紧凑型气体传感器的制作方法

1.本发明的技术领域是光学气体传感器，更具体地说，是非色散红外传感器。


背景技术：

2.使用光学方法来分析气体非常频繁。基于构成气体的物质种类具有彼此不同的吸收光谱特性，传感器允许确定气体的构成。由此，如果已知气体物质的吸收光谱带，则可经由估计穿过气体的光的吸收，使用比尔-朗伯定律，来确定其浓度。该原理允许估计存在于介质中的气体物质的浓度。
3.光源通常是发射红外线的源，使用的方法通常由英文术语“ndir detection”来指定，ndir是non dispersive infra-red的缩写。这样的原理已经被频繁实施，并且例如在众多文献(例如us5026992或wo2007064370)中描述。
4.根据最常用的方法，所分析的气体在光源与称作测量光电检测器的光电检测器之间，所述测量光电检测器旨在测量由光源发射并穿过待分析气体传输并部分地被待分析气体吸收的光波。这些方法一般包括测量称作参考光波的由光源发射并不被所分析的气体吸收的光波。
5.在存在气体的情况下的光波与没有气体的光波之间的比较允许表征气体。这涉及例如根据称作术语“吸收式ndir”的技术，确定气体中的气体物质的量。这也可涉及根据预定散射角度范围，通过检测气体散射的光，估计气体中的颗粒的量。
6.通过参考光电检测器来测量参考光波。这可涉及不同于测量光电检测器并设置为面对光源的参考光电检测器，该参考光电检测器与参考滤光片相关联。参考滤光片限定参考光谱带，待分析气体在该参考光谱带中不具有显著的吸收。
7.文献ep2711687和ep2891876描述了包括其中设有一个或更多个镜子的外壳的气体传感器。镜子允许最大化光在外壳中的路径长度并使得穿过气体的光线聚焦在一个或更多个光电检测器上。这允许在使用紧凑型的设备的同时，提高检测敏感度。
8.文献ep3208601描述了一种由轮廓为椭圆形的反射性壁形成的紧凑型气体传感器。文献wo2018162848也是同样的。
9.申请人设计了一种特别紧凑的气体传感器，它与当前工业格式可兼容。由此导致具有优化性能的气体传感器，尤其优先紧凑性和敏感度。


技术实现要素：

10.本发明的第一主题在于一种气体传感器，所述气体传感器包括能够容纳气体的外壳，该外壳包括在第一壁与第二壁之间围绕横向轴线延伸的横向壁，该传感器还包括：
[0011]-光源，其构造为发射在外壳中传播并自光源形成第一光锥的光波，
[0012]-测量光电检测器，其能够检测由光源发射并通过外壳传播的光波；
[0013]
该传感器使得第一壁和第二壁中的每个包括至少一个反射性表面，其形成回转椭球体的一部分，每个反射性表面关联到秩n，n是大于或等于1的整数，以使得传感器包括：
[0014]-秩1的第一反射性表面，其具有第一焦点和第二焦点，该第一反射性表面布置为面对光源；
[0015]-严格大于1的秩n的至少一个反射性表面，秩n的每个反射性表面具有：
[0016]
·
第一焦点，其与前一秩n-1的反射性表面的第二焦点重合；
[0017]
·
第二焦点，其与第一焦点不同并与后一秩n+1的反射性表面的第一焦点重合；
[0018]-秩n的最后一个反射性表面，其包括与前一秩的反射性表面的第二焦点重合的第一焦点，该最后一个反射性表面还包括第二焦点；
[0019]
使得由光源发射的光波在向最后一个反射性表面的第二焦点会聚之前被n个回转椭球形反射性表面按照其分别的秩来相继地反射，形成最后一个光锥，测量光电检测器布置成延伸到该最后一个光锥中。
[0020]
椭球形第一反射性表面关联到第一椭圆形。第一椭圆形的偏心率优选地小于0.8、或甚至小于0.7、或甚至小于0.5。
[0021]
光源优选地布置在第一反射性表面的第一焦点处，或与第一反射性表面的第一焦点相距小于1mm的距离处。测量光电检测器优选地布置在最后一个反射性表面的第二焦点处，或与最后一个反射性表面的第二焦点相距小于1mm的距离处。
