專利名稱：激光光譜檢測(cè)氣體的方法和氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用激光光譜法檢測(cè)氣體的方法。尤其是使用單色光光源(特別 是激光器或激光二極管)、吸收路徑或測(cè)量室、光電檢測(cè)器以及用于控制測(cè)量過(guò)程和進(jìn)行分 析的電子裝置。光源或激光二極管的光譜可調(diào)諧性有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)吸收光譜的記錄。須將 (例如)激光二極管實(shí)施為單色，以便對(duì)氣體分子的振動(dòng)躍遷/旋轉(zhuǎn)躍遷進(jìn)行分辨測(cè)量而無(wú) 需按原理予以加寬。通常是在包含至少一種樣氣或目標(biāo)氣體的吸收測(cè)量路徑上進(jìn)行測(cè)量。
背景技術(shù)：
待測(cè)的目標(biāo)氣體例如是一氧化碳(CO)。燃燒裝置或發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的不充分燃燒或者著 火時(shí)均會(huì)產(chǎn)生一氧化碳。在住宅內(nèi)無(wú)意中錯(cuò)誤引導(dǎo)燃燒氣體可能導(dǎo)致嚴(yán)重危險(xiǎn)甚至致人死 亡。而對(duì)存在毒害二氧化碳或一氧化碳集中危險(xiǎn)的房間進(jìn)行監(jiān)測(cè)就可以排除中毒危險(xiǎn)。舉例而言，為煙霧報(bào)警器加裝一氧化碳檢測(cè)器可大幅提高火災(zāi)檢測(cè)的可靠性。在 這些需要保證檢測(cè)絕對(duì)可靠性的應(yīng)用領(lǐng)域，人的生命可能就依賴于相應(yīng)傳感器的正常運(yùn) 行。借助可調(diào)諧激光二極管而實(shí)現(xiàn)的吸收光譜法已被現(xiàn)有的一氧化碳檢測(cè)法所采用。 這種方法的縮寫是TDLS，即Iuneable Diode Laser Spectroscopy (可調(diào)諧二極管激光光 譜)，利用的是可調(diào)諧激光二極管或激光器。這類方法具有下列特征?？梢詫?shí)施絕對(duì)測(cè)量且相應(yīng)的傳感器具有抗污性能。在氣 體吸收譜線上進(jìn)行的光譜測(cè)量總是將背景包含在內(nèi)，其中，吸收譜線的最小透射與背景透 射之間的比與氣體濃度成比例。(例如)由窗戶受污所引起的透射的絕對(duì)變化對(duì)濃度測(cè)量 不產(chǎn)生影響。通常情況下，在傳感器噪聲顯著增大之前，光衰減可以提升多個(gè)數(shù)量級(jí)。不會(huì)產(chǎn)生任何與所用儀器有關(guān)的儀器常數(shù)。由于激光發(fā)射的譜寬較窄，可將測(cè)得 光譜直接與理論光譜進(jìn)行比較而無(wú)需利用其他儀器功能，這些理論光譜僅建立在分子常數(shù) 和諸如壓力、溫度和光波長(zhǎng)等物理變量的基礎(chǔ)上。通過(guò)以上技術(shù)可進(jìn)行持久穩(wěn)定測(cè)量?；诨A(chǔ)物理學(xué)的測(cè)量原理并結(jié)合該測(cè)量方 法的上述特性，可以對(duì)氣體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定測(cè)量。這是一種固有的自身監(jiān)測(cè)。以一種參考?xì)怏w進(jìn)行持續(xù)吸收可對(duì)傳感器的正確運(yùn)行 情況實(shí)施持續(xù)監(jiān)測(cè)?？梢匝杆侔l(fā)現(xiàn)如參考?xì)怏w泄漏、光路中斷以及激光器、激光二極管或電 氣組件的損壞等故障。由于一種氣體的數(shù)條單獨(dú)的吸收譜線均具有一窄的帶寬，故最大可能的選擇性是 顯而易見(jiàn)的，這就使得每種氣體通常都具有光譜意義上的無(wú)法混淆的指紋。因此，通過(guò)對(duì)各 譜線進(jìn)行精確檢測(cè)的分辨測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)選擇性極大的濃度測(cè)定。