电磁射线滤波器的波长标定方法

专利名称：电磁射线滤波器的波长标定方法
技术领域：
本发明涉及一种用在一装置中的一电磁射线滤波器的波长标定方法，所述装置用来测量位于其外部且所述射线穿过其中的传播介质的光谱透射。
已知的这种装置如气体分析仪、用来测量气体热值的仪器或例如气体传感器等包括-至少一个辐射源；-一个滤波器，其光谱透射可基于一物理参数值调定在所述射线的波长范围上；-一个用于探测由辐射源发出的射线的探测器，辐射源与所述的探测器被所述的传播介质分隔开；可调滤波器的一个特性是施加在所述滤波器的物理参数的值V和与滤波器透射系数最大值对应的中心波长λmax之间的关系。
关系式λmax(V)例如可以用傅里叶变换光谱光度计、通过测量施加于所述滤波器的物理参数的不同值V下的滤波器的透射系数并随后识别滤波器的透射系数处于最大的各相应中心波长值来确定。


图1表示相应于物理参数值的各值V1、V2调定于若干个中心波长的滤波器的波长光谱透射度T。
波长标定过程通常在实验室中进行，因此标定取决于光谱仪的内部特性。
装置然后被安装到工作现场。
已经指出的是，在装置使用过程中，即滤波器使用过程中，滤波器透射系数处于最大值时的中心波长与滤波器控制值V之间的关系λmax(V)可以改变。
这种改变可以例如以下述事实解释，滤波器在使用过程中，所处的温度不同于在标定时所处的温度条件。
这种改变也有可能是由于滤波器制造材料的老化造成的。
在这种情况下，所要做的就是将装置从其所在位置拆下并在实验室中对滤波器再一次标定，如上所述，然后将带有重新标定的滤波器的装置重新安装到现场。
因此，找到一种至少能解决以下两种问题之一的波长标定方法是对工作有益的。这两个问题是在实验室中无需使用傅里叶变换光谱仪进行标定或者无需从现场将仪器拆下进行标定。
为了这个目的，本发明提出了一种电磁射线滤波器的波长标定方法，其用在测量位于其外部且所述射线穿过其中的传播介质的光谱透射的装置中，所述滤波器具有基于一物理参数值的可调定于所述辐射的一波长范围内的光谱透射。所述方法包括以下步骤-选择至少一条吸收气体线，其总以自然形式存在于传播介质中，并且它所对应的波长包括在所述滤波器可调波长范围内；-相对于作为一自然基准的所述至少一条吸收气体线来标定滤波器。
由于不需要对滤波器所属装置进行诸如加入一个包含基准气体的容器之类的改动，这个方法很容易实行。
优选地，所述至少一条吸收气体线其光谱宽度小于或等于滤波器的光谱宽度并且强度足够大以不至于被其他气体线遮盖。
这样一种方法因此可以在滤波器所属装置在其使用的安装现场时方便地对滤波器进行标定。
由于作为基准的吸收气体线在传播介质中本身就存在，因此使用这个方法就不再需要将装置运送到实验室里进行标定。
传播介质例如可以为大气，而装置可以是使用大气中的二氧化碳线作为自然基准的一氧化碳检测器。
优选地，这种仪器还包括至少一个电磁辐射线源以及一个探测仪用来探测由源发出的射线，所述源与探测仪被传播介质分隔开。
还可以在射线源和探测器之间放置其光谱透射待测的一定量的气体，该一定量气体包含有按照本发明可用作自然基准的吸收气体线。
在这种情况下，放置的一定量的气体用作本发明意义上的传播介质。
如果被置入的气体量并未占据放射源与探测器之间的整个空间，那么，也可以从该气体量的自然气体线及所述源和所述装置之间的未被占据容积中的自然气体线中进行选取，这些线有待使用。
这个方法也可用于实验室中对滤波器进行其第一次使用前的标定，而无需使用傅里叶变换光谱仪。
更特别地，本发明方法在于相继地改变施加于滤波器的物理参数，以便使所述滤波器的光谱透射最大值与基准气体线的波长重合。
导出支配波长滤波器之可调性的定律的(各)参数，该定律的一般特性事先是已知的。
从该定律推导出物理参数的其它各值，每个值对应于滤波器在使用过程中其光谱透射要调定的一波长范围。