[0022]
有利地：
[0023]-秩n的每个反射性表面构造为反射其接收的光波，使得形成秩n+1的光锥，所述光锥围绕秩n+1的传播轴线延伸；
[0024]-当n《n时，秩n+1的传播轴线从秩n的表面延伸到秩n+1的表面并经过秩n的表面的第二焦点，该第二焦点与秩n+1的表面的第一焦点重合；
[0025]-当n＝n时，秩n+1的传播轴线从秩n的表面延伸到测量光电检测器；
[0026]
使得由光源发射的光波在达到测量光电检测器之前，与反射性表面数量相对应的反射数量，以形成最后一个光锥。
[0027]
当n《n时，秩n+1的每个光锥可朝向该光锥自其传播的秩n的反射性表面的第二焦点会聚，然后朝向该光锥向其传播的秩n+1的反射性表面发散。
[0028]
根据一个实施例，光源和测量光电检测器与第一壁的内部面构成整体，所述内部面朝向外壳内部定向。根据该实施例，偶数秩的反射性表面设置在第一壁的内部面上。奇数秩的反射性表面设置在第二壁的内部面上。外壳则可由将第二壁面对第一壁来组装而形成。
[0029]
优选地，在光源与测量光电检测器之间延伸的反射性表面的数量是奇数。在光源与测量光电检测器之间延伸的反射性表面的数量可以等于5。
[0030]
所述传感器可包括构造为检测视为不由气体而衰减的光波的参考光电检测器。该传感器则可包括形成回转椭球体的参考反射性表面，参考表面包括：
[0031]-布置在光源处或与该光源相距小于1mm的距离处的第一焦点；
[0032]-布置在测量光电检测器处或与该测量光电检测器相距小于1mm的距离处的第二焦点。
[0033]
优选地，光源、测量光电检测器和参考光电检测器是共平面的，或大致共平面的，允许小于1mm或2mm的容差。它们可设置在第一壁上。
[0034]
优选地，每个椭球形反射性表面通过围绕其长轴线转动与表面关联的椭圆形而获
得。
[0035]
本发明的第二主题在于一种用于使用根据本发明的第一主题的传感器来分析气体的方法，该方法包括以下步骤：
[0036]
a)将气体引入到传感器的外壳中；
[0037]
b)使用光源照射气体；
[0038]
c)利用测量光电检测器，测量由光源发射并已经过外壳传播的光波的光强度；
[0039]
d)基于测得的光强度，确定气体中的气体物质的量。
[0040]
步骤d)一般由处理单元基于由测量光电检测器所生成的信号来实施。
[0041]
步骤d)可考虑将由测量光电检测器在外壳中不存在吸收性物质的情况下测得的强度。该强度可初始地测量或可通过使用参考光电检测器来估计，该参考光电检测器测量由光源发射并被气体的吸收视为可忽略的参考光波的强度。根据一个实施例，光电检测器测量参考光谱带中的参考光波，在该参考光谱带中，由光源发射的光波视为不被吸收。
[0042]
结合下列附图，阅读在本说明书下文中对所说明的实施例示例的说明，将更好地理解本发明。
附图说明
[0043]
图1a和1b是气体传感器分别在横向平面xz中和主平面xy中的横截面，主平面垂直于横向平面。
[0044]
图2a示意性地示出传感器的第一壁和第二壁，并示出传感器的主组件(即光源、测量光电检测器，以及反射性表面)的位置。在该图中，轴线d1对应于图1b中示出的圆形母线。该图示在于沿着该母线展开传感器的外壳。
[0045]
图2b示意性地示出传感器的第一壁和第二壁。在该图中，轴线d2对应于图1b中示出的圆形母线。该图示在于沿着该母线展开传感器的外壳。
[0046]
图3a、3b、3c和3d示出传感器的主组件。在不同附图之间，观察点在图1b中图示的正转动方向上围绕传感器转动。
[0047]
图4a和4b是允许估计传感器的分别关于检测甲烷和二氧化碳的性能的建模结果。
具体实施方式
[0048]
