专利名称：气体检测方法和气体检测装置的制作方法
技术领域：
本发明特别涉及如在WO2005/026705A1中公开的低成本红外(IR)气体检测。
背景技术：
如在该现有技术出版物中描述的气体检测方法和气体检测器装置是基于通过波长调制的垂直腔面发射激光器(VCSEL)或分布反馈(DFB)激光器所形成的源的，并且该气体检测方法和气体检测器装置利用将波长的调制直接与激光源输出强度的调制关联的事实。因此，通过气体容积并入射到检测器的光的强度显示出与激光源强度有关的第一调制和与气体吸收有关的第二调制，这是因为跨越气体吸收线扫描波长。因此，公知的检测方法和装置通过波长调制的激光源来提供初始光信号。
该源提供初始光信号，该初始光信号在要确定的气体周围的吸收线处，利用给定初始频率(f)的AC调制信号被进行波长调制。在检测区域的外围相应地布置光传感器，以便接收至少一种要确定其浓度的气体。光传感器接收由通过检测区域的初始光信号所形成的合成光信号。在下面，形成检测信号，该检测信号基本上与合成光信号的时间导数成比例。进一步公开的是用于产生给定频率(f)的第一调制参考信号的第一装置，和用于产生两倍于该频率(2f)的第二调制参考信号的第二装置。将检测信号与第一调制参考信号相乘，然后对时间求积分，以便提供第一测量信号，该第一测量信号是所述初始光信号的强度的函数，并且基本上与所述气体的浓度无关。将该检测信号进一步与所述第二调制参考信号相乘，然后对时间求积分，以便提供第二测量信号，该第二测量信号是该气体吸收的函数，并且基本上与该给定初始频率的初始光信号的强度调制无关。然后，通过把第二测量信号除以第一测量信号来接收最后的测量信号，从而提供与给定气体的浓度或存在有关的信号。该气体检测器和装置具有以下优点针对一个激光源，只需要单个传感器单元。通过处理产生的检测信号来给出所有确定精确气体浓度值所必需的信息，该产生的检测信号与在通过限定气体的样品之后由传感器单元所接收的光信号的导数成比例。
第一和第二调制参考信号都与初始光信号的强度变化同相。利用该已知的测量技术，时间求导检测器信号，并将求导的信号馈入双通道同步(lock-in)放大器。第一通道在调制频率f上工作，并且输出信号与作为激光器电流的函数的光功率的斜率成比例。第二通道以所述调制频率的两倍的调制频率工作，并且其输出给出与激光束遭遇的气体浓度成比例的信号。频率为2f的测量信号与频率为f的测量信号的比率给出了与激光器输出无关的气体的绝对浓度，这是因为在以下假设的情况下，即激光强度的变化源于光路中的光学老化如灰尘、凝结(condensation)、斑点，频率为f的测量信号包括关于激光强度的信息。这个假设仅适用于以下两种情况1.激光并没有显示出模式跳变，也就是波长的突变。如果出现这种模式跳变，则不得不通过改变DC激光器电流来重新调整波长，该DC激光器电流的改变又改变了激光器输出功率。因此，由频率为f的信号所测量的斜率并不必随着VCSEL改变。在DFB激光器的情况下，输出功率严格地与DC电流成比例，该DC电流针对不同的输出功率给出相同的频率为f的信号。
2.将激光器的温度精确稳定。对于激光器温度的变化，波长改变，这又引起DC激光器电流的重新调整，从而集中于气体吸收线的波长。这种电流的变化意味着如第1条中所述的强度变化。
利用现有技术专利申请中所述的方法，基于频率为f的调制参考信号的信号显示出气体吸收线的中心周围的斜率，该斜率与气体浓度成比例。在高气体浓度的情况下，通过误差影响频率为f的调制参考信号的DC激光器电流的精确度来限制测量的精确度。电流的变化将引起激光器信号的变化，并且该效应随浓度而增大。这表明对于一些应用来说，在激光器的温度控制方面，现有技术方法和装置是非常苛求的，并且非常大地取决于后者的热安装。DFB激光器和VCSEL的激光器在其热预算方面区别很大，以致在DC电流方面常常是必需的气体吸收线的跟踪还不得不包括温度跟踪。
