或期望的值进行比较。该温度和功率可由一个板上温度传感器和光检测器进行感知，该温度传感器和光检测器作为包含该激光二极管芯片的一个集成套件的一部分被包括。同样，可以分别在步骤352和步骤354对该第二激光二极管芯片的温度(激光器2T)和从该第二激光二极管芯片发射的光的功率或强度(激光器2功率)进行测量并将其与标定的或期望的值进行比较。
[0144]在方法340的步骤356、步骤358和步骤360中，可以对用于通过差频生成提供光的非线性晶体的温度(晶体O、光检测器的温度(检测器T)和一个检测器空信号进行测量并将其与各自的标定或期望的值进行比较。可以用(例如)包括在一个热电冷却器或热电温度控制器模块的一个温度传感器提供晶体温度，该晶体与该热电冷却器或热电温度控制器模块热接触。该检测器温度可以由一个温度传感器提供，该温度传感器作为一个集成的检测器套件的一个冷却部分被包括。
[0145]在方法340的之前讨论的步骤中，如果在之前执行的测量、比较和决定步骤中，相关的测量值被确定为与一个标定或期望值或值的范围不一致，可以提出或设置一个计算机可读的存储器“标志”。例如，如果在测量、比较和决定步骤(步骤342)中发现系统温度与标定温度值或温度范围不一致，则执行过程分支到步骤343，在该步骤中提出或设置了一个“系统T”标志。否则，执行过程继续到下一测量、比较和决定步骤(步骤344)。同样，在步骤345、步骤347、步骤349、步骤351、步骤353、步骤355、步骤357、步骤359和步骤361中的一个或多个中可以提出或设置多个特定标志。每个这种标志可以包括一个计算机可读的信号或存储器值(比如一个信号线电压或一个存储器位值)，该计算机可读的信号或存储器值传达关于特定的相应的传感器测量的信息。设置一个标志以后，执行过程可以分支到步骤362，在该步骤中，可以提出警告并且该方法结束。
[0146]要注意的是图15中的方法340中列出的步骤不需要在所示出的序列中执行，并且实际上根本不需要顺序地执行。例如，步骤342、344、346、348、350、352、354、356、358和360的一个或多个组可以由多个专用电路、处理器、固件模块或软件模块并行执行(或许同时地)。每一个这种步骤可以包括多个反馈和控制机制(或许通过专用电路、处理器、固件模块或软件模块执行)作为正常控制系统的一部分。在这种情况下，关联的“标志”步骤(即，步骤343、345、347、349、351、353、355、357、359和361中的一个)可以仅在标定控制(例如，温度、压强、或信号水平的一定标定范围内的成功控制)失败时执行。
[0147]图16是根据本发明的传授内容用于使用测量中红外气体吸收的气体传感器获取气体浓度数据的方法380的流程图。在第一步(步骤382)中，可以进行系统检查(比如图15中所示的方法340)以确定系统是否准备好或能够获取数据。在步骤384对系统检查的结果进行评估，如果提出任何警告或标志(从而指示可能的错误或问题)这将执行过程分支到步骤386。步骤386可以再执行下列动作中的一个或多个:提出一个进一步的警告、为实体(比如一个人)提供出错通知或者终止测量。如果没有错误或问题，则执行步骤388，其中(例如)本文件中之前描述的方法需要一个直接测量的吸收光谱。在步骤390中，最近获得的光谱被加和到之前的光谱的运行中的和中，即光谱被共加和多次(N)以便改进信噪比。(相应地，执行过程可能循环回到步骤388N-1次。)