采用可調(diào)諧激光二極管的激光光譜法一般可以實(shí)現(xiàn)無(wú)延遲測(cè)量，這一點(diǎn)特別有利 于以調(diào)節(jié)為目的的排氣檢測(cè)。此外還有一系列用于檢驗(yàn)一氧化碳的傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)，例如金屬氧化物傳感器、電 化學(xué)電池、利用人造血紅蛋白變色或者紅外光度測(cè)量。舉例而言，電化學(xué)電池對(duì)監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣起著重要作用。但是，電化學(xué)電池的缺點(diǎn)在于無(wú)法對(duì)其自身正常運(yùn)行情況進(jìn)行檢驗(yàn)。因 此，使用多年后必須對(duì)傳感器能否進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量進(jìn)行檢驗(yàn)或者定期用測(cè)試氣體測(cè)試其正常 運(yùn)行情況?；赥DLS技術(shù)的一氧化碳監(jiān)測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)自身監(jiān)測(cè)。舉例而言，基于TDLS的一氧化碳檢測(cè)可以在職業(yè)環(huán)境中對(duì)工作地點(diǎn)實(shí)施安全監(jiān) 測(cè)，這種情況下不僅購(gòu)置成本極高，而且運(yùn)行成本(例如定期檢查所引起的)也很大。此外， 免于維護(hù)也是一種重要因素。采用可調(diào)諧激光二極管的激光光譜法可應(yīng)用于建筑物、飛行 器和水上交通工具的火災(zāi)檢測(cè)、燃燒裝置的控制和監(jiān)測(cè)，以及用作內(nèi)燃機(jī)的故障預(yù)警器?？烧{(diào)諧激光二極管原則上存在兩種調(diào)諧方案。一種是通過(guò)激光二極管的溫度并結(jié) 合光譜的某一分區(qū)進(jìn)行調(diào)諧，這種方案的調(diào)諧速度相對(duì)較慢。如果通過(guò)改變工作電流來(lái)調(diào) 諧激光二極管，則調(diào)諧速度快于上述方案。然而在一般情況下，調(diào)諧激光二極管時(shí)的波長(zhǎng)標(biāo) 度可能不是線性的。這意味著難以了解被光譜覆蓋的具體結(jié)構(gòu)。此外，由于待測(cè)氣體(例 如一氧化碳)并不存在于大氣中，當(dāng)然不會(huì)被檢測(cè)出。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是在被可調(diào)諧激光二極管或激光器所覆蓋的光譜中分別 對(duì)與工作溫度或工作電流有關(guān)的各條吸收譜線進(jìn)行可靠識(shí)別。本發(fā)明還提供一種在使用期 限內(nèi)不受漂移現(xiàn)象或老化現(xiàn)象影響的傳感器。這個(gè)目的通過(guò)相關(guān)主權(quán)利要求的相應(yīng)特征組合而達(dá)成。本發(fā)明的有利設(shè)計(jì)方案由 從屬權(quán)利要求給出。本發(fā)明克服了以下缺點(diǎn)，即在用可調(diào)諧激光器或激光二極管測(cè)量吸收光譜的過(guò)程 中，難以足夠明確地了解該激光器或激光二極管的發(fā)射波長(zhǎng)，因而難以對(duì)光譜進(jìn)行準(zhǔn)確分 析。本發(fā)明的方法可借助于通過(guò)電流調(diào)諧且調(diào)諧范圍較寬的激光二極管而實(shí)現(xiàn)，其中，調(diào)諧 時(shí)至少覆蓋0.5nm以便進(jìn)行光譜測(cè)量。電子器件(例如激光二極管)的技術(shù)進(jìn)步通常會(huì)產(chǎn) 生發(fā)射波長(zhǎng)范圍更廣的實(shí)例。TDLS(可調(diào)諧激光二極管激光光譜)技術(shù)的實(shí)質(zhì)在于可以采 用各種類型的激光二極管。能否準(zhǔn)確選擇適合某種方法的激光二極管，這一點(diǎn)取決于很多 參數(shù)。重要的是，需要具備單色光源、吸收路徑、光電檢測(cè)器以及用于控制測(cè)量過(guò)程并進(jìn)行 分析的電子設(shè)備。