共同未决的欧洲专利申请05016948.1描述了通过相应装置产生频率为所述初始频率的两倍的第一调制参考信号，由此所述第一调制参考信号相对于所述初始光信号具有45度的相位角。该第一调制参考信号在振幅电平1和0之间的振幅电平处振荡，并且不同于第二调制参考信号的振幅电平。最后，将直接从合成的光信号接收到的检测信号与第一调制参考信号相乘。因此，不在频率f上而是在频率2f上测量第一调制参考信号，其中，2f调制参考信号在振幅电平上有轻微的改变，而且第一调制参考信号和初始频率之间有45度的相移，这对于提供通过在时间上求导获得的相同的相位是必需的。此外，不再求导检测器信号，而是直接供给同步放大器，以产生第一测量信号，该第一测量信号是初始光信号的强度的函数。合成信号直接与激光的光强成比例，如通过没有气体吸收的检测器所看到的那样(也就是在激光器和检测器之间包括任何光束的老化)。进一步，建议将该第一2f调制参考信号及其信号处理与其他处理相结合，以便获得稳定的最后测量信号，这取决于气体检测的特殊应用。在进一步的实施例中，以所述初始频率f的两倍来产生第二调制参考信号，由此第一和第二调制参考信号相对初始光信号具有相同的相位相关性；因此两个信号相对激光源的AC调制信号均具有45度的相位角。此外，第二调制参考信号在振幅电平1和-1之间振荡。为了产生第二测量信号，经由同步放大器，将从合成光信号直接接收到的检测信号乘以所述第二调制参考信号。通过上面提到的比率获得最后的测量信号。在该实施例中，通过基于2f调制参考信号的第一和第二测量信号获得最后的测量信号，这两个测量信号都利用从合成光信号直接接收到的检测信号获得。在另一实施例中，以所述初始频率f的两倍来产生第二调制参考信号，由此所述第二调制参考信号精确地与所述初始光信号的强度变化同相。由所述检测装置产生的检测信号基本上与所述合成光信号的时间导数成比例，并且通过将所述检测信号乘以所述第二调制参考信号来产生第二测量信号。该信号处理显示出最佳结果，这与激光器温度和突然的波长变化无关。在这个实施例中，还通过基于2f调制参考信号的第一和第二测量信号来获得最后的测量信号，但利用已求导的检测信号来获得第二测量信号，所述第二测量信号是吸收的函数。在又一实施例中，该实施例需要更多的电子元件，用频率为f和2f的两个调制参考信号产生两个测量信号，这两个测量信号是初始光信号的强度的函数。这通过产生除了基于第一2f调制参考信号的第一测量信号之外还有第三测量信号来实现，所述第三测量信号也是所述初始光信号的强度的函数。通过将检测信号乘以频率为初始频率f的第三调制参考信号然后对时间求积分来从检测信号中产生第三测量信号，此外，通过将所述检测信号乘以频率为所述初始频率f的两倍的第二2f调制参考信号然后对时间求积分来从所述检测信号中产生第二测量信号。将第三和第二调制参考信号与所述初始光信号的强度变化同相地精确限定，并且两个测量信号的检测信号基本上与合成光信号的时间导数成比例。通过使第一和第三测量信号相互关联并且产生第二测量信号与第一和第三测量信号的相关信号之间的比率来获得最后的测量信号。
一般而言，在波长调制的激光光谱测定法中，以调制频率f调制激光波长。在光束通过被测气体样品后，激光入射到光电检测器上。通常，将光电检测器的信号馈入相敏同步放大器，并且气体浓度与两倍于调制频率的光电检测器信号相关(2f检测)。
2f检测受限于多种的噪声源激光强度噪声(其可以通过测量激光强度而被部分地补偿)；源于光电检测器和/或放大电路的电子噪声；基于光学干涉的噪声。
基于干涉的光学噪声以斑点或者标准具条纹(etalon fringe)的形式出现。斑点是由于相干激光在比如灰尘、泥土等不规则物体处的衍射产生的干涉图。斑点不属于本发明的目的。
