[go: up one dir, main page]

CN100559160C - 气体检测方法和气体检测器设备 - Google Patents

气体检测方法和气体检测器设备 Download PDF

Info

Publication number
CN100559160C
CN100559160C CNB2004800260287A CN200480026028A CN100559160C CN 100559160 C CN100559160 C CN 100559160C CN B2004800260287 A CNB2004800260287 A CN B2004800260287A CN 200480026028 A CN200480026028 A CN 200480026028A CN 100559160 C CN100559160 C CN 100559160C
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
gas
detection
intensity
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB2004800260287A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1849507A (zh
Inventor
B·威林
M·科利
A·塞弗特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Axetris AG
Original Assignee
IR Microsystems SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IR Microsystems SA filed Critical IR Microsystems SA
Publication of CN1849507A publication Critical patent/CN1849507A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100559160C publication Critical patent/CN100559160C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N2021/3129—Determining multicomponents by multiwavelength light
    • G01N2021/3133—Determining multicomponents by multiwavelength light with selection of wavelengths before the sample
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N2021/3185—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry typically monochromatic or band-limited
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G01N2021/396—Type of laser source
    • G01N2021/399—Diode laser
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/069—Supply of sources
    • G01N2201/0691—Modulated (not pulsed supply)

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

气体检测器设备包括至少一VCSEL源(34，36)和至少一光传感器(54，56)，该光传感器用于检测经过含有待检测的特定气体的样品室(48)之后的光束(50，52)。在第一实施例中该传感器为光电二极管，其检测信号被电子求导设备(64)对时间求导并随后被提供给两个锁定放大器(84、86)以产生F检测和2F检测，其中F为源的波长调制频率，并因此提供两个相应的测量信号，这两个测量信号相除给出了该气体浓度的精确值。在第二实施例中，该源为热释传感器，该传感器直接提供和入射到该传感器上的光束的时间导数成比例的检测信号。这样在最后一种情形中可以省略电子求导设备。