本發(fā)明還克服了以下缺點(diǎn)比如說(shuō)盡管可以在某些范圍內(nèi)調(diào)諧激光二極管，特別 是通過(guò)工作電流，但是在初始時(shí)無(wú)法確知與各譜線的相互關(guān)系。為了對(duì)二極管的波長(zhǎng)標(biāo)度 進(jìn)行相對(duì)于工作電流的校準(zhǔn)，在該波長(zhǎng)標(biāo)度的較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)該激光二極管進(jìn)行調(diào)諧 時(shí)，使該激光二極管在(例如)至少0.5納米范圍內(nèi)受到調(diào)諧。在光譜中將這一調(diào)諧范圍 定位成使得其中不僅包含參考?xì)怏w的至少兩條或多條已知的吸收譜線，同時(shí)還包含目標(biāo)氣 體可能已知的吸收譜線。借此可使二極管的波長(zhǎng)標(biāo)度得到可靠校準(zhǔn)，從而在極窄的頻率調(diào) 諧范圍內(nèi)在工作電流與發(fā)射波長(zhǎng)之間建立精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著所謂垂直發(fā)射激光二極管VCSEL的最新發(fā)展，例如能夠以2. 3μπι的波長(zhǎng)檢測(cè) C0，這一有利數(shù)據(jù)使得TDLS技術(shù)在可靠性和速度方面得到進(jìn)一步提高。因此，采用垂直發(fā) 射激光二極管十分有利，這種激光二極管可發(fā)射(例如)2. 3 μ m單色光，此外通過(guò)改變工作 電流還可覆蓋至少達(dá)到3. 0或4. 0納米的光譜。參與測(cè)量過(guò)程的參考?xì)怏w可有利地直接安置在主光路上的參考?xì)怏w室內(nèi)。該參考?xì)怏w室例如可與光電檢測(cè)器同處一個(gè)殼體內(nèi)。這就使得樣氣室與參考?xì)怏w室在光路上串聯(lián) 在激光二極管和光電檢測(cè)器之間。本發(fā)明的方法可以在不影響可靠性的情況下對(duì)此加以充 分利用。參考?xì)怏w和目標(biāo)氣體應(yīng)當(dāng)是不同氣體。如果目標(biāo)氣體總是存在于大氣或樣氣中，則有利的是參考?xì)怏w的至少一條吸收 譜線被至少一種目標(biāo)氣體的至少一條吸收譜線代替。如果將在較窄的第二調(diào)諧寬度上進(jìn)行調(diào)諧所得的吸收譜線與經(jīng)計(jì)算得到的吸收 譜線進(jìn)行比較，并且采用線性回歸算法來(lái)進(jìn)行非迭代曲線擬合，就可以特別快的速度一個(gè) 步驟中算出所述至少一種目標(biāo)氣體的濃度。在參考?xì)怏w和目標(biāo)氣體不是同一種氣體的情況下，參考?xì)怏w室與光電檢測(cè)器及吸 收路徑的串聯(lián)很容易實(shí)現(xiàn)。


下面借助附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，這些實(shí)施例對(duì)本發(fā)明不構(gòu)成任何 限制。其中圖1為所包含的數(shù)條單個(gè)吸收譜線的一波長(zhǎng)差異化光譜 (wellenlangendifferenziertes Spektrum)，其代表了多種特定氣體；甲烷的吸收譜線可用
來(lái)校準(zhǔn)光譜或工作電流；圖2為一對(duì)應(yīng)于圖1的窄波長(zhǎng)范圍，該波長(zhǎng)范圍包含目標(biāo)氣體(在此為一氧化碳 CO)的至少一條吸收譜線；圖3為一氧化碳傳感器的示意性結(jié)構(gòu)圖，該一氧化碳傳感器包含參考?xì)怏w室和分 析單元，特別包含有集成的測(cè)量室和用作發(fā)射器的激光二極管；以及圖4為一傳感器結(jié)構(gòu)，包含串聯(lián)的激光二極管1、測(cè)量室5和帶光電檢測(cè)器的參考 氣體室6。
