专利名称：红外传感器，尤其是co的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种红外传感器，尤其是CO2传感器，该传感器带有滤波器装置，在该滤波器装置后面设置有检测器装置，该传感器还带有与该检测器装置相连的分析装置，其中，该滤波器装置具有第一滤波器和第二滤波器，它们被设计成带通滤波器并分别具有一个通带，它们中的第一滤波器可以允许预定红外频带通过，而第二滤波器则不允许，并且，该检测器装置具有两个检测器，它们各对应于一个滤波器。
背景技术：
下面将结合用于吸收红外线的气体的红外传感器对本发明进行说明。然而，本发明也可以用于其它用途，如后面要解释的那样。
例如由US 5 081 998公开了设计成气体传感器的这种传感器。其中设置了一种红外辐射源，该红外辐射源通过滤波器装置共计作用于四个检测器。所述滤波器装置具有导通特性不同的两个滤波器。第一滤波器有对应于被CO2吸收的红外辐射的通带。因此，该滤波器也被简记为“CO2滤波器”。设置于该滤波器后面的检测器被称为CO2检测器。另一滤波器具有与用于确定参考量的通带不同的通带。在该参考滤波器后面设置的检测器被称为参考检测器。红外源和两个滤波器之间设置有第三滤波器，该滤波器被称为“自然密度滤波器”，而第一和第二滤波器则分别被遮住一半。与此相应的是，两个CO2检测器中的一个和参考检测器中的一个仅仅接收到既通过了“自然密度滤波器”也通过了CO2滤波器或参考滤波器而到达的红外辐射。在分析装置中得出两个CO2检测器的输出信号之差和两个参考检测器的差。然后将所述两个差相除。例如在确定患者呼吸中的CO2时需要这种CO2传感器，以便可以在麻醉过程中更好地对患者进行监视。
在US 6 369 716 B1中描述了气体传感器、尤其是CO2传感器的另一个应用领域。其中，CO2传感器用于测定室内CO2含量(二氧化碳含量)，以便可以借助于测量值控制室内空气。
室内CO2浓度应当在800ppm和1200ppm之间，因为在更高的浓度下可能产生疲劳感。在建筑领域的自然浓度通常在约400ppm。可以借助于CO2传感器确定必须送入多少新鲜空气，以便达到所期望的CO2浓度。同样的考虑也适用于不能超过预定阈值的其它气体，例如CO(一氧化碳)或类似物。
如上所述，下面将结合对CO2的测量来对本发明进行说明。但是，本发明也可以应用其它气体。
一种测量空气中的CO2的方法基于气相的传感器(Gasphasen-basiertenSensor)，其中应用非色散红外光谱(NDIR)。在这种方法下，根据CO2对红外辐射的吸收而确定CO2的含量，也就是说，红外辐射在确定的窄轮廓波长范围内的份额是可以用于确定CO2浓度的参数。
这种传感器的缺点在于，它有相对较大的功率消耗。US 5 081 998所公开的装置需要一个辐射源，这点造成无论如何在更长期使用的情况下不适用于电池驱动的应用。此外，这种红外辐射源通常需要一定的加热时间，因此在没有一定的准备的条件下不总是能在希望时进行测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是对红外传感器的应用进行简化。
这一技术问题通过上述类型的气体传感器这样地得以解决，即，将一个滤波器的通带设置于另一个滤波器的通带内，并且由分析装置形成所述检测器信号之差并将其基于所述检测器的信号进行标准化。
可以利用这种设计实现对显著更多的红外辐射进行分析。这样，红外辐射并未被分成两个分开的范围，其中每个检测器仅仅采集一个范围。相反，现在一个检测器采集具有预定光谱范围的红外辐射，该光谱范围也包括例如待确定的气体、在此是CO2的吸收光谱。另一检测器采集来自不再包括待确定气体的吸收光谱的部分范围的红外光谱。因此，显著地提高了该传感器的灵敏度，也就是说，为了给传感器提供红外辐射，仅提出了较低的要求。由于得出了检测器的输出信号之间的差，因而消除了例如背景噪声等的干扰信号。所述差基于检测器输出信号的标准化使得红外辐射的强度波动得到平衡。也可以使用多于两个的相应地带有更多个滤波器的传感器，其中，各个通带范围相应地重叠。利用这种传感器，也可以获得例如关于温度、室内运动、室内人数等的其它信息。由于实质上可以检测多个辐射，因而可以减少功率损耗，使得可以通过一块电池提供必要的功率。这又为在局部安装和使用时提供了较大的自由。该传感器可以无线地传输其信号。
