專利名稱：用于開路式氣體檢測器的發(fā)射單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測氣體的紅外檢測器，所述氣體也包括水蒸氣。本發(fā)明尤其涉及用于檢測氣體的開路式氣體檢測器，其包括沿被監(jiān)視空間中的路徑發(fā)射射線束的發(fā)射單元和檢測通過該空間的射線的檢測單元。術(shù)語“開路式氣體檢測器(open path gas detector)”覆蓋不考慮路徑長度以及不考慮是否路徑對于大氣狀態(tài)是開放的和/或是封閉的所有檢測器。
背景技術(shù)：
利用無色散紅外光譜儀檢測碳氫氣體是公知的技術(shù)。其主要是沿被監(jiān)視區(qū)域中的路徑發(fā)射紅外射線；選擇紅外射線的波長使得可被所關(guān)注氣體(下稱“目標氣體”)吸收而基本上不被所監(jiān)視區(qū)域的大氣中的其它氣體吸收。如果是戶外監(jiān)視，所選波長優(yōu)選不被液態(tài)或氣態(tài)水(如濕氣，凝結(jié)水，霧，雨或噴霧)吸收。測量沿所監(jiān)視區(qū)域中的路徑通過的射線的強度，并通過射線強度的衰減來給出所監(jiān)視區(qū)域中目標氣體量的度量。
然而，除了被目標氣體吸收外，其它因素也會使紅外射線衰減，包括檢測射線束的衰退，大氣的散射，表面的污染物如灰塵或凝聚物，組件的老化。通過使用一種參照可使紅外氣體檢測器的可靠性顯著地提高，這種參照通常是具有不同波長的紅外射線，該波長優(yōu)選為目標氣體對其沒有顯著的吸收。射線可使用一個以上的參考波長，同樣可使用一個以上的取樣波長。由于理論上對于參考波長的信號和取樣波長的信號會受到相同程度的射線衰減的影響(除了目標氣體之外)，因此，在目標氣體所吸收的波長(“取樣”波長)上所獲取的信號與在目標氣體不吸收的波長(“參考”波長)上所獲取的信號的比率被用來補償由于環(huán)境狀態(tài)所引起的衰減。
已知監(jiān)視大氣中的有毒氣體是使用點式氣體檢測器，其可以是電化學的或光學的(在本說明書中術(shù)語“有毒”氣體是指除了氧氣和氮氣之外的氣體和水蒸氣，例如硫化氫，氟化氫，氨，二氧化硫，二氧化碳和一氧化碳)。點式氣體檢測器設備帶來了在進行大面積監(jiān)視時由于在整個區(qū)域設置大量檢測器而成本過高的問題。此外，如果目標氣體的集聚發(fā)生在檢測器之間，則不能被檢測到。開路式氣體檢測器具有超過1米的路徑長度，典型地至少10m，因此能以單個設備監(jiān)視較大的區(qū)域。
開路式氣體檢測器由于可利用價格實惠的可調(diào)二極管激光器而變得更加有吸引力，可調(diào)二極管激光器能調(diào)節(jié)到非常窄的波長以檢測目標有毒氣體的特殊吸收波長。然而，需要檢測的有毒氣體的濃度較低，典型為5ppm(百萬分之一)以及更低，如1ppm。在如此低的濃度，檢測器中的噪聲可能大于目標氣體的信號，使得難以檢測如此低濃度的有毒目標氣體。另外，信號可能隨著電子的漂移或光學元件超時，溫度的變化和/或大氣狀態(tài)等而變得難以識別。另外，可調(diào)激光二極管的相干激光射線可能使射線的強度變化在亮帶和暗帶之間產(chǎn)生干擾帶，其可能遠遠超過低濃度目標氣體所產(chǎn)生的信號。
因此，迄今為止還沒有用于測量低至10ppm濃度目標氣體的有毒氣體的可靠的低成本開路式氣體檢測器。
GB-235391公開了一種利用可調(diào)激光二極管作為射線源定向射線束通過測量路徑至射線檢測器以檢測路徑中的目標氣體的開路式氣體檢測器。激光二極管以非常窄的線寬發(fā)射射線，其比目標氣體的吸收峰值窄。在該已知系統(tǒng)中，所掃描的激光二極管的波長包含具有頻率f的目標氣體吸收頻帶，目標氣體的吸收頻帶為圖1中的B線所示。在掃描過程中，所發(fā)射的激光射線的強度也隨頻率f變化，強度隨波長的變化如圖1中的曲線A所示。所發(fā)射的射線被檢測器檢測，該檢測器產(chǎn)生與入射到其上的射線強度成比例的信號。未示出的強度隨時間變化的曲線是正弦曲線。如果大氣沒有包含目標氣體，射線的強度的變化為圖1的曲線A并且檢測器讀出的頻率信號與掃描頻率f相同。然而，如果有目標氣體在大氣中，其將吸收射線，因此會使到達檢測器的射線衰減。所檢測到的射線強度的結(jié)果曲線是曲線A和B的組合，如圖2所示的。從中可見，強度隨時間變化的曲線具有另外的頻率分量2f。
2f分量的振幅越大，在所測量路徑中的目標氣體的量越大。信號的2f分量(以及高的諧波分量)可使用相位靈敏測量放大器(鎖定放大器)確定。目標氣體對1f分量的影響比對2f分量的影響相對小。因此，2f分量與1f分量的比例可以確定所測路徑中目標氣體的量。1f和2f分量以相同的方式受到多個衰減條件如測量路徑的長度、檢測射線束的衰弱、大氣散射等的影響。因此，2f∶1f比值可提供所測路徑中的目標氣體的量的度量。
這種基礎(chǔ)技術(shù)的許多細節(jié)也是公知的，例如激光二極管輸出的中央波長在低于f的頻率變化。所提供的2f∶1f比值，可進行數(shù)學分析以提供對于目標氣體濃度的可靠測量。
為獲得掃描目標氣體的吸收頻帶的波長的變化，通過激光器的電流是變化的，從而光輸出能量也是變化的。由于激光二極管的特性，1f分量的量必定大。2f分量的量隨氣體吸收而變，并且有毒氣體的濃度越低該量也越小。2f∶1f比值因此非常小，典型地為10-4至10-6，由于對其進行精確測量非常困難，因此該比值較小是這種技術(shù)的一個基本缺陷。
用于驅(qū)動激光的電子組件和相位靈敏測量放大器可引起信號的諧波畸變。當信號的1f分量通過這些電子組件傳播時，任何非線性特性都將導致1f分量的諧波產(chǎn)生，包括一個2f的分量。該額外的2f分量加在由目標氣體的吸收產(chǎn)生的2f分量中，從而導致對目標氣體濃度的不正確測量，這可能產(chǎn)生錯誤的報警，在一些情況下，導致使設備缺乏可信度。
在GB-2353591中，掃描波長的中間值是由反饋電路控制的，如下述。為激光二極管射線束提供射線束分離器并且定向一部分射線束沿著所測路徑傳輸以及一部分直接被定向至檢測器；在檢測單元前設置一個包含目標氣體(或適合于知道吸收特性的其它物質(zhì))的樣品的單元使得按目標氣體的波長吸收射線。如上所述，通過這種與測量射線束有相同的方式的反饋射線束確定2f∶1f比值能使檢測器的信號反應出是否二極管發(fā)射的波長能掃描目標氣體的吸收頻帶。如果激光二極管的波長偏離了，則可從檢測器中明顯反應出，并允許對激光二極管進行修正以發(fā)射正確的波長。
如上所述，上述設置的一個缺陷是當目標氣體以低濃度存在于所測路徑中時射線束分離器提供干擾帶可能會干擾目標氣體的信號。
通常在所測路徑相反兩端的發(fā)射單元和檢測單元之間提供所測路徑適當對準是困難的。GB-2353591給出了在檢測單元和發(fā)射單元之間的雙向通信鏈路。發(fā)射單元包括用于改變發(fā)射射線束方向的控向鏡(steering mirror)；周期性地掃描發(fā)射射線束并通過檢測單元所測量的最大強度確定射線束的最佳方向；在檢測單元和發(fā)射單元之間的通信鏈路上提供控向鏡的最佳位置的反饋以實現(xiàn)對準。
開路式氣體檢測器的一個問題是在光學組件上的水凝聚體，其可使發(fā)射射線束衰弱。因此，需將光學組件保持在露點以上的溫度以防止這種凝聚。然而，加熱光路會增加系統(tǒng)的復雜程度并消耗大量的能量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明由權(quán)利要求書來定義。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，其提供了一種用于檢測目標氣體的開路式氣體檢測器的發(fā)射單元，包括按能被目標氣體吸收的波長來發(fā)射射線的射線發(fā)射器，例如，可調(diào)激光二極管，具有偏轉(zhuǎn)部分和非偏轉(zhuǎn)部分的射線偏轉(zhuǎn)器，其中偏轉(zhuǎn)器被配置為使得偏轉(zhuǎn)部分和非偏轉(zhuǎn)部分兩者都位于發(fā)射器所發(fā)射的射線的路徑中，以及其中非偏轉(zhuǎn)部分不對發(fā)射器所發(fā)射的射線進行偏轉(zhuǎn)或與偏轉(zhuǎn)部分進行不同程度的偏轉(zhuǎn)。
射線偏轉(zhuǎn)器優(yōu)選是反射鏡，其具有用于反射所述發(fā)射器所發(fā)射的射線的反射表面，并且也具有不反射該發(fā)射器所發(fā)射的射線或反射程度比該反射表面低的非反射部分。
射線偏轉(zhuǎn)器的非偏轉(zhuǎn)部分優(yōu)選被偏轉(zhuǎn)部分圍繞并優(yōu)選定位于射線偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)部分的中心區(qū)。
非偏轉(zhuǎn)部分的作用是，使所產(chǎn)生的射線束帶有能被檢測和用于使所發(fā)射射線與檢測器對準的完整或部分陰影(shadow)。
入射到非偏轉(zhuǎn)部分的射線可通過允許其通過非偏轉(zhuǎn)部分而被利用，如使非偏轉(zhuǎn)部分成為開口或開孔而透明或半透明。透明或半透明的偏轉(zhuǎn)器部分具有小于3mm的直徑，優(yōu)選小于2mm，如1.5mm。例如可利用通過非偏轉(zhuǎn)部分的射線定向其至少部分通過一個對射線半透明的容器，以用于控制由射線發(fā)射器所發(fā)射的射線的波長。該容器被用于容納至少吸收發(fā)射器所發(fā)射的波長范圍的一部分射線的材料的樣品，優(yōu)選為目標氣體的樣品。設置射線檢測器去檢測通過容器的射線以根據(jù)該射線的強度產(chǎn)生信號，將該信號反饋給控制器以控制射線發(fā)射器所發(fā)射的射線的波長。被樣品吸收的波長是固定的和已知的，并被用作估計發(fā)射器發(fā)射的射線和將其維持在預定范圍內(nèi)的基礎(chǔ)。
透明或半透明的非偏轉(zhuǎn)部分也可以用于發(fā)射不直接來自射線發(fā)射器的射線，例如提供測量發(fā)射器所發(fā)射的射線強度的參考信號以在氣體測量過程中允許射線強度波動。發(fā)射單元包括使來自射線偏轉(zhuǎn)器的射線形成沿一個路徑傳輸?shù)纳渚€束的光學組件。該光學組件優(yōu)選包括具有表面的元件，所述表面優(yōu)選為球面，其面對射線偏轉(zhuǎn)器以及反射來自射線偏轉(zhuǎn)器的射線并聚焦該射線以致于使該射線通過射線偏轉(zhuǎn)器的非偏轉(zhuǎn)部分，其入射到參考檢測器以產(chǎn)生一個測量發(fā)射器發(fā)射的射線的信號，例如，射線的強度和/或波長。光學組件的反射表面優(yōu)選被形成為能在鄰近偏轉(zhuǎn)器的透明或半透明部分聚焦被反射的射線的形狀。
被透鏡元件反射的射線將包括由非偏轉(zhuǎn)部分產(chǎn)生的陰影(shadow)。通過設置第二射線偏轉(zhuǎn)器，例如反射器、棱鏡或折射部件，可使在陰影中傳到樣品容器的射線與傳到參考檢測器的射線保持分離，使得其不接收從透鏡元件反射的光但接收從射線源發(fā)射到非偏轉(zhuǎn)部分的射線。第二偏轉(zhuǎn)器將這樣的射線偏轉(zhuǎn)到容器。
被所述光學組件表面反射的射線能通過額外的透鏡聚焦到檢測器上，該額外的透鏡可為設置第二偏轉(zhuǎn)器提供有用的支持。
優(yōu)選設置一個遮罩(shield)以遮擋從遠離射線發(fā)射器的射線偏轉(zhuǎn)器側(cè)發(fā)射并射向射線發(fā)射器的射線。遮罩遮擋這樣的射線以減小或防止其與發(fā)射器發(fā)射的射線形成干擾帶。
本發(fā)明也提供一種包括用于沿一路徑定向射線束的發(fā)射單元和具有用于檢測通過該路徑的射線的檢測器的接收單元的開路式氣體檢測器。其也可包括檢測射線束與接收單元何時對準以及操控射線偏轉(zhuǎn)器的控制器。由射線偏轉(zhuǎn)器的非偏轉(zhuǎn)部分產(chǎn)生的完整或部分陰影可被接收單元檢測并用于操控射線偏轉(zhuǎn)器以便將陰影射向檢測器。