图1a和1b示意性地示出根据本发明的气体传感器1。气体传感器1包括由第一壁4、第二壁5和横向壁6界定的外壳2。横向壁6平行于横向轴线z地延伸。横向壁6是围绕横向轴线z的环形壁。所述横向壁在第一壁4与第二壁5之间延伸。横向轴线z垂直于主平面xy地延伸。外壳2形成圆柱形壳体。
[0049]
第一壁4包括外部面4e和内部面4i。第二壁5包括外部面5e和内部面5i。第一壁4和第二壁5的各自外部面4e、5e是平坦的并且平行于主平面xy。所述第一壁和第二壁垂直于横向轴线z，环形壁6围绕所述横向轴线延伸。第一壁4和第二壁5的各自内部面4i、5i朝向外壳2的内部定向。外壳2连接到与横向轴线z平行的连接销3。
[0050]
传感器1的形状和尺寸符合气体检测领域中的称作4r格式的常用格式。外壳2的直径φ为20mm，并且其高度h为16.6mm。考虑到横向壁6的厚度，外壳2的内部直径φ’为17mm。定义围绕横向轴线z的正转动方向，该正转动方向任意地视为类似于顺时针的转动方向。
[0051]
4r格式的一个优点在于它在电子设备领域中广泛使用。由此，符合该格式的气体传感器1可以容易地连接到现有电子电路。符合该格式通过有助于更换传感器而有助于维护测量系统。
[0052]
然而，与该格式相关的一个难处在于其紧凑性。外壳的有用体积小，这要求以下描述的优化方法。
[0053]
外壳2旨在被待分析气体g占据。待分析气体包括期望确定其在气体中的浓度c
x
的气体物质g
x
。在吸收光谱带δλ
x
中，气体物质g
x
吸收光，尤其是红外光。传感器1还包括：
[0054]
·
光源10，其构造为在发射光谱带δλ中发射光波11。发射光谱带可在近紫外线与中红外线之间、例如在200nm与20μm之间，并且最经常地在红外线中延伸，发射光谱带δλ例如为1μm至20μm。
[0055]
·
测量光电检测器20，其构造为在吸收光谱带δλ
x
中检测称作被传输光波的光波14。被传输光波是由光源10发射并穿过外壳传播并在其穿过气体传播时逐渐衰减的光波。测量光电检测器20可与限定包括在吸收光谱带δλ
x
中的检测光谱带δλd的低通滤波器相关联。
[0056]
·
参考光电检测器20
ref
，其构造为检测参考光波。被参考光电检测器20
ref
检测的参考光波视为不由存在于外壳中的气体g而衰减。在本示例中，参考光电检测器在由光源发射的光波在其中的衰减视为可忽略的参考光谱带δλ
ref
中检测参考光波20
ref
。参考光电检测器可关联到限定参考光谱带δλ
ref
的参考低通滤波器。例如，参考光谱带δλ
ref
围绕波长3.91μm定中心。使用参考光电检测器是可选的，但是是有利的。替代地，在含有气体的外壳2中没有布置参考光电检测器，在该情况中，参考光谱带可类似于测量光谱带。
[0057]
优选地，光源10、测量光电检测器20和参考光电检测器20
ref
与相同的支撑平面连接。这可尤其涉及形成外壳2的第一壁4的电子板。这样的设置简化传感器的制造。
[0058]
光源可以是脉冲式的，并发射时长一般为50ms至1s的光脉冲。这可尤其涉及形成于悬挂膜上的丝线类型的红外线光源，该丝线被电流经过。由此，悬挂膜被加热到400℃至800℃的温度，以发射红外线光。
[0059]
测量光电检测器20和参考光电检测器20
ref
可以是热电堆或热检测器或光电二极管。每个光电检测器配置为生成检测信号，所述检测信号的幅度a对应于检测到的光波的强度i。
[0060]
根据朗伯-比尔定律，被测量光电检测器20检测到的光波的强度i取决于所关注的气体物质g
x
的浓度c
x
：
[0061][0062]
其中：
[0063]-μ(c
x
)是取决于所研究的浓度c
x
的衰减系数；
[0064]-l是被外壳中的光波穿过的气体厚度；
[0065]-i0对应于在外壳中不存在吸收性气体的情况下，由或会由测量光电检测器20检测到的波的强度。
[0066]
形式为比值i/i0的i与i0之间的比较对应于由于所涉及的气体物质gx导致的衰减att。在光源10的每个脉冲期间，可由此确定μ(c