优选的是，第一滤波器的通带大于第二滤波器的通带。与此相应的是，第一滤波器在第二滤波器允许通过的光谱范围之外还包括红外辐射在其中被吸收的光谱范围。
优选的是，两个滤波器具有一个共同的临界波长。这简化了分析。这样，可以毫无困难地形成检测器输出信号之间的差，而无需另外的计算步骤。所述临界波长是指限定或界定了通带的波长。以“起始波长”和“终止波长”表示它们。
在此，优选的是，两个滤波器具有相同的起始波长。该“起始波长”是这样一个波长，滤波器从该波长起允许辐射通过。该“相同的”起始波长不必在数学意义上相同。通常的公差，例如5％，完全是可以允许的。虽然这种公差对测量结果造成了影响，但是这种影响是可以接受的。
优选的是，两个滤波器由彼此相串接的滤波元件形成，其中一个滤波元件对于两个滤波器是相同的，并限定了一个临界波长。这样，所述两个滤波元件就在辐射方向上一个接一个地设置，也就是说，设置在用于红外辐射的源和检测器之间。现在，可以这样设计滤波器装置，使得所述“起始波长”由所述的对于两个滤波器是相同的那个滤波元件限定，而界定了通带的“终止波长”由另外两个滤波元件限定。这是一种可以以相对较高的精度确定所述两个滤波器的通带的简单措施。
有利的是，第一滤波器具有比所述第二滤波器的通带大0.3至0.7μm的通带。仅希望以第一滤波器基本上仅覆盖较窄的红外光谱的波长范围或光谱范围，也就是红外辐射在其中被CO2吸收的范围。所述范围对此是足够的。由于其它气体的吸收而对测量结果造成负面影响并导致测量结果错误的风险被保持为小。
在此，优选的是，第一滤波器具有3.6至4.5μm范围的通带，而第二滤波器具有3.6至4.0μm范围的通带。一般地来说，共同的光谱范围约为第一滤波器允许通过的光谱范围的一半大小。该光谱范围显然也可以根据待检测的气体或其它参数而移动。然而，已经表明，该波长范围对于CO2是有利的。
在一个特别优选的设计中，传感器利用来自环境的自然红外辐射。这样就不要求必须单独供电的且具有特定功率输入的辐射源了。红外辐射通常是普遍存在的，即便是在没有太阳光照射的时候也存在。每个物体基本上具有一定的热辐射。由于现在可以省去红外辐射源，因而“测量范围”也得以扩展，也就是说，可以对室内的更大范围进行相应气体含量的监视。这方便了对“个人室内空气”或“室内空气质量”的监视和调节。不必首先将室内空气供给到传感器，并在该处引导到红外辐射源和带有前置滤波器的检测器之间。如果将该传感器设置在室内的一个可以所谓“概观(ueberblicken)”待监视空气体积的位置，则就已经足够。在此情形下，气体传感器可以说是以简单的方式采集被平均的气体浓度。这样，传感器就确定一个平均值，这个值尤其对于个人室内空气意味着实质上更好的测量结果。显然也可以用该传感器来改善采用灯或其它照明设备来工作的传感器技术。如果使用自然或环境红外辐射，那么就可以降低照明设备的能量。这带来更长的维修间隔和更长的寿命。
优选的是，分析装置根据第一检测器的信号将所述差标准化。换言之，为进行标准化而采用包含CO2含量的信号。利用这种方式优选地获得稍微更大的动态。
优选的是，滤波器具有CaF2、锗或硅。所述硅优选具有抗反射层，以便改善透射。
下面将借助于优选实施例并结合附图来对本发明进行说明。在附图中图1表示用于解释本发明的功能原理的示意图；图2示出了两个滤波器的两个通带的示意图；图3示出了可以由检测器检测的能量大小的示意图；图4表示用于解释气体传感器的结构的框图；图5示出了两个滤波器的通带范围的示意图；而图6示出了分析信号的前置级的示意图。
具体实施例方式
