专利名称：具有反射器的光声气体传感器及优化该反射器型廓的方法
技术领域：
本发明涉及一个光声气体传感器具有一个测量单元和一个参考单元，一个发射器装置和一个微音器装置用于测量在测量单元和参考单元之的压力差，其中该测量单元具有一个进入窗口用于该从发射器装置发出的射线以及该发射器装置具有一个光源以及一个使这从光源发出的光线聚焦在测量单元中的反射器。
背景技术：
为了能够将尽可能多个这样的传感器不用另外的辅助供能而可以连接到一个共同的中央单位上则要求，这些传感器具有一个尽可能低的能量消耗。换言之这就意味着，每个传感器被提供相对较少的功率，因此该传感器信号是相对较弱的，从而必须找出在能量消耗和伩号-/噪声比之间的一个平衡。一个为了解决这一任务的可能方案在于，提高该发射器装置的效率和使该发射器装置之尽可能多的射线到达该测量单元中。
在开头所称类型之迄今公知的光电气体传感器中要么没有设置用于提高该发射器装置之效率的措施或者应用了通过平面镜或通过抛物面镜构成的反射器。对此例如在DE-A-4018393中仅仅提及了描述的光声气体传感器，该发射器装置包含一个红外线发射器。
发明内容
现在通过本发明应该提供一个开头所称类型的光声气体传感器，它的发射器装置具有一个尽可能高的效率，为的是，该气体传感器可以尽可能低的能量消耗地运行。
这个任务按照本发明如此解决，即该发射器装置被安置在该测量单元的进入窗口之尽可能的邻近，并且该反射器具有一个椭圆体形的结构造型以及由相互无缝地过度的并通过对中的椭圆体分段构成的弧段所构成。
本发明气体传感器的一个第一优选实施例之特征在于该光源通过一个微型白炽灯构成并且轴向地被安装在传感器中。
一个第二优选实施例之特征在于该反射器由金属或镜面化的塑料构成。
本发明还涉及一个用于最优化设置所称反射器之型廓的方法。这个方法之特征在于如下的步骤a，将光源的顶点定位在一个离该测量单元之进入窗口的确定小的间距上，b，确定这由光源通过进入窗口直接进入到测量单元(1)中的光线，c，如此地确定该反射器之型廓的这些单个的弧段以使从每个弧段进入该测量单元中的光线最多化，d，确定从整个反射器射入该测量单元中的光线，和e，移动该光源之顶点的位置并重复该步骤b至d直到找出该反射器的一个最佳的型廓，其中该按照步骤b和d所确定的光线份额之总和达到一个最大值。
确定该反射器之型廓的这些单个的弧段通过加下的步骤实现a，确定该反射器之与光源相邻的、里边的起始点，(确定)该第一弧段的宽度和一个在该测量单元之轴线上安置的第一点；b，通过所述里边的起始点设置一个椭圆体，它的第一焦点位于该光源之螺旋丝位置上，并且它的第二焦点通过在该测量单元的轴线上的所述第一点构成；c，在轴向上移动该所称的第一点到一个第二点的位置上，其中该从第一反射器弧段射入测量单元中的光线是最多的，因此在反射器之型廓上一个第二点被确定，该点离所述里边的起始点具有一个和该第一弧段之宽度对应的间距；d，确定该第二弧段的宽度并且通过在反射器之型廓上所称的第二点设置一个椭圆体，其中这个椭圆体的第一焦点通过光源之螺旋丝构成，並该第二焦点通过在测量单元之轴线上所称的第二点构成；e，在轴向上移动该所称第二点到一个第三点位置上，其中从第二反射器弧段射入测量单元中的光线是最多的；因此在反射器的型廓上一个第三点被确定，其离该反射器上的所称第二点具有一个和该第二弧段之宽度对应的间距；f，重复步骤d和e直至该反射器的型廓完整了。
所称的在光源之顶点和测量单元之进入窗口之间的小间距优选地计为不大于3mm。
下面借助一个实施例和附图详细地解释本发明。它表明图1是一个本发明光声气体传感器的分解图，图2是图1之气体传感器的一个细节图，图3是一个用于解释该气体传感器之制造的一个第一示意草图，图4是一个用于解释该气体传感器之制造的一个第二示意草图，和图5是图1之气体传感器的一个细节的截面图。
具体实施例方式
在图1中描述的光声气体传感器包括一个测量单元1，一个参考单元2，一个在这两个单元1和2之间安置的双向差值微音器3，一个与测量单元1对应配置的微型白炽灯4和一个带有一反射器24的反射器壳体5(图5)以用于将由微型白炽灯4发出的射线聚焦到一个‘在该测量单元1之面对该微型白炽灯4的那側壁上安置的’窗口上，在其中安装一个红外线-带通过滤器6。测量单元1和参考单元2在结构和尺寸设置方面绝对是等同的。不仅该测量单元1而且该参考单元2在一外侧壁上都设有一个通孔，其中安装一个透气的膜片7及7’。该差值微音器3被安装在一个微音器印刷(电路板)8上并且相对该差值微音器3的两个侧面各设置一个密封结构9(有选择的)。该微型白炽灯4同样被安装在一个灯印刷(电路板)上，其以参考编号10标明。