具體實(shí)施例方式由于垂直發(fā)射激光器(簡(jiǎn)稱VCSEL)的調(diào)諧范圍較廣，因此可以覆蓋較大的光譜寬 度來(lái)識(shí)別波長(zhǎng)，例如至少0. 5nm(VCSEL為760nm)至4. 0nm(VCSEL為彡2 μ m)。相應(yīng)光譜的 記錄用時(shí)可例如為640ms。在圖1所示的較寬掃描范圍以外，根據(jù)強(qiáng)吸收譜線(例如甲烷譜 線)的已知位置提取波長(zhǎng)標(biāo)度。借此在為了調(diào)諧激光二極管而發(fā)生變化的工作電流與光譜 中的相應(yīng)波長(zhǎng)之間建立準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖2展示的是一種目標(biāo)氣體(此處為一氧化碳(CO))的吸收譜線8。圖2所示與 波長(zhǎng)有關(guān)的調(diào)諧范圍包含在圖1所示的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，或者是后者的一個(gè)子集。因此，通過(guò)按 圖1所示進(jìn)行校準(zhǔn)且只要每次測(cè)量目標(biāo)氣體時(shí)都進(jìn)行這種校準(zhǔn)，就可對(duì)(例如)一氧化碳 進(jìn)行極其精確的檢測(cè)。特定而言可以采用這樣一類激光器或激光二極管，其調(diào)諧方式可以 使得一氧化碳的至少一條吸收譜線和作為參考?xì)怏w的甲烷的至少三條吸收譜線被包含在 內(nèi)，并且這類激光器或激光二極管可在(例如)4. Onm波長(zhǎng)范圍內(nèi)被調(diào)諧。這樣就可以在按 圖2所示對(duì)目標(biāo)氣體進(jìn)行任一次測(cè)量之前，順利地借助覆蓋范圍更大的頻譜或較窄的第二 調(diào)諧寬度15按圖1所示以測(cè)量形式進(jìn)行初步校準(zhǔn)，由此可對(duì)頻率標(biāo)度進(jìn)行校準(zhǔn)，分析時(shí)也 不會(huì)出現(xiàn)與譜線位置相關(guān)的任何誤差。
如圖3所示，光電檢測(cè)器2的殼體實(shí)施為參考?xì)怏w室6，其中，光電檢測(cè)器2的這個(gè) 殼體中存在體積百分比(例如)為10%的甲烷(CH4)。光電檢測(cè)器2例如可由InGaAs 二極 管構(gòu)成。圖3所示的這部分結(jié)構(gòu)均可安置在一個(gè)未予詳細(xì)圖示的殼體內(nèi)，該殼體上連接有 用于控制和分析相應(yīng)方法的分析單元3。例如將一個(gè)測(cè)量室5 (即吸收路徑)與一球面鏡4 結(jié)合，使得激光二極管1所發(fā)射的光束的光路在至少兩次橫穿該吸收路徑后到達(dá)光電檢測(cè)器2。真正意義上的氣體濃度檢測(cè)和測(cè)定包括在寬波長(zhǎng)范圍和窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行光譜 測(cè)量，參見(jiàn)圖1和圖2。較寬的第一調(diào)諧寬度14用于進(jìn)行波長(zhǎng)識(shí)別，即用于測(cè)定激光可通過(guò) 電流調(diào)諧的波長(zhǎng)調(diào)諧響應(yīng)。由于不能保證這種響應(yīng)在激光器的使用年限內(nèi)不發(fā)生變化，因 此，需要以合適的間隔重復(fù)圖1所示的較寬調(diào)諧寬度14來(lái)進(jìn)行持續(xù)校準(zhǔn)，以保證一氧化碳 測(cè)量的可靠性。吸收譜線識(shí)別是一種模式識(shí)別且針對(duì)各種氣體組成都能可靠運(yùn)行。通過(guò)在光譜某一波長(zhǎng)范圍的記錄過(guò)程中準(zhǔn)確了解波長(zhǎng)標(biāo)度，可有效實(shí)施線性曲線 擬合。這通過(guò)對(duì)光譜的氣體濃度予以定標(biāo)而實(shí)現(xiàn)。所述實(shí)施例展示了一氧化碳(CO)和 甲烷(CH)的濃度以及一偏移量。每次用較寬光譜范圍進(jìn)行調(diào)諧后，借助表格化線性參數(shù) (Linienparameter)解析計(jì)算模型光譜。線性一致性實(shí)施為可計(jì)算的標(biāo)積，其中在上述傳 感器中，在24MHz微處理器上實(shí)現(xiàn)例如IOHz的測(cè)量率以及完整的曲線擬合。測(cè)量率也可高 于這個(gè)值。與不準(zhǔn)確了解波長(zhǎng)標(biāo)度的傳統(tǒng)“曲線擬合”迭代法相比，本發(fā)明方法的速度提高 了一至二個(gè)數(shù)量級(jí)。