[0148]一旦在在步骤388和390中得到光谱数据，在步骤392中鉴定吸收特征。如果已知某些光谱特征将一直(比如，由样品的性质)存在并且它们将会一直在光谱数据内的某些位置出现(比如，通过已知的系统温度、气体压强、激光温度、激光功率和非线性温度的成功稳定)，则可以跳过该步骤。否则，如果没有跳过步骤392，则它优选地自动地或以自动的方式执行(如由自动分析光谱数据以确定峰的存在性及其数量和位置(如果存在)的软件)。在步骤394中，确定了光谱基线是否足够强(例如，通过达到其整个跨度内的某个强度阈值)。无法达到这样一个阈值可以表明系统光学器件没有对准，这样使得没有足够的光达到该检测器或(可能地)检测器本身的故障。从而，如果基线不是足够强，则执行过程分支到出错步骤386。否则，执行过程前进到步骤396，在该步骤中确定了所观察到的光谱特征是否如预期的。在这个意义上，期望的是特定数目的峰将会存在并且将会出现在该光谱内的一定位置。如果不是这种情况，则该激光器波长可能已经漂移出范围之外并且可能有必要进行重校准，从而导致分支到该出错步骤386。
[0149]在步骤398中，使用从峰位置充分移开(例如，两个或三个峰半宽)的数据中的点对基线进行了多项式的拟合。在步骤400中，将合成的拟合的基线从该数据移除以便生成基线校正的数据，如通过将多项式函数从原始数据简单地逐点减去。在步骤402中，使用(例如)基线校正的数据对合成的洛伦兹或佛依格特特征曲线的最小二乘法拟合来计算对观察到的光谱特征的合成拟合。在步骤404中，基于在步骤402中计算出来的合成特征曲线的面积来计算IR吸收值(以及对应的目标气体种类的浓度)。在步骤406中，例如通过将当前气体种类浓度显示在一个显示屏上或将各种数据和结果存储到一个文件而将结果报告或存储。通常，可以连续重复整个方法380 (可能一秒钟很多次)，以便提供相对于时间连续的目标气体浓度以(例如)通过等式I计算竖直通量。
[0150]图17用于是检测和测量气体分子种类浓度的方法500的流程图。可以在从一种环境中得到的气体样品中对分子种类进行测量，这种环境(比如室外环境或可能地室内生产环境)具有其自己的周围压强或温度。在步骤502中，提供了一个中IR光源。所提供的中IR光源应该具有的特性是:可以造成从该光源发射的光的波长跨(或扫)过目标气体分子种类的旋转分辨式的吸收谱线的波长范围。所提供的光源可以包括两个(或更多个)二极管激光器，这些二极管激光器发射不同于近IR光谱区域内的波长(或等价地，频率)的光。例如，该步骤可以包括如下步骤:提供一个能够提供一个第一近IR光的二极管激光器，该第一近IR光具有一个在第一频率范围内的第一频率；提供一个能够提供一个第二近IR光的第二二极管激光器，该第二近IR光具有一个在第二频率范围内的第二频率，以及提供一个可操作以接收这些第一和第二近IR光并生成中IR光的非线性晶体，其中，可以在该第二频率范围内对该第二近IR光的频率进行调谐，并且其中，这些第一和第二频率范围是这样，使得这些第一和第二频率之间存在一个运行性地可获得的差的范围，该范围跨越旋转分辨式的吸收谱线的一个频率范围。
[0151]在方法500的步骤504中，提供了一个气体单元。在步骤506中，提供了一个温度稳定的光学系统以引导中IR光进入并穿过该气体单元，并且随后在离开该气体单元之后到达一个光检测器。作为不例之一，该温度稳定的光学系统可以包括一个隔热外壳；该隔热外壳内的光学系统的多个部件；一个在该隔热外壳内或者该外壳的一个孔径内的加热器或加热器，该加热器用于为该隔热外壳提供热量或者将热量传递到该隔热外壳中或从中传递出来；带有该隔热外壳的一个温度传感器；以及与该温度传感器和该热电元件处于电联通的温度控制器电路，该温度控制器电路基于从该温度传感器接收的电子信号给该热电元件提供电流。如之前所描述的，该热交换器在该隔热外壳的一个孔径中可以包括一个热电元件以及(可能地)一个第一和一个第二散热器和风扇组件，这些散热器和风扇组件与该热电兀件热接触并且分别被安置在该隔热外壳的外部和内部。