标准具条纹是由光从设计光路内的光学表面(如窗口、透镜、反射镜等)背反射(back-reflect)的部分引起的。当激光的背反射部分与激光束相干时，背反射与传播激光的相互作用会在气体吸收装置的腔内产生驻波(即，包括被测气体的自由空间的吸收路径)。
当腔长变化时，位于光电检测器的驻波的振幅会以腔长为函数在周期的最小值与最大值之间变化。如果腔长保持常数并且激光的波长变化，也会获得同样的效果。光的振幅随腔长或激光波长的周期性变化称做“标准具条纹”。图1的曲线图(a)示出零气体浓度的甲烷气体检测器的标准具条纹(注意在该图中未解决电子噪声层)，曲线图(b)是甲烷存在时与(a)中相同的装置。该标准具条纹与吸收峰值中心的气体吸收信号具有基本上相同的大小。
在现实的气体检测装置中，腔长的变化是由于其机械构件的热膨胀而引起的。比如，对于热膨胀系数为(10ppm/℃)的钢，机械长度为10cm并且工作温度为从0℃到50℃，腔长的变化达到5微米。该长度变化相当于3至4倍的激光波长，并且因此产生大量的标准具条纹。该标准具条纹不直接与激光的强度相关，故不能通过测量激光的强度得以补偿。
环境温度下标准具条纹的周期或者激光波长(驱动电流)是产生标准具条纹的几何腔长的函数腔越长，标准具条纹的周期越短。对于基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的气体检测装置来说，如果生成腔的标准具条纹具有几厘米的长度即吸收光路的典型长度，则该标准具条纹的周期与(按照波长的)气体吸收峰值的数量级相同。很小的腔，即激光盖的窗口，会产生具有比VCSEL的整个调谐范围更长的周期的标准具条纹。这样，环境温度的信号变化类似于信号偏移的变化。
气体检测装置通常包括光学表面(至少将激光器基片密封在光学窗口的下面)，并且工作条件通常产生热膨胀。因此，大多数基于波长调制光谱测定法的气体检测装置都被标准具条纹而不是电子噪声限制在较低的检测极限。因此，标准具条纹的抑制是提高气体检测装置的性能(正确度、精度、检测极限)的关键因素。
现有技术中已知几种抑制标准具条纹的技术。
第一种技术是气体检测装置内光学元件之一的位置的周期变化，所述光学元件优选的反射镜。这种变化例如可以通过将反射镜放置在压电定位装置上并且通过AC电压(AC电压的频率不同于波长调制的频率)驱动所述装置来实现。这种实现的总效果在于该标准具条纹经历其全部振幅随时间的变化。只要光电探测器的放大器的时间常量显著大于压电AC驱动电压的周期，放大器的输出信号就将跨越所有可能的标准具条纹的振幅求平均，所以对于由热膨胀引起的标准具条纹的变化没有任何效果。对于任何给定的光学设置，可以优化压电AC驱动电压的频率和振幅，以便最大化标准具条纹的抑制。
第二种抑制标准具条纹的方法是以与初始调制频率无关的第二频率调制激光波长。与上述技术相同的方式，归因于第二调制的波长变化会引起标准具条纹振幅的暂时变化，由光电二极管放大器对其求平均，假设放大器的时间常量显著大于第二波长调制的周期。同样地，需要优化第二波长调制的振幅和频率，以便最大化给定的光学装置的标准具条纹的抑制。
另一种抑制标准具条纹的技术是利用气体吸收峰值的波长中的慢扫描(同时应用快速波长调制)。在此，将标准具条纹的振幅和周期从已得的2f信号的扫描数字计算得出，这允许将其消除。该技术的主要缺点是必须获得2f放大信号跨越气体吸收峰值的波长扫描，这意味着非常慢的测量周期。
所有的标准具条纹抑制技术的共同点是没有绝对的抑制技术，以及大多数的气体检测装置的主要性能限制源于剩余的标准具条纹。图2的曲线图(a)示出氧气检测器(零氧气浓度)的剩余标准具条纹，该检测器利用了第二、独立的波长调制(剩余的标准具条纹大约为电子噪声层的3倍)，曲线图(b)是具有三个氧吸收峰值的与曲线图(a)相同的装置。
发明内容
