专利名称：光学气体测量的测量方法和测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学气体传感器及其操作方法，其中，一光源所发射的光由一中空光波导导引。
背景技术：
这类光学气体传感器典型地例如用激光二极管将光射入待测体积。在传感器采用上述设计方案的情况下，这个待测体积可以实施为中空光波导。该中空光波导沿其延伸度 (视情况也可以有所弯曲)导引光并在其末端将光释放或反射到检测器上。光学气体传感器的缺点是，测量低气体浓度时总是会出现由气体的吸收行为而引起的绝对信号电平较低的情况。此外，分析信号时必须将准确的波长位置和其他参数考虑在内也具有难度，因此限制了测量的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种能明显提高光学测量分辨率(即测量精度)的方案。本发明的上述目的通过一种具有权利要求1所述特征的气体测量装置而得以实现。本发明的上述目的还通过一种具有权利要求3所述特征的测量方法而得以实现。本发明提供一种光学气体传感器。所述气体传感器具有一光源，例如一 VCSEL (垂直腔面发射激光器)或一激光二极管。所述光源所发射的光由一中空光波导(即中空光纤)导引。换言之，布置所述光波导以接收所述光源所发射的光。所述中空光纤可直接与所述光源相接，也可以与之间隔一定距离。所述光优选是红外线，其波长例如介于2μπι与 10 μ m之间，或者是可见光。采用宽带光源时，所述光可以具有较大的代表性波长范围。所述中空光纤优选为多模光纤。所述中空光纤的直径例如可为0.5mm。其比体积例如可为1.8ml/m。所述中空光纤例如可由一外护套层和一内反射层构成，该外护套层由 SiO2构成，该内反射层由银或碘化银构成。所述中空光纤例如在2 μ m至3 μ m波长范围内的衰减系数可以为1.5dB/m至4dB/m，其中，这个值与该光纤的曲率相关。所述光纤允许待测气体进入其中空内腔。例如可以经光纤末端进入。也可以经光纤护套进入。为此，所述光纤护套可以采用透气设计。光纤护套也可以具有孔洞、缝隙或类似开口。至少在光穿过中空光纤期间，一部分光会被该光纤中的气体吸收。光穿过中空光纤后，由一检测器对这一吸收情况进行检测和分析。根据本发明，至少在测量过程中使所述中空光纤发生振动。例如，固定的几何结构中的反射会引发干涉现象，上述措施有利于减轻干涉现象所带来的影响。具体而言，可以将信噪比改善10倍或更多。可以采用例如200Hz的振动频率。振动振幅优选为数百ym。实施振动的作用是，将例如因反射而产生且具有较大振幅和频率范围的较大伪影转换成较小频率范围的噪声。相对于之前的伪影而言，这个新产生的噪声能更容易地通过测量结果的一曲线拟合而被显著消除。
所述中空光纤优选直接与所述光源连接。亦即，发射光在进入所述中空光纤之前无需或仅需穿过尽可能小的外露空间。理想情况下，所述中空光纤直接与所述光源相接。这在采用VCSEL的情况下特别有利，因为VCSEL的辐射发散度较小。
图1为中空光纤的结构图；图2为分别在中空光纤振动和不振动时进行测量所得结果的对比图；以及图3为一测量设备。
具体实施例方式下面借助附图对本发明的实施例进行说明。图1为中空光纤11的结构示意图，测量时所使用的光可由该中空光纤传输。中空光纤11具有由二氧化硅构成的护套1。护套1内设有由Ag和/或AgI构成的层2。内腔 3是中空的且充有空气或其他气体。由于光主要在中空光纤11的内腔3中运动，因此测量对象就是存在于该内腔中的气体。图2为中空光纤11不振动时所进行的第一测量4与中空光纤11振动时所进行的第二测量5的结果对比图。从中可以明显看出，进行中空光纤11不振动的第一测量4时， 部分地由于干涉而剧烈波动的背景可能对分析造成明显干扰。而在进行中空光纤11振动的第二测量5时，除了因水造成的吸收谱线(二阶导数)外，仅在6mA至6. 5mA的激光电流下存在轻微干扰。中空光纤11振动的优点是能减轻干涉所造成的干扰性影响。其中，优选在至少长于中空光纤振动周期(理想情况下长得多)的时间段内进行测量。例如可以200Hz的频率进行振动，而以IOHz的频率产生测量值。通过对一段时间内所获得的测量值进行积分、求平均值或可比求和，使得干扰振幅相对于信号振幅有明显下降。在图2所示的示例中，下降幅度为10倍。可以沿中空光纤11的纵向或横向于该纵向进行振动。中空光纤11也可能有所弯曲甚至卷起，因此，该振动也可以在中空光纤11的不同区域相应于中空光纤11的位置具有不同方向。图3为一示范性测量设备10。分析控制装置14对形式为以2. 3 μ m波长进行发射的垂直腔面发射激光器(VCSEL) 12的光源进行控制。VCSEL 12的光射入中空光纤11。这部分光沿中空光纤11的延伸度传导至形式为InGaAs光电二极管13的检测器。光电二极管13安装在壳体15中。壳体15中充有一气体混合物，该气体混合物中含有10%体积比的用作参照气体的甲烷(CH4)。分析控制装置14接收并分析光电二极管13的信号。中空光纤11在图3中绕了一圈。中空光纤11在VCSEL 13的光的入射区域发生振动。
权利要求
1.一种用于气体检测的装置，具有一特定而言在红外线或可见光波长范围内发射光的光源，一用于导引所述光且实施为中空光纤的光波导，其中，所述中空光纤设计为允许气体进入空腔，一检测器，用于接收已穿过所述中空光纤的光以及根据所述光被部分地吸收的情况进行气体检测，一用于使所述中空光纤发生振动的装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述中空光纤与所述光源以所述光源所发射的光直接进入所述中空光纤的方式相连接。
3.一种气体检测方法，其中，使光，特别是红外线或可见光波长范围内的光穿过一中空波导， 其中，使用一允许气体进入其空腔的中空波导，根据所述光穿过所述中空波导时被部分地吸收的情况检测所存在的气体， 在所述光穿过所述中空波导期间使所述中空波导发生振动。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，为了进行所述气体检测，在一时间段内进行一测量，所述时间段的长度至少为所述中空光纤的振动周期的两倍。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，对在所述时间段内所获得的测量值进行积分。
全文摘要
本发明提供一种用一VCSEL(12)和一与之连接的中空波导(11)进行光学气体测量的方法。所述中空波导包含待测气体，由所述中空波导导引光。在此过程中使所述中空波导(11)发生振动。在一时间段内进行所述气体测量并对所获得的测量值进行积分。这样能明显减轻干涉对测量所造成的干扰性影响。
文档编号G01N21/35GK102483377SQ201080039364
公开日2012年5月30日 申请日期2010年9月3日 优先权日2009年9月4日
发明者安德烈亚斯·汉高尔, 赖纳·斯特佐达, 陈嘉 申请人:西门子公司
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