[0152]在方法500的步骤508中，提供一个系统，该系统用于将流过在一个小于周围压强的压强下的气体单元的一种样品气体的压强稳定到一托(I托或133.3Pa)以内。作为示例之一，所提供的系统可以包括一个样品气体引入端口，在该气体单元的与环境处于流体联通的一个第一端；一个样品气体引出端口，在该气体单元的一个第二端；与该样品气体引出端口并与一个样品气体排出端口处于流体联通的真空泵；一个与该气体单元的内部处于流体连接的压强换能器；以及与该压强换能器和该真空泵处于电联通的压强控制器电路，该压强控制器电路可操作以造成该真空泵的泵送速率基于从该压强换能器接收的电子信号而变化。可替代地，该压强控制器电路可以与一个流体控制器(比如，一个可变的气体计量阀)处于电联通以控制经过该气体单元的流动速率以及从而控制该气体单元内的压强。
[0153]在方法500的步骤510中，提供了一种用于将流过样品气体单元的样品气体的高于周围的温度稳定在一度开尔文(IK)以内的系统。该步骤可以包括(例如)如下步骤:在该隔热外壳中提供该气体单元；以及使该温度控制器将该隔热外壳的内部维持在样品气体温度。
[0154]在方法500的步骤512中，使包含感兴趣的气体分子种类的气体样品在低于周围的样品气体压强和高于环境的样品气体温度流过该气体单元。当该气体样品以这种方式流过时，操作该中IR光源(步骤514)，这样使得中IR光的波长反复地扫过旋转分辨式的吸收谱线的波长范围。步骤514可以包括反复执行的以下子步骤:设置该光源的一个运行参数以便消除从该光源的中IR光的发射；设置该运行参数以便引起该光源发射包括一个起始波长的光；以及改变该运行参数以便引起所发射的中IR光波长从该开始波长到一个结束波长连续地变化，其中该开始波长和该结束波长跨越旋转分辨式的吸收谱线的波长范围。可选地，可以增加一个第四子步骤，这个稍后的子步骤包括改变该运行参数以便使所发射的中IR光波长从该结束波长连续地变化回该开始波长。明显地，这个子步骤顺序的许多其他变化或增加是可行的。在方法500的步骤516中，运行该光学系统以便使该发射的中IR光穿过该气体单元中的样品气体并被其衰减，并且以便使衰减的中IR光传到该光检测器。当该气体样品流过该气体单元(步骤512)并且当该波长被扫描过(或被导致跨越)该吸收谱线(步骤514)时执行这个步骤。
[0155]在该方法500的步骤518中，在多个离散的数据点中的每一个用该检测器对衰减的中IR光进行检测，每个这种数据点对应于跨过该吸收谱线进行波长扫描期间(步骤514)、当该气体样品流过该气体单元(步骤512)时以及当该中IR光穿过该气体单元中的气体样品并被其衰减时(步骤516)相应的波长。步骤518造成比如图1lB中所示的光谱的反复生成，每个这种光谱包括该多个数据点，例如多对由下列各项组成的数字:在单个波长扫描或跨过感兴趣的吸收谱线期间生成的一个代表时间的数字和一个代表在那个相应时间的检测器信号的数字。每一次反复扫描期间得到的光谱可以加起来(即，共加和)以便生成一个具有改进的信噪比特性的结果光谱。
[0156]在随后的步骤520中，用该多个数据点构建吸收谱线的直接吸收光谱。步骤520可以包括下列子步骤:确定对应于无中IR光发射的一个空检测器响应(例如，图1lB中的量Vws);从该多个数据点逐点减去该空检测器响应；用一个或多个旋转分辨式的吸收谱线的波长范围之外的该多个数据点的一个子集来拟合一个模型多项式基线(例如，图1lB中的线308);并且从在每个相应数据点的波长处计算的拟合的多项式的值逐点减去该多个数据点中的每一个的值。可以使用共加和的数据如图12A中所示地执行这些子步骤。结果是一个包括如图12B中所展示的直接吸收谱线的校正的检测器信号。最后，在步骤522中，根据直接吸收光谱确定气体分子种类的浓度。这个步骤可以包括将模型曲线对图12B中所示的透射率谱进行拟合以及使用拟合的模型曲线的参数，例如一个拟合的模型曲线的幅度或由该曲线包围的(即，数学积分的)总面积。
[0157]结论