由此，本发明的目的是提供一种用于气体装置的标准具条纹抑制技术，该技术较少依赖于温度和突然的波长变化。
基于上述标准具条纹抑制技术，本发明的又一目的是提供一种更容易易产生所述第一测量信号的方法和装置，所述第一测量信号是所述初始光信号的强度的函数，并且基本上与所述气体的浓度无关。
通过如所要求的气体检测方法和检测器来解决上述问题。在相应的从属权利要求中描述进一步的有利特征。
依据本发明，气体检测方法包括产生所述第二测量信号，这是通过如下步骤来进行的确定在气体吸收峰值中心操作激光源时的第一预测量信号，由低于被测气体的气体吸收峰值之下的DC驱动电流操作激光源时的第二预测量信号，以及由所述气体吸收峰值之上的DC驱动电流操作激光源时的第三预测量信号；并且将最后的第二测量信号确定为第一预测量信号与第二预测量信号和第三预测量信号的算术平均之间的差，所述DC驱动电流之间的差对应于在先前的校正步骤中确定的标准具条纹周期。本发明基于上述现有技术文献WO2005/026705A1及共同未决的欧洲专利申请05016948.1中所述的测量技术。将这些文献的内容合并作为参考，只要是涉及可能未在本说明书中描述的技术背景和信号处理。本标准具条纹的抑制方法可应用于所有不同类型的测量信号的产生，如上述和在这些文献中描述的。
这种3-点测量的优势在于它消除了剩余的标准具条纹的影响，即使在这些条纹跨越激光器dc驱动电流轴移动其位置的情况下。这样，极大提高了气体检测装置相对于环境温度的大幅变化的稳定性。针对上述吸收峰值的激光器电流扫描，3-点测量是相当快的测量算法。
在由非常小的腔产生标准具条纹的情况下，不可能确定标准具条纹周期，这是由于后者大于激光的调谐波长。在这种情况下，非峰值的位置要离气体吸收峰值足够远，以便后者不会影响相关的信号，这样就足够了。
优选地，所述校正步骤是通过在没有将气体确定为DC激光器电流的函数的情况下产生测量校正信号并且将所述标准具条纹周期确定为相同类型的极值DC驱动电流之间的差而被执行的。
当在波长中考虑其周期时，存在三种普通的标准具条纹的情况(1)具有小于或等于气体吸收峰值的宽度的周期的标准具条纹；(2)具有大于气体吸收峰值的宽度、但是小于激光器的总调谐范围的周期的标准具条纹；(3)具有大于激光器的总调谐范围的周期的标准具条纹。
(1)中的标准具条纹是通过几个cm(对应于气体吸收路径的长度)的光学腔产生的，并且通常通过附加的激光调制技术很好地抵消(counter-act)。
(2)中的标准具条纹是通过几个mm的光学腔产生的，其典型地对应于激光器基片与激光头窗口之间的距离。这种标准具条纹通常抵抗附加的激光器调制，并且必须通过倾斜的激光头窗口进行抵消。然而，由于激光束的宽口径(10-20°)，一些激光会被激光头金属帽的边缘，或者被位于由窗口与金属帽形成的边缘处的残余胶水背发射。本发明非常有效地抵消这种剩余的标准具条纹。
(3)中的标准具条纹源于显著地小于1mm(典型地为100-300微米)的光学腔。它们不能由附加的激光调制技术解决，这是因为首先它们很难识别。根据经验将其典型地作为2f信号上的取决于温度的偏移。在这种情况下，本发明可以非常高效地抵消这种标准具条纹。
依据优选实施例，产生所述第一测量信号，这是通过如下步骤来实现的确定当由所述气体吸收峰值之下的所述DC驱动电流操作激光源时的第一检测信号以及当由所述气体吸收峰值之上的所述DC驱动电流操作激光源时的第二检测信号；并且确定所述第一检测信号与第二检测信号的算术平均。利用上述3-点测量法的准条纹抑制允许实现参考通道的真正简化。这导致一种产生所述第一测量信号的简化方法，然后将其如已知地进一步处理。
