光学气体传感器的制作方法

本发明的技术领域是光学气体传感器，更具体地是非色散红外传感器。

背景技术：

使用光学方法分析气体是很常见的。装置使得通过基于组成气体的物质具有彼此不同的吸收光谱特性的事实来确定气体成分。因此，在知道气态物质的光谱吸收带的情况下，则可以通过使用beerlambert定律估计通过气体的光的吸收来确定气态物质的浓度。该原理允许估计介质中存在的气态物质的浓度。

光源通常是发射红外线的光源，所用的方法通常用术语“ndir检测”表示，首字母缩略词ndir表示无分散红外线。这种原理经常被实施，并且例如在许多文献中描述，例如在us5026992或wo2007064370或us6469303中。

根据最常见的方法，分析的气体在光源和被称为测量光电检测器的光电检测器之间延伸，所述测量光电检测器用于测量由待分析的气体传输并且由待分析的气体部分地吸收的光波。该方法通常包括测量由光源发射并且不被分析的气体吸收的光波，该光波被称为参考光波。参考光波可以由参考光电检测器测量。文献ep2133684例如描述了一种配置，根据该配置，测量光电检测器和参考光电检测器相对于光源对称布置。

在存在气体的光波和不存在气体的光波之间的比较使得可以表征气体。这涉及例如根据术语“吸收的ndir”所指定的技术来确定气体中气态物质的量。还可以通过根据预定的散射角度范围检测由气体散射的光来估计气体中的颗粒量。

参考光波由参考光电检测器测量。它可以是与测量光电检测器不同的参考光电检测器，并且布置成面向光源，该参考光电检测器与参考光学滤波器相关联。参考光学滤波器限定参考光谱带，在其该参考光谱带中待分析的气体不具有显着的吸收。

文献ep2711687和ep2891876描述了包括腔的气体传感器，在该腔中布置有一个或更多个镜子。镜子使得腔中的光路径最大化，并将通过气体的光线聚焦到一个或更多个光电检测器上。这使得在使用紧凑型装置的同时提高检测灵敏度。抛物面镜的使用在wo2006/135212中描述。

文献wo2012/126471描述了一种由彼此并置的不同基本传感器组成的气体传感器。根据该装置，分析的气体在各种基本传感器中流动。

本发明的目的是提供一种特别是注重紧凑性和灵敏度的具有优化性能的气体传感器。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是一种气体传感器，其包括能够容纳气体的腔，该传感器还包括：

■光源，其能够发射在发射锥中通过腔传播的光波；

■测量光电检测器和参考光电检测器，所述测量光电检测器和参考光电检测器中的每个都能够检测由光源发出并穿过腔的光波；

传感器使得腔在彼此相对布置的两个横向壁之间延伸，横向壁通过周壁、特别是圆柱形壁相互连接，所述周壁在横向壁之间围绕纵向轴线延伸，所述周壁包括：

■第一反射部分，其能够接收发射锥的第一部分以将该第一部分朝向测量光电检测器反射，从而形成朝向测量光电检测器会聚的锥，该锥称为测量锥；

■第二反射部分，其能够接收发射锥的第二部分以将其朝向参考光电检测器反射，从而形成朝向参考光电检测器会聚的锥，该锥称为参考锥。

根据一个实施例，腔包括至少一个开孔，所述至少一个开孔形成在所述横向壁中的一个中并且用于气体的进入或排出，所述开孔在所述横向壁中形成在发射锥和测量锥沿着纵向轴线在所述横向壁上的投影的外侧。横向壁优选为反射壁。

优选地，允许气体的排出或进入的每个开孔也位于参考锥的沿纵向轴线的投影的外侧。

腔可以包括两个开孔，每个开孔形成在所述横向壁中的一个中并且用于气体的进入或排出，每个开孔在所述横向壁上局部地定位在发射锥和测量锥(优选参考锥)沿着纵向轴线的投影的外侧。

横向壁横向于纵向轴线延伸，优选地在垂直于纵向轴线的横向平面中延伸。横向壁可以平行于横向平面或基本平行于横向平面。术语基本上意味着允许角度公差，例如+/-20°或+/-30°。