本發(fā)明進一步包括用于沿著一光學路徑操控射線偏轉(zhuǎn)器的裝置，例如，反射鏡。在該裝置中，射線偏轉(zhuǎn)器被支撐于能根據(jù)所施加的信號調(diào)節(jié)其位置的多個電動機械元件上，例如，壓電元件。通過給元件施加合適的信號，可操控射線偏轉(zhuǎn)器能沿預定的路徑定向射線。
壓電元件可以是具有兩個相對端且中心部分位于兩端之間的條。每個條在其端部被錨定并且射線偏轉(zhuǎn)器被支撐于條的中心部分上。利用這樣的構(gòu)造壓電元件可具有至少150Hz的諧振頻率，例如至少200Hz，優(yōu)選至少300Hz，例如，大于500Hz。
沿路徑發(fā)射的射線束中的射線優(yōu)選具有小于0.25°的發(fā)散角，更優(yōu)選小于0.1°以便使射線束的強度最大化，然而接收器可具有＞±0.1°的寬的角接收范圍，例如，＞±0.25°，優(yōu)選＞±0.5°，如1°。
與用于修正沿路徑傳輸?shù)臍怏w檢測射線束相同的光學組件也可用于收集包含與檢測目標氣體相關(guān)的數(shù)據(jù)的信號。這樣，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種開路式氣體檢測器，包括發(fā)射單元包括射線發(fā)射器，配置為將發(fā)射器發(fā)射的射線形成沿路徑傳輸?shù)纳渚€束的光學組件，以及通信信號檢測器，接收單元包括配置為檢測來自發(fā)射單元的射線的所述射線束的檢測器和配置為以不同于射線發(fā)射器發(fā)射的波長的通信波長將數(shù)據(jù)信號發(fā)送給發(fā)射單元的通信發(fā)射器，數(shù)據(jù)信號包含關(guān)于檢測器所檢測的射線強度的數(shù)據(jù)，
其中所述光學組件被配置為向通信信號檢測器發(fā)送數(shù)據(jù)信號。
射線偏轉(zhuǎn)器可以是配置為把所述發(fā)射器發(fā)生的射線定向至所述光學組件的光學元件以便能夠以通信波長將通信信號發(fā)送給設置在光學元件后的通信信號檢測器。光學元件優(yōu)選為反射器，如反射鏡，其對于通信波長是透明或半透明的并且反射由射線發(fā)射器所發(fā)射的波長。
可在光學組件和通信檢測器之間設置一透鏡以從光學組件將通信信號聚焦到檢測器上。
如上所述，發(fā)射器所發(fā)射的射線的強度可以變化以及，可形成射線的參考射線束用于測量所發(fā)射射線的強度以使補償強度的變化。根據(jù)本發(fā)明的該方面，提供一種用于開路式氣體檢測器的發(fā)射單元，包括射線發(fā)射器，例如，可調(diào)激光二極管，配置為將入射到其上的發(fā)射器所發(fā)射的射線形成為沿路徑傳輸?shù)纳渚€束的光學組件，所述光學組件包括至少一個具有面對入射到光學組件上的射線的表面(下稱“后表面”)，后表面，優(yōu)選為球面，其能反射一定比例的入射到其上的射線，以及配置為接收由后表面反射的射線以及產(chǎn)生測量由發(fā)射器所發(fā)射的射線的特性的信號的參考檢測器，射線的特性例如為強度和/或射線的波長。
光學組件可以包括第一透鏡以及設置在第一透鏡和射線發(fā)射器之間的第二透鏡，在這種情形下，后表面優(yōu)選在第二透鏡中提供。
可設置另外的透鏡系統(tǒng)以將由后表面反射的射線定向至參考檢測器。
使用光學組件的后表面的一個優(yōu)點在于基本上所有的射線形成為入射到后表面上的射線束并使得由后表面反射的射線是由基本上整個射線束的寬度上得到的而不僅僅是從其一部分得到。
由射線發(fā)射器產(chǎn)生的熱可用于加熱光學組件以減小光學組件上的凝聚并給發(fā)射器散熱。這樣，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于開路式氣體檢測器的發(fā)射單元，包括射線發(fā)射器，例如可調(diào)激光二極管發(fā)射器，以及配置為將發(fā)射器所發(fā)射的射線形成為沿路徑傳輸?shù)纳渚€束的光學組件，其中發(fā)射器與光學組件熱接觸從而使熱能從發(fā)射器傳輸給光學組件。射線發(fā)射器可與光學組件結(jié)合，例如，通過粘接。
光學組件可以包括第一透鏡以及設置在第一透鏡和射線發(fā)射器之間的第二透鏡，在這種情形下射線發(fā)射器與第一透鏡熱接接觸，這可利用具有中心通孔以致于射線發(fā)射器被容納于孔中的第二透鏡而實現(xiàn)。
從射線源散出的熱也許不足以使射線發(fā)射器冷卻因此可能需要設置散熱器進一步冷卻；也可用傳感器檢測射線發(fā)射器的溫度并用控制器操作冷卻器以使射線發(fā)射器保持在預定的溫度范圍內(nèi)。
同樣如果來自射線源的熱不足以加熱光學組件，可設置補充加熱器以另外加熱光學組件。
本發(fā)明也提供一種將發(fā)射器所發(fā)射射線束與檢測器對準的方法，例如，將開路式氣體檢測器中的射線束與檢測器對準，所述射線束沿路徑傳輸。該方法包括a)產(chǎn)生射線束，b)利用檢測器在射線通過路徑后檢測其強度以及產(chǎn)生所檢測強度的測量值的信號，c)以頻率f’在圍繞檢測器的預定環(huán)形圖案(looped pattern)中操控射線束，
d)從檢測器信號的強度以頻率f’或f’的諧波(如2f’，4f’等)的變化中導出檢測器相對于環(huán)形射線束的位置，e)向所述位置發(fā)送射線束以及可選地f)在從步驟d)導出的檢測器的位置周圍的另一個環(huán)形圖案中操控射線束以及g)任選地重復步驟d)至f)直到射線束與檢測器對準。
這樣在檢測器周圍的路徑中操控射線束并分析檢測器的信號以發(fā)現(xiàn)路徑中檢測器的位置以使射線束能與檢測器對準?？梢灾貜驮撨^程，例如，利用連續(xù)的窄的環(huán)形圖案，直至實現(xiàn)對準。
如上所述，射線束可以是環(huán)形截面，具有完整或部分陰影的中心并且可通過檢測陰影的存在實現(xiàn)射線束的對準。
檢測器中頻率為f’或f’的諧波的信號的振幅能用于測量環(huán)形圖案的中心區(qū)域和檢測器之間的角距離，例如圓形環(huán)和檢測器之間的角距離，其中f’是射線束沿預定環(huán)形圖案移動的頻率。
可在圓形或非圓形路徑中操控射線束，例如橢圓形；當沿非圓形路徑操控時，在基頻率f’或其諧波，如2f’的信號的振幅與在不同諧波，如4f’的信號的振幅的比率可用于測量環(huán)形圖案的中心區(qū)域和檢測器之間的距離。
由檢測器所檢測的頻率為f’或f’的諧波的信號的強度變化的相位可確定檢測器相對于所述環(huán)形圖案的中心區(qū)域的方向，例如圓環(huán)的中心。
本發(fā)明甚至可以在存在由發(fā)射器的機械振動所引起檢測器的信號變化的情況下工作。由于機械振動的振幅、頻率、相位和方向可視為未對準的一種形式，因此可利用與發(fā)現(xiàn)射線束與檢測器之間正確對準相同的技術(shù)計算這些振動?？刹倏厣渚€束以便其與所檢測到的振動相同的振幅和頻率但以相反的相位變動以致于至少部分地減少由所述振動所引起的射線束的未對準。
可通過下列狀態(tài)下的信號的振幅和相位(單獨地)計算所述振動的振幅和方向-振動的頻率或其諧波或-為(a)振動的頻率或其諧波和(b)環(huán)狀運動的頻率f’或其諧波之間的和或差的頻率。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可通過在每個與檢測器和發(fā)射源之間的直線具有不同角差異的的至少兩個不同的方向上發(fā)射射線束以檢測射線束源與射線檢測器之間的距離，在至少兩個不同的方向上測量檢測器所檢測的射線強度的變化以及計算所檢測射線的強度隨角差異的變化以測量檢測器與射線束源之間的距離。
本發(fā)明的另一方面涉及避免上述通過計算(1)激光器在吸收頻帶附近波長進行掃描的頻率為f的信號與(2)頻率為2f的信號，即導致所計算的氣體水平的失真的諧波失真和氣體的存在所產(chǎn)生的頻率為2f的信號的比率而檢測目標氣體的存在中所出現(xiàn)的問題。根據(jù)本發(fā)明的該方面，提供一種在一個空間中檢測目標氣體存在的方法，該方法包括產(chǎn)生一包含兩個或多個不同調(diào)制頻率成分的合成信號；利用該合成信號驅(qū)動信號源以產(chǎn)生根據(jù)合成信號改變波長的射線；定向所述射線穿過被監(jiān)視空間；檢測穿過所述空間的射線；根據(jù)所檢測的射線產(chǎn)生檢測射線信號，其中合成信號為使得在監(jiān)視空間中由目標氣體吸收的射線導致所檢測的信號包括至少一個不是合成信號的一個或多個調(diào)制頻率的基波或諧波的頻率成分。
由于空間中目標氣體的存在所產(chǎn)生的檢測射線信號中的頻率成分可以是合成信號中兩個調(diào)制頻率成分或其諧波之差和/或是合成信號中兩個調(diào)制頻率成分或其諧波之和。
一個調(diào)制頻率成分的頻率優(yōu)選大于第二調(diào)制頻率成分的頻率1至108倍，例如1.1至100倍，如大約10倍。
使用具有通過組合兩個或多個具有不同交錯波形的信號形成的調(diào)制頻率成分的合成信號可具有獨特的優(yōu)點。在整個時間段上，通過在合成信號中形成每個信號水平，通過兩個或多個信號的信號水平的多個不同組合，可減小形成兩個信號的發(fā)生器和由射線源發(fā)射的射線之間的非線性。因此本發(fā)明也提供一種檢測空間中目標氣體存在的方法，該方法包括結(jié)合兩個或多個具有不同交錯波形的信號以產(chǎn)生合成信號，利用合成信號驅(qū)動射線源，例如可調(diào)激光二極管，以產(chǎn)生根據(jù)合成信號改變波長的射線；定向所述射線穿過被監(jiān)視空間；以及檢測越過所述空間的射線；其中合成信號中每個信號水平是隨時間通過兩個或多個信號的信號水平的多個不同組合獲得的。
優(yōu)選合成信號能使得其平均信號水平引起射線源以目標氣體的吸收波長產(chǎn)生射線。兩個或多個信號優(yōu)選包括兩個或多個交錯波形和直流電流，其中直流電流可以使射線源以目標氣體的吸收波長產(chǎn)生射線。
本發(fā)明也涉及能實現(xiàn)上述方法的開路式氣體檢測器結(jié)構(gòu)的發(fā)射單元以及包括這樣的發(fā)射單元的開路式氣體檢測器。
利用具有兩個或多個調(diào)制頻率成分的合成信號去驅(qū)動氣體檢測器中的射線源能獲得第三個優(yōu)點。通過過濾掉通過檢測從氣體中通過的射線形成的一個頻率成分的信號，可以減小由用于氣體檢測的電子元件的輸入和輸出之間的非線性引起的誤差，如放大器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此根據(jù)本發(fā)明的該方面提供了一種檢測空間中目標氣體的方法，包括根據(jù)所檢測的信號產(chǎn)生檢測射線信號；過濾所述檢測射線信號以消除對應用于形成合成信號的一個信號的至少一個頻率成分；將過濾的檢測射線信號反饋給具有非線性輸出的信號處理器的輸入端，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器或放大器；以及分析過濾信號輸出，以檢測按所述目標氣體的吸收波長定向穿過所述空間的射線的吸收。
這樣過濾后的檢測射線信號可被反饋給具有非線性輸出端的信號處理器，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器或放大器，其中分析步驟包括分析所述輸出端的被過濾的信號以檢測按目標氣體吸收波長定向經(jīng)過所述空間的射線的吸收。
空間中存在的目標氣體中檢測射線信號中產(chǎn)生的頻率成分，其可以包括為合成信號或其諧波的至少兩個調(diào)制頻率成分之差的第一頻率成分和/或為合成信號或其諧波的至少兩個調(diào)制頻率成分之和的第二頻率成分。