Description

气体检测方法和气体检测器设备
本发明特别涉及低成本红外(IR)气体检测。该领域中的标准技术包括热IR光源、干涉线路滤波器、样品室、及IR检测器。该线路滤波器对应于待检测气体的特征吸收波长，使得只有特定波长的光入射到检测器上。如果样品室中存在待检测的气体，部分光线被气体吸收，检测器信号因此被减弱。为了考虑光源由于老化、水分、或灰尘所致的光源强度变化，部分发射光线被导向到样品室外部而入射到参考检测器上(所谓的双束或参考束技术)。
这种非衍射IR(NDIR)气体检测器遭受两个缺点。首先，热光源具有高的功耗和低的光效率，这使得难以实现电池驱动的操作并产生了冷却问题。第二，干涉线路滤波器的中心波长和温度相关，使得对于不同的气氛温度，在气体吸收峰的不同位置进行检测，这反过来使校准变得困难。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)的最近发展表明有一种方法可以改进低成本的单气体检测器。VCSEL波长是精确定义的，并可通过VCSEL驱动电流的改变而在几纳米的范围内调整该波长。这种VCSEL二极管同时可用于1.3至2.05μm的近红外(NIR)波长范围。IR吸收检测的许多种气体在该波长范围内具有其吸收峰的第一或第二谐波。尽管这些谐波基本上弱于主峰，气体检测是非常敏感的，因为VCSEL通常供应的光强约为热光源的1000倍。VCSEL的一个重要优点为几毫瓦的功耗，该功耗低于热光源几瓦的功耗。
标准NDIR检测和基于VCSEL检测之间的一个主要差别在于，NDIR技术具有低的光谱分辨率，因此测量气体吸收峰通常为几百纳米宽。这些宽吸收峰实际上包括许多非常尖锐的吸收线。VCSEL发射非常尖锐的波长峰，可在几纳米范围内调制该峰。出于这个原因，基于VCSEL的气体检测器测量单个吸收线，而非宽吸收峰。
许多作者已经描述了使用VCSEL源的气体检测设备，其中VCSEL的波长扫描经过气体的吸收线，如图2所示。使用特定的调制频率F完成该扫描。通过在高于光激射阈(通常为几个mA)的恒定电流上叠加频率为F的小交变电流(通常为100μA)而获得这个调制。对于一些测量技术，该“恒定电流”被缓慢地扫过VCSEL的整个工作范围，以便检测随后的吸收线。采用这种设备，就不再需要线路滤波器，这是低成本产品一个重要的成本降低因素。
本发明基于由波长调制VCSEL形成的源，并利用这一事实，即该波长的调制直接和VCSEL输出强度的调制相关联。因此当波长扫过气体吸收线时，经过该气体体积的光强和入射到检测器上的光强显示了和该VCSEL强度相关的第一调制以及和该气体吸收相关的第二调制。
使用发出的信号和入射辐射成比例的标准红外检测器，该信号处理包括使用锁定技术在调制频率的两倍处测量检测器信号(2F检测)。由此，源于在整个调制范围内检测到的偏移光的直流信号分量受抑制。然而，仍要使用参考束以获得和该源提供的初始光束的整体光强有关的信息，从而获得气体浓度的精确值。通常通过使用第二专用检测器检测该参考束。因此，参考束的产生和检测使该设备变得复杂并提高其制作成本。
US 6356350B1描述了解调波长调制光谱系统中从光电检测器输出的多个频率分量并从所解调的数据确定吸收线形状的方法和设备。该方法可得到和吸收剂线形状及线宽相关的信息，并可测量一定的气体压力、温度和浓度范围内的气体浓度。为此，需要至少波长调制频率F的两个偶次谐波或多个谐波。通常，现有技术文档教导使用比其它频率分量多的偶次谐波解调频率分量。US 6356350B1中公开的方法不适用于提供具有大幅降低的制作成本，能有效测量气体浓度或检测气体是否存在的气体检测器设备。
本发明的一个目标是提供低成本的有效的气体浓度测量设备或检测器。特别地，本发明的目的是解决和参考束相关的上述问题。
根据本发明的技术方案解决了该目标。本发明的优选实施例记载了本发明另外的有利特征。
因此，本发明的第一实施例所涉及的气体检测器设备包括波长调制激光源和光传感器，该光源和传感器分别排列在用于接收浓度待确定的至少一种气体的检测区域周围，所述源提供在所述气体吸收线附近受特定频率波长调制的初始光信号，所述光传感器接收由初始光信号经过所述检测区域后形成的结果光信号，其中该光传感器是这样类型的，即提供的检测信号基本上和所述结果光信号的时间导数成比例，由此形成和所述结果光信号的时间导数基本上成比例的电信号，所述设备进一步包括在所述特定频率产生第一调制参考信号的第一装置以及在所述第一频率的两倍处产生第二调制参考信号的第二装置，所述电信号乘以所述第一调制参考信号并随后对时间积分以提供第一测量信号，该第一测量信号为所述初始光信号强度的函数，并基本上和所述气体的浓度无关，所述电信号还被乘以所述第二调制参考信号并随后对时间积分以提供第二测量信号，该第二测量信号为所述气体吸收的函数，并基本上和所述初始光信号在所述特定第一频率的强度调制无关。
此外，本发明的第二实施例所涉及的气体检测器设备包括分别排列在用于接收至少一种气体的检测区域周围的波长调制激光源和光传感器，所述气体的浓度或存在与否待确定，所述源提供在所述气体吸收线附近受特定频率的波长调制的初始光信号，所述光传感器接收该初始光信号经过所述检测区域后形成的结果光信号，其中该光传感器是这样类型的，即提供的检测信号和所述结果光信号成比例，该设备进一步包括电子时间求导设备，该检测信号被提供给该电子时间求导设备，该电子时间求导设备产生基本上和所述结果光信号的时间导数成比例的电信号，所述设备进一步包括在所述特定频率产生第一调制参考信号的第一装置以及在所述特定频率的两倍处产生第二调制参考信号的第二装置，所述电信号乘以所述第一调制参考信号并随后对时间积分以提供第一测量信号，该第一测量信号为所述初始光信号强度的函数，并基本上和所述第一气体的浓度无关，所述电信号还被乘以所述第二调制参考信号并随后对时间积分以提供第二测量信号，该第二测量信号为所述气体吸收的函数，并基本上和所述初始光信号在所述特定频率的强度调制无关。