第一反射部分和第二反射部分尤其可以是弯曲的。然后，第一反射部分和第二反射部分在横向平面中描述曲线，该曲线可以是椭圆或抛物线的一部分。第一反射部分可以在横向平面中遵循第一椭圆，传感器使得发射锥的顶点设置在第一椭圆的第一焦点处。优选地，测量锥的顶点设置在所述第一椭圆的不同于第一焦点的第二焦点处。根据这种布置，第一反射部分将光源与测量光电检测器共轭。第二反射部分还可以在横向平面中遵循第二椭圆，传感器使得发射锥的顶点设置在第二椭圆的第一焦点处，并且参考锥的顶点被布置在第二椭圆的与所述椭圆的第一焦点不同的第二焦点处。

第一椭圆可包括沿一个方向延伸的长轴，发射锥围绕中心发射轴延伸，中心发射轴相对于与长轴方向正交的方向倾斜，倾斜角为5°至20°。

测量光电检测器限定光轴，所述光轴优选地相对于与长轴方向正交的方向倾斜，倾斜角为5°至20°。

沿着纵向轴线在两个横向壁之间的距离限定了腔的高度，例如为100μm至1cm，并且优选地为500μm至1cm。

本发明的第二个目的是一种气体检测装置，该装置包括根据本发明第一目的的多个传感器，该装置使得第一传感器和第二传感器彼此叠置，第一传感器的腔设置在第二传感器的腔上，使得形成在第一传感器的横向壁中的开孔与第二传感器的横向壁中的开孔连接，从而使得气体通过所述开孔在两个传感器之间流动。第一传感器的具有开孔的横向壁面向第二传感器的具有开孔的横向壁设置，以使得气体流动穿过形成在所述横向壁中的开孔。

从以下通过非限制性实施例给出的并在下面列出的附图中示出的本发明具体实施方案的描述中可以更清楚地看出其它优点和特征。

附图说明

图1示出了气体传感器的示例的主要部件图。

图2a和2b示出了描述图1中所示的气体传感器的腔的几何形状的截面，以及传感器的主要部件的布置。

图2c示出了在传感器的腔的横向壁中形成的开孔的示例。图2d示出了在传感器的腔的横向壁中形成的开孔的另一示例。

图3示出了通过组装彼此叠置的两个传感器而获得的装置。

图4a示出了两个倾斜角度，其对测量光电检测器检测到的光量有影响。

图4b示出了对比测试，其表示对于光源的发射轴相对于垂直于椭圆(被称为第一椭圆)长轴的方向的不同倾斜角度以及对于测量光电检测器的轴相对于所述长轴的不同倾斜角度，由光电检测器检测到的光量随由传感器测量的二氧化碳量的变化。

图4c示出了对比测试，其表示对于光源的发射轴相对于垂直于椭圆(被称为第一椭圆)长轴的方向的不同倾斜角度以及对于测量光电检测器的轴相对于所述长轴的不同倾斜角度，由光电检测器检测到的光量随由传感器测量的甲烷量的变化。

图4d示出了对于光源的发射轴相对于垂直于椭圆(被称为第一椭圆)长轴的方向的不同倾斜角度以及对于测量光电检测器的轴相对于所述长轴的不同倾斜角度，由测量光电检测器检测到的信号量的演变。

具体实施方式

图1表示根据本发明的气体传感器的示例。传感器包括能够容纳待分析的气体的腔10。腔由沿横向平面xy延伸的两个壁21、22界定，该壁被称为横向壁。在图1中，示出了第一横向壁21，横向壁22以透明的方式示出，以使腔10的内部可视化。横向壁21和22在图2c和2d中示出。