可以例如从所述的电磁射线波长的所述范围内选取相对于其他吸收气体线强度最大的吸收气体线。
在滤波器标定过程中，由于这条气体线对应于所述波长范围内最大的吸收率，因此它可以直接被识别。
同样有利的是，为了提高标定可靠性，可以从所述电磁射线波长范围内选择两条而非单一一条吸收气体线。
优选地，电磁射线为红外线类型。
例如，吸收气体线之一可以为在1．666微米处的甲烷线。
选用在1．791微米处的甲烷吸收线也是有助益的，这取决于正被观测的波长范围和滤波器的可调范围。
优选地，该方法在于向滤波器施加作为一物理参数的电压形式的电场，但也可以使用磁场。
其他特点在于这个滤波器是一个法布里-珀罗干涉仪。
法布里-珀罗干涉仪是一个短(short)干涉仪。
法布里-珀罗干涉仪是一个微机械加工的干涉仪。
这个装置是气体分析仪。
这个装置是用来测量气体的热值的装置。
这个装置是一个气体传感器。
从下面结合附图及其图例说明的描述中，可以了解到本发明的其他特点和优点
图1已说明过。
图2为一个气体传感器各个零件的示意图。
图3a和图3b为一个电可调滤波器用于两个不同电压值的两个相继位置。
图4为与图2中的传感器具有不同用途的气体传感器的各组成零件的示意图。
图5为甲烷吸收气体线的特性图。
图6和图7分别表示作为波数(单位cm-1)的函数的水和二氧化碳分子回旋振动的强度I(单位atm-1·cm)。
如图2所示，总标记10所指的是一个用于确定气体例如一氧化碳传感器的浓度的装置。
这个装置包括一个电磁辐射源12，它优选地是位于红外线范围内的辐射，辐射线穿过装置外部的传播介质14，该介质例如是大气。
然而，位于可见光，紫外线、超高频或X射线范围内的辐射也可以使用。
红外放射源12例如是一个宽带宽源，含有一个钨丝，发射的射线波长在0．8～20μm之间。
装置10包含一个滤波器16，其过滤由源12发射的穿过介质14的射线。
这个滤波器也可直接放置在源12的前面，这不会改变装置的功能。
过滤器16例如是一个短法布里-珀罗干涉仪(例如阶数为10的干涉仪)。
这个过滤器可以由硅制成，采用已知的微切削加工技术制造。
例如，这种过滤器在文献EP0608049和EP0219359中有所记载。
如图3a和3b所示，过滤器16包括一个形成支架的固定电极18和一个与其分开给定距离e0的活动电极20，该给定距离对应于活动电极未变形时的位置。
在这个称为静止位置的位置上，在图3a中字母R标识的箭头所指的射线被过滤为等于2e0的波长λ0(is filtered for wavelengthλ0equal to 2e0)(以及该波长的谐波)。
滤波器16显示光谱透射T(如图1所示)，它作为某种物理参数的值的函数在红外辐射线波长范围上可调，这个物理参数例如是电磁场；换句话说，滤波器的透射系数最大值可以通过改变施加在所述滤波器上的电磁场而与包含在所述范围内的不同波长吻合。
更精确地说，电磁场是一个电压源22产生的电场。然而，它也可以是一个磁场。例如一磁铁可以配装于固定电极而在活动电极上放置一个线圈(或用其他方式绕制)，线圈中流动的电流导致活动电极更靠近固定电极，从而改变过滤器调定的波长。
所述物理参数可以是温度，在这种情况下，固定电极和活动电极之间可以由一个楔块隔开，楔块包含有一种热膨胀系数很大的材料，在温度变化的影响下，它会使电极之间的距离发生变化，从而使滤波器于特定波长的可调性发生变化。
电压源22与活动和固定电极相连，当施加电压时(图3b)，活动电极变形且更靠近固定电极。两个电极之间的距离减小到e1(e1＜e0)，从而放射线被过滤为等于2e1的波长λ1。通过这种方式，滤波器在不同的电压值下调定在不同的波长。
波长范围例如是4～5μm。
装置10还包括一探测器24，它探测经过传播介质14部分吸收并被滤波器16过滤过的射线。
这个探测器24是一个宽带宽探测装置，例如辐射热测量计、热传感器或发光二极管。
