开路式气体检测器的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本教导涉及用于开路式路径气体检测的装置以及方法。
[0002]发明背景
[0003]使用非色散红外光谱法来检测碳氢化合物气体是公认的。这本质上涉及沿着受监测的区域中的路径使红外辐射透射；选择红外辐射的波长，使得其由所关注的气体(在下文中称作“目标气体”)所吸收，但是大体上不由受监测的区域的氛围中的其它气体吸收。测量已沿着受监测的区域中的路径穿过的辐射的强度且辐射的强度上的衰减给出受监测区域中的目标气体量的测量。
[0004]然而，除了由目标气体的吸收之外的因素还使红外辐射衰减，所述因素包括检测束的遮蔽，辐射的大气散射，(例如)由灰尘或冷凝造成的透镜表面的污染和组件的老化。通过使用参考波段来明显改善红外气体检测器的可靠性；此参考通常是不同波长下的红外辐射，所述波长理想的是目标气体并不展现明显吸收的波长。可以使用多于一个参考波长下的辐射；同样地，可以使用多于一个目标波长。测量目标气体确实吸收的(若干)波长((若干)“样本”波长)下获得的信号与目标气体不明显吸收的(若干)波长((若干)“参考”波长)下获得的信号之间的比率更准确地测量由环境条件引起的衰减，这是因为在大多数情况下，(若干)参考波长下的信号和(若干)样本波长下的信号将都类似地受使辐射衰减的效果(除了目标气体的存在之外)所影响。
[0005]通常，在笔直束路径的相对端存在单独发射器和接收器单元。或者，组合发射源和接收器且束在测量路径的远端从回射器弹开。为了便携使用，已制造使用具有适合自然反照率的远程物镜来代替回射器的检测器。所选气体(或气体类)的存在从束中的适合红外波长的其吸收检测。测量路径中的雨、雾等等还可减小接收信号的强度，所以通常在一个或多个参考波长下进行同时测量。接着从测量和参考波长下的信号损耗的比率改变推断由束拦截的气体的量。通常通过微处理器执行计算，所述微处理器还执行多种检查以验证测量且防止假警报。
[0006]当前开路式气体检测器使用包括分束器的成像光学系统以为各个检测器提供信号，其中各个检测器具有专属带通干涉滤波器以允许适当波长透射至预期检测器。在使用分束器的这个布置中，因为一半束发送至各个检测器，所以各个信道中信号损耗是50 %。这个布置对双光信道之间的略微不对准具灵敏性而可导致两个检测器上的非均匀图像和错误气体确定。因为不能在未对准光电二极管上准确地接收辐射，所以光学发射器与接收器之间的对准上的即使微小改变(< 0.1度)或部分束阻挡可导致不正确执行。
[0007]所需要的是改善型开路式路径气体检测系统，其允许不能忍受发射器和接收器的较大对准误差以及发射器和接收器的部分束阻挡的操作。
[0008]附图简述
[0009]附图(其包含在说明书中并构成本说明书的一部分)图示了本教导的实施方式并与【具体实施方式】一起用于解释本教导的原理。在图中:
[0010]图1是根据本公开的实施方式的开路式路径气体检测系统的示例示意性表示。
[0011]图2更详细地示出了根据本公开的实施方式的包括具有WDM滤波器的成像系统205的接收器单元110的示例组件。
[0012]图3示出了根据本公开的实施方式的包括具有分束器的非成像系统305的接收器单元I1的示例组件。
[0013]图4示出了图3的接收器单元110的非成像系统305中的某些组件的特写。
[0014]图5示出了根据本公开的实施方式的包括具有WDM滤波器的非成像系统505的接收器单元110的示例组件。
[0015]图6示出了图5的接收器单元110的非成像系统505的某些组件的特写视图。
[0016]图7示出了图3和图5的非成像光学系统的某些组件的特写视图。
[0017]图8示出了类似于图3和图5的接收器单元的特写视图，其中传入辐射在对准误差的两个状态中。
[0018]图9示出了根据本公开的实施方式的接收器单元的另一实例。
[0019]图10示出了根据本公开的方面的示例光谱。
[0020]图11示出了根据本公开的方面的另一示例光谱。
[0021]图12示出了在整个接收器-发射器对准误差的度数范围内的图2、图3和图5的光学系统比率的性能的图。
[0022]图13示出了照度图，其将成像和非成像光学系统的光学性能图示为角对准误差上所对应的强度的测量。
【具体实施方式】
[0023]现在详细参考在附图中图示的本教导的示例实施方式。在可能的情况下，在整个图式中使用相同参考数字以指称相同或相似部件。