舉例而言，通過(guò)一個(gè)積分時(shí)間為IOOms的一氧化碳傳感器可達(dá)到可靠 檢測(cè)一氧化碳的目的。這樣就可確保在足夠短的測(cè)量時(shí)間內(nèi)對(duì)最高工作場(chǎng)所濃度(MAC值) 進(jìn)行可靠檢測(cè)。也可達(dá)到在氣體燃燒器的排氣中迅速而可靠地進(jìn)行一氧化碳測(cè)量。如采用 更長(zhǎng)的積分時(shí)間，則甚至可以進(jìn)行亞PPM級(jí)的測(cè)量。圖1和圖2的橫坐標(biāo)是單位為μ m的波長(zhǎng)?？v坐標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)化光譜。光譜隨時(shí)都可 以被轉(zhuǎn)換或顯示為頻率的函數(shù)。圖1展示的是用作參考?xì)怏w的甲烷的強(qiáng)、弱吸收譜線。根據(jù)激光器或激光二極管 的調(diào)諧電流來(lái)校準(zhǔn)參考光譜時(shí)，對(duì)在較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)為校準(zhǔn)進(jìn)行光譜測(cè)量時(shí)已被了解的兩 種或三種參考?xì)怏w及其已知吸收譜線加以利用，是有利的。這樣就可在兩個(gè)或三個(gè)位置上 準(zhǔn)確定義被覆蓋的光譜或與之對(duì)應(yīng)的調(diào)諧電流。隨后可在圖1所示的這個(gè)較寬光譜的一個(gè) 分區(qū)中進(jìn)行調(diào)諧以檢測(cè)目標(biāo)氣體的吸收譜線8。圖2中用10表示的曲線對(duì)應(yīng)的是一氧化碳 濃度測(cè)量。參考符號(hào)11表示的是經(jīng)過(guò)線性曲線擬合的曲線。目標(biāo)氣體(這里是一氧化碳)的吸收譜線8與這兩條測(cè)得的和校準(zhǔn)的曲線10、11 之間只存在細(xì)微差別。這種情況就說(shuō)明存在一定的一氧化碳濃度，亦即，所存在的目標(biāo)氣體 的量是可測(cè)的。只要參考?xì)怏w和目標(biāo)氣體不是同一種氣體，就可以在不影響可靠性的情況下串聯(lián) 布置吸收路徑5和參考?xì)怏w室6。圖4展示了這種類型的布置方法。參考?xì)怏w(這里是甲 烷)的吸收譜線7用作波長(zhǎng)標(biāo)記。為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的識(shí)別方案，需要采用可調(diào)諧范圍較寬的 激光器或激光二極管。這是必要的，因?yàn)槟繕?biāo)氣體和參考?xì)怏w的吸收譜線相距數(shù)納米。這 一點(diǎn)在圖1中顯示得非常明確。在近紅外范圍內(nèi)，常規(guī)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器只有在最多 2nm的范圍內(nèi)才能通過(guò)工作電流加以調(diào)諧。本發(fā)明采用在紅外或近紅外范圍(OTR)內(nèi)波長(zhǎng) 調(diào)諧范圍至少為2. 5nm的半導(dǎo)體激光器。在采用上述串聯(lián)方案的情況下，不必再設(shè)置分光器。可以采用成本低廉的帶凹面鏡4的反射幾何結(jié)構(gòu)。圖3對(duì)此予以了展示。此外，在幾 何范圍相同的情況下，這種布置方法可以產(chǎn)生雙倍光路長(zhǎng)度。如圖4所示，光電檢測(cè)器2配有一種參考?xì)怏w，該參考?xì)怏w存在于參考?xì)怏w室6 內(nèi)。連同未予圖示的光學(xué)系統(tǒng)在內(nèi)，這套測(cè)量技術(shù)設(shè)備就足以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)目的。整體而言不必 單獨(dú)為參考?xì)怏w使用一個(gè)器皿。采用普通光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案還可減少所需組件的數(shù)量。 