被探测器接收的包含在红外线辐射中的能量被转换为表示该辐射的电信号。
然后，这个电信号被放大并经转换器26转成数字信号，随后输入到微处理器28中。
一个模数转换器30被用来将滤波器16的光谱透射调定在不同波长下。
作为初始近似，干扰滤波器的透射系数可以由高斯定律表示为Tf(V)=Tmax(V)exp-(λ-λmax(V)σ(V))2]]>上式中V是滤波器的电压，λmax是透射最大值的波长，σ是它的宽度。
对于可调滤波器16，透射最大值(transmission maximum)的波长λmax随控制电压V变化，公式如下λmax(λmax-λmax0)+(KV)2=0[1]
式中λmax0(单位μm)为在V=0(=V0)时滤波器透射最大值对应的波长，K是一个与滤波器构造有关的常数。
滤波器被设计为在0到20V施加电压下，调定在5μm到4μm之间，这对应于约等于0．10μm／V的K值。
波长标定在于初步建立(亦即在滤波器16和测量器10投入使用前)λmax(V)关系式，这是在实验室中用傅立叶变换光谱仪完成的，就象传感器幅射标定过程一样，所得的数据存储在微处理器28中，然后将滤波器装在测量器中，而后者安装在使用现场。
当滤波器在使用时所处的温度与在其标定时其周围的温度不同时，滤波器中会产生波长变化，这例如会导致滤波器在0和20V的电压下被调定在4．9μm到3．8μm的波长而非5μm和4μm的波长。
如果不进行校正，气体传感器就会在确定一氧化碳的浓度方面丧失其精度。
本发明提供了使用有待分析气体中固有的某一气态物质的至少一条吸收线以便对滤波器16进行现场频率标定的方法。
本发明提出的方法在于从4到5μm的波长范围内选出一个特定波长，这个波长对应于总是存在于该范围内的一条吸收气体线(absorbing gaseousline)。
不能选择象干扰气体一类的吸收线，它会随时间或随温度或压力等参数的变化而完全消失。
在这种情况下，由于CO2气体线的位置不取决于压力或温度且这些线总是存在于大气中，因此，选择二氧化碳气体线是特别适宜的。
对于其他应用(不同环境、不同波长范围等)，选用进行大气测量的水蒸气吸收气体线或甲烷吸收气体线。
这些气体的吸收线可发现于许多波长处，对于H2O(图6)为1．893μm(波数约为5281cm-1)或1．855μm(波数约为5390cm-1)，对于CO2为4．280μm(波数约为2336cm-1)或4．237μm(波数约为2360cm-1)(图7)。
优选地，选定的吸收线应是窄的，也就是说，它的宽度小于或等于滤波器在形成透射最大值附近的峰值的区域中的光谱宽度，以便能探测到所述滤波器的光谱透射的变化。
优选地，该吸收线在所述波长范围内相对于其他气体线也应足够的强，以便能容易地将它与这些线区分开。
如果选定的线有被其他气体线遮盖的风险，那么它就不能被用作标定的自然基准。在4．237μm波长处的CO2吸收线满足前面相应于该应用场合限定的标准，因此能够被用作自然基准。
所选择的线的光谱宽度接近1nm，而滤波器的光谱宽度约为10nm。
如前所述，在使用滤波器前，要对其进行波长标定(关系式λ(V))，并使用一种其成份已知的标准气体对该测量器进行幅射标定，以便把电压／波长数对输入到微处理器28、电压／波长数对值校验关系式[1]且所述电压／波长数对应使用期间滤波器的各工作点(functioning point)。
当滤波器的光谱透射在等于Vi的电压下调定于4．237μm的波长时，这些数对应包括对应于滤波器工作点的数对Vi／4．237。
也可以在标定过程中只存储Vi／4．237μm运一数对，与滤波器使用时的工作点对应的其他数对可以在稍后进行计算和存储。
在包含滤波器的检测器10使用后，在一预定长度的时间后或出于某一特定原因，有可能需要对滤波器进行波长重新标定，为此，通过微处理器28将一系列电压施加到滤波器16上。这将使滤波器的光谱透射调定在不同波长[4；5μm]上，可以从探测器24的输出口采集到相应于各电压的对应信号。