由于本发明的气体检测器设备的特征，一个激光源只需要一个传感器单元，通过处理和传感器单元接收到的经过所限定气体样品后光信号的导数成比例的所产生电信号而给出用于确定精确气体浓度值所需的所有信息。
通过非限制性的实施例，参考下述描述和附图描述本发明的其它具体特征和优点，其中：
图1示意性示出了根据本发明的气体检测器；
图2示出了用于检测这种气体浓度的气体吸收线附近的VCSEL源的波长调制；
图3示出了由VCSEL源提供并由图2的波长调制产生的初始光束的光强调制；
图4给出了穿过气体样品的结果光束的图示；
图5为和图4所示信号的时间导数成比例的信号的图示；
图6和7分别示出了频率为F和2F的第一和第二调制参考信号，其中F为图2中给出的波长调制的频率；
图8示出了将图5的信号乘以图6的第一调制参考所产生的第一结果信号；
图9示出了将图5的信号乘以图7的第二调制参考所产生的第二结果信号；
图10和11示出了本发明的气体检测器设备提供的第一测量信号和第二测量信号的变化与和吸收线相关的VCSEL源中心调制波长之间的函数关系；
图12示出了第二测量信号的变化和VCSEL调制的振幅之间的函数关系；
图13为根据本发明的气体检测器设备的第一实施例的示意图；以及
图14为根据本发明的气体检测器设备的第二实施例的示意图。
将参考图1至9描述根据本发明的气体浓度检测方法。
如图1示意性所示，根据本发明的气体检测器设备包括由VCSEL 2形成的光源、可将待检测气体引入其中的样品室或检测区域4、提供两个测量信号SMF和SM2F以定义气体浓度的光检测器6和处理装置8。VCSEL产生波长受调制的初始光束S0。这个光束穿过区域4。由于气体的吸收，该初始光信号在经过气体检测区域4之后出现强度变化，因此检测器6接收到结果光信号SG。该检测器向处理装置8提供相应的检测信号SD。
如图2所示，VCSEL波长λ(光强峰10的中心)在特定气体吸收线12附近的小范围内受到调制。该波长调制直接被耦合到初始光强的振幅调制，在图2中用不同强度峰高度表示。图3示出了在气体吸收线附近的交变扫描形成的初始光信号S0随时间的强度变化。
在图4中示出了从气体吸收室或区域4逃逸的结果光信号SG的强度变化。信号SG因此具有两个贡献：
第一个贡献来源于VCSEL的强度随其波长发生(近似线性的)变化的事实。该贡献和气体吸收无关，且即使没有气体时仍存在这一贡献。
第二个贡献来源于跨过气体吸收线进行波长扫描时的气体吸收。该贡献和VCSEL发射的光强成线性比例关系，且为气体吸收区域内气体浓度的函数。
为了分离这两个贡献，本发明的测量原理首先提出获得结果光信号SG的时间导数，接着使用将在下文中更详细描述的所谓锁定放大器来处理图5所示的时间导数信号18。
在锁定放大器中，调制信号被乘以对称的矩形信号(“调制参考”)，该矩形信号相对于调制信号具有严格定义的相位。随后在多个调制周期内对结果电信号积分，从而在锁定放大器的输出产生测量信号。
图6示出了频率为F的第一调制参考信号20，该频率对应于VCSEL源的扫描频率，即对应于初始光信号S0的强度调制22的频率。图6还示出了强度调制信号22和由此信号22产生的第一调制参考20之间的相位关系。图7示出了频率为所述频率F两倍的第二调制参考信号24。图7还示出了强度调制信号22和由信号22产生的第二调制参考24之间的相位关系。
根据本发明，通过使用热释传感器直接获得结果光信号SG的时间导数，其中该热释传感器产生与其接收的光强变化基本上成比例的信号；或者使用电子求导设备获得该结果信号的时间导数，此时所采用的传感器产生与入射光信号SG基本上成比例的信号SD(即光电二极管、热电偶、辐射热测量计)。
图8示出了(图5的)强度信号18的时间导数与频率为VCSEL调制频率F的第一调制参考信号20乘积的结果曲线26。显然，气体吸收最终的正、负贡献在结果曲线26的时间积分中相抵消，称之为F检测。该时间积分的结果为第一测量信号SMF，该信号为VCSEL强度调制的函数，并和总VCSEL强度有关，但该信号和检测区域中气体的存在无关。
图9示出了时间导数强度信号18(图5的)乘以所述频率F两倍的第二调制参考信号24得到的结果曲线28。这里，VCSEL强度调制的贡献在结果曲线28的时间积分中被抵消，称之为2F检测，而气体吸收的各个贡献将相加。该积分的结果为第二测量信号SM2F，该信号为气体吸收并因此为气体浓度的函数。所述积分删除了与气体吸收无关的贡献。
第二测量信号SM2F实际上基本上和来自VCSEL的总光强成比例。将第二测量信号SM2F除以第一测量信号SMF，可得到为气体浓度的函数但与检测器上入射光强无关的值。
根据本发明的基于VCSEL和双通道锁定放大器的气体传感器，使用单个检测器提供了气体吸收信号和VCSEL强度参考，因而抑制了传统NDIR传感器中使用的分离的物理参考通道的需求。此外，直接从检测器上的入射光获得该强度参考值，而双束NDIR传感器从分离的光束获得该参考，这无法给出和测量束改变相关(即光学元件的老化或由热起伏所致的未对准)的信息。
对测量信号SMF和SM2F的分析表明，图6和7中所描述的VCSEL的强度调制信号和调制参考信号20及24之间的相位关系对测量原理而言是关键的。偏离这一特定相位关系将导致气体吸收信号(SM2F)对强度参考信号(SMF)有贡献，或者后者对前者有贡献。
对信号进行更深入的分析表明前述信号处理不依赖于VCSEL交流调制的形状，即图3中描述的三角形调制，该调制还可以为正弦、锯齿、或另一种形状。
VCSEL源可在几Hz到好几MHz的大频率范围内进行波长调制。因此，根据本发明的气体传感器可被构建成产生从几秒到几微秒的响应时间(取决于所要求规格)。
图10和11示出了相对于气体吸收线中心的VCSEL中心波长的位置(受VCSEL直流电流调整)对两个测量信号的影响。通过提高VCSEL直流电流同时施加小的交流调制(对应于0.15nm的波长调制)而得到这些曲线。显而易见的是，只有在VCSEL波长严格地位于气体吸收线的中心且交流调制对称地扫过气体吸收线时，前述的测量原理才成立。偏离该中心位置会导致吸收信号减小且参考信号出错。然而，后一种情形随着气体浓度减小而降低。