x
)，由于c
x
与μ(c
x
)之间的关系是已知的，这
允许估计量c
x
。
[0067]
强度i0可例如在标定过程中预先确定，或在外壳20中没有气体的情况下测得。当传感器包括参考光电检测器20
ref
时，强度i0可基于由参考光电检测器测得的参考强度i
ref
估计。为此，由于已知光源10的发射光谱，使用根据表达式(2)的允许根据i
ref
估计i0的函数f：
[0068]
i0＝f(i
ref
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0069]
传感器包括接收由测量光电检测器20和可选的参考光电检测器20
ref
测得的信号的处理单元30。处理单元30允许基于所述信号来实施用于估计所研究的气体物质的浓度的计算。处理单元30包括例如微处理器。
[0070]
气体在其中延伸的外壳2的尺寸特别小。而优选的是，考虑到测量链中的不同噪音，由测量光电检测器20检测的光波足够衰减以使得更容易量化衰减att。因此优选的是达到测量光电检测器的光线经过的长度l足够大。申请人认为衰减att必须大于0.2，例如为0.2至0.3。
[0071]
为了优化达到测量光电检测器的光线经过的长度l，发明人设计了包括椭球形反射性表面的外壳2。由此，反射性表面遵循回转椭球体的一部分。反射性表面允许由光源发射的波在达到测量光电检测器之前进行多次反射。由此导致达到测量光电检测器20的光线在外壳2中经过的长度l增大。
[0072]
图2a示意性地示出外壳2的内部。在图2a中沿着在图1b中以虚线图示的圆形母线d1来示出了外壳2的内部。该图示在于沿着圆形母线d1展开外壳，秩n的椭球形反射性表面sn沿着该圆形母线延伸。指数n是使得1≤n≤n的自然整数，n是位于由光源10发射并向测量光电检测器20传播的光波的光学路径上的椭球形反射性表面的数量。
[0073]
术语椭球形表面sn指通过在空间中使得椭圆形en围绕其轴线之一转动而获得的回转椭球形表面。在所述示例中，每个椭球形表面sn关联到具有长轴线an和短轴线bn的椭圆形en。关联到椭圆形的椭球形表面指通过该椭圆形围绕其轴线之一转动而形成的椭球形表面。在所示示例中，每个椭球形表面sn是通过使得与其关联的椭圆形en围绕其长轴线an转动而获得的。这样的椭球形表面被称为长形的，其对应于英文名称“长球”和“长椭球”。
[0074]
反射性表面指其反射系数在发射光谱带δλ的整个或部分中大于50％、优选地大于80％的表面。在红外线光谱域中，可使用诸如金属(例如金)的反射性材料来形成反射性壁。
[0075]
每个椭球形反射性表面sn包括第一焦点p1-n和第二焦点p2-n，两个焦点彼此是不同的。当1《n《n时，第一焦点p1-n与之前的表面s
n-1
的第二焦点p2-(n-1)重合。第二焦点p2-n与之后的表面s
n+1
的第一焦点p1-(n+1)重合。当n＝1时(第一反射性表面s1)，第二焦点p2-1与第二反射性表面s2的第一焦点p1-2重合。当n＝n时(最后表面)，第一焦点p1-n与之前的表面s
n-1
的第二焦点p2-(n-1)重合。第一表面s1允许反射由光源10发射的入射光波11，而最后表面sn允许向测量光电检测器20反射穿过了外壳10的光波。在图2a以及3a至3d所示的实施例中，n＝5。n可以为3至10，但申请人认为n＝5对应于优化方案。
[0076]
由光源发射的光波11被不同表面sn根据它们各自的秩按照递增的顺序相继地反射。换句话说，反射性表面s1、
……
、sn在光源10与测量光电检测器20之间相继地延伸。术语“相继地延伸”通过考虑光在光源10与测量光电检测器20之间的传播来解释。投影在第一壁
4或第二壁5上的光波的路径描绘圆弧。
[0077]