如上所述，第一和第二調(diào)制頻率成分的頻率的比率大于1∶1并可高至108∶1，例如1.1∶1至100∶1，如大約10∶1。
本發(fā)明也涉及能實現(xiàn)上述方法的開路式氣體檢測器結(jié)構(gòu)的接收器單元以及包括這樣的接收器單元的開路式氣體檢測器。


下面將通過參照下述附圖，對根據(jù)本發(fā)明的開路式氣體檢測器的發(fā)射單元和接收器單元以例子的方式進行描述圖1和2為開路式氣體檢測器的檢測單元所檢測的射線的強度的示圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射單元和檢測單元兩者的開路式氣體檢測器的示意圖；圖4為開路式氣體檢測器的發(fā)射單元的各部件的裝配圖；圖4a為圖4的光學組件16截面圖；圖5為除部分分離和部分分解外與圖4相同的示圖；圖6為射線束沿待測路徑傳輸?shù)纳渚€圖；圖7為本發(fā)明的檢測單元中的波長鎖定射線束的射線圖；圖8為發(fā)射單元中參考射線束的射線圖；圖9為檢測單元和發(fā)射單元之間通信連接的射線圖；圖10所示為所檢測射線的強度隨最佳射線束和實際射線束之間的角距離的變化。
圖11為發(fā)射單元掃描射線的示意圖；圖12為圖10所示的掃描射線束對檢測單元檢測的射線強度的影響的變化的示圖；圖13除表示不同的對準變化外與圖12相同；圖14為圖10，12和13中的峰值的更詳細示圖；圖15為圖4和5的開路式氣體檢測器中發(fā)射單元的反射鏡結(jié)構(gòu)的平面示圖；圖16為根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射單元的分解圖；圖17為在各種路徑長度下所檢測射線的強度隨最佳射線束和實際射線束之間角距離變化的示圖；圖18為驅(qū)動開路式氣體檢測器的激光二極管的元件的結(jié)構(gòu)圖；圖19所示的三個曲線，其中兩個是合成用于驅(qū)動開路式氣體檢測器的激光二極管的驅(qū)動信號的第三個曲線的信號成分；圖20所示為目標氣體吸收頻帶的曲線；圖21所示的三個曲線，一個表示通過開路被氣體檢測器檢測的射線的波長隨時間的變化，另外兩個曲線為表示目標氣體吸收所產(chǎn)生信號成分的路徑端部檢測射線的強度；圖22為表示路徑端部檢測射線的頻率的曲線；圖23為激光二極管的輸出隨圖18所示的信號源的輸出的曲線；圖24為開路式氣體檢測器的接收器單元的元件的結(jié)構(gòu)圖；圖25為路徑端部檢測的射線的波長隨時間的曲線，其也是檢測信號的強度的曲線；以及圖26為圖25的信號被過濾掉一個頻率成分后的曲線。
具體實施例方式
圖3為根據(jù)本發(fā)明的開路式氣體檢測器的示意圖，其包括發(fā)射單元10和檢測單元20。發(fā)射單元沿待測路徑發(fā)射平行射線束，其中平行射線束由附圖標記30表示，待測路徑的實際長度例如為20至1,000m。
發(fā)射單元10包括可調(diào)激光二極管12，該可調(diào)激光二極管12在非常窄的波段內(nèi)產(chǎn)生紅外射線束，射線束向后射向可轉(zhuǎn)向反射鏡14，又被反射到用于準直由反射鏡14反射的射線束的光學組件16的布置，以形成平行射線束30沿待測路徑定向到檢測單元20。檢測單元20包括過濾掉不相關(guān)的波長的射線的過濾器(未示出)。通過過濾器后，射線入射到檢測器22上以產(chǎn)生所測量的入射到檢測器22上的射線強度的信號。處理該信號以提取所承載信息的頻率分量的量值。將該值傳送給發(fā)射器(未示出)，發(fā)射器將通信信號(由箭頭24所示)傳回發(fā)射單元10。發(fā)射單元包括接收所傳輸信號24的接收器(未示出但將在下面描述)。
在開路式氣體檢測器的環(huán)境中，包括所發(fā)射波長的調(diào)諧和掃描的可調(diào)激光二極管的控制和操作是公知的，例如，如上面背景技術(shù)中所述。在下面將描述一種新穎的氣體檢測方式。
由激光器12所發(fā)射的波長帶寬的寬度要窄于目標氣體的氣體吸收帶寬。在GB-2353591中描述的系統(tǒng)中，激光器的輸出波長是變化的以覆蓋目標氣體的氣體吸收帶寬，這通過例如按正弦改變通過激光器的電流來實現(xiàn)，激光器的光學輸出功率也正弦地變化。波長和功率的變化是利用驅(qū)動信號驅(qū)動激光器實現(xiàn)的。
所述系統(tǒng)被更詳細地示于圖4至9、15和16中。首先參照圖4，4a和5，其中示出了光學組件16，該光學組件16由準直透鏡17以及由可調(diào)節(jié)底座(未在圖4中示出但可參見圖16)支撐的校正透鏡18形成，其中準直透鏡17形成一窗口，射線束30可通過該窗口傳輸?shù)介_路中。準直透鏡17的前表面17a是球面的且后表面17b是平面的，而校正透鏡18的前和后表面18a和18b都是球面的。激光器12穿過校正透鏡18中的軸心孔19延伸(參見圖4a)。激光器的電連接由柔性連接27實現(xiàn)，其可見于圖4中。
激光器12可由實際激光裝置、溫度穩(wěn)定裝置例如帕爾貼效應(Peltier Effect)加熱器/散熱器、溫度傳感裝置、封裝窗口以及可能安裝于公共外殼中的其他元件組成。
參見圖4a，激光器12由熱傳導支撐元件(未示出)支撐，并通過薄的粘接層21，如環(huán)氧樹脂，在其一端粘接到準直透鏡17的平的后表面17b。所發(fā)射的射線束80被激光器12向后發(fā)射，即，朝向遠離光學組件16的方向。使用中，可調(diào)激光器12會產(chǎn)生熱而其溫度必須被控制中一個窄的范圍內(nèi)，通過已知設計的熱電冷卻元件(未示出)來消除多余的熱。然而，可通過粘接層21將熱傳給準直透鏡17來提供另外的散熱，使得準直透鏡17部分地充當散熱器。將熱從可調(diào)激光器12傳給準直透鏡17不僅僅消除激光器12的熱量而且具有加熱透鏡17的優(yōu)點。
在正常的操作中，有必要加熱發(fā)射單元的窗口，即準直透鏡17，以防止水在其上凝聚，否則會使射線束衰弱。通常，由激光器傳送給準直透鏡17的能量不足以使元件維持在露點(dew point)以上的理想溫度。因此，在溫度調(diào)節(jié)裝置的控制下提供輔助電阻加熱器(未示出，但是屬于公知設計)為準直透鏡17提供補充熱量以使其保持在預定溫度。這樣激光器與透鏡17間的熱粘接既減小了激光器需要冷卻的熱量也減小了加熱準直透鏡17所需的能量。準直透鏡17的熱量散到大氣中。
發(fā)射單元10包括裝配環(huán)50(參見圖4，5，15)，裝配環(huán)50具有用于固定端塊54的三個銷釘52，其中每個端塊54具有用于夾持壓電條56的端部的套口(socket)。提供三個這樣的壓電條(piezoelectricstrip)，如圖15所示。圖15與圖4和5中的設置不同，在圖15中有六個裝配銷釘52，每個壓電條用兩個，而圖4和5中僅有三個裝配銷釘52，即，每個裝配銷釘固定兩個壓電條的端部。壓電條的型號為PL127.10，德國PI Ceramic of Lederhos公司(www.pi.ws)有售。
壓電條56的每個端部被端塊54固定并給壓電條施加電位以使其彎曲；這種彎曲能在小于2毫秒的時間內(nèi)產(chǎn)生。依賴于所施加的電位，壓電條的中心可以相對地移動高至0.25mm的距離。
在三個壓電條56中每個的長度的一半處設置有套圈(collar)58，套圈58的一端夾在可轉(zhuǎn)向平面鏡14的邊緣上。所述鏡是圓形的并具有中心開口15。所述開口可以的實孔或優(yōu)選為透明或半透明的非反射區(qū)域。開口15周圍的非反射區(qū)域15’增加了平面鏡中心部分不反射入射射線的面積，這將在下面進一步說明。三個夾子58支撐住鏡14并允許其在壓電條56彎曲時被移動。適當?shù)目刂扑惴蓞f(xié)調(diào)各個壓電條的運動，使得鏡14轉(zhuǎn)向預定方向，以此改變射線束30沿待測路徑傳輸?shù)姆较?。利用壓電條，可按預定方式引導射線束，例如，如下面將討論的，沿圓形或橢圓形路徑。
除了如上述使用多個裝配銷釘52夾住壓電條56的端部之外，也可以用單個框架固定壓電條；這樣的框架可以是剛性的，以減小從一個壓電條傳送給另一個的橫向擺動。
壓電條在500Hz以上的頻率將產(chǎn)生共振，因此可以在沒有高至500Hz頻率的共振的情況下使壓電條移動。壓電條的制造商僅規(guī)定壓電條按僅在一端錨定的懸臂方式下工作。我們發(fā)現(xiàn)，通過錨定其兩端，共振頻率顯著地增加，這大大增大了本發(fā)明的系統(tǒng)的響應速度。
除了提供三個壓電條56之外，也可以使用兩個壓電條和一個錨定點，這樣的結(jié)構(gòu)也能控制反射鏡。
因此反射鏡14能被壓電條精確快速地控制，其能夠在大約0.005至0.01秒的時間內(nèi)實現(xiàn)對準，并且因此它可能即使在檢測單元在大約幾百Hz的頻率移動/振動的情況下保持對準。另外，如果需要壓電條可以調(diào)節(jié)反射鏡14沿軸向(z-軸)的位置。
圖6示出了用于產(chǎn)生沿待測路徑的主射線束30的結(jié)構(gòu)?？烧{(diào)激光器12將射線束80射向反射鏡14，反射鏡14將射線束向光學組件16反射，由光學組件16沿待測路徑形成平行射線束30。由于射線束80或者通過反射鏡14的中心孔15或者被非反射區(qū)域15’吸收而不被反射鏡14反射，因此射線束30具有中心陰影82，激光二極管12定位于該陰影中。
從圖6中可明顯看出，反射鏡14的較小移動可能引起射線束30的方向的改變，換句話說，反射鏡14可控制射線束30。
射線束中的陰影82的最佳直徑與通過開口的射線束的最佳直徑是彼此獨立的，因此可以很好地實現(xiàn)射線束30中的陰影82的直徑大于由開口15所提供的。在這種情況下，設置非反射區(qū)域15’的直徑以提供所需的陰影82的直徑。
如圖6所示，沒有必要在反射鏡的軸線上設置激光器，激光器可設置在軸線之外，但是在這種情況下要設置激光器以使其產(chǎn)生的熱被用于加熱準直透鏡17是困難的。
參見圖4和5，截頂錐形射線吸收體或遮罩60被設置在反射鏡14之前。吸收體60在其截頂表面62中具有直徑為1.5mm的孔。吸收體60是空心的且透鏡66設置在其底部。設置在透鏡66中央的支撐體68具有相對于該檢測單元的軸線成角度的反射表面70。成角度的表面70通過截頂表面62反射進入吸收體60的射線并將其射向包含有目標氣體樣品的樣品腔72。這種構(gòu)造示于圖7的射線圖中，其中激光器12產(chǎn)生的射線束表示為80。射線束中的大多數(shù)撞到反射鏡14并被反射給光學組件16，盡管為了清楚起見沒有示出反射束。然而，射線束中的一部分通過了反射鏡中心的孔15且然后通過吸收體60的截頂表面62，這里該部分射線入射到成斜角的反射鏡70上被反射，經(jīng)過準直透鏡71透過氣體樣品腔72。如圖7所示氣體腔72的壁由附圖標記73表示并充當透鏡，與透鏡71一起，聚焦射線通過腔72射到射線檢測器74上。
在使用可調(diào)激光二極管的開路式氣體檢測器中利用參考氣體腔和檢測器是眾所周知的，其應用的概述可參見GB2353591。當存在目標氣體時，參考氣體腔模擬沿待測路徑的主射線束30的狀態(tài)。通過在腔72中提供目標氣體，相對于目標氣體的固定吸收頻帶，可確定激光器發(fā)射的射線的波長，如果必要可調(diào)節(jié)激光器，以使激光器發(fā)射的射線的波長能保持為恰當?shù)牟ㄩL。
再參見圖4和5，反射氣體參考射線束的表面70的直徑與通過射線吸收體60中的孔62的射線束的直徑相同或稍大于它，使得沒有射線束80到達其上安裝有支撐體68和反射表面70的透鏡66。