如图12所示，VCSEL交流调制的振幅对第一和第二测量信号都有影响。信号分析表明，气体吸收信号SM2F具有调制振幅最大值，约为气体吸收线的宽度(0.1至0.15nm)。强度参考信号SMF的误差随调制振幅的增大而减小。结果，可以针对气体传感器的特定规格而优化调制振幅。
由于VCSEL的波长为环境温度的函数，VCSEL的中心波长必须保持在吸收线的确切波长上(见图10和11)。将密封透明单元包括在含有待检测气体的光程中可以实现这一点。接通气体传感器时，VCSEL直流电流缓慢地从默认直流值开始上升，同时用交流频率F进行扫描，直到气体吸收线落在交流调制范围之内。从这点开始，气体吸收信号将变为非零，直流电流源的反馈回路将该信号保持在其最大值，所述最大值对应于将VCSEL中心波长锁在气体吸收线的中心。然而，由于特定VCSEL的波长变化有限，需要将VCSEL源近似保持在预定温度。对于空气氛围中CO2检测器的情形，该密封单元可以省略，因为350至400ppm的CO2自然浓度对于所述锁定目的来讲已经足够高了。
VCSEL发射的光具有高的方向性，这一事实使得可实现多气体传感器的简单设计而无需另外的光学元件。在这种设备中，将多个VCSEL(各个波长对应于不同气体)安装在激光头内，而该检测器为当激光头包括VCSEL时的多个光传感器阵列。以这样的方式完成安装，即使得各个VCSEL的激光束瞄准不同的传感器，这形成了用于两种、三种、或更多种气体的非常紧凑的多气体检测设备。
至于激光源，还可以在本发明的框架内选用分布反馈激光器(DFB激光器)。VCSEL和DFB激光器为优选的激光源。
图13示出了根据本发明的气体检测器设备的第一实施例。该设备包括激光发光头32，其中排列了两个VCSEL源34和36。因此，这个设备形成了用于两种不同气体的检测器，两个源分别选择为和这两种气体的选定吸收线相对应。头32还包括填充了所述两种不同气体的密封单元，以用于精确地确定提供给各个源34和36的电流值，从而如前所述地使所提供的光线峰的中心波长对应于各种气体的吸收线中心。最后，头32包括温度传感器40，其电连接到位于布置有所述源的区域内的加热装置44的电源装置42。
该气体检测器设备具有样品室或气体检测区域48，由两个激光源提供的两个激光束50和52穿过该区域。这两个激光束随后被排列在公共基底58上的各个光传感器54及56所接收。在该第一实施例中，两个传感器属于这样的类型，即提供基本上和传感器上入射光信号成比例的电检测信号，例如热电偶或辐射热测量计或者优选为光电二极管。根据本发明，两个检测器54和56通过电子选择器62连接到电子时间求导设备64。该求导设备因此将基本上和所述入射光信号的时间导数成比例的电信号提供给前置放大器装置66。
该气体检测器设备进一步包括连接到电源装置72的电源控制装置70，其通过电子选择器74向源34和36提供电流。电源控制装置70具有用于定义直流电流信号的第一部分76，以及用于在特定参考频率F定义交流电流信号从而对前述气体吸收线附近进行交变扫描的第二部分78。该设备的处理装置还包括在所述参考频率F产生第一调制参考信号的第一装置80以及在所述参考频率F的两倍处产生第二调制参考信号的第二装置82。根据前述本发明的方法，这些第一和第二调制参考信号分别被提供给两个锁定放大器84和86，这些参考信号在所述锁定放大器中分别被乘以时间求导设备64通过前置放大器装置提供给这些锁定放大器的信号，并随后对第一调制参考信号的多个时间周期积分。第一锁定放大器84提供第一测量信号，如前所述，该第一测量信号和气体吸收无关。第二锁定放大器86提供第二测量信号，该第二测量信号和各个源产生的初始光信号的调制无关，但和气体吸收以及因此和区域48内的气体浓度有关。
在预备步骤中，第二测量信号被用于通过检测直流电流电平线性变化时第二测量信号的最大值而定义直流电流信号。注意，如果该设备配备了用于激光源的非常精确的温度控制，则可以避免这个预备步骤。
最后，在处理单元90内第二测量信号被除以第一测量信号，除法结果在该处理单元90中被进一步处理从而提供和特定气体存在或其浓度相关的有用信号或信息。
图14示出了根据本发明的气体检测器设备的第二实施例。将不再描述已经在第一实施例中描述的参考符号。第二实施例和第一实施例不同之处在于，两个光传感器94和96为专用类型的传感器，并直接提供基本和这些传感器上入射光信号的时间导数成比例的电学检测信号。优选地，传感器94和96为热释传感器。因此，在第二实施例中不再需要电子时间求导设备。该电学检测信号通过前置放大器86直接被提供给两个锁定放大器84和86。
在本发明设备的优选实施例中，源和光传感器都位于气体检测区域的同一侧，反射结构排列在对立侧。因此，对于特定长度的气体检测区域，穿过气体样品的光程为图13和14所示的第一和第二实施例的两倍。此外，源、传感器、及电子元件可以集成在公共衬底之内/上，这是非常有利的并可降低成本。该反射结构可用于聚焦光束，特别是当其数值孔径相对高时。
在用于检测两种气体的本发明另一个实施例中，该设备包括两个激光源，但只有一个光传感器，所产生的两个光束被定向以入射到该光传感器上。和图13及14所示的实施例相似，控制两个源的时分复用允许测量两种气体的浓度。因此这两个光束被交替地导向单个光传感器上。
最后，如果不同气体的吸收线足够窄，则有可能只使用一个激光源来检测这些气体。
根据本发明不同特征的气体检测器具有下述优点：
抑制了对多种气体测量尤为重要的参考束，
对光学元件的退化或VCSEL强度没有影响，
低功耗，可实现无线设备，
低热耗散，因此没有冷却问题，
时间分辨率低至微秒，
自动检测VCSEL失效，
主动温度补偿，
光谱自动锁定，
多气体检测器的紧凑设计，
大幅降低制作成本，因为VCSEL、检测器、及读出电子设备都可以采用批量加工技术进行制造。