图1以示意图示出了用于确定测量区域2内的CO2含量(二氧化碳含量)的气体传感器1。该测量区域可以是要在其中进行个人室内空气调节的一个房间或者一个房间的一部分。作为自然红外辐射源示出了太阳3。太阳3在此仅用作说明。气体传感器1也工作在没有太阳辐射的情况下，因为原则上实际每个物体都辐射热量并因而产生红外辐射。
在测量区域2中有多个在此以小圈表示的CO2分子。气体分子4在特定的光谱范围内吸收由箭头5表示的红外辐射。CO2的浓度越大，在特定光谱范围内可以在气体传感器1内采集到的能量就越小。
图4以示意图示出了用于说明气体传感器1的结构的框图。气体传感器1具有滤波器装置6、检测器装置7和分析装置8。其它细节(如壳体、固定装置等)在此未示出。
滤波器装置具有第一滤波器9和第二滤波器10。两个滤波器具有如图2所示的不同的导通特性。第一滤波器具有通带F1。第二滤波器具有通带F2。两个通带F1、F2起始于相同的下边界L，却终止于不同的上边界，即，通带F1终止于上边界U1，而通带F2终止于上边界U2。第一通带F1的上边界U1和第二通带F2的上边界U2之间的距离在约0.3至约0.7μm的数量级内，优选为0.5μm。
红外辐射在其中被CO2吸收的光谱范围λ(CO2)，位于第一滤波器9的通带F1比第二滤波器10的通带F2大的范围内。这一光谱范围在约4.2至4.3μm。与此相应的是，第一通带F1的上边界U1设置在约4.5μm，第二通带F2的上边界U2设置在约4.0μm，而两个通带F1、F2共同的下边界L则为3.6μm。
这点可以通过使第一滤波器9具有限定了通带F1的上边界U1的第一滤波元件11而以相对简单的方式实现。第二滤波器10具有限定了第二通带F2的上边界U2的第二滤波元件12。对于两个滤波器9、10，共同地设置有限定了两个通带F1、F2的下边界L的第三滤波元件13。第三滤波元件13具有一个超出第一滤波器9的第一通带F1的上限U1的通带上限。第一和第二滤波元件具有位于第三滤波元件13的下边界以下的通带下限。
与此相应的是，滤波器装置6在第一滤波器9的范围内允许带有图3中以A表示的能量的红外辐射通过。该能量被削减一部分C，这部分能量被CO2吸收。滤波器装置6允许在第二滤波器10的范围内的、在图3中以B表示的能量通过。该能量实际上是恒定的，因为其不受CO2的影响。
由检测装置7采集不同的能量。检测装置7具有采集经由第一滤波器9进入的红外辐射的第一检测器14，以及采集穿过第二滤波器10的红外辐射的第二检测器15。两个检测器14、15可以构造为热电元件，也被称作“热电堆(thermopile)”。每个检测器根据所产生的红外辐射生成一个电压或电流，也即一个所进入的红外辐射越多就越大的电参数。与此相应的是，第一检测器14生成一个信号S1，而第二检测器15则生成一个信号S2。
热电堆传感器例如可从PerkinElmer Optoelectronics有限责任公司(D-65199 Wiesbaden，德国)获得。
由于通常在热电堆传感器中进行温度测量(因为输出信号随温度变化)，因而已围绕该传感器安排对温度的测量。由于可以设想通过该传感器也可以获得室内的辐射温度，因而可以直接根据两个测量同时得出可用于控制室内温度或者大致完全不同的用途的运行温度。
结合红外辐射也可以设想，能够直接地利用传感器测量室内的运动，所述测量例如可以用于控制通风，而通风例如在表明室内有人的运动发生时才启动。可以设想，还有可能根据不同的运动测量估计出室内的人数，其中，这种估计也可以为了控制目的来使用，使得根据室内人数来控制/改变室内温度或通风。
将两个信号S1、S2提供给分析装置8。在此，两个信号包含一个干扰部分。考虑到干扰部分对于两个检测器14、15基本上相同。因而与此相应地有S1=a(ICO2+In)]]>S2＝a(Iref+In)其中，ICO2是包含红外辐射信息的电参数(例如电流或电压)，而Iref是不受红外辐射影响的参考量。对于In，下标n表示“噪音”，也就是表示噪声。如果建立S1和S2之间的差，为此示意性地示出减法器16，那么就得出一个其中噪声部分消失的量S1-S2=a(ICO2-Iref).]]>