現(xiàn)在參見圖8，可調(diào)激光二極管12產(chǎn)生的射線束80被環(huán)狀反射鏡14反射以產(chǎn)生射線束87射向光學組件16。射線束87通過光學組件16以形成平行射線束30(見圖6)。然而，小部分被校正透鏡18的后表面18b反射。后表面18b為球面并具有曲率使得反射射線束87以形成在環(huán)狀反射鏡14的中心開孔15處或附近具有聚焦點85的射線束84。后表面不必是球面的，只要是可聚集射線以使其通過反射鏡14的開孔15，其他形成也可使用，優(yōu)選是盡可能小以使從反射鏡14后面穿過、通過開孔到達激光器12的射線束最小，因其可能引起干擾帶。射線束86因此通過反射鏡14的開孔15和錐形體60的截頂平面62的孔入射到用來支撐傾斜反射面70的準直透鏡66。透鏡66將射線束86聚焦到參考檢測器90上。參考檢測器90提供由激光器12實際發(fā)射的射線的測量并用于檢測單元20所記錄信號的處理中，這將在下面描述。重要的是注意到上述的結(jié)構(gòu)使來自射線束的整個截面的射線通過并傳輸給檢測單元20，因此參考射線束是所發(fā)射的射線束真實的測量，而不是射線束一部分樣品的測量。
在圖8中反射鏡14中央的孔15在射線束87中央投射一個陰影82，其然后在射線束86的中央形成陰影89。該陰影包圍傾斜反射面70，因此射線束86不會落到反射面70上以被反射到氣體參考腔72。
再參見圖3，由檢測單元20所檢測的有關(guān)射線的數(shù)據(jù)被傳回給(由附圖標記24表示)發(fā)射單元10，然后入射到光學組件16上，光學組件16將通信信號聚焦(見圖9)到反射鏡14。然而，反射鏡對于通信信號的波長是透明的因此射線束24能通過反射鏡14?？商鎿Q地，也可以基于通信射線束的波長將通信信號與形成射線束30的射線相區(qū)分開，例如，通過將其射入可引起通信射線束24與射線束80相比以不同的角度轉(zhuǎn)向的衍射媒質(zhì)；然后可將通信檢測器設置在接收被轉(zhuǎn)向射線束24的位置。
截頂錐形吸收體或遮罩60的外側(cè)阻擋射線入射到其上，因為射線被截頂體60吸收或被其外壁以遠離發(fā)射單元10中的檢測器74、90、100的方向反射，因此不會干擾檢測的工作。唯一的例外是射線通過截頂面62的孔入射到用于將通信射線反射到氣體腔72的反射面70上。然而，通信信號不會影響波長鎖定控制工作，通過在透鏡71上提供吸收或反射通信射線束的波長的涂層可將通信射線過濾到通過氣體腔72的射線束之外。任何落到透鏡66上的通信信號將在其上聚焦，被用于參考射線束的檢測器90鎖定，但對參考檢測器90有最小的影響。
通信射線24在截頂錐形體60的外側(cè)周圍以環(huán)狀射線束96的形式通過并入射到準直透鏡98上(參見圖5)并被聚焦到用于產(chǎn)生包含通信射線束24數(shù)據(jù)的信號的通信檢測器100上；所述信號被饋送到微處理器(未示出)。參考檢測器90被設置在通信透鏡98上但由于支撐參考檢測器的透鏡部分是在通信射線束上被錐形體60投射的陰影中，因此不會干擾通信信號。
注意在圖4和5中通信透鏡98沒有與檢測單元10的光軸直交而是相對于光軸傾斜；這是為了避免透鏡98或檢測器90所反射的射線返回到激光二極管12，這將產(chǎn)生不期望的干擾帶。為了相同的理由，發(fā)射單元10中的可反射能與發(fā)射至接收單元20的激光射線相結(jié)合的射線的任何元件優(yōu)選相對于光軸傾斜。
圖16為發(fā)射單元10的分解圖，其所示為外殼250中組件以高緊湊方式的組裝。外殼被具有遮光罩254的端帽252封閉。
微處理器控制發(fā)射單元10的工作并分析被通信檢測器100接收的信號24，以及波長追蹤檢測器74和參考檢測器90的信號，以產(chǎn)生待測路徑中目標氣體的分析。各種數(shù)據(jù)的處理以及處理的基本原理將在下面描述。
通過對參考檢測器的輸出執(zhí)行與應用于接收器20中主檢測器22的輸出的分析類似的分析，用來自檢測器90的參考數(shù)據(jù)補償由激光器/電子元件和某些干擾過程產(chǎn)生的擾動。參考檢測器90的輸出的分析結(jié)果提供能與接收器中的主檢測器22輸出的分析結(jié)果作比較的基線，從而消除氣體信號分析的擾動。
應注意到，上述結(jié)構(gòu)沒有包括提供參考信號或波長追蹤信號的射線束分離器，這是非常有利的，因為射線束分離器會產(chǎn)生具有相干射線的干擾帶。如果干擾帶存在，干擾帶的亮和暗部分之間的強度的變化可能大于待測路徑中存在的目標氣體衰減結(jié)果信號，致使目標氣體的檢測不可靠。因此，能避免這種干擾帶是非常有利的。
檢測單元20與發(fā)射單元10的精確對準是很重要的。發(fā)射單元10產(chǎn)生具有優(yōu)選小于0.1°的發(fā)散角的較窄射線束30以使得到達檢測器22的射線的強度最大。另一方面，檢測器22具有較寬的接收角，即，其能檢測以較寬弧度接收入射到其上的射線，例如，大約1°。由于射線束30較窄，如果它沒有與檢測器22適當?shù)貙剩竭_檢測器的射線的強度將急劇降低使得檢測待測路徑中目標氣體所引起的衰減更加困難。然而，發(fā)射單元10和檢測單元20之間的對準可相對快地改變；例如，定位于離岸石油平臺的發(fā)射器和檢測單元，在大風和風大浪急的海面中石油平臺的結(jié)構(gòu)變形可導致未對準。由于檢測單元會相對發(fā)射單元10以石油平臺結(jié)構(gòu)決定的頻率擺動因此這種未對準可能會變化。檢測單元和/或發(fā)射單元的移動可能具有幾Hz至幾百Hz的頻率，但如下所述，本發(fā)明能追蹤這樣的移動并使發(fā)射射線束對準檢測單元以補償這種移動。
同樣，如果檢測單元和/或發(fā)射單元被設置在北極石油區(qū)的永凍土的標桿上，永凍土可能白天融化引起標桿位置的變化導致發(fā)射單元10和檢測單元20之間的未對準。這種未對準可能增加數(shù)倍間距，但本發(fā)明能追蹤這種移動并使發(fā)射和檢測單元對準，這將在下面描述。
參照圖10，其示出了作為檢測單元的角距離的函數(shù)的被檢測單元20所測量的射線束強度從射線束30精確對準處(精確對準處的信號在點200)下降的狀態(tài)?？梢?，如果對準不是在最佳位置200處，測量信號將急劇下降。
參照圖11，通過在環(huán)狀路徑中移動射線束30來發(fā)現(xiàn)最佳對準；這可利用壓電條56操控反射鏡14來實現(xiàn)。由于壓電條能以大約幾百Hz的頻率移動，因此能快速地沿環(huán)狀路徑制導射線束。如果檢測單元是沿旋轉(zhuǎn)射線軸的中心軸線202對準的，由于檢測器在整個路徑203上將保持等距，頻率為1f’(即繞路徑203移動的射線束的頻率)射線束的強度將不會隨時間變化，參見圖10中的點201。然而，如果檢測器的定位偏離中心軸202，信號將隨射線束繞其環(huán)狀路徑203移動而變化。這示于圖12和13中。
圖12(a)為作為檢測單元的角距離的函數(shù)的被檢測單元20測量的射線束強度從射線束30精確對準處下降的三維示圖。當處于精確對準時信號在圖12(a)的圖中的z軸上。如果射線束的環(huán)狀路徑203不以z軸線為中心，在環(huán)狀路徑的一個部分204中的射線束比直徑上與其相對的部分206更接近對準。這樣，在位置204，當射線束為與檢測器最接近對準時，信號將最大，并且當其最偏離對準時，在位置206，信號將最小。從而檢測器22所記錄的射線是正弦波動的，如圖12b所示。
可使用相位靈敏測量放大器(鎖定放大器)檢測信號的相位以便從檢測器22中選擇信號。傅立葉變化分析可提供信號的各種分量的相位細節(jié)。
在圖12(a)中，檢測器22相對z軸沿-Y軸定位，即射線束30。因此，圖12b所示的由檢測器記錄的信號為頻率與射線束沿路徑203的頻率相等的余弦波。對于給定的環(huán)狀路徑，信號的振幅可表示離精確對準位置的距離。這樣可從具有射線束繞環(huán)狀路徑203移動的頻率的信號的振幅獲得未對準的量值。
從具有射線束繞環(huán)狀路徑203移動的頻率的信號的相位，可以檢測到未對準的方向。這被示于圖13中，在圖13中，除了檢測單元20相對于z軸即射線束30沿+X軸定位外與圖12相同。在圖13所示的情況下，信號的相位改變90°(圖13(b)與圖12(b)所示相比)，即，其是正弦波而不是余弦波。這樣利用信號的傅立葉變化分析測量具有射線束繞環(huán)狀路徑203移動的頻率的信號的相位，根據(jù)下表，可以確定射線束30未對準的方向

大多數(shù)未對準將不會正好落到X和Y軸的一個上，在這種情況下信號將提供未對準位于其間的兩個軸的每個的分量。例如如果射線束的對準點落到+X和-Y軸之間，信號的傅立葉變換將有+cos分量和-sin分量。這兩個相位分量的相對振幅表示+X軸和-Y軸之間的角座標。
因此，根據(jù)處于射線束轉(zhuǎn)動的頻率的信號24的相位和振幅可發(fā)現(xiàn)未對準的方向和大小，從而可知道使射線束對準所需移動的方向。隨著對準接近最佳，信號24的振幅在減小(如圖12b和13b所示)。在最佳對準時，如果圍繞檢測器的路徑是環(huán)形的，將不會觀察到在頻率1f’(射線束30繞路徑30移動的頻率)不變化，參見圖10。
可利用相對較大直徑的路徑203進行射線束的初始對準以使檢測器落到該路徑內(nèi)，然后隨著環(huán)狀射線束路徑的中心區(qū)域接近與檢測器22對準而使路徑的直徑變窄；在最佳對準位置，對進行氣體測量。
代替以圓形路徑移動射線束，可以按橢圓路徑移動，在這種情況下信號24的變化將以射線束繞路徑的頻率1f’的兩倍的頻率發(fā)生。另外更高的諧波4f’、6f’等都可以產(chǎn)生。使用橢圓路徑而不是圓形路徑的優(yōu)點在于其產(chǎn)生2f’信號和更高諧波，即使是在接近射線束30與檢測單元20的最佳對準位置時。各個諧波的比率給出了未對準的量值的信息，同時也提供了一種確定橢圓形路徑203的最佳直徑的方式。對于非圓形路徑，如橢圓形路徑，當檢測器位于環(huán)形中心時以頻率1f’的信號減為零，然而一些更高諧波例如2f’和4f’的信號仍然存在。
又參見圖6，可以看到所發(fā)射射線束30中有陰影82。其明顯地作為如圖14所示的信號峰值處的“凹陷”。因此可利用上述橢圓路徑203的技術(shù)來確定最佳對準位置。當射線束30在凹陷區(qū)域變窄時，表示未對準的信號的頻率將增大到產(chǎn)生較大直徑的頻率的兩倍(此時頻率為4f’)。這能從圖14的線A中看出其中橢圓路徑的主軸分別在b和a點形成最大和最小值而橢圓路徑的副軸分別在d和c點形成最大值和最小值。所存在的4f’信號能被用于向?qū)饰恢每拷臋z測。如前，在最佳對準位置，頻率為1f’的信號沒有變化，如線B所示的。
射線束以圓形或橢圓形路徑203的運行也能被用于測量檢測器和發(fā)射單元10、20之間的距離。強度與未對準角距離曲線的寬度(見圖17)隨檢測器和發(fā)射單元之間的間距的增加而減小。對于檢測器和發(fā)射單元之間的給定距離，可通過以較寬直徑的路徑203開始并逐漸減小直徑而在發(fā)射器和檢測單元10、20對準時繪制曲線。圖17中曲線的全寬半高(FWHH)與檢測器和發(fā)射單元之間的距離按反向關(guān)系相關(guān)，因此可從曲線的FWHH(或其它所測量的寬度)導出檢測器和發(fā)射單元之間的距離。圖17示出了這樣的三個表示檢測器與發(fā)射單元之間不同距離的曲線a、b、c，曲線a表示在檢測器與發(fā)射單元之間距離最大時繪制而曲線c是在檢測器與發(fā)射單元之間距離最小時繪制的。
由于對于兩個單元10、20之間目標氣體的平均濃度是給定的情況，氣體測量的信號是隨著兩單元之間的距離的增加而增加的，所以檢測器和發(fā)射單元之間的距離的重要的。因此，兩單元之間的距離對于確定它們之間的路徑中目標氣體的平均濃度是重要的。通常，在首先設置檢測器和發(fā)射單元時確定它們之間的距離是非常必要的。