[0024]在实施方式中，开路式路径气体检测系统包括具有成像或非成像光学系统的接收单元。成像系统实施方式提供远距离发射器光源的清晰形成的图像。在非成像系统实施方式中，可利用非成像科勒透镜布置提供非成像均匀照明。在这个非成像科勒透镜布置中，落入于光电二极管上的光图案的形状从光的宽广平坦的照亮区域而言称作“顶帽照明”。这个照明形状可帮助减少或消除输出信号不稳定性，其造成为使热点在物镜后焦面周围移动的光源弧漂移。同样，这个照明形状可帮助消除光电二极管的主动区域上的强度的空间和时间改变且提供稳定的检测信号。结果，可使用非成像科勒照明光学器件改善落入于光电二极管上的照明强度，所述光学器件可容许光轴对准误差的至多±1.5度的对准误差。相比之下，具有相同物镜的常规成像系统只允许小得多的对准误差量。科勒非成像透镜布置还可减少或防止假警报，其源自于由移动通过光束的鸟、人或设备引起的部分束阻挡。
[0025]在实施方式中，开路式路径气体检测系统可使用波分多路复用(WDM)滤波器以将输入束分离为两个波长。使用WDM滤波器的这个布置通过在不同波长下使用波长选择性滤波器而相比于常规分束器使各个信道中的信号强度加倍，其中第一波长由WDM滤波器反射，而第二波长透射通过WDM滤波器。
[0026]在实施方式中，开路式路径气体检测系统可被操作来通过使WDM滤波器与非重叠带通滤波器和额外光电二极管级联来检测多个气体。
[0027]此外，在实施方式中，由于场对准因发射器和接收器的独立运动(诸如在大风浪的海上大型船舶弯曲)而降级，所以成像系统的外围可能经历明显差分边缘效应。这导致光电二极管的主动区域上的强度的空间和时间改变。因此，仪器可能指示不准确。为了减轻这个效应，可以通过利用参考通道孔隙的非成像系统顶帽照明方案调整主动/参考比率而在光轴移动超出适当操作的边缘时导致向上比率轨迹。这个方向在光轴不稳定性的周期期间不会引起假气体警报。
[0028]图1是根据本公开的实施方式的开路式路径气体检测系统的示例示意性表示。虽然图1图示开路式路径气体检测系统的多种组件、模块和/或特征，但是所属领域技术人员将认识到这些组件、模块和/或特征是示例性且开路式路径气体检测系统可包括任何数量和类型的组件、模块和/或特征。
[0029]如图1中所示，开路式路径气体检测系统100可包括发射器单元105，其可被操作来沿着路径将辐射提供至接收器单元110。路径可包括存在目标气体的区域109和存在洁净空气的区域111。在实施方式中，发射器单元105和接收器单元110可包括相似组件且各可被操作来执行发射和接收功能两者且可被操作为收发器。单词“发射器”、“发射”、“接收器”、“接收”和类似术语的使用仅仅描述开路式气体检测器系统的组件的功能。在实施方式中，发射器单元105可正以发射器模式操作，但还可用作接收器。这同样适用于接收器单元IlOo
[0030]发射器单元105可包括可被操作来支撑和安置辐射源114的外壳112、一个或多个调节、聚焦和/或导向光学组件或发射器光学组件116以及孔隙118。辐射源114可被操作来产生各种波长和/或强度中的辐射。发射器光学组件116可被操作来导向、修改、调节或改变来自辐射源114的辐射。可取决于其中使用开路式气体检测器系统100的特定情形和环境而选择辐射源114和/或发射器光学组件。例如，辐射源114可包括可调谐激光二极管，其可被操作来产生非常窄的波段中的红外辐射束。此外和/或替代地，辐射源114可被操作来产生在一个或多个波长下且具有较宽或较窄波长线宽的辐射。可调谐激光二极管仅仅是辐射源114的一个实施例。可使用其它适合辐射源。例如，发射器光学组件116可包括可操纵光学元件(诸如可操纵镜)和一个或多个准直光学器件，其可从辐射源114接收辐射且将辐射沿着可具有实质长度(例如，20m至1，000m)的测量路径导向至接收器单元110。发射器单元105可包括一个或多个控制器(未示出)，其可被操作来控制辐射源114和/或发射器光学组件116的特定操作模式，其中操作模式可包括来自发射器单元105的辐射的预定波长范围、线宽范围和/或强度范围。
[0031]可选择由辐射源114产生的辐射的波长或波长范围，使得辐射具有将沿着测量路径由一个或多个目标气体吸收的频率。在实施方式中，辐射源114的输出波长可改变以跨越一个或多个目标气体的气体吸收带扫描。
[0032]接收器单元110可包括:外壳120，其可被操作来支撑和安置孔隙122 个或多个透镜组件(可选)124 ;光学组件126，其可被操作来使入射辐射分离，诸如波分多路复用(WDM)滤波器或分束器；和检测器128a、128b。可调整孔隙122大小以允许所期望的辐