在气体检测器装置中，提供所述第一测量信号的所述第一装置在没有导数装置的情况下接收所述检测信号，并且适于确定所述第一测量信号，这是通过如下方式被确定的计算当由在被测气体的气体吸收峰值之下的DC驱动电流操作激光源时确定的第一检测信号与当由在上述气体吸收峰值之上的DC驱动电流操作激光源时确定的第二检测信号的算术平均。两个检测信号都是在气体浓度对检测信号没有影响的情况下，通过DC驱动电流确定的，DC驱动电流之间的差对应于检测区域的光学系统的标准具条纹周期。在前述两个专利文献中，激光气体检测器的参考通道由单独的同步通道组成，其在调制频率f或者两倍的调制频率2f上分析检测器信号，但是具有确定的相位关系。当基于标准抑制相应地确定第一测量信号时，该同步通道不必在本发明的气体检测装置中。
该方法的优势是非常直接的如果没有很好地固定激光器的温度，则需要重新调整激光器的DC电流，这会改变激光的强度，但不一定改变f-信号。在本发明中，直接测量激光强度，以便气体检测装置的校正保持稳定。直接测量激光强度的方法已经由共同未决的欧洲专利申请05016948.1中的2f/2f-测量公开。然而，本2f/dc测量更加易于实现，由于其不需要同步通道而只需要对预放大的光电二极管信号求平均。
在下面，通过参照附图的非限制实施例描述本发明的特征和优点(单个特征可单独/或与本发明的其他实施例结合实现)，其中图1表示零气体浓度的甲烷气体检测器的标准具条纹的曲线图(a)，及具有甲烷的与(a)中相同的的装置的曲线图(b)；图2表示氧气检测器(零氧气浓度)的残余标准具条纹的曲线图(a)，该检测器利用了第二个独立的波长调制，及具有三个氧吸收峰值的与(a)中相同的装置的曲线图(b)；图3表示根据激光器DC驱动电流评定标准具条纹的周期来确定非峰值的测量点(没有目标气体存在)的曲线图(a)，及3点测量的曲线图(b)，其中信号在气体吸收峰值(0)与在(a)中确定的两个非峰值位置(1)和(2)处被测量；图4表示在非气体吸收峰值操作时由光电二极管看到的光的强度的曲线图(a)，及集中于气体吸收峰值操作时并且具有气体浓度的情况下由光电二极管看到的光的强度的曲线图(b)；
图5表示根据本发明气体检测装置的实施例的示意性原理图，其使用直接与合成光信号成比例的检测信号以便从所述检测信号产生第一测量信号，所述检测信号是所述初始光信号的强度的函数。
具体实施例方式
如上所述，本发明是基于在上述两个专利申请文献中描述的测量技术的。
通过适当的激光器DC驱动电流将可调谐的激光器1集中于被测气体的气体吸收峰值上。通常将激光器的温度保持在恒定值，以避免由激光器的温度变化引起的激光的波长漂移。频率f的AC电流叠加在DC激光器电流上，以便于激光束波长在气体吸收峰值的周围以频率f振荡。
激光通过包含有被测气体的气体容积4发射，然后入射到作为检测装置的光电二极管上。将激光器驱动电流的AC调制连接到激光器的光输出的强度振荡，该强度振荡以调制频率f出现。当气体吸收路径中存在目标气体时，每当激光器波长与气体吸收波长一致时将吸收部分激光。由于这种吸收正好每个调制周期发生两次，所以接收激光的光电二极管的信号输出是DC信号、频率为f的AC信号及频率为2f的AC信号的组合。上述现有技术文献WO2005/026705A1及共同未决的欧洲专利申请05016948.1描述了一种信号处理，其将光电二极管信号的不同影响分离，以获得与激光强度和气体浓度有关的信息。
本发明中，产生测量信号sMA的气体浓度测量不仅在气体吸收峰值的中心执行，并且分为3个分离的测量，该测量信号是气体吸收的函数，并且基本上独立于在所述初始频率f的所述初始光信号S0的强度调制。在校正期间的第一步中，通过产生测量校正信号SMC并且将该标准具条纹确定为相同类型的极值的DC驱动电流之间的差，确定相对于激光器DC驱动电流的主标准具条纹的周期(附图3a)。在该气体检测装置随后的操作期间(图3b)，操作激光器，在气体吸收峰值(0)的中心提供第一预测量信号SM0，然后在激光器DC驱动电流到该气体吸收峰值的左边(1)提供第二预测量信号SM1，最后在激光器DC驱动电流到气体吸收峰值的右边(2)提供第三预测量信号SM2。位置(1)与(2)的电流差必须是如图3(a)确定的标准具条纹的周期。在短周期标准具条纹的情况下，该差可以是标准具条纹周期的整倍数。该非峰值位置(1)和(2)相对于标准具条纹周期的精确位置不具有关联性，即不论其是位于条纹最大值、最小值还是中间。