可通過周期性地檢查發(fā)射器和檢測單元之間的對準以確保其在最佳位置。然而，經(jīng)常會存在發(fā)射單元或檢測單元或兩者發(fā)生被迫振動的情況。由于振動引起未對準因此這種振動會導致與上述未對準情況下相同的測量信號的變動。通過對信號24進行傅立葉變換，可按上述關(guān)于射線束30和檢測單元對準相同的方式發(fā)現(xiàn)這種變動的頻率相位、振幅和方向。知道這種變動的頻率相位、振幅和方向就可利用反射鏡14根據(jù)這種變動的路徑進行操控，使得盡管存在變動也能保持對準。顯然，上述測量僅僅可有效地消除在反射鏡能操控的最大頻率以下的頻率所引起的未對準的影響。上述結(jié)構(gòu)能在高至500Hz的頻率下操控反射鏡因此頻率高至幾百Hz的變動，如300Hz可適用于這種方式，其覆蓋了實踐中可能遇到的大多數(shù)變動情況?？刹倏胤瓷溏R具有幾個優(yōu)點·其便于射線束30的精確對準從而可提供發(fā)射器10和接收器單元20之間的高效率耦合，因此使得開路式氣體檢測器容許由大氣引起的高度衰減，例如由霧引起的衰減；·其能適應發(fā)射器10和接收器單元20之間相對移動產(chǎn)生的對準誤差，并對其進行補償；這樣的誤差可能產(chǎn)生于例如發(fā)射器10和/或接收器20的位置的改變或變動；甚至高至150Hz或更高的變動能被可操控射線束消除；·由于射線束30可被可操控反射鏡精確地對準，因此甚至在存在輕微的未對準情況下也可由較大直徑光學組件捕獲射線束，其可使接收器單元中的光學組件具有相對較小的直徑，從而降低了成本；以及·精確的對準使得可使用窄的發(fā)散射線束30，例如具有＜0.25°，優(yōu)選＜0.1°發(fā)散角的射線束；窄的射線束發(fā)散角可使得到達檢測單元的射線束的強度最大化。
上面是關(guān)于射線束與檢測器的對準的描述。下面將描述假定檢測器與射線束30對準的情況下檢測目標氣體的方法。
在背景技術(shù)部分，已經(jīng)詳細地給出了在氣體檢測器中使用激光二極管發(fā)射器測量發(fā)射器10和檢測器20之間路徑30中目標氣體的量的基本技術(shù)，其中通過計算2f∶1f比率而獲得對路徑中目標氣體量的測量，其中f為激光二極管在其波長范圍所掃描的頻率。并提出了在該技術(shù)中信號固有的諧波畸變所產(chǎn)生的問題，也就是說，調(diào)制頻率f的氣體測量信號的諧波畸變也會在頻率為2f(氣體測量頻率)的另外信號中產(chǎn)生，從而導致氣體測量的不精確。
解決該問題的方案是利用激光調(diào)制技術(shù)使由氣體對光學信號的吸收所產(chǎn)生的信號被局限于沒有調(diào)制頻率的諧波或信號的頻率，如1f/2f/4f等的頻率。
參見圖18，其示出用于發(fā)射器中驅(qū)動激光二極管的功能模塊基本結(jié)構(gòu)。特別應該注意，兩個單獨的信號源501和502被模塊503疊加，連同DC信號504一起提供一個信號用于調(diào)制通過激光器12的電流。所述信號源是利用直接數(shù)字綜合技術(shù)實現(xiàn)的，但是任何信號發(fā)生電路都可以應用。
這兩個信號源被用于產(chǎn)生兩種周期信號波形，優(yōu)選具有相同的函數(shù)(function)和振幅。兩個源的頻率不同，典型的是按大于1至108倍的系數(shù)，如1.1至100，例如大約10。兩個源的波形函數(shù)優(yōu)選為正弦或類似的簡單波形，其具有將關(guān)于氣體吸收的信息聚集到相對較少量的頻率分量的優(yōu)點。另外，如果需要可應用更復雜的波形，其可使氣體測量信息擴展到其它頻率。這對于將某些噪聲源或干擾類氣體從氣體測量信號的分析中排除是有利的。
圖19示出了兩個信號源A和B的輸出形式，它們被疊加為合成信號C。由于通過激光器的電流與該信號成比例以及激光器的光學波長和光學輸出功率與電流成比例，曲線C也就是通過激光器的電流的曲線，另外其波長和光學輸出功率是時間的函數(shù)。
復合調(diào)制波形C與待測量氣體的吸收特性之間的關(guān)系示于圖20中。曲線H表示目標氣體的吸收帶，即射線被目標氣體吸收的衰減效應作為波長的函數(shù)；這與圖1中的曲線B相同。波形C的平均值為發(fā)生器504的DC信號，其被配置為使DC信號讓激光器的輸出波長與所測量的目標氣體的峰值吸收波長相同，如曲線H中的點I。該調(diào)制波形的最后的變量參數(shù)，每個信號源501、502的振幅是固定的，使得使激光器12的波長被調(diào)整為目標氣體吸收特性的全寬半高(FWHH)的2至8倍之間的范圍內(nèi)，如J所表示的。每個信號源的波長調(diào)制范圍如圖中K所示，其中K為大約2倍FWHH。
通過這種方法將復合調(diào)制波形與氣體吸收相關(guān)聯(lián)，使得關(guān)于氣體濃度的信息按檢測單元20所接收的信號中的頻率來編碼，該方法可通過參見圖21加以理解。圖中示出了三個關(guān)于時間的曲線。中間的曲線M表示激光器所發(fā)射的射線的調(diào)制波長與時間的關(guān)系；所檢測到的目標氣體的吸收峰值，即圖20中的I點，示出為波長I。當激光器12所發(fā)射的波長處于目標氣體的峰值吸收波長時曲線M在值為I的波長線上產(chǎn)生的點已經(jīng)被標上叉?？煽闯鱿噜彶嬷g的間隔的波動以及交錯叉相對于兩個調(diào)制頻率的較高者隨時間前進或后退，如圖19中的曲線A所示。如果僅僅考慮交錯點(為便于理解將曲線M中一組交錯點的叉畫上了圈)，可看出每組交錯點的點按規(guī)則間隔產(chǎn)生。兩個組的點之間頻率與兩個信號源501、502的頻率FA和FB相關(guān)。一組交錯點的頻率為FA-FB而另一組的頻率為FA+FB。
如果在路徑30中存在目標氣體，其將吸收圖20中所示的目標氣體吸收頻帶中的射線從而將減小到達檢測器22的射線的量，該減小量與路徑中目標氣體的量相關(guān)。被檢測器所檢測的射線除了在目標氣體吸收頻帶的波長減小外將與圖19所示的曲線C相同，目標氣體吸收頻帶的波長集中在頻帶的中心，如圖20中所示的I。如果考慮圖21的曲線M，其示出了吸收頻帶中心波長I的波長。由激光器12按波長I發(fā)射射線的例子，如上所述，由圖21的叉所示，其能被分解為兩個頻率FA-FB和FA+FB。在曲線中目標氣體對射線的吸收可分解為兩個曲線，一個按頻率FA-FB另一個按頻率FA+FB，如圖21的曲線N和P所示。實際的氣體吸收函數(shù)是這些波形的疊加；然而，在圖中兩者的間隔所顯示的更復雜的實際信號主要是由兩個簡單周期波形構(gòu)成的。
檢測器22所檢測的射線的隨時間變化的曲線沒有示出但其由三個成分構(gòu)成(a)激光器12輸出的光學功率，即圖19的曲線C，(b)由目標氣體對頻率為FA-FB和FA+FB的射線的吸收，如圖21中曲線N和P所示以及(c)由大氣狀態(tài)所吸收的。目標氣體所吸收的成分(b)的量取決于路徑30中目標氣體的量，如果不存在目標氣體，由檢測器所檢測的信號將僅僅由成分(a)和(c)構(gòu)成。
被檢測射線的強度的頻率光譜可通過對目標氣體存在的所檢測射線執(zhí)行傅立葉變化獲得，如圖22所示的例子，其中兩個基本調(diào)制頻率FA和FB和由于氣體存在而產(chǎn)生的兩個主要頻率成分FA-FB和FA+FB是明顯的。未示出的這些主要頻率的高次諧波也將帶有關(guān)于氣體存在的信息。
頻率成分FA-FB和FA+FB的量是氣體濃度和將使光信號衰減的多個大氣條件這兩者的函數(shù)。為規(guī)范化這些量并消除大氣條件的影響，利用FA頻率成分的量形成一比值(FA-FB/FA和FA+FB/FA)。FA頻率的量在很大程度上不受氣體存在的影響但是同樣會受到大氣條件的影響，因此該比值對于大氣條件是相對獨立的。
對于上述結(jié)構(gòu)，可看到，利用兩個獨立的信號源，與氣體吸收的強度相關(guān)的信息可按頻率FA-FB和FA+FB獲得，這些頻率的值可隨FA和FB的變化而改變。因此可以選擇FA和FB以使FA-FB和FA+FB不是FA或FB的諧波。通過這種方式，可使目標氣體檢測的頻率FA-FB和FA+FB不會成為FA或FB兩者的諧波。
利用從兩個疊加信號源中獲得的信號是有利的。可通過首先考慮單個源的情況來理解其優(yōu)點，如501或502，用于產(chǎn)生驅(qū)動激光進行波長掃描的信號。參見圖23，單信號源的每個可能輸出水平將導致激光器發(fā)出特定光功率和波長。單信號源輸出和激光輸出之間的理論線性關(guān)系如圖23所示。單信號源驅(qū)動激光二極管12的非線性現(xiàn)象也被示于圖23中，其在理論響應曲線周圍波動。如圖23所示非線性現(xiàn)象將導致單信號源的輸出電位的誤差以及因此產(chǎn)生激光器輸出的光功率的誤差。這些誤差會導致所發(fā)射光信號的波形的失真，引起氣體測量的誤差。
對于兩個信號源501，502，其輸出被疊加，可減小這種誤差，這將在下面描述。
任何一個光學輸出功率水平可從兩個光學信號源501、502的輸出功率水平的無限多種組合中獲得。如果考慮圖19的曲線C，曲線C中的Y點可通過曲線A和曲線B的相等部分的適當水平加在一起而得到。然而，點Y也可以從曲線A和曲線B不相等部分得到，例如，曲線A的較小部分和曲線B的較大部分。理論上，用于導出曲線C上任意點的曲線A和B中信號源水平的數(shù)目可接近無窮大。如果曲線C是應用來自兩個信號源501、502的不同比例的信號A和B得到，則在一個周期時間內(nèi)特定光學功率輸出水平的平均失真，即由非線性響應產(chǎn)生的誤差，將成為在所述周期時間內(nèi)所用的所有信號源水平組合平均失真的函數(shù)，其能減小圖23所示的誤差。為了以另一種方式進行表達，可將圖23的曲線視為作為信號源501的輸出的函數(shù)的由信號源501引起的激光器12的輸出的曲線。當信號源501的相對小比例的信號A被用于產(chǎn)生激光輸出信號C時，信號源將以水平1輸出，引起的激光輸出大于理想值(誤差E1)。當信號源501的較大比例的信號A用于產(chǎn)生激光輸出信號C時，信號源將以水平2輸出，引起激光輸出小于理想值(誤差E2)。同樣，當信號源501的大比例的信號A用于產(chǎn)生激光輸出信號C時，信號源將以水平3輸出，引起激光輸出大于理想值(誤差E3)。誤差E1至E3趨向于互相抵償以及使用如果無窮多個值，誤差將彼此抵償。
應該理解，信號源501的相對較小比例的信號A能用于以信號源輸出水平1產(chǎn)生激光輸出信號C，因同時使用了信號源502的相對大比例的信號B并將兩個信號疊加。類似在信號源501的信號源輸出水平3，信號源502的相對小比例的信號B被使用。與上面描述信號源501相同的考慮可用于信號源502?？衫眯盘朅和B的比例的變化快速產(chǎn)生給定水平的合成信號C，圖23的曲線所示的實際值與理想值之間誤差將被互相抵償，因此與僅使用一個信號源的情況相比這種激光輸出能大大地減小誤差。
如果優(yōu)選地將直接數(shù)字合成技術(shù)用于信號源501、502以產(chǎn)生兩個信號A和B，則僅僅能產(chǎn)生有限數(shù)目的不同信號源輸出水平，上述的雙頻調(diào)制技術(shù)因此僅僅能以有限數(shù)目的方式輸出相同的功率水平。這樣的有限值被順序地使用并且序列最終必然被重復。這會限制克服圖23所示的誤差的改進。
序列的重復率Fs被定義為復合調(diào)制波形的重復率，即每秒內(nèi)兩個頻率分量(曲線A和B)同時處于零相位的次數(shù)。通過選擇FA和FB可控制重復率。Fs的實際值為大于1Hz。在一秒內(nèi)輸出特定光學功率的次數(shù)大約為2×FA；因此在特定序列中輸出的次數(shù)為2×FA/Fs給定Fs為20Hz以及FA為50Hz，則每秒內(nèi)所輸出特定光學功率的次數(shù)大約為5000。在這種情況下通過使用兩個信號源，可使失真減少5000的平方根或系數(shù)為70。