知道了滤波器的光谱透射为之调定在4．237μm的初始电压Vi，微处理器28为对应于接近Vi的电压的滤波器位置识别数字信号中的最弱的信号。
将与得到的该信号对应的电压Vf与4．237μm的波长一起存储，且滤波器的漂移由以下的差值给出△V=｜Vf-Vi｜在已知该漂移和已知滤波器的光谱透射需要调到的波长λmax的情况下，与得到的该可调性对应的新电压值V′就可由公式V′=V+△V算出。
这个方法的优点在于不需要拆开滤波器16或测量器10就可以对滤波器的关系λmax(V)至少在一点上进行重新标定或对其波长稳定性进行校验。
在多个点上重新标定允许考虑比上面所述者更复杂的λ(V)关系式。
此外，由于基准线对温度和压力不敏感，因此这个方法与这些参数无关。
在图4中装置32所示的另一种应用中，图2的装置保持与先前所述结构相同的结构，但沿着源12发射的红外射线路径设置了一个含有待分析的气体的样品的容器34，它放置在传播介质14中。
与图2中相同的元件所用的标识一样。
可以或者仍以传播介质中固有的(各)吸收气体线作为(一个)基准(如CO2线或水蒸气线)，在这种情况下上面所述滤波器16标定方法以相同方式实施或者选择所述单元中的其光谱透射待测的气体中固有的一条或几条气体线并用他们来对滤波器进行波长标定。
后一解决方法可以例如在于在一个含有其热力学值待测的天然气的单元中选取甲烷线。
根据一种改型，本发明提出的方法可以是选择两条吸收气体线，他们的波长位于正在讨论的[4；5μm]波长范围内且较窄、强度大并总存在于这个波长范围内。
例如，这两条线可以是在4．237和4．280μm处的CO2线。
考虑到随着时间的推移组成上述滤波器的(各种)材料会老化这个事实，有利的是选择一第二条气体线并用其标定滤波器。材料的弹性模量(杨氏模量)因此可以改变并导致先前定义的常量K发生变化。
通过使用两条吸收气体线，关系式[1]中的λmax0和K可以按以下来确定。
探知对应于滤波器16的第一和第二透射系数最小值的电压V1和V2，实际上，这是探知滤波器初始调定于基准线波长所对应的每个电压值附近的局部最小值。
从V1和V2值算出以下数值，从而得到λmax0=λ12V22-λ22V12λ1V22-λ2V12]]>和K=λ1(λ12V22-λ22V12λ1V22-λ2V12-λ1)V1]]>于是可以从关系式[1]中算出有待施加于滤波器以获得预期的波长的各电压值，而通过上式算出系数λmax0和K。
应该指出的是，为了提高重新标定的精度选择例如多于两条的吸收气体线是有益的。
对这些线的研究可通过识别他们在第一次标定期间出现的顺序并指明(index)该顺序来完成。
本发明的方法也可用在气体混合物分析仪或用于测量天然气体之类气体的热值的装置中的滤波器上。
后者包含有与图2、3a和3b中所示者相同的部件12、28。
滤波器16的光谱透射能够调定的波长范围例如从1．5μm到1．85μm。
甲烷是天然气的主要成份，并总是存在，因此选择甲烷吸收线作为自然基准对滤波器16进行现场频率标定特别有利。
对应于1．666μm的线是预期波长范围内所有吸收线中最强的，且相对于滤波器16的光谱宽度(≈10nm)足够窄(≈1nm)。
本发明的标定方法对于CO测量器以上述相同的方式施用。
假定[1．50；1．85μm]范围内，1．666μm处的吸收线是所有线中最强的，那么就很容易在探测器24的输出口测出该最小信号。
图5表示透射系数为波长λ的函数，如图5中箭头所示，可以从[1．5；1．85μm]范围内选取两条甲烷吸收线，一条在1．666μm，另一条在1．731μm。
这样，可得到先前针对CO测量器所提到的各项好处。