可以通过由SMA＝SM0-(SM1+SM2)/2给出的测量信号确定气体浓度值。
该3-点测量的优势在于它消除了剩余的标准具条纹的影响，即使这些条纹在跨越附图3中的激光器DC驱动电流轴移动其位置时。
通过如上所述的3-点测量的条纹抑制实现了参考通道的真正简化。
如在WO2005/026705A1及共同未决的欧洲申请05016948.1中描述的参考测量是基于下面原理的该装置始终在气体吸收线的中心工作。在非零目标气体浓度的情况下，入射到光检测器上的光强度具有图4b中描绘的大致轮廓，所以需要同步技术分离气体浓度和激光强度分布。在如上所述的3-点测量技术中，可以更加容易地处理该分离。该2f信号仍然在所有3个测量点被测量。然而，在气体吸收峰值的两个测量点(1)和(2)处，没有对被检测信号的气体浓度影响(图4a)。在这两个点，可以通过对该探测器信号求时间平均简单地确定光强。因此，完整的测量程序包括1.在气体吸收峰值信号的中心测量频率为2f的第一预测量信号SM0；2.在对应于小于气体吸收峰值波长的波长的激光器DC驱动电流到气体吸收峰值的左边(1)测量频率为2f的第二预测量信号SM1；3.在激光器DC驱动电流到气体吸收峰值的左边(1)测量没有气体的情况下的第一检测信号SDC1，其是初始光信号S0的强度的函数；4.在对应于大于气体吸收峰值波长的波长的激光器DC驱动电流到气体吸收峰值的右边(2)测量频率为2f的第三预测量信号SM2；5.在激光器DC驱动电流到气体吸收峰值的右边(2)测量没有气体的情况下的第二检测信号SDC2，其是该初始光信号S0的强度的函数。
由于图3b和4b示出的信号，不能将位于位置(0)的DC激光器驱动电流的信号用于强度测量，这是由于其是气体浓度的函数。
然后，给出与入射到检测装置的光的强度气体浓度无关的最后的测量信号SMSM＝SMA/SMI＝[SM0-(SM1+SM2)/2]/[(SDC1+SDC2)/2]可以通过通过在WO 2005/026705 A1和共同未决的欧洲专利申请05016948.1中描述的气体检测装置单独执行标准具条纹的抑制。图5示出了本发明的气体检测装置的实施例，其利用了标准具条纹的抑制及标准具条纹抑制的校正的优势。气体检测器装置使用布置在外壳6的激光头中的激光源1(该激光源也可以是更多激光源和相应的传感器)。该激光头进一步可以包括填充有至少一种气体的密封电池，用于精确地确定要供给激光源1的电流值，以便所提供的光峰值的中心波长对应于相应的气体吸收线的中心，如在此之前解释和通常已知的。最后，该激光头包括温度传感器12，如果必要，还包括电连接到温度装置11的受控加热器。该外壳具有样品室或者带有用于被测气体的气体入口5的气体检测区域4，由激光源1提供的激光束经由该气体入口5通过。光传感器8接收激光束并提供合成信号SG，其包括由于直接与强度成比例的检测区域4中的气体浓度引起的初始光信号S0的强度的变化。将作为检测信号SD的合成信号SG直接引导到用于提供最后的测量信号SM的装置。