通過使用直接數(shù)字合成技術(shù)施加不同信號源水平的限制也限制所產(chǎn)生的失真的減小。如果使用12-bit DAC數(shù)字合成能夠有大約212的平方根或系數(shù)為64的最大改進。
用于接收開路30中傳輸?shù)墓鈱W信號電子部件也可通過復合調(diào)制波形C的利用中獲益，如下所述。
圖24所示為接收器20中的基本功能模塊結(jié)構(gòu)。包括將所接收的光功率轉(zhuǎn)換為電信號的光電二極管22和跨阻放大器510；用于在信號水平低時通過放大補償大氣傳輸中的變化的可編程增益放大器511；用于消除帶外信號的高通濾波器512和低通濾波器513；以及將信號轉(zhuǎn)換為用于數(shù)字信號處理器515中并發(fā)處理的數(shù)字域的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器514。
除了高通濾波器512外，該結(jié)構(gòu)中最典型的是用于開路式氣體檢測器的光檢測器電子系統(tǒng)。然而，如果高通濾波器512被設計為具有與復合調(diào)制波形C相互作用的特性，則能實現(xiàn)下述優(yōu)點。
如果系統(tǒng)開始沒有高通濾波器512，則復合調(diào)制的所有頻率分量將傳輸?shù)紸DC 514的輸入端。類似于上述存在的發(fā)射器單信號源情形，即將所接收的光學功率水平轉(zhuǎn)換為特定模擬信號水平隨后轉(zhuǎn)換為特定數(shù)字值。ADC的操作的任何非線性現(xiàn)象將導致模擬信號水平被轉(zhuǎn)換為錯誤的數(shù)字值。這種誤差源導致表示信號的數(shù)字與原始模擬信號相比產(chǎn)生失真，從而導致所測量的氣體濃度的誤差。
在前面關(guān)于圖22的討論中，其示出了路徑中的氣體濃度可由所接收信號的頻率分量FA-FB，F(xiàn)A+FB和FA的量確定。較低的調(diào)制頻率FB的量是不需要的，利用高通濾波器從輸入到ADC的信號中過濾掉這個頻率分量對路徑中氣體濃度的測量不產(chǎn)生影響。
然而過濾掉FB的頻率分量會對輸入到ADC的信號的形式產(chǎn)生顯著的影響。這種影響可參見圖25和26，過濾掉FB頻率之前由檢測器22所檢測的信號示于圖25中，過濾掉FB頻率之后的相應曲線示于圖26中。盡管圖25是光學功率(信號強度)隨時間變化的曲線，由于二極管12所發(fā)射的功率與所發(fā)射的波長同步變化，因此其與波長隨時間變化的曲線相同。
圖25和26中的信號表示沒有任何目標氣體存在于路徑30中。然而如果目標氣體存在于路徑30中，信號將在目標氣體所吸收的波長(示于圖25中的波長I)處減小并且這些點以圖25中的叉示出。如前面對于圖21的描述，這些點隨著頻率FA-FB和FA+FB變化，以及如果存在目標氣體，頻率為FA-FB和FA+FB的信號與路徑中氣體的量成比例。
當?shù)皖l率FB被過濾掉，信號如圖26中所示；圖25中的叉點表示圖26中被轉(zhuǎn)化的波長I(目標氣體吸收的波長)，使得它們在頻率為FB的信號水平的最小值和最大值之間循環(huán)。因此，不再由總是具有相同失真的單個電信號水平表示光的波長和光功率水平而是由整個時間周期上的可能值的全部值表示。在整個時間周期上，通過轉(zhuǎn)換所接收光功率水平的數(shù)字值而引入的平均失真，因此成為在整個所述時間周期上用于表示光學功率水平的所有信號水平失真的平均值的函數(shù)；以與上述關(guān)于信號源501、502和激光器12的輸出之間的非線性關(guān)系同樣的方式，總誤差將小于按多個單個信號水平所產(chǎn)生的誤差。
即使在過濾掉FB后，目標氣體的存在仍將產(chǎn)生頻率為FA-FB和FA+FB的信號，因此這種過濾除了減小各種電子元件、特別是ADC的非線性效應產(chǎn)生的誤差外，不會影響上述按FA-FB和FA+FB對氣體進行的測量。同樣，這種過濾也不會影響用于形成進行目標氣體的測量的FA-FB/FA和/或FA+FB/FA的FA的值。
在理論上，所利用的信號水平的數(shù)目可以接近無窮大，將失真減為零；然而，在上述的信號源情形下，數(shù)目是有限的；其取決于序列重復前相同光學功率水平的發(fā)生次數(shù)以及可由數(shù)模轉(zhuǎn)換器識別的不同信號水平的數(shù)目。
序列的重復率Fs以及相同光學功率水平的發(fā)生數(shù)目2×FA/Fs是為上述雙信號源定義的。同樣，給定Fs為20Hz以及FA為50Hz，則存在特定光學功率的次數(shù)大約為5000，失真的下降因子大約為70。
上述的發(fā)射器中雙信號源結(jié)構(gòu)、高通濾波器512執(zhí)行接收器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器514以及波形C的雙頻調(diào)制的結(jié)構(gòu)，使得所獲得的性能水平超過了給定電子元件組所期望的水平。
這些性能增益，使得能利用調(diào)制波形的數(shù)字合成以及所接收的光信號到數(shù)字域的早轉(zhuǎn)換，測量較之其他可能更低濃度的氣體，從而可利用數(shù)字處理方法進行信號處理和測定氣體濃度。同時也減小了模擬處理步驟的使用，模擬方法對溫度變化、隨時間的衰減更敏感，并且對于相同的性能水平成本更高。
盡管已經(jīng)根據(jù)所發(fā)射射線(30)的環(huán)狀操控路徑的頻率以及由發(fā)射器機械變化在路徑中產(chǎn)生的任何變化對本發(fā)明進行了描述，但是優(yōu)選使用氣體感測調(diào)制頻率的高頻旁帶，典型為500Hz，以確定這些成分的量。該技術(shù)在其它領(lǐng)域是公知的，例如，聲音信號由高頻載波信號的旁帶疊加的簡易AM收音機。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測目標氣體的開路式氣體檢測器的發(fā)射單元(10)，包括射線發(fā)射器(12)，該發(fā)射器按能被所述目標氣體吸收的波長發(fā)射射線，例如，是可調(diào)激光二極管，具有偏轉(zhuǎn)部分和非偏轉(zhuǎn)部分(15)的射線偏轉(zhuǎn)器，其中配置所述偏轉(zhuǎn)器使得所述偏轉(zhuǎn)部分和非偏轉(zhuǎn)部分兩者都位于所述發(fā)射器所發(fā)射的射線的路徑中，并且其中所述非偏轉(zhuǎn)部分不對所述發(fā)射器所發(fā)射的射線進行偏轉(zhuǎn)或與所述偏轉(zhuǎn)部分相比進行不同程度的偏轉(zhuǎn)。
2.如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)射單元，其中所述射線偏轉(zhuǎn)器是可操控的。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)射單元，其中所述射線偏轉(zhuǎn)器為反射鏡(14)，其具有用于反射所述發(fā)射器所發(fā)射的射線的反射表面，所述反射表面具有非反射部分(15)，該非反射部分(15)不反射所述發(fā)射器所發(fā)射的射線或反射程度比反射部分低。
4.如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)射單元，其中所述非偏轉(zhuǎn)部分(15)的至少一部分被構(gòu)造為使得入射到其上的由所述發(fā)射器發(fā)射的射線通過，例如，所述部分是透明的、半透明的或是一開口。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)射單元，其包括遮罩(60)，設置該遮罩(60)用于遮擋從所述射線偏轉(zhuǎn)器的遠離所述射線發(fā)射器的一側(cè)發(fā)射并射向所述射線發(fā)射器(12)的射線。
6.如權(quán)利要求4或5所述的發(fā)射單元，其中所述發(fā)射單元進一步包括容器(72)，該容器(72)對所述發(fā)射器所發(fā)射的波長范圍的射線半透明，所述容器被設置于已經(jīng)通過所述非偏轉(zhuǎn)部分(15)的射線的路徑上，并被構(gòu)造為包含材料樣品，該材料樣品至少按所述發(fā)射器(12)所發(fā)射的波長范圍的一部分吸收射線，所述材料優(yōu)選為目標氣體，射線檢測器(74)，被配置為用于檢測已經(jīng)通過所述容器的射線并根據(jù)該射線的強度產(chǎn)生信號，以及控制器，被配置為用于控制由所述射線發(fā)射器(12)所發(fā)射的波長，從而相對于所述樣品所吸收的射線將其保持在預定范圍。
7.如權(quán)利要求4至6中任一個所述的發(fā)射單元，其中進一步包括光學組件(16)，被構(gòu)造為使得由所述射線偏轉(zhuǎn)器所偏轉(zhuǎn)的射線形成沿一個路徑傳輸?shù)纳渚€束，所述光學組件包括至少一個具有表面(18b)的元件(18)，所述表面優(yōu)選為球面，其面對所述射線偏轉(zhuǎn)器并且用于反射來自所述射線偏轉(zhuǎn)器(14)的射線并聚焦該射線，使得該射線通過所述射線偏轉(zhuǎn)器的非偏轉(zhuǎn)部分(15)，以及檢測器(90)，被構(gòu)造為用于接收由所述透鏡元件表面(18b)反射的射線并產(chǎn)生信號，該信號給出了所述發(fā)射器所發(fā)射的射線的特性的測量值，例如由所述發(fā)射器所發(fā)射的射線的強度和/或波長。
8.如權(quán)利要求7所述的發(fā)射單元，當引用權(quán)利要求6時，其進一步包括被配置為將通過第一射線偏轉(zhuǎn)器的非偏轉(zhuǎn)部分的射線偏轉(zhuǎn)到所述容器的第二射線偏轉(zhuǎn)器(70)，例如是反射器、棱鏡或折射元件，其中這種設置使得所述第一射線偏轉(zhuǎn)器(14)的非偏轉(zhuǎn)部分(15)在由光學組件的表面(18b)反射的射線束中形成陰影(89)，并且其中所述第二偏轉(zhuǎn)器被設置于該陰影中。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)射單元，其中包括被配置為用于將所述光學組件表面(18b)反射的射線束定向至檢測器(90)的透鏡，其中所述第二偏轉(zhuǎn)器(70)被安裝于所述透鏡上。
10.如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)射單元，其中所述第一射線偏轉(zhuǎn)器(14)的非偏轉(zhuǎn)部分(15)被該第一射線偏轉(zhuǎn)器(14)的所述偏轉(zhuǎn)部分包圍以及優(yōu)選定位于該第一射線偏轉(zhuǎn)器的該偏轉(zhuǎn)部分的中心。
11.一種開路式氣體檢測器，包括如前述任一權(quán)利要求所述的用于沿一路徑定向射線束的發(fā)射單元(10)，具有用于檢測在所述路徑中傳輸?shù)纳渚€的檢測器的接收單元(20)，以及構(gòu)造為用于檢測射線束與所述接收單元何時對準并操控射線偏轉(zhuǎn)器的控制器，其中所述射線偏轉(zhuǎn)器的非偏轉(zhuǎn)部分(15)在射線束中形成完整或部分陰影，所述控制器被配置為用于監(jiān)控所述檢測器檢測所述陰影并操控所述射線偏轉(zhuǎn)器以使該陰影落到所述檢測器。
12.一種用于開路式氣體檢測器的發(fā)射單元(10)，包括射線發(fā)射器(12)，例如可調(diào)激光二極管發(fā)射器，和配置為使所述發(fā)射器發(fā)射的射線形成沿一路徑傳輸?shù)纳渚€束的光學組件(16)，其中所述發(fā)射器與光學組件是熱連接的從而使熱能從所述發(fā)射器傳輸?shù)剿龉鈱W組件。
13.如權(quán)利要求12所述的發(fā)射單元，其中所述射線發(fā)射器(12)被粘接到所述光學組件(16)，例如，用粘接劑(21)。