考虑到关于传感器的紧凑性的尺寸限制，本发明人证实了优选的是与第一表面s1关联的第一椭球形e1具有小于0.8、甚至小于0.7或0.5的偏心率。具有长轴g和短轴p的椭圆形的偏心率指以下比值：
[0078][0079]
椭圆形的偏心率严格为0至1，零的偏心率对应于圆形。
[0080]
光源10构造为将发射光波11发射为使得形成称作第一锥的围绕第一轴线δ1延伸、朝向第一反射性表面s1的光锥ω1。光源10布置在第一光锥ω1的顶点处。光源10优选地与第一反射性表面s1的第一焦点p1-1重合。
[0081]
术语“重合”应以一定容差来解释，并可指“位于
……
的附近”，附近对应于与点相距一小距离地搁置的区域。小距离指小于1mm、或甚至小于0.5mm的距离。
[0082]
第一反射性表面s1构造为反射第一光锥ω1，以形成围绕第二轴线δ2延伸的第二光锥ω2。第二光锥向第一反射性表面s1的第二焦点p2-1会聚，该第二焦点对应于第二反射性表面s2的第一焦点p1-2。在第一焦点p1-2的下游，第二光锥ω2发散，直至第二反射性表面s2。
[0083]
第二反射性表面s2构造为反射第二光锥ω2，以形成围绕第三轴线δ3延伸的第三光锥ω3。第三光锥ω3向第二反射性表面s2的第二焦点p2-2会聚，该第二焦点对应于第三反射性表面s3的第一焦点p1-3。在第一焦点p1-3的下游，第三光锥ω3发散，直至第三反射性表面s3。
[0084]
第三反射性表面s3构造为反射第三光锥ω3，以形成围绕第四轴线δ4延伸的第四光锥ω4。第四光锥ω4向第三反射性表面s3的第二焦点p2-3会聚，该第二焦点对应于第四反射性表面s4的第一焦点p1-4。在第一焦点p1-4的下游，第四光锥ω4发散，直至第四反射性表面s4。
[0085]
第四反射性表面s4构造为反射第四光锥ω4，以形成围绕第五轴线δ5延伸的第五光锥ω5。第五光锥ω5向第四反射性表面s4的第二焦点p2-4会聚，该第二焦点对应于第五反射性表面s5的第一焦点p1-5。在第一焦点p1-5的下游，第五光锥ω5发散，直至第五反射性表面s5。
[0086]
第五反射性表面s5构造为反射第五光锥ω5，以形成围绕第六轴线δ6延伸的第六光锥ω6。第六光锥ω6向第五反射性表面s5的第二焦点p2-5会聚。测量光电检测器20布置在光锥ω6中，在第二焦点p2-5的上游或下游，或在第二焦点p2-5处。
[0087]
由此，由光源10发散的光波11在各个反射性表面s1、
……
、sn之间传播，在该示例中，n＝5。在两个相继表面sn、s
n+1
之间，光波形成从表面sn向形成锥ω
n+1
的顶点并与表面s
n+1
的第一焦点p1-n+1重合的表面sn的第二焦点p2-n会聚的锥ω
n+1
。在该第一焦点的下游，锥ω
n+1
发散，直至秩n+1的表面。
[0088]
由此，光波从秩n的椭球形反射性表面sn直接传播到秩n+1的椭球形反射性表面s
n+1
。直接指在两个椭球形反射性表面之间，没有经受自另一表面的反射。由此，在光源10与测量光电检测器20之间，由光源发射的光波经受n次、即次数与布置在光源与测量光电检测
器之间的椭球形表面的数量相等的反射。这允许最小化每次反射时的信号损失。
[0089]
有利地，如图2a所示，光源10和测量光电检测器20由相同的壁承载，该壁在该示例中是第一壁4。偶数秩n的椭球形反射性表面sn由相同的壁承载。奇数秩n的椭球形反射性表面sn由与承载光源10和测量光电检测器20的壁相对的壁承载。该相对的壁在该示例中是第二壁5。通过使用奇数数量n的反射性表面，传感器使得光源10能够以与测量光电检测器20共平面、或大致共平面的方式布置。
[0090]
当传感器1包括参考光电检测器20
ref
时，该参考光电检测器可布置在与光源10相同的壁上。在该情况下，如图2b所示，参考椭球形反射性表面s
ref
布置在相对的壁上。参考反射性表面关联到椭圆形e
ref