在目標(biāo)氣體不同于參考?xì)怏w的情況下，也不會(huì)產(chǎn)生需要區(qū)分樣氣與參考?xì)怏w的問(wèn)題。所實(shí)施的測(cè)量系通過(guò)一個(gè)垂直發(fā)射激光器(VCSEL)而實(shí)現(xiàn)。一氧化碳監(jiān)測(cè)器采用 以2. 3μπι波長(zhǎng)發(fā)射激光的激光器?？捎镁o湊型光學(xué)參考?xì)怏w室5進(jìn)行校準(zhǔn)。由此可使得 采用以下設(shè)計(jì)方案的傳感器在其整個(gè)使用期限內(nèi)(一般超過(guò)10年)得到精確校準(zhǔn)其較寬 調(diào)諧寬度用于波長(zhǎng)識(shí)別或校準(zhǔn)，其較窄調(diào)諧寬度用于一氧化碳濃度測(cè)定。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)還在于可對(duì)傳感器的諸如光路阻塞、參考?xì)怏w向外擴(kuò)散等故障進(jìn)行 可靠識(shí)別。此外還可對(duì)激光器的老化現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償。除了提高可靠性以外，在測(cè)量期間準(zhǔn)確了解波長(zhǎng)標(biāo)度還可實(shí)現(xiàn)緊湊的傳感器結(jié)構(gòu) 并使數(shù)據(jù)分析速度提高多個(gè)數(shù)量級(jí)，而且這種了解無(wú)需借助于外部波長(zhǎng)參考裝置或單獨(dú)的 參考室。這樣可以大幅改善傳感器配備測(cè)量?jī)x器的條件。上述方案是通用型或準(zhǔn)通用型方 案。舉例而言，該方案也可用于以一波段的約1.8 μ m波長(zhǎng)并借助參考?xì)怏wH2O來(lái)檢測(cè)一氧 化氮(NO)，或者以2 μ m波長(zhǎng)并借助參考?xì)怏wC02來(lái)檢測(cè)水(H2O)。進(jìn)行濃度測(cè)量時(shí)，可以降低參考?xì)怏w的測(cè)量精度要求。
權(quán)利要求
1.一種借助激光光譜用一激光器或一激光二極管檢測(cè)至少一種目標(biāo)氣體的方法，所述 激光器或激光二極管的發(fā)射波長(zhǎng)為單色且可通過(guò)工作溫度或工作電流的改變來(lái)加以調(diào)諧， 其特征在于，在所述至少一種目標(biāo)氣體的一波段的波長(zhǎng)范圍內(nèi)一較寬的第一調(diào)諧寬度(14)上對(duì)所 述激光器或所述激光二極管進(jìn)行一第一調(diào)諧，其中，包含有一參考?xì)怏w的至少兩條吸收譜 線(7)和所述至少一種目標(biāo)氣體的至少一條吸收譜線(8)，用于對(duì)所述激光器或所述激光 二極管的波長(zhǎng)標(biāo)度進(jìn)行相對(duì)于所述已變化工作溫度或所述已變化工作電流的校準(zhǔn)，在所述至少一種目標(biāo)氣體的所述波段的波長(zhǎng)范圍內(nèi)一較窄的第二調(diào)諧寬度(1 上對(duì) 所述激光器或所述激光二極管進(jìn)行一第二調(diào)諧，其中，包含有所述至少一種目標(biāo)氣體的所 述至少一條吸收譜線(8)中的至少一條吸收譜線，用于檢測(cè)所述至少一種目標(biāo)氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，除檢測(cè)所述至少一種目標(biāo)氣體外，還測(cè)量其濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果所述目標(biāo)氣體的一最低濃度始終存在，就用所述至少一種目標(biāo)氣體的所述至少一 條吸收譜線(8)中的一條吸收譜線來(lái)代替一參考?xì)怏w的至少兩條吸收譜線(7)中的至少一 條吸收譜線。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，將一測(cè)量室( 和一參考?xì)怏w室(6)串聯(lián)在所述激光器或所述激光二極管的光路上。