14.如權(quán)利要求12或13所述的發(fā)射單元，其中所述光學組件(16)至少包括第一透鏡(17)和第二透鏡(18)，其中所述第二透鏡被設置于所述第一透鏡和所述射線發(fā)射器(12)之間，并且其中所述射線發(fā)射器(12)與所述第一透鏡(17)熱連接。
15.如權(quán)利要求14所述的發(fā)射單元，其中所述第一透鏡具有一后表面(17b)以及所述射線發(fā)射器(12)與所述后表面熱連接。
16.如權(quán)利要求14或15所述的發(fā)射單元，其中所述第二透鏡(18)具有中心通孔(19)以及所述射線發(fā)射器(12)被容納于所述中心孔中。
17.如權(quán)利要求12至16中任一項所述的發(fā)射單元，其中包括用于冷卻所述射線發(fā)射器(12)的散熱器，用于檢測所述射線發(fā)射器的溫度的傳感器，以及用于控制所述散熱器以使所述射線發(fā)射器(12)保持在預定溫度的控制器。
18.如權(quán)利要求12至17中任一項所述的發(fā)射單元，其包括用于加熱所述光學組件的加熱器。
19.一種包括如權(quán)利要求12至18中任一項所述的發(fā)射單元的開路式氣體檢測器。
20.一種用于開路式氣體檢測器的發(fā)射單元，包括射線發(fā)射器(12)，例如可調(diào)激光二極管，光學組件(16)，其被配置為使所述發(fā)射器發(fā)射的入射到該光學組件上的射線形成沿一路徑傳輸?shù)纳渚€束(30)，所述光學組件包括至少一個元件，該元件具有面對入射到所述光學組件上的射線的表面(18b)(下稱“后表面”)，所述后表面能反射一定比例的入射到其上的射線，以及檢測器(90)，被配置為接收由所述后表面反射的射線并且產(chǎn)生信號，該信號給出由所述發(fā)射器所發(fā)射的射線的特性的測量值，例如該射線的強度和/或波長。
21.如權(quán)利要求20所述的發(fā)射單元，其包括射線偏轉(zhuǎn)器(14)，例如反射鏡，其被配置為用于接收由所述射線發(fā)射器所發(fā)射的射線并將射線定向至所述光學組件，所述偏轉(zhuǎn)器優(yōu)選是可操控的以改變被偏轉(zhuǎn)射線的路徑。
22.如權(quán)利要求21所述的發(fā)射單元，其中所述偏轉(zhuǎn)器(14)包括部分(15)，該部分(15)對于被所述光學組件反射的射線透明或半透明，并且被配置為用于使被所述光學組件反射的射線通過該透明或半透明部分。
23.如權(quán)利要求22所述的發(fā)射單元，其中所述偏轉(zhuǎn)器的對于所述光學組件所反射的射線透明或半透明的所述部分(15)具有小于3mm的直徑，優(yōu)選小于2mm，如大約1.5mm。
24.如權(quán)利要求22或23所述的發(fā)射單元，其中所述偏轉(zhuǎn)器(14)的透明或半透明的部分(15)是一個孔。
25.如權(quán)利要求22至24中任一項所述的發(fā)射單元，其中所述后表面(18b)被配置為用于聚焦射線以及所述偏轉(zhuǎn)器(14)的透明或半透明的部分(15)被設置于鄰近該焦點的位置。
26.如權(quán)利要求20至25中任一項所述的發(fā)射單元，其中所述光學組件至少包括第一透鏡(17)和第二透鏡(18)，其中所述第二透鏡被設置于所述第一透鏡和所述射線發(fā)射器(12)之間以及其中所述后表面被設置于所述第二透鏡中。
27.如權(quán)利要求20至26中任一項所述的發(fā)射單元，其包括配置為用于將由所述后表面反射的射線定向至所述檢測器(90)的透鏡系統(tǒng)(66)。
28.如權(quán)利要求20至27中任一項所述的發(fā)射單元，其中所述后表面(18b)被構(gòu)造為用于使得基本上所有形成射線束(30)的射線被入射到所述后表面(18b)上，并且所述后表面(18b)基本上將所有入射到其上的光傳送給所述檢測器(90)。
29.如權(quán)利要求20至28中任一項所述的發(fā)射單元，其中所述后表面(18b)為球面。
30.一種開路式氣體檢測器，包括配置為沿一路徑定向射線束的如權(quán)利要求20至29中任一項所述的發(fā)射單元(10)，以及具有配置為用于檢測在所述路徑中傳輸?shù)纳渚€的檢測器(22)的接收單元(20)。
31.一種開路式氣體檢測器，包括發(fā)射單元(10)，具有射線發(fā)射器(12)，光學組件(16)，被配置為用于將所述發(fā)射器發(fā)射的射線形成沿路徑傳輸?shù)纳渚€束(30)，以及通信信號檢測器(100)，接收單元(20)，具有檢測器(22)，被配置為用于檢測來自所述發(fā)射單元的射線的所述射線束，和通信發(fā)射器，被配置為用于按不同于所述射線發(fā)射器(12)發(fā)射的波長的通信波長將數(shù)據(jù)信號(24)發(fā)送給所述發(fā)射單元，所述數(shù)據(jù)信號包含關(guān)于所述檢測器(22)所檢測的射線強度的數(shù)據(jù)，其中所述光學組件(16)被配置為向所述通信信號檢測器(100)發(fā)送所述數(shù)據(jù)信號。
32.如權(quán)利要求31所述的開路式氣體檢測器，其中所述發(fā)射單元進一步包括被配置為用于將所述發(fā)射器發(fā)射的射線定向至所述光學組件(16)的光學元件(14)，所述通信信號檢測器(100)被設置于所述光學元件的遠離所述光學組件的一側(cè)，以及所述光學元件能將具有通信波長的通信信號傳輸給所述通信信號檢測器(100)。
33.如權(quán)利要求32所述的開路式氣體檢測器，其中所述光學元件為反射器或折射器。
34.如權(quán)利要求33所述的開路式氣體檢測器，其中所述光學元件為反射器，如反射鏡，其對于通信波長是透明或半透明的并反射由所述射線發(fā)射器(12)發(fā)射的波長。
35.如權(quán)利要求32至34中任一項所述的開路式氣體檢測器，其中操控所述光學元件(14)以沿期望的路徑定向由所述射線發(fā)射器發(fā)射的射線。
36.如權(quán)利要求31至35中任一項所述的開路式氣體檢測器，其中通信檢測器具有＞±0.1°，例如＞±0.25°，優(yōu)選＞±0.5°，的視場。
37.如權(quán)利要求31至36中任一項所述的開路式氣體檢測器，其中透鏡(98)被設置于所述光學組件(16)和所述檢測器(100)之間并被配置為用于將射線從所述光學組件聚焦到所述檢測器上。
38.一種用于操控射線偏轉(zhuǎn)器如反射鏡(14)的結(jié)構(gòu)，所述射線偏轉(zhuǎn)器被配置為用于沿光學路徑(30)定向由發(fā)射器發(fā)射的射線，其中所述結(jié)構(gòu)包括射線偏轉(zhuǎn)器和多個支撐所述射線偏轉(zhuǎn)器的電機械元件(56)，如壓電元件，其中所述電機械元件中的每個的位置能根據(jù)施加到其上的信號進行調(diào)節(jié)，從而能操控所述射線偏轉(zhuǎn)器沿期望的路徑定向所述射線。
39.如權(quán)利要求38所述的射線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)，其中所述電機械元件為壓電元件。
40.如權(quán)利要求39所述的射線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)，其中所述壓電元件每個包括具有兩個相對端和位于兩端之間的中心部分的條，其中所述條在其每個端部被錨定并且所述射線偏轉(zhuǎn)器被支撐于所述條的中心部分上。
41.如權(quán)利要求38至40中任一項所述的射線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)，其中所述電機械元件具有至少150Hz的諧振頻率，例如至少200Hz，優(yōu)選至少300Hz，如大于500Hz。
42.一種用于測量目標氣體的開路式氣體檢測器，其包括射線發(fā)射器和如權(quán)利要求38至41任一項所述結(jié)構(gòu)配置的可操控射線偏轉(zhuǎn)器，其被配置為沿一路徑定向由所述發(fā)射器發(fā)射的射線。
43.如權(quán)利要求42所述的開路式氣體檢測器，其中所述射線發(fā)射器為可調(diào)激光二極管(12)。
44.如權(quán)利要求42或43所述的開路式氣體檢測器，其包括接收單元(20)，該接收單元(20)具有用于檢測所述路徑中傳輸?shù)纳渚€的檢測器。
45如權(quán)利要求42至44中任一項所述的開路式氣體檢測器，其被構(gòu)造為使所發(fā)射射線束具有小于0.25°的發(fā)散角，更優(yōu)選小于0.1°。
46.一種用于將發(fā)射器(12)所發(fā)射射線束與檢測器(22)對準的方法，例如，將開路式氣體檢測器中的射線束與檢測器對準，所述射線束(30)沿路徑傳輸。該方法包括a)產(chǎn)生射線束(30)，b)利用所述檢測器(22)在射線通過路徑后檢測其強度并且產(chǎn)生給出所檢測強度的測量值的信號，c)按頻率f’在圍繞所述檢測器的預定環(huán)形圖案中操控射線束，d)根據(jù)檢測器信號的強度以頻率f’或f’的諧波(如2f’，4f’等)的變化導出所述檢測器相對于該環(huán)形射線束的位置，e)把所述射線束定向至所述位置。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其進一步包括f)在步驟d)所導出的檢測器的位置周圍的另一個環(huán)形圖案中操控射線束以及g)可選地重復步驟d)至f)，直到射線束與所述檢測器對準。
48.如權(quán)利要求47所述的方法，其中，在步驟g)中，所述環(huán)形圖案的角直徑隨著所述檢測器與所述環(huán)形圖案的中心區(qū)域的愈加對準而減小。
49.如權(quán)利要求46至48中任一個所述的方法，其中所述射線束的截面為環(huán)形，其在中心(82)具有完整或部分陰影，并且其中通過檢測強度由該陰影引起的下降來檢測所述射線束的對準。
50.如權(quán)利要求46至49中任一個所述的方法，其中檢測來自所述檢測器的頻率為f’或f’的諧波的信號的振幅，因此提供所述環(huán)形圖案的中心區(qū)域與所述檢測器之間的角距離的測量值，例如，圓環(huán)的中心與所述檢測器之間的角距離。
51.如權(quán)利要求46至50中任一個所述的方法，其中可在預定非圓形圖案中操控射線束，并且計算基頻率f’或其諧波如2f’的信號的振幅與不同諧波如大于2f’的諧波的信號的振幅的比率，從而提供環(huán)形圖案的中心區(qū)域和所述檢測器之間距離的測量值。52.如權(quán)利要求46至51中任一個所述的方法，其中檢測來自所述檢測器的頻率為f’或f’的諧波的信號的強度變化的相位，以提供檢測器相對于所述環(huán)形圖案的中心區(qū)域例如圓環(huán)的中心的方向的測量。
53.如權(quán)利要求46至52中任一個所述的方法，其中環(huán)形圖案為圓形或橢圓形。
54.如權(quán)利要求46至53中任一個所述的方法，其包括檢測由發(fā)射器的機械振動所引起的來自所述檢測器的信號變化，計算所述機械振動的振幅、頻率、相位和方向并操控射線束使其按與所檢測到的振動相同的振幅和頻率但按相反的相位移動，從而至少部分地減少由所述振動所引起的射線束(30)的未對準。
55.如權(quán)利要求54所述的方法，其中可按下列頻率的信號的振幅計算所述振動的振幅振動頻率或其諧波或作為(a)振動頻率或其諧波和(b)環(huán)形運動的頻率f’或其諧波之間的和或差的頻率。
56.如權(quán)利要求54或55所述的方法，其中可通過下列頻率的信號的相位計算所述振動的方向振動頻率或其諧波或作為(a)振動頻率或其諧波和(b)環(huán)形運動的頻率f’或其諧波之間的和或差的頻率。