Claims (4)

1.气体检测方法，包括下述步骤：
由波长调制激光源提供初始光信号(S0)，所述初始光信号(S0)在气体吸收线附近对称地受第一频率(F)波长调制，其中该气体的浓度或存在与否待确定；
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，其中该初始光信号(S0)具有由于在所述气体吸收线附近交变扫描造成的随时间变化的强度；
由检测装置接收激发所述气体检测区域的结果光信号(SG)，所述结果光信号(SG)包括由于检测区域内气体浓度所致的初始光信号(S0)的强度改变；
由所述检测装置产生检测信号(SD)，该信号和所述结果光信号(SG)的时间导数成比例；
从所述检测信号(SD)产生第一测量信号(SMF)，该第一测量信号为所述初始光信号(S0)强度的函数；
从所述检测信号(SD)产生第二测量信号(SM2F)，该第二测量信号为气体吸收的函数，并和所述第一频率(F)处的所述初始光信号的强度调制无关；
通过将所述第二测量信号(SM2F)除以所述第一测量信号(SMF)而提供与入射到检测装置上的光强无关的最后测量信号，并由此提供和特定气体的存在或浓度有关的信号。
2.根据权利要求1的气体检测方法，其中：
通过将所述检测信号(SD)乘以第一频率(F)的第一调制参考信号并随后对时间积分而产生所述第一测量信号(SMF)，以及
通过将所述检测信号(SD)乘以两倍第一频率(F)的第二调制参考信号并随后对时间积分而产生所述第二测量信号(SM2F)，
由此，第一调制参考信号和第二调制参考信号与所述初始光信号(S0)的强度变化同相地严格定义。
3.一种气体检测器设备，包括：
提供初始光信号(S0)的波长调制激光源；
用于接收至少一种气体的检测区域，其中该气体的浓度或存在与否待确定；
电源控制装置，用于在所述气体之一的吸收线附近对称地以第一频率(F)对所述初始光信号(S0)进行波长调制并提供强度随时间变化的所述初始光信号；
分别排列在所述检测区域周围的光传感器，所述传感器用于接收包括经过所述检测区域之后初始信号(S0)强度变化的结果光信号(SG)并提供和所述结果光信号(SG)的光强变化成比例的检测信号(SD)；
处理装置，用于从所述检测信号(SD)提供和所述检测区域内特定气体的存在或浓度相关的信号；其中
所述光传感器或所述处理装置包括用于提供和所述结果光信号(SG)的时间导数成比例的检测信号的装置；以及
所述处理装置进一步包括
在所述第一频率(F)产生第一调制参考信号的第一装置以及在所述第一频率(F)的两倍处产生第二调制参考信号的第二装置，
第一锁定放大装置，将所述第一调制参考信号乘以所述检测信号并随后将结果信号对时间积分以提供第一测量信号(SMF)，该第一测量信号为所述初始光信号(S0)强度的函数，并和所述气体的浓度无关，
第二锁定放大装置，将所述第二调制参考信号乘以所述检测信号并随后对时间积分以提供第二测量信号(SM2F)，该第二测量信号为气体吸收的函数，并和所述初始光信号(S0)在所述第一频率(F)的强度调制无关，
处理单元，用于将所述第二测量信号(SM2F)除以第一测量信号(SMF)并提供和特定气体的存在或其浓度相关的信号。
4.根据权利要求3的气体检测器设备，其中电源控制装置包括用于定义直流电流信号的第一部分，以及用于在所述特定参考频率(F)定义交流电流信号从而产生对所述气体吸收线附近的所述初始光信号(S0)光强交变扫描的第二部分。
CNB2004800260287A 2003-09-12 2004-07-30 气体检测方法和气体检测器设备 Expired - Fee Related CN100559160C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US50228203P 2003-09-12 2003-09-12
US60/502,282 2003-09-12