[0158]在此披露了一种新颖的气体传感器系统、多种用于感应气体种类的方法以及多种用于运行气体传感器系统的方法。该气体传感器可以测量的种类的示例包括(但是不限于):甲烷、CO2 (以及0)2的同位素)、水蒸汽、C0、N20和COS。用于这种测量的气体样品通常由大量气体的混合物组成；例如，例如测量空气的一种成分的浓度是一种常见应用。作为一个示例，空气中的甲烷的周围浓度为十亿分之(PPb) 2，000，并且使用一种根据本发明的传授内容的气体传感器，空气中的甲烷浓度可以一个近似±lppb的精度确定。因为信号在长时间区间取平均，该传感器可以实现低至约十亿分之(PPt)五十的检测灵敏度。
[0159]根据本发明的传授内容的气体传感器能够在近似一万分之一(0.01%)的量级测量吸收特征。为了实现这个高灵敏度水平，该传感器合并了大量保证稳定和准确测量结果的特征。用于实现这个高灵敏度的气体传感器的不同元件包括下列:(a) —个窄带可调谐的中红外激光源；(b) —个温度和压强稳定的多反射气体单元；(c) 一个温度稳定的光学检测器；(d)用于提供气体单元温度和压强稳定作用的真空泵、压强传感器和流体控制器；(e)一个光学系统，用于将中红外激光从该激光源路由到该气体单元并用于接收(在传递经过该气体单元后)从该气体单元回来的光并且用于将该光路由到该检测器；(f) 一个隔热的温度稳定的热外壳，将该中红外激光源、该气体单兀、该光学系统和该检测器激光波长包围；以及(g) —个计算机或其他一个或多个逻辑控制器，用于从该光检测器获取光强并对其分析，从该压强传感器接收温度和压强信息，以及稳定温度和压强。计算机或这个或这些逻辑控制器可以包括用于监控和稳定激光波长，用于系统校准，用于监控温度、压强和激光输出，和用于获取、展示和存储数据的方法。
[0160]如在此和在所附权利要求书中所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数的参考物，除非上下文另外清楚地指示。同样，术语“一个”(或一种)、“一个或多个”和“至少一个”在此可以互换使用。还要注意的是术语“包括”、“包含”、“特征在于”和“具有”
可以互换使用。
[0161]虽然已经通过对其一个或多个实施例的说明解释了本发明，而且虽然已经以大量的细节说明了这些实施例，但是，它们并非旨在将所附权利要求书的范围限定或以任何方式来限制在此类细节中。对本领域的技术人员而言另外的优点和更改将是容易想到的。因此，本发明在其更广义的方面中并不限于这些具体的细节、代表性的产品和方法、以及所示出并说明的示意性实例。
【权利要求】
1.一种气体传感器系统，用于检测和测量在具有周围温度和周围压强的环境内的气体分子种类的浓度，该系统包括:气体单元，该气体单元可操作以从该环境接收样品气体；真空系统，该真空系统与该气体单元流体地联接、可操作以将该气体单元内部的该样品气体维持在小于该周围压强的预定压强；光源，该光源可操作以提供进入该气体单元以便被透射通过其中样品气体的中红外光，其中，该中红外光的波长与该气体分子种类的旋转分辨式的吸收谱线一致；以及隔热外壳内部的光检测器，该光检测器可操作以接收透射穿过该气体单元中的样品气体的该中红外光；该气体传感器系统的特征在于: 具有该气体单元的所述隔热外壳，该光源和该光检测器被安置在其中； 热源或热交换器，该热源或热交换器可操作以影响该隔热外壳的内部的温度； 压强传感器，该压强传感器可操作以感知该气体单元内的该样品气体的压强；以及控制系统，该控制系统与该真空系统并与该压强传感器电子地联接的、可操作以将在该预定压强下的该气体单元内的该样品气体维持到一个133.3Pa以内。
2.如权利要求1所述的气体传感器系统，进一步地特征在于: 温度传感器，该温度传感器可操作以感知该气体单元内的该样品气体的温度；以及控制系统，该控制系统与该热源或热交换器并与该温度传感器电子地联接的、可操作以将在预定温度下的该气体单元内的该样品气体维持到一度开尔文1° K以内。
3.如权利要求2所述的气体传感器系统，其中，该预定温度大于该周围温度。
4.如权利要求2所述的气体传感器系统，其中，该预定温度在约30°C到约40°C之间的范围内。