基于从微型白炽灯4发出之射线的发射功率和聚焦的原因，该反射器壳体5尽可能地被安置在测量单元1的附近，但是不需要强制性地与这个相联系。出于光学上的考虑和由于该微型白炽灯4之螺旋丝的定向，该最后者(微型白炽灯)被安装在该气体传感器的纵向轴上。该微型白炽灯4被焊接在该灯印刷(电路板)4上，其与反射器壳体5牢固地连接。该反射器24被如此设置，以便它使得该微型白炽灯4之进入到测量单元1的射线最多化。它(反射器)由对中的椭圆体分段构成，其是相互无缝地过度的并且其中每个(椭圆体)本身将该微型白炽灯4之这些进入的光线最佳地聚焦到测量单元中。
该微型白炽灯4发射一个直至红外线区域中的宽光谱的光线；在大多数情况中对于气体检测应用一个在红外线区域中的光谱线。该红外线-带通过滤器6具有一个对于所要检测之气体表明特征的并为一个窄光谱带形式的通过区域，该光谱带适合于证明处在4.25μm的CO2，处在10μm的NH3和处在3.4μm的CH4。这种要被证明的气体通过两个透气的膜片7和7’到达该测量单元1中及参考单元2中。这在测量单元1中存在的气体通过该微型白炽灯4之调制了的光线被照射。该气体就吸收该光射线并因此自身加热。由此产生一个热力膨胀并且根据该光射线的调制产生一个周期性的压力波动，因此引起一个声学的压力波，它的强度处于相对该气体浓度的直接比例关系中。
从外部到达该膜片7，7’上的干扰声则通过这些(膜片)被减弱地各以等同的强度出现在测量单元1中和参考单元2中。这种干扰声因此直接地在微音器3之膜片上得以补偿，同时不会产生大的必须以电子技术被消减的信号。因为在该微音器膜片的两个侧面上占有这同样的压力波动，故在这个(膜片)上存在一个对因干扰声引起之信号的直接地物理消减作用，所以该微音器膜片根本就不会被偏移。该微音器膜片因此直接地提供这个‘通过该气体在测量单元1中引起的’声学压力以及进而那要寻找的浓度。
该微音器3是一个所谓的“噪声消除”微音器，如它在移动电话中应用的那样。当这个微音器作为差值微音器应用并被安装在两个声学上实际封闭的单元-亦即在测量单元1和参考单元2-之间时，表明很好的是，(具有)按所提任务要求来加工处理的特性。
在图2中描述了该微音器3的截面图。这个按照附图包括一个单側敞开的壳体G并为一个盒件的结构形式，它的底部由该微音器的前面侧形成。在这个底部中设置了(一些)通孔11用于声音通过以到达这‘在壳体10之底部和一个金属-反电极(Backelektrode)12之间被夹紧的金属化塑料制成的’微音器膜片13。该壳体18的这側壁是在该微音器的背側面处被包围卷边的并且固定住一个背壁14，其被设有小的补偿孔，所谓的反向孔(Back Ports)并且在它的面对该金属-反电极12的内側面上载有一个FET16和在它的外侧面上载有两个圆形电极17和19。
该补偿孔15对于低的频率来说是足够大了并且使得该微音器3的频率特性直至下边的角频率(Eckfrequenz)变平坦了。这个下边的角频率是通过该膜片13的电容和所应用的阻抗转换器的输入电阻确定的并且处在明显地低于10Hz，优选在1和4Hz之间，因此该信号在工作频率为大约20至30Hz情况下被该下边的角频率只有非实质性地影响。
该微音器3被固定在微音器印刷(电路板)8上，其具有一个环槽19用于该微音器3之卷边的定位，环形的接触腹板20和21用于两个圆形电极17及18，以及一个环槽22带有几个从环槽的基底通过微音器印刷(电路板)8导引的通孔23。通孔23和环槽22能使空气及声音从外部进入到该补偿孔15去，同时不用这些(15)必须被对准在微音器印刷(电路板)8上任何-哪些通孔上。
该微音器3和微音器印刷(电路板)8不需要在装设时被对准定向，因此能实现一个容易应用机器手的装配。该装配还通过该环槽19被简便化，其(19)导引该微音器3以它的壳体卷边在定位时自动地进入该正确位置上。该圆形电极17和18与该印刷电路极17以导电环氧树脂(Leitepoxy)相粘接并电气连接。测量单元1，参考单元2和反射器壳体5的外轮廓是连续不变的，因此这些构件可以作为连续轮廓成本低廉地拉制形成并且所必需的加工被降低到一个最小量。