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1849507A CN1849507A (zh) 2006-10-18
CN100559160C true CN100559160C (zh) 2009-11-11

Family

ID=34312370

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2004800260287A Expired - Fee Related CN100559160C (zh) 2003-09-12 2004-07-30 气体检测方法和气体检测器设备

Country Status (12)

Country Link
US (1) US7180595B2 (zh)
EP (1) EP1549932B1 (zh)
JP (1) JP2007504449A (zh)
KR (1) KR100778197B1 (zh)
CN (1) CN100559160C (zh)
AT (1) ATE317115T1 (zh)
CA (1) CA2538554A1 (zh)
DE (1) DE602004000374T2 (zh)
DK (1) DK1549932T3 (zh)
ES (1) ES2256834T3 (zh)
PL (1) PL1549932T3 (zh)
WO (1) WO2005026705A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105388125A (zh) * 2015-10-30 2016-03-09 苏州优康通信设备有限公司 一氧化碳浓度的光学检测系统
CN109883980A (zh) * 2019-03-29 2019-06-14 安徽延达智能科技有限公司 一种可以同时测甲烷、一氧化碳的本安传感器

Families Citing this family (47)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI20041197A0 (fi) * 2004-09-15 2004-09-15 Vaisala Oyj Menetelmä optisen kaasunpitoisuuden mittauksen parantamiseksi
EP1750116B1 (en) 2005-08-04 2013-04-17 Axetris AG Gas concentration detection method and device
US7592595B1 (en) * 2006-03-28 2009-09-22 Operations Technology Development, Nfp Wide concentration range gas detection
EP1850116B1 (en) 2006-04-27 2013-09-18 Axetris AG Gas detection method
US7414727B2 (en) * 2006-04-28 2008-08-19 Ir Microsystems Sa Gas detection method and gas detection device
DE102006030296A1 (de) * 2006-06-30 2008-01-03 Siemens Ag Gasanalyse mit Laser-Spektroskopie
CN100590419C (zh) * 2006-10-17 2010-02-17 中国科学院安徽光学精密机械研究所 新型结点式瓦斯浓度实时监测方法及传感器
AU2014215941B2 (en) * 2006-12-22 2016-04-21 Photonic Innovations Limited Gas detector
CA2674528C (en) 2006-12-22 2016-02-09 Photonic Innovations Limited Gas detector
EP1962077A1 (en) 2007-02-21 2008-08-27 IR Microsystems S.A. Gas sensor
US7969576B1 (en) * 2007-03-23 2011-06-28 The Regents Of The University Of California Optical sensing based on wavelength modulation spectroscopy
DE102007015611A1 (de) * 2007-03-30 2008-10-09 Siemens Ag Verfahren zur nichtdispersiven Infrarot-Gasanalyse
CN101592605B (zh) * 2008-05-30 2012-07-18 台达电子工业股份有限公司 生物传感器
US7957001B2 (en) * 2008-10-10 2011-06-07 Ge Infrastructure Sensing, Inc. Wavelength-modulation spectroscopy method and apparatus
US7943915B2 (en) * 2008-10-10 2011-05-17 Ge Infrastructure Sensing, Inc. Method of calibrating a wavelength-modulation spectroscopy apparatus
DE102009051131A1 (de) * 2009-10-28 2011-05-05 Siemens Aktiengesellschaft Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator
US8184297B2 (en) * 2009-12-17 2012-05-22 General Electric Company Gas mixture measurement system and methods therefor
CN101832923A (zh) * 2010-06-03 2010-09-15 中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆录井公司 一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统
DE102010030549B4 (de) * 2010-06-25 2016-04-28 Siemens Aktiengesellschaft Nichtdispersiver Gasanalysator
US8003945B1 (en) * 2010-08-25 2011-08-23 Jacob Y Wong Intrinsically safe NDIR gas sensor in a can
US8358417B2 (en) * 2010-10-21 2013-01-22 Spectrasensors, Inc. Spectrometer with validation cell
CN102226722B (zh) * 2011-03-29 2013-03-20 韦占雄 光纤光栅传感器的波长检测仪
US8178832B1 (en) * 2011-05-31 2012-05-15 Wong Jacob Y Re-calibration methodology for NDIR gas sensors
CN102495009A (zh) * 2011-11-21 2012-06-13 武汉理工大学 一种气体检测无线传感方法及装置
KR101311308B1 (ko) * 2011-12-26 2013-09-25 국방과학연구소 레이저의 열적번짐 측정장치, 이를 포함하는 열적번짐 측정 시스템 및 레이저의 열적번짐 측정방법
US8742370B2 (en) * 2012-03-21 2014-06-03 Bah Holdings Llc Gas sensor
US9459209B2 (en) * 2012-06-04 2016-10-04 Shimadzu Corporation Gas analysis device
DE102012215594B3 (de) * 2012-09-03 2013-08-01 Sick Ag Verfahren zur Laserspektroskopie von Gasen
KR101331834B1 (ko) 2012-11-28 2013-11-22 국방과학연구소 고출력 레이저 장거리 대기전파에 의한 레이저-물질 상호작용 시뮬레이터
EP2803975B1 (de) * 2013-05-17 2015-07-08 Sick Ag Verfahren zur Laserspektroskopie von Gasen
KR101373864B1 (ko) 2013-07-02 2014-03-12 이승철 고압반, 저압반, 모터콘트롤반, 분전반 배전반의 전기화재 조기 감지장치