横向壁可以平行于横向平面xy，或者基本上平行于横向平面xy，术语基本上表示允许角度公差，例如+/-20°或+/-30°。横向壁可以是平的或弯曲的。

腔还包括被称为周壁的壁30，该周壁限定腔并在第一横向壁21和第二横向壁22之间延伸。周壁30围绕垂直于横向平面xy的纵向轴线z延伸。周壁30采用圆柱形壁的形式，其在横向平面xy中的截面包括弯曲部分31、32和平面部分，如参考图2a和2b所述。弯曲部分尤其可以是椭圆形或抛物线形。椭圆形部分在横向平面xy中遵循椭圆的一部分的轮廓。抛物线部分在横向平面xy中遵循抛物线的一部分的轮廓。

气体传感器1包括光源11，其能够在发射锥ω1中发射光波11'，所述发射锥围绕发射轴δ1延伸。光源11设置在发射锥ω1的顶点s1。光源11能够沿着照射光谱带δ发射称为入射光波的光波11'，所述照射光谱带δ可以在近紫外和平均红外之间延伸从200nm至10μm，并且最常见的是红外线、特别延伸从1μm至10μm。光源11尤其可以是脉冲的，入射光波11'是持续时间通常为为100ms至1s的脉冲。所述入射光波尤其可以涉及被电流穿过并被加热到400℃至800℃的温度以发射红外光的悬挂灯丝类型的光源。

周壁30包括第一反射部分31，该第一反射部分被配置为接收发射锥ω1的第一部分，以将该第一部分朝向称为测量光电检测器12的光电检测器反射。这样，位于发射锥ω1中的光波11'的一部分被反射朝向测量光电检测器12。光波因此穿过腔10中存在的气体，从而形成到达测量光电检测器12并被该光电检测器检测到的透射波14。在所讨论的示例中，光电检测器12是热电堆，该热电堆能够根据光电检测器所暴露的光波的强度传递信号。光电检测器12还可以用作光电二极管或其他类型的光电检测器。测量光电检测器12可以耦合到带通滤波器18，该带通滤波器的光谱带与希望确定的其气体混合物中的量cs的气态物质gs的光谱带相对应。根据beer-lambert关系，由测量光电检测器12检测的光波14的强度i取决于的量cs：

其中：

-μ(cs)是衰减系数，其取决于所寻求的cs量；

-l是腔中由光波穿过的气体厚度；

-i0是入射光波的强度，其与在腔中没有吸收气体的情况下到达测量光电检测器12的波的强度相对应。

i和i0之间的比较采用比率的形式，其与由所讨论的气态物质产生的衰减att相对应。

因此，在光源11的每个脉冲期间，可以确定μ(cs)，这使得在知道cs和μ(cs)之间的关系是已知的情况下可以估计

反射壁是指其在源11发射的光波的光谱带δ中的全部或部分的反射系数大于50％、优选大于80％的壁。可以使用诸如金属的反射材料形成反射壁，例如金。

表达式(1)假定控制由光源11发射的光波的强度i0。为此目的，该装置包括参考光电检测器13，其被布置成使得该光电检测器检测称为参考光波11ref的光波，所述参考光波在不与腔10中存在的气体相互作用或者不与腔10显着地相互作用的情况下到达参考光电检测器13。为此目的，周壁30包括第二反射部分32，所述第二反射部分构造成接收由光源11发射的发射锥ω1的第二部分，以将该第二部分朝向参考光电检测器13反射。由参考光电检测器13检测的参考光波11ref的强度由术语参考强度iref指定。在该示例中，参考光电检测器13与称为参考光学滤波器18ref的光学滤波器相关联。参考光学滤波器18ref限定与未被样本吸收的波长范围相对应的带宽。例如，参考带宽以3.91μm波长为中心。iref的测量允许估计i0，这使得确定μ(cs)，然后估计iref的测量使得尤其可以考虑由光源11发射的光波的强度i0的时间变化。

在图1所示的示例中，光源11、测量光电检测器12和参考光电检测器13至少部分地在腔10内部延伸。根据变型，光源11和/或测量光电检测器12和/或参考光电检测器13布置在腔10的外侧。然后在腔10中提供透明窗口或开孔，因此使得能够在周壁30的两侧传输光。