。在图2b中沿着在图1b中以点划线示出的圆形母线d2来示出了外壳2的内部。该图示在于沿着圆形母线d2展开外壳2。反射性表面s
ref
具有第一焦点p
1-ref
和第二焦点p
2-ref
，焦点是彼此不同的。光源10生成在光源10与参考反射性表面s
ref
之间延伸的辅助光锥ω
’1。该参考反射性表面反射辅助光锥ω
’1，以形成朝着参考光电检测器20
ref
方向会聚的参考锥ω
ref
。光源10布置在参考表面s
ref
的第一焦点p
1-ref
上。参考光电检测器20
ref
布置在参考锥ω
ref
中，在第二焦点p
2-ref
的上游或下游或在第二焦点p
2-ref
上。和奇数秩的反射性表面一样，参考反射性表面优选地由与承载光源、测量光电检测器20和参考光电检测器20
ref
的壁相对的壁承载。
[0091]
图3a至3d示出在本发明的一个实施方式示例中的各个参考椭球形表面的设置。通过在图1b所示的正转动方向上逐渐环绕传感器三维模型而获得了图3a至3d。
[0092]
在图3a中，区分光源10、参考光电检测器20
ref
和参考反射性表面s
ref
。还区分第一反射性表面s1和第二反射性表面s2。在图3b中，除了对于图3a所述的元件外，还可见第三反射性表面、第四反射性表面和第五反射性表面。
[0093]
根据该实施例，每个反射性表面设置在第一或第二壁的内部面处：偶数秩的反射性表面集成在第一壁4的内部面4i中，而奇数秩的反射性表面集成在第二壁5的内部面5i中。可通过使用模制或加工制造技术，实现将成回转椭球形的反射性表面集成在每个内部面中。模制是优选选项，这是因为在形成了模具之后，它意于实施，是重复性的，并成本更低。根据该实施例，外壳2可由将第一壁4组装为简单地抵着第二壁5而形成，横向壁6集成到是第一壁4，或第二壁5，或部分地集成在两个壁上。
[0094]
图3c和3d示出前述反射性表面的其它细节。
[0095]
表1描述光源10、光电检测器20和参考光电检测器20
ref
的中心的坐标。源10的中心视为坐标系原点。还指明相对于z轴的取向角度。表1还展示形成每个反射性表面的回转椭球形的主要特征坐标。对于每个椭球形，提供了和与每个椭球形表面相关联的椭圆形的长轴线a和短轴线b的交点相对应的中心的沿着x、y和z轴的坐标。还提供了长轴线a相对于x、y和z轴的倾斜角度θ
x
、θy和θz。还提供了长轴线a和短轴线b的尺寸。对于角度，单位是度。对于坐标或尺寸，单位是mm。
[0096] xyzθ
x
θyθzab100.00.00000
ꢀꢀ
20
ref
5.64.4-1.30076.4
ꢀꢀeref
2.82.2-0.39038.2-7.38.17.3203.710.1-1.300140.3e1-2.82.10.090-37.506.75.7e
2-5.65.50.59092.5201.81.2e
3-5.08.10.9906503.73.4e
4-2.210.41.79025103.62.6e51.810.80.690-19.9-38.45.24.5
[0097]
表1
[0098]
基于其形成每个椭球形的每个椭圆形的各自长轴线的倾斜度因此是可变的，尤其是相对于横向轴线z。
[0099]
实现了模拟以估计前述构造的性能。根据占据外壳2的气体中的气体物质的浓度，估计了所述气体物质的浓度的可检测的变化。图4a示出对于甲醇(ch4)获得的结果。横轴示出外壳中的ch4的浓度，而纵轴示出ch4浓度的可检测的变化。图4a还示出通过分别考虑在wo2018162848(曲线a)中和根据本发明(曲线b)所述的气体传感器实施的估计。图4b是类似于图4a的图，所考虑的气体物质是co2。在两个示例中观察到，根据本发明的气体传感器允许估计比根据现有技术的传感器更低的气体浓度。
[0100]
本发明可应用于环境监控中的气体检测、或在工业气体检验相关的应用中，尤其是在农产品业、石油工业或气体输配中。