5.如权利要求2所述的气体传感器系统，进一步地特征在于，该热源或热交换器包括被安置在该隔热外壳的孔径内的热电元件，该热电元件可操作以将热传递到该隔热外壳内或者将热传递到该隔热外壳外。
6.如权利要求5所述的气体传感器系统，进一步地特征在于，第一和第二散热器和风扇组件，这些组件与该热电元件热接触并分别被安置在该隔热外壳的外部和内部。
7.如权利要求1所述的气体传感器系统，进一步地特征在于: 该隔热外壳内部的激光器模块，该光源被安置在该激光器模块内部； 该隔热外壳内部的光学模块，该光检测器被安置在该光学模块内部，该光学模块与该气体单元光联接；以及 光导纤维，该光导纤维与该光源模块并与该光学模块联接，其中，该光导纤维可操作以将该中红外光从该光源引导到该光学模块中。
8.如权利要求1所述的气体传感器系统，进一步地特征在于: 该隔热外壳内部的激光器模块，包括: 第一和第二激光器，这些激光器可操作以分别提供具有第一波长的第一近红外光和具有第二波长的第二近红外光；以及 与该第一激光器并与该第二激光器光联接的波分复用器WDM，该波分复用器可操作以从其接收这些第一和第二近红外光； 具有第一端和第二端的光导纤维，该第一端与该WDM光联接并且可操作以从其接收这些第一和第二近红外光；以及 该隔热外壳内的光学模块，并且该光检测器被安置在其中，该光学模块包括: 光学非线性晶体，该光学非线性晶体与该光导纤维的该第二端光联接并且可操作以从其接收这些第一和第二近红外光以及通过差频生成来生成该中红外光；以及 滤光片，该滤光片与该非线性晶体光联接并且可操作以透射该中红外光同时阻断这些第一和第二近红外光的透射， 其中，该滤光片与该气体单元光联接，这样使得在运行中该中红外光透射通过该滤光片到达该气体单元。
9.如权利要求8所述的气体传感器系统，其中，该气体单元与该光学模块流体地联接，这样使得在运行中该样品气体从该气体单元流到该光学模块中。
10.如权利要求8所述的气体传感器系统，进一步地特征在于: 温度传感器，该温度传感器可操作以感知该气体单元内的该样品气体的温度；以及控制系统，该控制系统与该热源或热交换器并与该温度传感器电子地联接、可操作以将在预定温度下的该气体单元内的该样品气体维持到一度开尔文1° K以内。
11.如权利要求8所述的气体传感器系统，其中，这些第一和第二激光器分别包括第一和第二二极管激光器并且进一步地特征在于: 激光二极管电流驱动器，该激光二极管电流驱动器可操作以对供应给这些第一和第二二极管激光器之一的驱动电流反复地调制，这样使得该中红外光的波长反复地跨过该旋转分辨式的光吸收谱线的波长范围； 数字化器，该数字化器与该光检测器的输出电联接，这样使得该光检测器的输出在该驱动电流的每次调制期间在多个离散的时间点中的每一个处被数字化，以便产生与直接吸收光谱对应的多个数字检测器信号值；以及 数字记忆存储装置，该数字记忆存储装置可操作以存储该多个数字检测器信号值。
12.如权利要求1所述的气体传感器系统，进一步地特征在于: 该隔热外壳内部的激光器模块包括: 第一激光器，该第一激光器可操作以提供具有第一波长的第一近红外光；以及 第二激光器，该第二激光器可操作以提供具有第二波长的第二近红外光； 具有第一端和第二端的第一光导纤维，该第一端与该第一激光器光联接并且可操作以从其接收该第一近红外光； 具有第一端和第二端的第二光导纤维，该第一端与该第二激光器光联接并且可操作以从其接收该第二近红外光； 该隔热外壳内的光学模块，并且该光检测器被安置在其中，该光学模块包括: 光束组合器或复用器，该光束组合器或复用器与该第一光导纤维的该第二端并与该第二光导纤维的该第二端联接，并且可操作以分别从这些第一和第二光导纤维接收这些第一和第二近红外光； 光学非线性晶体，该光学非线性晶体与光束组合器或复用器光联接并且可操作以从其接收这些第一和第二近红外光以及通过差频生成来生成该中红外光；以及 滤光片，该滤光片与该非线性晶体光联接并且透射该中红外光并且阻断这些第一和第二近红外光的透射， 其中，该滤光片与该气体单元光联接。