图2a示出图1所示气体传感器的横截面图。周壁30的第一部分31接收由光源发射的发射锥ω1的一部分并将其沿着称为测量锥的反射锥ω2朝向测量光电检测器12反射。在横向平面xy中，第一部分31遵循称为第一椭圆的椭圆的部分的轮廓，其限定了沿方向31a延伸的长轴。光源11设置在第一椭圆的第一焦点处，而测量光电检测器12设置在第一椭圆的第二焦点处。图2a包括定义比例的量规。

如先前所指示，周壁30包括第二反射部分32，用于接收所述发射锥ω1的第二部分，以将其朝向参考光电检测器13在称为参考锥的反射锥ω3中反射。参考锥ω3如图2b所示。在横向平面xy中，第二部分32遵循称为第二椭圆的椭圆的部分的轮廓，其限定了沿方向32a延伸的长轴。光源11设置在第二椭圆的第一焦点处，而参考光电检测器13设置在第二椭圆的第二焦点处。

优选地，无论实施例，弯曲部分31和32被布置成将光源11分别与测量光电检测器12和参考光电检测器13共轭。因此，测量锥ω2和参考锥ω3分别会聚到测量光电检测器12上和参考光电检测器13上。根据这样的配置，测量光电检测器12设置在测量锥ω2的顶点s2，参考光电检测器13设置在参考锥ω3的顶点s3。这种布置使得优化每个光电检测器检测到的光量，从而提高传感器的灵敏度。应当注意部分31和32也可以是抛物线的或形成平面的面，所述面的整体沿着纵向平面xy描述曲线(例如抛物线或椭圆形)的一部分。

优选地，光源11设置为使得在横向平面xy中将其与第一部分31的每个点间隔的距离大于或等于第一椭圆的焦点间隔的距离，该距离通常表示为2c，c表示椭圆的焦点与其中心之间的距离。类似地，光源设置为使得在横向平面xy中将其与第二部分32的每个点间隔的距离大于或等于第二椭圆的焦点间隔的距离。该条件使得改善由每个光电检测器检测到的光量。

优选地，第一椭圆的长轴方向和第二椭圆的长轴方向交叉并形成小于或等于90°的角度θ，该角度θ在图2b中示出。在此示例中，θ＝70°。

在所示的示例中，第一椭圆和第二椭圆具有如下所示的几何特征。

第一椭圆(第一椭圆部分31)：

-长轴长度：12.3mm；

-短轴长度：11.9mm；

-椭圆焦点与长轴中心之间的距离：3mm。

第二椭圆(第一椭圆部分32)：

-长轴长度：12.75mm；

-短轴长度：11.9mm；

-椭圆焦点与长轴中心之间的距离：4.6mm。

在该示例中，周壁30沿纵向轴线z沿着等于1.2mm的高度h延伸。

除了椭圆部分31和32之外，周壁30还包括：

-第三平坦部分33，参考光电检测器13布置在第三平坦部分33上，参考光电检测器13的光轴δ3优选地与第三部分33正交；

-第四平面部分34，光源11布置在第四平面部分34上，发射锥ω1的中心轴线δ1优选地与第四部分34正交；

-第五平坦部分35，测量光电检测器12布置在第五平坦部分35上，测量光电检测器12的光轴δ2优选地与第五部分35正交。

第三部分33和/或第四部分34和/或第五部分35优选地是反射性的。如前所述，当诸如光电检测器或光源11的元件布置在腔10外侧时，这些部分可包括开孔或透明窗口。

腔10包括允许气体进入腔中的进气口23和允许气体从腔中排出的排气口24。开孔的位置。如图2c和2d所示，这些开孔形成在横向壁21或22中的一个上或形成在每个横向壁上。

开孔在横向壁上的位置并不是无关紧要的，并且认为优选的是将这些开孔布置成使得的发射锥ω1和测量锥ω2沿着纵向轴线z的相应投影位于每个开孔的外侧。因此，每个进气口23或排气口24在横向壁中形成以在所述壁上在发射锥ω1和测量锥ω2的投影的外侧延伸。这种定位使得限制开孔对测量光电检测器12执行的检测的影响。优选地，每个进气口或排气口也布置成也在参考锥ω3沿纵向轴线z的投影的外侧延伸。这使得限制开孔对参考光电检测器13执行的检测的影响。