举例来说，天然气具有以下成份甲烷89．5％乙烷5％丙烷1％丁烷 0．6％戊烷 0．3％中性气体 3．6％若干波长λ1到λ5用来确定天然气中上述各种成份所起的作用，对热值不起任何作用的中性气体是一例外。
这些波长是这样的波长，即若干可燃成份的作用与它们中的每一个相对应。
给滤波器施加一个已知值的电压，如20V，滤波器调定于波长λ1，而探测器24输出一个与S1(V)对应的电信号式中E(λ)指源12发出的光强，θgaz(λ,Xi)=exp(-LΣαi(λ).Xi)]]>表示处于此波长下的所有气态可燃成份造成的光谱响应，L指气体中光学路径的长度。
Xi代表了在压力P和温度T下，单位体积的可燃成份i的克分子数。
αi表示可燃成份i的吸收系数并取决于波长、温度和压力。
θf(λ，V)表示由滤波器16造成的光透射，Sd代表探测器的光谱响应。
相应于不同的电压值V1到V5将滤波器16调定于不同的波长λ1到λ5，值S1(V1)到S5(V5)被检测。吸收率A由下式定义A(V)=Ln(1／S(V))，式中，Ln指自然对数，并得到下列含5个方程的方程组A1(V1)=a11x1+a21x2+…a51x5A2(V2)=a12x1+a22x2+…a52x5A5(V5)=a15x1+a25x2+…a55x5其中各系数aij取决于成份i和装置10。
在对一种未知成份的天然气体使用本发明前，在实验室通过注入几种气体到装置10中来做一个初步标定工作，这几种气体带有在给定的T和P值下每单位体积的克分子数是已知的各组分。
实验室中常采用傅叶里变换光谱仪来进行滤波器波长标定步骤。
本发明的方法允许该标定在不使用光谱仪的情况下进行，例如只用在1．666和1．791μm处的甲烷线。
为此，一种已知的气体混合物注入到装置10中，并改变施加在滤波器16上的电压，以使所述装置的透射最大值与上面提及的甲烷基准线的波长吻合。
一旦得到值Va和Vb，相应于滤波器的光谱透射调定于波长1．666μm和1．791μm处的电压，就可如上述确定参数K和λmax0(V)，且此时方程λmax(V)是完全已知的。
在知道如下的关系式λmax(V)λmax(V)(λmax(V)-λmax0)+(KV)2=0以及波长λi(i=1，…，5)的情况下，就可导出对应于所述滤波器的透射最大值与波长λi吻合的滤波器16各位置的电压Vi(i=1，…，5)。
值K、λmax0和数对Va／1．666μm、Vb／1．791μm及Vi／λi存在图4中的微处理器28中。
以这种方式得到的各电压Vi(i=1，…，5)相继施加到滤波器上，以使它的光谱透射调定于波长λi(i=1，…，5)，且探测器提供相应于每一数对Vi／λi的值Si1(V1)。
通过这种方法，可得到一个5个方程的方程组A11(V1)=a11x1+…+a51x5A51(V5)=a15x1+…+a55x5其中xi(i=1，…5)是已知的，但系数aij未知。
通过将其他四种已知成份的气体混合物注入装置10，可以得到另外20个含有相同系数aij的方程。
这就可以用已知的数学方法，例如采用线性方程组解法，来求解定义如下的各系数aij 式中下标k标识所谈到的已知气体混合物。
应该指出的是，作为一种改型，可以通过选择一个气体混合物任一组分的作用都不与之对应的波长来进行基准测量，而相应的电压由上面所说的关系式λmax(V)得到。
该电压施加于滤波器，且从探测器的出口收集值Sref，并计算每个Sij(Vi)值对值Sref的比值，该比值Sij(Vi)／Sref于是用于代替上面所说的值Sij(Vi)，并避免装置10的漂移。
通过用常规数学转换方法来变换矩阵[aij]，可得到下面的方程组[xi]=[aij]-1[Aj]=[bij][Aj]x=1…5 i=1…5 i=1…5i=1…5 i=1…5j=1…5 j=1…5这样，xi就可由公式 得出。