57.一種確定射線束源與射線檢測器之間的距離的方法，其包括在各與所述檢測器和發(fā)射源之間的直線具有不同角差異的至少兩個不同的方向上定向射線束，測量在所述至少兩個不同的方向上由所述檢測器所檢測的射線強度的變化，以及計算所檢測射線的強度隨角差異的變化，從而給出所述檢測器與射線束源之間距離的測量值。
58.一種在空間中檢測目標氣體存在的方法，該方法包括產(chǎn)生包含兩個或多個不同調(diào)制頻率成分(A，B)的合成信號(C)；利用該合成信號驅(qū)動射線源(12)以產(chǎn)生根據(jù)該合成信號改變波長的射線；在所監(jiān)視的空間定向射線；檢測越過所述空間的射線；以及根據(jù)所檢測的射線產(chǎn)生檢測射線信號，其中合成信號(C)使得在被監(jiān)視空間中由目標氣體吸收的射線導致所檢測的信號包括至少一個不是合成信號(C)的一個或多個調(diào)制頻率的基波或諧波的頻率成分。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，其中，由于空間中目標氣體的存在所產(chǎn)生的檢測射線信號中的頻率成分是這樣的頻率，該頻率是合成信號或其諧波的調(diào)制頻率成分中的兩個之差和/或是合成信號或其諧波的調(diào)制頻率成分中的兩個之和。
60.如權(quán)利要求58或59所述的方法，其中所述調(diào)制頻率成分包括第一調(diào)制頻率成分和第二調(diào)制頻率成分，其中所述第一調(diào)制頻率成分的頻率比所述第二調(diào)制頻率成分的頻率大1至108倍，例如1.1至100倍，如大約10倍。
61.如權(quán)利要求58至60中任一個所述的方法，其中所述合成信號(C)通過組合兩個或多個有不同交錯波形的信號(A，B)而形成，以及其中隨時間通過兩個或多個信號水平的多個不同組合而獲得合成信號中的每個信號水平。
62.如權(quán)利要求58至61中任一個所述的方法，其中包括過濾所檢測的射線信號以消除至少一個頻率成分；將過濾的檢測射線信號饋送給具有非線性輸出的信號處理器(514)的輸入端，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器或放大器；以及分析由該信號處理器(514)輸出的過濾信號以檢測被空間中目標氣體吸收的射線。
63.一種開路式氣體檢測器的發(fā)射單元，包括射線源(12)；信號發(fā)生器(501-503)，被配置為用于產(chǎn)生具有至少兩個不同調(diào)制頻率成分的合成信號；驅(qū)動器(505)，被配置為用于利用合成信號來驅(qū)動射線源，以產(chǎn)生其波長根據(jù)合成信號變化的射線；其中設置所述信號發(fā)生器使得下述至少一個a)合成信號中的兩個調(diào)制頻率成分或其諧波之間的和，以及b)合成信號中的兩個調(diào)制頻率成分或其諧波之間的差既不是合成信號中任何調(diào)制頻率成分的基頻率也不是其諧波。
64.如權(quán)利要求63所述的發(fā)射單元，其中所述信號發(fā)生器包括兩個或多個配置為用于產(chǎn)生兩個或多個具有不同交錯波形的信號的信號發(fā)生器(501，502)，以及將信號合成為合成信號(C)的信號合成器，其中所述信號發(fā)生器被配置為通過隨時間使用兩個或多個信號的多種不同信號水平組合而產(chǎn)生合成信號中的每個信號水平。
65.一種用于檢測空間中目標氣體存在的開路式氣體檢測器，包括如權(quán)利要求63或64所述的發(fā)射單元(10)，以及能接收通過所述空間的射線并根據(jù)所檢測射線產(chǎn)生檢測射線信號的檢測單元(20)。
66.如權(quán)利要求65所述的開路式氣體檢測器，其中所述檢測單元包括過濾器(512)，被配置為用于從所述檢測射線信號中消除一個或多個頻率成分；信號處理器(514)，具有被配置為用于接收所述過濾后信號的輸入端以及被配置為提供過濾后信號輸出的非線性輸出端，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器或放大器；以及附加處理器，被配置為處理所述過濾后信號輸出以檢測預定波長的射線吸收。
67.檢測空間中存在目標氣體的方法，該方法包括組合兩個或多個具有不同交錯波形的信號，以產(chǎn)生合成信號，利用該合成信號來驅(qū)動射線源以產(chǎn)生根據(jù)合成信號改變波長的射線，在所監(jiān)視空間定向所述信號；以及檢測通過所述空間的射線；其中所述合成信號中的每個信號水平是通過兩個或多個信號的多個不同信號水平組合而獲得的。
68.如權(quán)利要求67所述的方法，其中所述合成信號的平均信號水平使所述射線源按所述目標氣體的吸收波長產(chǎn)生射線。
69.如權(quán)利要求67或68所述的方法，其中所述兩個或多個信號包括兩個或多個交錯波形和直流電流。
70.如權(quán)利要求69所述的方法，其中所述直流電流能使所述射線源按所述目標氣體的吸收波長產(chǎn)生射線。
71.如權(quán)利要求67至70中任一個所述的方法，其包括在空間中檢測目標氣體存在，該方法包括根據(jù)所檢測的射線產(chǎn)生檢測射線信號；過濾所述檢測射線信號，以消除至少一個對應于用于形成合成信號的信號之一的頻率成分；將過濾后的檢測射線信號饋送給具有非線性輸出端的信號處理器的輸入端，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器或放大器；分析所述過濾后的信號輸出，以檢測按目標氣體的吸收波長定向穿過所述空間的射線的吸收。
72.一種開路式氣體檢測器的發(fā)射單元，包括射線源(12)；至少兩個信號發(fā)生器(501，502)，被配置為用于產(chǎn)生具有不同交錯波形的相應信號；信號組合器(503，504)，被配置為用于將來自所述至少兩個信號發(fā)生器的信號合成，以產(chǎn)生具有多個不同信號水平的合成信號(C)；驅(qū)動器，被配置為利用所述信號驅(qū)動所述射線源，使得所述射線源產(chǎn)生根據(jù)所述合成信號改變波長的射線；其中所述信號發(fā)生器被配置為隨時間利用由所述信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號的多個不同信號水平的組合形成所述合成信號(C)中的每個信號水平。
73.如權(quán)利要求72所述的發(fā)射單元，其中所述信號合成器(503，504)被配置為形成具有某種平均信號水平的合成信號，在所述平均信號水平，所述射線源按目標氣體的吸收波長產(chǎn)生射線。
74.如權(quán)利要求72或73所述的發(fā)射單元，其中由所述信號發(fā)生器(501，502)產(chǎn)生的所述信號包括兩個或多個交錯波形和直流電流。
75.如權(quán)利要求74所述的發(fā)射單元，其中所述直流電流能引起所述射線源按目標氣體的吸收波長產(chǎn)生射線。
76.一種檢測空間中目標氣體存在的方法，該方法包括利用包含兩個或多個不同調(diào)制頻率成分的合成信號來驅(qū)動射線源，以產(chǎn)生根據(jù)所述合成信號改變波長的射線；定向射線穿過被監(jiān)視空間；以及檢測通過所述空間的射線并根據(jù)所檢測射線產(chǎn)生檢測射線信號；過濾所述檢測射線信號以消除一個或多個頻率成分；以及分析過濾后的信號以檢測按目標氣體的吸收波長定向通過所述空間的射線的吸收。
77.如權(quán)利要求76所述的方法，其包括將過濾后的檢測射線信號饋送給具有非線性輸出端的信號處理器的輸入端，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器或放大器，以及所述分析步驟包括分析來自所述輸出端的過濾后的信號以檢測按目標氣體的吸收波長定向通過所述空間的射線的吸收。
78.如權(quán)利要求76或77所述的方法，其中在所述檢測射線信號中由于空間中目標氣體的存在所產(chǎn)生的頻率成分，包括第一頻率成分，其頻率為合成信號或其諧波的調(diào)制頻率成分中的兩個之差和/或其頻率為合成信號或其諧波的調(diào)制頻率成分中的兩個之和。
79.如權(quán)利要求76至78中任一個所述的方法，其中所述合成信號包括第一和第二調(diào)制頻率成分，其中第一調(diào)制頻率成分的頻率比第二調(diào)制頻率成分的頻率大1至108倍，例如1.1至100倍，如大約10倍。
80.如權(quán)利要求76至79中任一個所述的方法，其中合成信號的平均信號水平能使所述射線源按目標氣體的吸收波長產(chǎn)生射線。
81.如權(quán)利要求76至80中任一個所述的方法，其中所述合成信號由包含兩個或多個具有不同交錯波形的信號和至少一個具有直流電流形式的信號形成。
82.如權(quán)利要求81所述的方法，其中所述直流電流能使所述射線源按目標氣體的吸收波長產(chǎn)生射線。
83.一種用于檢測空間中目標氣體存在的開路式氣體檢測器，該檢測器包括射線源，能產(chǎn)生射線并且能夠定向所述射線穿過被監(jiān)視空間；信號發(fā)生器，被配置為用于產(chǎn)生包含兩個或多個不同調(diào)制頻率成分的合成信號；驅(qū)動器，被配置為能以所述信號驅(qū)動所述射線源，以產(chǎn)生根據(jù)所述合成信號改變波長的射線；檢測單元，能夠接收穿過所述空間的射線，并根據(jù)所檢測射線產(chǎn)生檢測射線信號；過濾器，被配置為從所述檢測射線信號中消除一個或多個頻率成分；以及信號處理器，被配置為處理過濾后的信號以檢測預定頻率射線的吸收。
84.如權(quán)利要求83所述的開路式氣體檢測器，其中進一步包括具有被連接用來接收被過濾信號的輸入端以及相對于所述輸出端的非線性輸出端的非線性處理器，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器或放大器，以及其中所述信號處理器被配置為接收來自所述非線性信號處理器的過濾信號以檢測預定頻率的射線的吸收。
85.如權(quán)利要求83所述的開路式氣體檢測器，其中所述空間中的目標氣體存在所產(chǎn)生的頻率成分，包括第一頻率成分，其頻率為為合成信號或其諧波的調(diào)制頻率成分中的兩個之差和/或其頻率為合成信號或其諧波的調(diào)制頻率成分中的兩個之和。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于檢測目標氣體的開路式氣體檢測器的發(fā)射單元(10)，其包括按能被目標氣體吸收的波長發(fā)射射線的射線發(fā)射器(12)，例如，可調(diào)激光二極管，以及具有偏轉(zhuǎn)部分和非偏轉(zhuǎn)部分(15)的射線偏轉(zhuǎn)器，如具有非反射部分的反射鏡。偏轉(zhuǎn)部分和非偏轉(zhuǎn)部分都位于發(fā)射器所發(fā)射的射線的路徑中，并且其中非偏轉(zhuǎn)部分不對發(fā)射器所發(fā)射的射線進行偏轉(zhuǎn)或與偏轉(zhuǎn)部分進行不同程度的偏轉(zhuǎn)。這樣，中心具有陰影的射線束被用于使射線束與接收單元對準。射線偏轉(zhuǎn)器優(yōu)選為具有用于反射所述發(fā)射器所發(fā)射射線的反射表面以及不反射所述發(fā)射器所發(fā)射的射線或較之反射部分反射程度低的非反射部分(15)的反射鏡(14)。非反射部分優(yōu)選是透明的以允許射線通過它，如果需要校正，其可被用于測量發(fā)射器所發(fā)射的波長。
文檔編號G01N21/39GK101080626SQ200580043487
公開日2007年11月28日 申請日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者斯蒂芬·N·薩頓, 羅德尼·羅伊斯頓·瓦茨, 邁克爾·普羅克特 申請人:霍尼韋爾分析股份公司