在该气体传感器之制造方法的框架内实现该传感器之这些单个构件的制造/制备，亦即该反射器壳体5，两个用于测量单元1和参考单元2的单元本体，带通滤波器6，微音器3和微型白炽灯4。该带通滤波器6被粘接到测量单元1中并此后该微音器3被安装在微音器印刷(电路板)8上。测量单元1和参考单元2最好由铝或锌压铸件构成。
接着，这些构件被组装为一个由图4表示的测量模件M，其通过图3中描述的堆叠加工-程序列(Batch-Stapelverarbeitung)实现。其中总是一个参考单元2与该被装备的微音器印刷(电路板)8，测量单元1，这包含反射器24的反射器壳体5-其中安装了该微型白炽灯4-和被装设的灯印刷(电路板)10被连接为一个堆叠件，这个既可以通过粘接实现或者通过压紧一起地实现。在该第一种情况下该密封结构9(图1)是不需要的，因为通过粘接连接该单元本体1和2的内部已被密封了。该压紧在一起则借助一个在传感器的纵向上(图3中箭头的方向)起作用的弹性机构例如一个夹子实现。
接着，在该制成的测量模件M之测量单元1和参考单元2中装入该膜片7，7’并且最后将该测量模件M装设到一个模件印刷(电路板)P上，这个可以通过粘接或焊接实现。这个予先装配的测量模件M是完整的和有功能的并且可以首先作为单元被检测的，然后它被装设在该模件印刷(电路板)P上。该测量模件M可以作为辅助-模件(Sub-Modul)如一个结构件一样地被接合在任何其他的印刷电路板上，同时对于该微音器3，反射器24和微型白炽灯4不会产生容差或定位问题。
图5以一个明显放大的截面图表明了该测量单元1，带有反射器24的反射器壳体5以及带有微型白炽灯4的灯印刷(电路板)10。该微型白炽灯4被焊接在灯印刷(电路板)10上并且通过其长度的一部分被导入到该反射器壳体5的一通孔中，其(通孔)上对着该测量单元1去地连接了该反射器24。灯印刷(电路板)10和反射器壳体5是相互稳固连接的。按照描述情况在该灯印刷(电路板)10上固定一个连接销25，其被挤压到一个在反射器壳体5中设置的钻孔26中。按照图中描述该测量单元包括一个被安置在一壳体中的测量室K，其在它的面对该反射器24的前側面上通过该红外线-带通过滤器6所封闭并且在它的后侧面上过度到一个为容纳该差值微音器3而设置的扩孔27中。
该反射器24作为优选直接由反射器壳体5向外地被加工成并且由金属或镜面化的塑料构成。重要的是，该反射器表面的红外线-光学特性经过设计的使用寿命例如10年仍保持稳定不变。
为使该反射器24的型廓最优化，该微型白炽灯4的顶点S之位置被确定在一个‘离该测量单元1之这个载有红外线-带通过滤器6的进入窗口’为例如最大3mm的间距上。并且由此这直接由灯螺旋丝W通过该进入窗口射入到该测量单元1中的光线被确定了。然后，该反射器型廓之里边的直接在微型白炽灯4旁的起始点R0，该第一反射器弧段E1的宽度以及一个在该测量单元1之轴线上安置的第一点F0就被确定了。最后，通过该反射器型廓之这里边的起始点R0设置一个椭圆体，它的第一焦点(Brennpunkt)位于该微型白炽灯4之螺旋丝W的位置上并且它的第二焦点通过在该测量单元1之轴线上的该第一点F0构成。然后该第一点F0在轴线上被如此长地移动到一个第二点F1的位置上，直至这微型白炽灯4之被反射器弧段E1聚焦到测量单元1中的光线是最多的。通过这些步骤该点R1在反射器型廓上被确定了，该点离所述里边的起始点R0具有一个与该第一反射器弧段E1之宽度对应的间距。
接着该第二的反射器弧段之宽度被确定并且通过在该反射器24之型廓上的该点R1设置一个椭圆体，其中这个椭圆体的该第一个焦点通过该微型白炽灯4的螺旋丝W构成并且该第二焦点通过在测量单元1之轴线上所述的第二点F1构成。此后该第二点F1在轴向上被移动到在该传感器轴线上一个第三点的位置上，在这个位置上该由第二反射器弧段射入到测量单元1中的光线是最多的。因此在反射器24的型廓上一个另外的点被确定，其离该点R1具有一个和该第二弧段之宽度对应的间距。
以此方式另外的反射器弧段被确定直至该反射器24的型廓被完整了。