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，借助所述絕對(duì)波長(zhǎng)標(biāo)度來(lái)實(shí)施用于校準(zhǔn)所述激光器電流或所述激光器溫度的所述第 一調(diào)諧，并連續(xù)多次實(shí)施用于檢測(cè)所述至少一種目標(biāo)氣體的所述第二調(diào)諧。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，將在所述較窄的第二調(diào)諧寬度(1 上進(jìn)行調(diào)諧過(guò)程中的一吸收光譜與一經(jīng)計(jì)算得到 的吸收光譜進(jìn)行比較，其中，采用線性回歸算法來(lái)進(jìn)行一非迭代曲線擬合，以便在一個(gè)步驟 中算出所述至少一種目標(biāo)氣體的濃度。
7.一種用于激光光譜檢測(cè)至少一種目標(biāo)氣體的傳感器，所述傳感器包括一測(cè)量室 (5)、一光電檢測(cè)器O)、一分析單元C3)和一激光器或一激光二極管，所述激光器或激光二 極管的發(fā)射波長(zhǎng)為單色且可通過(guò)工作溫度或工作電流的改變來(lái)加以調(diào)諧，其特征在于，所述光電檢測(cè)器( 具有一殼體，一參考?xì)怏w室(6)布置在所述殼體中且連接在所述 光電檢測(cè)器( 前面，從而使得所述測(cè)量室( 與所述參考?xì)怏w室(6)串聯(lián)在所述激光器 或所述激光二極管的光路上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于，一激光器或一激光二極管具有這樣一個(gè)調(diào)諧范圍，使得在一較寬的第一調(diào)諧寬度(14) 中，一參考?xì)怏w的至少兩條吸收譜線(7)和所述至少一種目標(biāo)氣體的至少一條吸收譜線 (8)在一調(diào)諧過(guò)程中被覆蓋。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于，所述激光器或所述激光二極管可通過(guò)所述工作電流的改變來(lái)加以調(diào)諧且覆蓋一氧化 碳的波段中的一 2. 3 μ m發(fā)射波長(zhǎng)，其中，可在一允許對(duì)參考?xì)怏w譜線和目標(biāo)氣體譜線進(jìn)行 光譜高分辨吸收測(cè)量的波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于， 采用一垂直發(fā)射激光二極管VCSEL作為所述可調(diào)諧單色激光二極管。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于， 所述可調(diào)諧單色激光二極管或所述激光器在至少0. 5nm范圍內(nèi)可加以調(diào)諧。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種借助激光光譜用一激光器或一激光二極管檢測(cè)至少一種目標(biāo)氣體的方法和傳感器，所述激光器或激光二極管的發(fā)射波長(zhǎng)為單色且可通過(guò)工作溫度或工作電流的改變來(lái)加以調(diào)諧，其中，所述至少一種目標(biāo)氣體的一波段的波長(zhǎng)范圍包含在一較寬的第一調(diào)諧寬度(14)上對(duì)所述激光器或所述激光二極管進(jìn)行的一第一調(diào)諧，其中，包含有一參考?xì)怏w的至少兩條吸收譜線(7)和所述至少一種目標(biāo)氣體的至少一條吸收譜線(8)。上述吸收譜線用于對(duì)所述激光器或所述激光二極管的波長(zhǎng)標(biāo)度進(jìn)行相對(duì)于所述已變化工作溫度或所述已變化工作電流的校準(zhǔn)，其中，包括在一較窄的第二調(diào)諧寬度(15)上對(duì)所述激光器或所述激光二極管進(jìn)行一第二調(diào)諧，其中，包含有所述至少一種目標(biāo)氣體的所述至少一條吸收譜線(8)，用于檢測(cè)所述至少一種目標(biāo)氣體。
文檔編號(hào)G01N21/39GK102105779SQ200980126747
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者安德烈亞斯·漢高爾, 賴納·斯特佐達(dá), 陳嘉 申請(qǐng)人:西門子公司