CN103499545B (zh) * 2013-10-14 2015-09-09 北京信息科技大学 采用气体参考腔反馈补偿的半导体激光器气体检测系统
DE102014200583B3 (de) 2014-01-15 2015-05-13 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum herstellen eines integrierten mikromechanischen fluidsensor-bauteils, integriertes mikromechanisches fluidsensor-bauteil und verfahren zum detektieren eines fluids mittels eines integrierten mikromechanischen fluidsensor-bauteils
CN103760136A (zh) * 2014-01-21 2014-04-30 河北先河环保科技股份有限公司 一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统
EP3180598B1 (en) 2014-08-15 2024-03-06 Tenova Goodfellow Inc. System and method for analyzing dusty industrial off-gas chemistry
EP3001180A1 (de) * 2014-09-29 2016-03-30 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Gasanalysator zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas
US9377359B1 (en) * 2015-02-04 2016-06-28 Axetris Ag Optical measuring system and gas detecting method
CN104697952B (zh) * 2015-03-23 2017-09-15 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置
GB201513313D0 (en) * 2015-07-28 2015-09-09 Gas Measurement Instr Ltd Gas detection apparatus and method
US10895529B2 (en) 2017-01-26 2021-01-19 Nec Corporation Detecting system and detecting method
US20190064061A1 (en) * 2017-08-26 2019-02-28 Innovative Micro Technology Gas sensor using vcsel
KR102330480B1 (ko) * 2019-09-20 2021-11-24 플람 주식회사 세정장비 모니터링 장치
CN111751845B (zh) * 2020-06-23 2023-04-18 南京泰爱信科技有限公司 用于气体检测的激光雷达频率锁定装置及方法
CN112304885B (zh) * 2020-10-29 2023-06-13 山东省科学院激光研究所 一种基于vcsel的自适应多谱线co检测系统及方法
SE544842C2 (en) * 2021-01-27 2022-12-13 Gpx Medical Ab A method and device for rescaling a signal to remove an absorption offset from an optical measurement
CN113433066B (zh) * 2021-06-28 2024-01-30 江西人民输变电有限公司 配电柜内部气体检测系统
GB2628672A (en) * 2023-03-31 2024-10-02 Servomex Group Ltd Method, apparatus and system for compact optical gas absorption measurements

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1033105A (zh) * 1987-09-22 1989-05-24 曼彻斯特维多利亚大学 气体检测的方法和设备
US6064488A (en) * 1997-06-06 2000-05-16 Monitor Labs, Inc. Method and apparatus for in situ gas concentration measurement
US6172759B1 (en) * 1998-03-04 2001-01-09 Quantum Group Inc. Target gas detection system with rapidly regenerating optically responding sensors
US6356350B1 (en) * 1998-07-30 2002-03-12 Southwest Sciences Incorporated Wavelength modulation spectroscopy with multiple harmonic detection
US20030081875A1 (en) * 2001-10-26 2003-05-01 Vladimir Kochergin System and method for measuring physical, chemical and biological stimuli using vertical cavity surface emitting lasers with integrated tuner

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4059356A (en) * 1975-02-24 1977-11-22 Environmental Research & Technology, Inc. Gas detector
US4163899A (en) * 1977-11-30 1979-08-07 Andros, Inc. Method and apparatus for gas analysis
SE8802536D0 (sv) * 1988-07-07 1988-07-07 Altoptronic Ab Metod och apparat for spektroskopisk metning av koncentrationen av en gas i ett prov
US5332901A (en) * 1991-03-15 1994-07-26 Li-Cor, Inc. Gas analyzing apparatus and method for simultaneous measurement of carbon dioxide and water
US6351309B1 (en) * 1991-08-06 2002-02-26 Southwest Sciences Incorporated Dual modulation laser line-locking technique for wavelength modulation spectroscopy
US6008928A (en) * 1997-12-08 1999-12-28 The United States As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Multi-gas sensor
JP4467674B2 (ja) * 1999-08-31 2010-05-26 三菱重工業株式会社 ガス濃度計測装置
US6940599B1 (en) * 2002-02-08 2005-09-06 Southwest Sciences Incorporated Envelope functions for modulation spectroscopy
US7102751B2 (en) * 2003-11-11 2006-09-05 Battelle Memorial Institute Laser-based spectroscopic detection techniques
US6822742B1 (en) * 2003-12-19 2004-11-23 Eastman Kodak Company System and method for remote quantitative detection of fluid leaks from a natural gas or oil pipeline