气体检测器装置进一步包括用于激光源1的供电装置3和用于限定控制激光源1的DC电流信号的DC供给控制装置13。AC处理装置14包括AC供给控制装置15，用于限定给定参考频率f的AC调制信号，该AC调制信号在气体吸收线周围产生交替扫描，如上所述。如现有技术公知的那样，从该AC调制信号中产生参考调制信号。该AC处理装置进一步包括产生装置16，用于在两倍的初始调制频率f上产生调制参考信号S2f。根据本发明，将该调制参考信号S2f提供给同步放大器19。同步放大器19还接收由光传感器8通过导数装置25和前置放大器装置23提供给同步放大器19的检测信号SDA，该导数装置对该检测信号SDA求时间导数。在同步放大器19中，将参考信号与检测信号SDA相乘，并在AC调制信号的若干时间周期上求积分。该结果为测量信号SM0，SM1，SM2，其与相应位置的气体浓度成比例，如由光传感器8看到的。将测量信号SM0，SM1，SM2传送到处理单元22。
通过在所述气体吸收峰值之下的所述DC驱动电流操作激光源时的第一检测信号SDC1及通过在所述气体吸收峰值之下操作激光源时的第二检测信号SDC2经由前置放大器装置24到达处理单元22。
处理装置22确定最后的测量信号SM，然后将其利用如前所述的公式SM＝SMA/SMI给出。该最后的测量信号SM考虑了标准具条纹，并且独立于该激光的强度。
权利要求
1.一种气体检测方法，其包括下面的步骤通过由DC驱动电流驱动的波长调制的激光源(1)提供初始光信号(S0)；提供初始频率的AC调制信号，以便在要确定其浓度或存在的气体的吸收线周围以所述初始频率(f)对称地波长调制所述初始光信号(S0)；使所述初始光信号(S0)通过用于接收至少一种所述气体的气体检测区域(4)，所述初始光信号(S0)具有由在所述气体吸收线周围的交替扫描产生的随时间的强度变化；通过提供检测信号(SD)的检测装置(8)接收激励所述气体检测区域(4)的合成光信号(SG)，所述合成光信号(SG)包括由于所述检测区域(4)中的气体浓度引起的所述初始光信号(S0)的强度的变化；从所述检测信号(SD，SDC1，SDC2)产生至少一个测量信号(SM1)，所述检测信号是所述初始光信号(S0)的强度的函数；产生第二测量信号(sMA)，所述第二测量信号(sMA)是气体吸收的函数并基本上与所述初始频率(f)的所述初始光信号的强度调制无关，通过如下方式产生所述第二测量信号(sMA)提供基本上与所述合成光信号(SG)的时间导数成比例的求导的检测信号(SDA)，将所述求导的检测信号(SDA)与两倍于所述初始频率(f)的第二调制参考信号(S2f)相乘，然后对时间求积分，由此所述第二调制参考信号(S2f)相对于所述初始光信号(S0)具有限定的振幅电平和限定的相位关系，通过如下方式提供与入射到所述检测装置(8)上的光的强度无关的最后的测量信号把所述第二测量信号(sMA)除以所述至少一个测量信号(SM1)，由此提供关于给定气体的存在或浓度的信号，其特征在于通过以下方式产生所述第二测量信号(sMA)确定当在气体吸收峰值中心操作所述激光源时的第一预测量信号(SM0)，当由所述被测气体的气体吸收峰值之下的DC驱动电流操作所述激光源时的第二预测量信号(SM1)，及当由所述气体吸收峰值之上的DC驱动电流操作所述激光源时的第三预测量信号(SM2)，所述DC驱动电流之间的差对应于在先前的校正步骤中确定的标准具条纹周期；以及将所述最后的第二测量信号(sMA)确定为所述第一预测量信号(SM0)与所述第二预测量信号(SM1)和第三预测量信号(SM2)的算术平均之间的差。
2.依据权利要求1所述的方法，其特征在于通过如下方式来执行所述校正步骤在没有将气体确定为DC激光器电流的函数的情况下产生测量校正信号(SMC)，并且将所述标准具条纹周期确定为相同类型的极值DC驱动电流之间的差。
3.依据权利要求1所述的方法，其特征在于通过如下方式来产生所述第一测量信号(SM1)确定当由所述气体吸收峰值之下的所述DC驱动电流操作所述激光源时的第一检测信号(SDC1)、当由所述气体吸收峰值之上的所述DC驱动电流操作所述激光源时的第二检测信号(SDC2)，并且确定所述第一检测信号(SDC1)和第二检测信号(SDC2)的算术平均。