所有要做的就是将标定过程中算出的bij存入微处理器28内存中，当检测成份未知的从而热值未知的天然气体时，检测针对不同的对应于各相应电压值获得的滤波器的波长的Aj(V)值，且各系数xi可以容易地由此导出。气体的热力学值H(P，T)由 给出，其中Hi表示组分i的热力学值，单位为焦耳每克分子。
因此，一旦确定了各系数xi，热值H(P，T)可直接获得。
权利要求
1．一种用于对包括在一装置(10；32)中的一个电磁辐射线滤波器(16)进行波长标定的方法，所述装置测量位于其外部并由所述射线穿过的传播介质的光谱透射，所述滤波器具有基于某一物理参数的值可调定在所述辐射的一波长范围上的光谱透射，所述方法包括以下步骤-选择至少一条吸收气体线，其总以自然形式存在于所述传播介质中并且其相应波长包括在所述滤波器可调波长范围内；-相对于作为一自然基准的所述至少一条吸收气体线标定滤波器。
2．如权利要求1所述的方法，在于选择所述至少一条吸收气体线，其一方面具有小于或等于滤波器的光谱宽度的光谱宽度，另一方面具有足够的强度而不会被其他气体线遮盖。
3．如权利要求1或2所述的方法，在于相继地-改变施加于滤波器(16)的所述物理参数，以便所述滤波器的光谱透射最大值与所述基准气体线的波长吻合。-导出支配波长滤波器(16)之可调性的定律的(各)参数，所述定律的一般特性是事先知道的；-根据该定律导出所述物理参数的其它各值，每一值对应于在使用过程中滤波器的光谱透射调定于其上的一波长范围。
4．如权利要求1到3中任一项所述的方法，在于在滤波器(16)安装在使用现场时对其进行标定。
5．如权利要求1到4中任一项所述的方法，与之相应的所述装置还包括-至少一个电磁辐射线源(12)；以及-一个由所述源辐射的射线的探测仪(24)，所述源与探测仪(24)被所述传播介质分隔开。
6．如权利要求5中所述的方法，在于在所述源(12)和探测器(24)之间置放其光谱透射待测的一定量的气体。
7．如权利要求2到6中任一项中所述的方法，在于从所述电磁射线波长范围内选择相对其他吸收气体线强度最大的吸收气体线。
8．如权利要求1到7中任一项中所述的方法，在于从所述电磁射线波长范围内选择两条吸收气体线。
9．如权利要求1到8中任一项中所述的方法，所述电磁射线是红外线类型。
10．如权利要求9中所述的方法，所述吸收气体线中的一条为在1．666微米处的甲烷线。
11．如权利要求9或10所述的方法，所述吸收气体线中的一条为在1．791微米处的甲烷线。
12．如权利要求1到11中任一项所述的方法，在于把电压形式的电场作为物理参数施加于滤波器。
13．如权利要求1到13中任一项所述的方法，所述滤波器可以是一个法布里-珀罗干涉仪(16)。
14．如权利要求13中所述的方法，所述法布里-珀罗干涉仪(16)是短干涉仪。
15．如权利要求13或14所述的方法，所述法布里-珀罗干涉仪(16)是一个微切削加工的干涉仪。
16．如权利要求1到15中任一项所述的方法，所述装置是一个气体分析仪(10；32)。
17．如权利要求1到15中任一项所述的方法，所述装置是用来测量气体的热值的装置(10；32)。
18．如权利要求1到15中任一项所述的方法，所述装置是一气体检测器(10；32)。
全文摘要
一种本发明涉及一种用在某种仪器上的某种电磁射线滤波器的波长标定方法,这种仪器是用来测量被其射线穿过的外部传播介质的光谱透光度。所述滤波器的光谱透光度基于某种物理参数值在一定范围内可调。这个发明的特点在于:选择至少一条在所述传播介质中固有的吸收气体线,这条线的波长在所述滤波器可调波长范围内;根据所述的作为自然基准的吸收气体线对所述的滤波器进行标定。
文档编号G01J3/26GK1294679SQ99804298
公开日2001年5月9日 申请日期1999年3月19日 优先权日1998年3月24日
发明者迪迪尔·多明格斯, 弗朗科伊斯·格拉斯德波特 申请人:施蓝姆伯格工业公司