该直射光和通过该反射器24之(折射)光的相加就在测量单元1中获得这全部的光线以用于这个第一的最优化设计。接着人们移动该灯顶点S并且又执行这些已述的步骤直至找出一个最佳的，完整的型廓。在一个简单的实施结构方案中该反射器24通过一个单独的椭圆体构成。
权利要求
1.光声气体传感器具有一个测量单元(1)和一个参考单元(2)，一个发射器装置和一个微音器装置以用于测量在测量单元(1)和参考单元(2)之间的压差，其中该测量单元(1)具有一个进入窗口(6)用于从发射器装置发出的射线和该发射器装置具有一个光源(4)以及一个将从光源(4)发出的光线聚焦到该测量单元(1)中的反射器(24)，其特征在于该发射器装置被尽可能近地安置在该测量单元(1)的进入窗口(6)上，并且该反射器(24)具有一个椭圆体形的结构造型和由相互无缝地过度的并通过对中的椭圆体分段构成的弧段(E1)组成。
2.按权利要求1的光声气体传感器，其特征在于该光源(4)通过一个微型白炽灯构成並被轴向地安装在传感器中。
3.按权利要求1或2的光声气体传感器，其特征在于该反射器(24)由金属或被镜面化的塑料构成。
4.按权利要求1-3之一的光声气体传感器，其特征在于该光源(4)被安置在这个椭圆体的回转轴线上。
5.用于最优化设计权利要求1之反射器(24)型廓的方法，其特征在于如下的步骤a，将光源(4)的顶点(S)定位在一个离该测量单元(1)之进入窗口(6)之确定小的间距上，b，确定由光源(4)通过进入窗口(6)直接进入到测量单元(1)中的光线，c，确定该反射器(24)之型廓的这些单个的弧段(E1)，以使从每个弧段(E1)进入该测量单元(1)中的光线是最多的，d，确定从整个反射器(24)射入该测量单元(1)中的光线，和e，移动该光源(4)之顶点(S)的位置并重复该步骤b至d直到找出该反射器(24)的一个最佳的型廓，其中该按照步骤b和d确定的光线份额之总和达到一个最大值。
6.按权利要求5的方法，其特征在于在光源(4)之顶点(S)和测量单元(1)之进入窗口(6)之间所被确定的小间距计为最多3mm。
7.按权利要求5或6的方法，其特征在于确定该反射器(24)之型廓的这些单个的弧段(E1)通过如下的步骤实现a，确定该反射器(24)之与光源(4)相邻的、里边的起始点(R0)，(确定)该第一弧段(E1)的宽度和一个在该测量单元(1)之轴线上安置的第一点(F0)；b，通过所述里边的起始点(R0)设置一个椭圆体，它的第一焦点位于该光源(4)之螺旋丝位置上，并且它的第二焦点通过在该测量单元(1)之轴线上所述第一点(F0)构成；c，在轴向上移动该所称的第一点(F0)到一个第二点(F1)的位置上，其中该从第一反射器弧段(E1)射入测量单元(1)中的光线是最多的，因此在反射器(24)之型廓上一个第二点(R1)被确定，该点(R1)离所述里边的起始点(R0)具有一个和该第一弧段(E1)之宽度对应的间距；d，确定该第二弧段的宽度并且通过在反射器(24)之型廓上所称的第二点(Rx)设置一个椭圆体，其中这个椭圆体的第一焦点通过光源(4)之螺旋丝(W)构成，並该第二焦点通过在测量单元(1)之轴线上所称的第二点(F1)构成；e，在轴向上移动该所称第二点(F1)到一个第三点位置上，其中从第二反射器弧段射入测量单元(1)中的光线是最多的；因此一个第三点在反射器(24)的型廓上被确定，其离该反射器(24)上的所称第二点(R1)具有一个和该第二弧段之宽度对应的间距；f，重复步骤d和e直至该反射器(24)的型廓完整了。
全文摘要
一个光声气体传感器包括一个测量单元(1)和一个参考单元，一个发射器装置和一个微音器装置以用于测量在测量单元(1)和参考单元之间的压差，其中该测量单元(1)具有一个进入窗口(6)以用于这从发射器装置发出的射线。该发射器装置被尽可能安置在该测量单元(1)之进入窗口(6)的邻近并包含一个光源(4)以及一个将从光源(4)发出的光线聚焦到该测量单元(1)中的反射器(24)，其具有一个椭圆体形的结构造型并且由相互无缝地过渡的和通过对中的椭圆体分段构成的弧段形成。本发明还涉及一种优化该反射器型廓的方法。
文档编号G01N21/17GK1847827SQ20051007622
公开日2006年10月18日 申请日期2005年4月15日 优先权日2005年4月15日
发明者K·穆勒, R·普莱舒, P·斯泰纳 申请人:瑞士西门子有限公司