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1033105A (zh) * 1987-09-22 1989-05-24 曼彻斯特维多利亚大学 气体检测的方法和设备
US6064488A (en) * 1997-06-06 2000-05-16 Monitor Labs, Inc. Method and apparatus for in situ gas concentration measurement
US6172759B1 (en) * 1998-03-04 2001-01-09 Quantum Group Inc. Target gas detection system with rapidly regenerating optically responding sensors
US6356350B1 (en) * 1998-07-30 2002-03-12 Southwest Sciences Incorporated Wavelength modulation spectroscopy with multiple harmonic detection
US20030081875A1 (en) * 2001-10-26 2003-05-01 Vladimir Kochergin System and method for measuring physical, chemical and biological stimuli using vertical cavity surface emitting lasers with integrated tuner

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105388125A (zh) * 2015-10-30 2016-03-09 苏州优康通信设备有限公司 一氧化碳浓度的光学检测系统
CN109883980A (zh) * 2019-03-29 2019-06-14 安徽延达智能科技有限公司 一种可以同时测甲烷、一氧化碳的本安传感器

Also Published As

Publication number Publication date
US7180595B2 (en) 2007-02-20
EP1549932A1 (en) 2005-07-06
WO2005026705A1 (en) 2005-03-24
CN1849507A (zh) 2006-10-18
PL1549932T3 (pl) 2006-06-30
DK1549932T3 (da) 2006-06-06
JP2007504449A (ja) 2007-03-01
DE602004000374T2 (de) 2006-09-28
KR20060061371A (ko) 2006-06-07
ES2256834T3 (es) 2006-07-16
EP1549932B1 (en) 2006-02-01
ATE317115T1 (de) 2006-02-15
US20060098202A1 (en) 2006-05-11
KR100778197B1 (ko) 2007-11-22
CA2538554A1 (en) 2005-03-24
DE602004000374D1 (de) 2006-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100559160C (zh) 气体检测方法和气体检测器设备
US6091504A (en) Method and apparatus for measuring gas concentration using a semiconductor laser
EP3485254B1 (en) Photothermal interferometry apparatus and method
EP2948761B1 (en) Miniature tunable laser spectrometer for detection of a trace gas
Krzempek et al. CW DFB RT diode laser-based sensor for trace-gas detection of ethane using a novel compact multipass gas absorption cell
JP4643875B2 (ja) ガスセンサ機構
US8467051B2 (en) Widely-tunable semiconductor source integrated in windowed hermetic package
Weidmann et al. Mid-infrared trace-gas sensing with a quasi-continuous-wave Peltier-cooled distributed feedback quantum cascade laser
CN100595571C (zh) 气体检测方法和气体检测装置
US20110184624A1 (en) Gas detection device
CN101460829A (zh) 测量碳氢化合物中的水蒸汽
US7183553B1 (en) Gas detection method and gas detection device
JP2022517432A (ja) ラマン分光法による微量のガスの検出に適した、光帰還を有する共振光学キャビティシステム
CN107202637B (zh) 燃烧火焰的多参数测量装置
US7414727B2 (en) Gas detection method and gas detection device
JPH0526804A (ja) 多種ガス検出装置
KR20010005783A (ko) 가스중의 불순물의 분광분석방법
da Rocha et al. Characterization of an MIR-LED as an excitation source for photoacoustic sensing of N2O
Corsi et al. High sensitivity trace gas monitoring using semiconductor diode lasers
Tittel Karol Krzempek, Mohammad Jahjah, Rafał Lewicki, Przemysław Stefański, Stephen So, David Thomazy & Frank

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: LEISTER PROCESS TECH

Free format text: FORMER OWNER: IR MICRO SYSTEMS, INC.

Effective date: 20100721

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: LAUSANNE, SWITZERLAND TO: KAGISVIL, SWITZERLAND

TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20100721

Address after: Swiss kaegi Neville

Patentee after: Leister Process Tech

Address before: Lausanne

Patentee before: IR Microsystem Limited by Share Ltd

ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: AXETRIS AG

Free format text: FORMER OWNER: LEISTER PROCESS TECH

Effective date: 20120418

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20120418

Address after: Swiss kaegi Neville

Patentee after: Axetris AG

Address before: Swiss kaegi Neville

Patentee before: Leister Process Tech

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20091111

Termination date: 20140730

EXPY Termination of patent right or utility model