在图2a和2b中，以灰色示出了腔10的部分，进气口或排气口23、24可以在横向壁21或22中与腔的部分垂直地形成。图2c示出了腔10的剖视图，横向壁彼此间隔开高度h，高度h例如为100μm至1cm，优选地为500μm至1cm。该剖视图沿图2b中所示的方向a1实现，并且使得看到形成在第二横向壁22中的开孔23的位置。图2d示出了沿着图2b中所示的方向a实现的腔10的另一剖视图，并且使得观察在第二横向壁22中形成的开孔24。

横向壁中的进气口或排气口的布置使得更容易将传感器1连接到进气或排气的流体回路。当在第一横向壁21中形成开孔23并且在第二横向壁22中形成另一个开孔24时，可以将两个腔彼此叠置，从而形成包括至少两个如前所述的传感器1、1'的检测装置。这种装置在图3中示出。检测装置布置成使得每个传感器的两个腔10、10'彼此叠置，第一腔10的第二横向壁22组装到第二腔10'的第一横向壁21'，第二腔10'在两个横向壁21'、22'之间延伸。因此，待分析的气体2可以通过每个横向壁中形成的开孔从一个传感器流动到另一个传感器。在该图中，气体的位移用箭头表示。这样的配置使得布置多个彼此叠置的传感器，每个传感器专用于检测预定的气态物质。

而且，无论前面段落中描述的进气口和排气口的位置如何，已经发现光源11的位置、更确切地说是发射锥ω1的中心轴线δ1的倾斜度对测量光电检测器12检测到的光量有影响。测量光电检测器的光轴δ2倾斜度的也是这种情况。该效果在图4a至4d中示出。图4a表示称为第一倾斜角的倾斜角α1，其在以下各项之间延伸：

-第一方向31'a，其与第一椭圆的长轴方向31a正交，由第一部分31限定，

-和发射锥ω1的中心轴线δ1。

已经在模拟的基础上示出，根据上述布置，如此限定的倾斜角α1对测量光电检测器12收集的光量有影响。优选地，该角度为5°至20°，更优选地为12°至18°，即大约15°。

图4a还示出了在先前定义的方向31'a和测量光电检测器12的轴δ2之间的第二倾斜角α2。类似于第一倾斜角α1，第二倾斜角α2优选为5°至20°，更优选为10°至18°，即约15°。

已经进行了模拟，以比较测量光电检测器12接收的光量随第一倾斜角α1的三个值(分别等于10°、15°和25°)和对于第二倾斜角α2的两个值(分别等于15°和25°)的变化。图4b示出测量光电检测器12检测到的光量随腔10中二氧化碳浓度(以ppm为单位)的变化。由光电检测器测量到的光量用伏特表示，建模光电检测器为热电堆。测试的三种配置如下：

-配置a：α1＝10°，α2＝15°；

-配置b：α1＝15°，α2＝15°；

-配置c：α1＝25°，α2＝25°。

相对于角度α1＝25°，α2＝25°(配置c)，角度值α1＝10°，α2＝25°(配置a)或α1＝15°，α2＝15°(配置b)使得增加检测到的光量。对应于配置a和b的曲线重合。

从图4c可以得出相同的结论，其示出根据两种配置由测量光电检测器12检测到的光量随腔10中甲烷浓度的变化：

-配置d：α1＝15°，α2＝15°；

-配置e：α1＝25°，α2＝25°。

配置d优于配置e。

图4d示出了由测量光电检测器12根据不同组合α1(横坐标)α2(纵坐标)检测到的由光源发射的光的百分比。百分比以灰度级表示。

首选的范围由白色虚线包围。

本发明可用于各种领域的气体传感器，例如环境(特别是大气污染的控制)、工业(例如化学工业、石油或农业食品工业)，或健康。