13.如权利要求12所述的气体传感器系统，其中，该气体单元与该光学模块流体地联接，这样使得在运行中该样品气体从该气体单元流到该光学模块中。
14.如权利要求12所述的气体传感器系统，进一步地特征在于: 温度传感器，该温度传感器可操作以感知该气体单元内的该样品气体的温度；以及控制系统，该控制系统与该热源或热交换器并与该温度传感器电子地联接、可操作以将在预定温度下的该气体单元内的该样品气体维持到一度开尔文1° K以内。
15.如权利要求12所述的气体传感器系统，其中，这些第一和第二激光器分别包括第一和第二二极管激光器并且进一步地特征在于: 激光二极管电流驱动器，该激光二极管电流驱动器可操作以对供应给这些第一和第二二极管激光器之一的驱动电流反复地调制，这样使得该中红外光的波长反复地跨过该旋转分辨式的光吸收谱线的波长范围； 数字化器，该数字化器与该光检测器的输出联接，这样使得该光检测器的输出在该驱动电流的每次调制期间在多个离散的时间点中的每一个处被数字化，以便产生与直接吸收光谱对应的多个数字检测器信号值；以及 数字记忆存储装置，该数字记忆存储装置可操作以存储该多个数字检测器信号值。
16.如权利要求1所述的气体传感器系统，进一步地特征在于该光源包括: 第一和一个第二二极管激光器，这些激光器可操作以分别提供具有第一波长的第一近红外光和具有第二波长的第二近红外光；以及 光学非线性晶体，该光学非线性晶体与该第一和该第二二极管激光器两者光联接，以便接收该第一和该第二近红外光两者以及通过差频生成来生成该中红外光；以及 滤光片，该滤光片与该非线性晶体光联接并且可操作以透射该中红外光同时阻断这些第一和第二近红外光的透射， 其中，该滤光片与该气体单元光联接，这样使得在运行中该中红外光被透射穿过该滤光片到达该气体单元。
17.如权利要求16所述的气体传感器系统，进一步地特征在于: 激光二极管电流驱动器，该激光二极管电流驱动器可操作以对供应给这些第一和第二二极管激光器之一的驱动电流反复地调制，这样使得该中红外光的波长反复地跨过该旋转分辨式的光吸收谱线的波长范围； 数字化器，该数字化器与该光检测器的输出电子地联接，这样使得该光检测器的输出在该驱动电流的每次调制期间在多个离散的时间点中的每一个处被数字化，以便产生与直接吸收光谱对应的多个数字检测器信号值；以及 数字记忆存储装置，该数字记忆存储装置可操作以存储该多个数字检测器信号值。
18.如权利要求1所述的气体传感器系统，其中，该中红外光的波长在近似3.0微米到4.8微米的范围内。
19.如权利要求18所述的气体传感器系统，其中，该气体分子种类是甲烷CH4，并且该旋转分辨式的吸收谱线的中心波长在近似3.2微米到3.4微米的范围内。
20.如权利要求18所述的气体传感器系统，其中，该气体分子种类选自下组:一氧化碳CO、一氧化二氮N2O和二氧化碳CO2，并且该旋转分辨式的吸收谱线的中心波长在近似4.2微米到4.7微米的范围内。
21.如权利要求18所述的气体传感器系统，其中，该气体分子种类是一氧化碳CO，并且该旋转分辨式的吸收谱线的中心波长在近似4.57微米到4.65微米的范围内。
22.如权利要求18所述的气体传感器系统，其中，该气体分子种类是一氧化二氮N2O,并且该旋转分辨式的吸收谱线的中心波长在近似4.510微米到4.555微米的范围内。
【文档编号】G01N21/00GK204086105SQ201290000803
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2012年8月22日 优先权日:2011年9月9日
【发明者】J·J·谢雷尔, J·B·保尔, H-J·约斯特 申请人:塞莫费雪科学（不来梅）有限公司