基于第一检测器14的输出信号S1对差S1-S2进行标准化，则得到一个信号S3S3=S1-S2S1=a(ICO2-Iref)a(ICO2+Iref).]]>尽管该输出信号S3再次受到干扰量In的影响。但是这一干扰量可以忽略。于是得到对测量区域2的CO2含量的相当可靠的判断。
图5再次示出了两个滤波器9、10的不同通带范围F1、F2，从该图中可以很好地看出两个通带范围之间的区别。
图6示出了两个通带范围F1、F2的差，并在其中示出了对应于CO2的吸收光谱17。
气体传感器能够在从约300至约1500ppm的范围内可靠地确定CO2浓度。
如果要确定另一种气体，例如氮气、一氧化氮、氧气或CO，那么就必须对通带进行相应的移动。然而在各种情况下都应确保，所述通带相重叠，以便使尽可能大的能量产额到达检测器14、15。
还可以在检测器之前设置收集器，也就是将红外辐射聚集或集束的设备，例如准直仪。这点也改进了该传感器。
还可以将这种传感器直接应用于废气监视。为此，将该传感器安装在烟筒或排气管内。这样，尤其是在加热设备中可以借助于该传感器(或多个传感器)的输出信号控制燃烧。
权利要求
1.一种红外传感器，尤其是CO2传感器，该传感器带有滤波器装置，在该滤波器装置后面设置有检测器装置，该传感器还带有与该检测器装置相连的分析装置，其中，该滤波器装置具有第一滤波器和第二滤波器，它们被设计成带通滤波器并分别具有一个通带，其中，第一滤波器可以使预定红外频带通过，而第二滤波器则不允许，并且，该检测器装置具有两个检测器，其中每个对应于一个滤波器，其特征在于，一个滤波器(10)的通带(F2)设置于另一个滤波器(9)的通带(F1)内，而分析装置(8)则形成所述检测器(14，15)的信号(S1，S2)之差，并在一个检测器(14)的信号(S1)的基础上对所述信号(S1，S2)之差进行标准化。
2.根据权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，第一滤波器(9)的通带(F1)大于第二滤波器(10)的通带(F2)。
3.根据权利要求1或2所述的红外传感器，其特征在于，所述两个滤波器(9，10)具有共同的临界波长(L)。
4.根据权利要求3所述的红外传感器，其特征在于，所述两个滤波器(9，10)具有相同的起始波长(L)。
5.根据权利要求3或4所述的红外传感器，其特征在于，所述两个滤波器(9，10)由串接的滤波元件(11，13；12，13)构成，其中一个滤波元件(13)对于两个滤波器(9，10)是相同的，并限定了临界波长(L)。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的红外传感器，其特征在于，第一滤波器(9)具有一个比第二滤波器(10)的通带(F2)大0.3至0.7μm的通带(F1)。
7.根据权利要求6所述的红外传感器，其特征在于，第一滤波器(9)具有3.6至4.5μm的范围内的通带，而第二滤波器(10)具有在3.6至4.0μm的范围内的通带(F2)。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的红外传感器，其特征在于，所述传感器使用来自环境中的自然红外线(3)。
9.根据权利要求1至8中任何一项所述的红外传感器，其特征在于，所述分析装置(8)基于第一检测器(14)的信号(S1)对所述差进行标准化。
10.根据权利要求1至9中任何一项所述的红外传感器，其特征在于，所述滤波器(9，10)具有CaF2、锗或硅。
全文摘要
本发明给出了一种IR传感器(1)，尤其是CO
文档编号G01N33/00GK1969180SQ200580019565
公开日2007年5月23日 申请日期2005年6月10日 优先权日2004年6月14日
发明者詹斯·M·詹森, 莫哈迈德·Y·本斯利梅纳 申请人:丹佛斯公司