4.一种气体检测器装置，包括提供初始光信号(S0)的至少一个波长调制的激光源(1)，用于接收至少一种要确定其浓度或存在的气体的检测区域(4)，供给控制装置(13，14)，用于在所述气体之一的吸收线周围以初始频率(f)对称地波长调制所述初始光信号(S0)，并且提供具有随时间的强度变化的初始光信号(S0)，所述供给控制装置包括用于限定DC电流信号的DC供给控制装置(13)和用于限定所述给定初始频率(f)的AC电流信号的AC供给控制装置(14)，以便在所述气体吸收线周围产生所述初始光信号(S0)的光强度的交替扫描，相应地布置在所述检测区域(4)的外围的光传感器(8)，所述传感器(8)用于接收合成光信号(SG)，所述合成光信号(SG)包括已通过所述检测区域(4)的初始光信号(S0)的强度变化，并提供与所述合成光信号(SG)的光强度变化成比例的检测信号(SD，SDC1，SDC2)，处理装置(16-25)，用于从所述检测信号(SD)中提供关于所述检测区域(4)中的给定气体的存在或浓度的信号(SA)，所述处理装置包括用于提供基本上与所述合成光信号(SG)的时间导数成比例的已求导的检测信号(SDA)的装置(25)，第一产生装置(15)，用于产生所限定的第一频率的第一调制参考信号(Sf)；以及第二产生装置(16)，用于产生两倍于所述初始频率(f)的第二调制参考信号(S2f)；两个调制参考信号(Sf，S2f)具有与所述初始光信号(S0)的强度变化同相的限定关系，用于提供第一测量信号(SM1)的第一装置(4)，所述第一测量信号是所述初始光信号(S0)的强度的函数，并基本上与所述气体浓度无关，第二装置(19)，用于将所述第二调制参考信号(S2f)与所述检测信号(SDA)相乘，然后对时间积分，以便提供第二测量信号(sMA)，所述第二测量信号(sMA)是气体吸收的函数，并基本上与所述初始频率(f)的所述初始光信号(S0)的强度调制无关，处理单元(22)，用于把所述第二测量信号(sMA)除以所述第一测量信号(SM1)，以便提供关于给定气体的存在或其浓度的最后的测量信号(SM)，其特征在于用于提供第一测量信号(SM1)的所述第一装置(4)在没有导数装置的情况下接收所述检测信号(SD，SDC1，SDC2)，并且适于通过如下方式来确定所述第一测量信号(SM1)计算由所述被测气体的气体吸收峰值之下的DC驱动电流操作所述激光源时确定的第一检测信号(SDC1)与由所述气体吸收峰值之上的DC驱动电流操作所述激光源时确定的第二检测信号(SDC2)的算术平均值，每个均具有DC驱动电流，没有气体浓度影响所述检测信号并且DC驱动电流之间的差对应于所述检测区域(4)的光学系统的标准具条纹周期。
全文摘要
气体检测装置中的标准具(etalon)抑制方法，在无气体的情况下在校正步骤期间根据DC驱动电流确定标准具条纹周期。测量信号是气体吸收的函数，基本上独立于初始频率为(f)的初始光信号的强度调制，通过如下方式产生该测量信号确定在气体吸收峰值的中心操作激光源时的第一预测量信号，由被测气体的气体吸收峰值之下的DC驱动电流操作激光源时的第二预测量信号，及由所述气体吸收峰值之上的DC驱动电流操作激光源时的第三预测量信号，DC驱动电流间的差对应于先前校正步骤中确定的标准具条纹周期。将最后测量信号确定为第一预测量信号与第二预测量信号和第三预测量信号的算术平均间的差。这种标准具条纹的抑制允许气体检测器中的参考通道的真正简化，该气体检测器无需在调制频率(f)或两倍调制频率(2f)上分析检测器信号的分离的同步通道。
文档编号G01N21/35GK101063655SQ200710105369
公开日2007年10月31日 申请日期2007年4月26日 优先权日2006年4月27日
发明者B·威林, M·科利, A·塞弗特 申请人:Ir微系统股份有限公司