專利名稱：用于流體分析的光譜儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及流體的分析。本發(fā)明更特別地涉及流體的定性分析，并且更特別地涉 及基于碳氫化合物或生物燃料的燃料的定性分析，以保證例如在機動車上所使用的內(nèi)燃機 的操作。
背景技術：
機動車越來越多的裝備有電子管理系統(tǒng)，配置為根據(jù)傳感器所測量的不同參數(shù)優(yōu) 化引擎的操作。這些系統(tǒng)一般地配置為，特別地根據(jù)引擎速率、油和冷卻液的溫度、以及外 部參數(shù)例如大氣壓力和環(huán)境溫度，調(diào)節(jié)注入到引擎中的燃料的量、設定注入時間、點火提 前、進氣壓力以及廢氣的循環(huán)。然而，這種優(yōu)化受到燃料質量的波動的限制。實際上，雖然對于燃料定義了標準， 但燃料的質量依賴于天氣和加油站從而具有顯著的差異。燃料一般地通過化學物理參數(shù)來 表征，例如對于火花點火引擎的辛烷值和氣壓，對于柴油引擎的十六烷值、閃點和抗低溫能 力，以及蒸餾曲線、密度和氧化化合物含量。從而據(jù)估計，基于碳氫化合物的燃料的物理化 學參數(shù)可以圍繞標準中所指定的標準化平均值變化15到40%或者更多?，F(xiàn)在，針對標準化的燃料優(yōu)化了內(nèi)燃機的操作。如果在泵處取得的燃料的質量與 標準化的燃料質量相差太大，這種優(yōu)化不再作用，而引擎將傾向于耗費更多的燃料并產(chǎn)生 更多的污染氣體。因此，期望的是，確定輸送給引擎的燃料的質量，并將所獲取的結果考慮在內(nèi)以管 理引擎的操作。為此目的，近紅外吸收光譜適合于碳氫化合物或者碳氫化合物混合物的定 性評價。一個產(chǎn)生流體吸收光譜的標準光譜儀一般地包含以下元素一光源，覆蓋至少一個必須在其中進行測量的波長帶，一在以下的描述中被稱作“探針”的裝置，在該裝置中，光源產(chǎn)生的光與待分析的 流體互相作用，以及-光譜分析傳感器，它在探針的輸出處對光進行分析。這樣的光譜儀使得能夠以T = f(X)類型的曲線的形式獲得吸收光譜，其指示隨 著波長λ的變化，通過待分析的流體的光的量Τ。光譜儀主要通過其光譜分析范圍(所產(chǎn)生的光譜的寬度和位置)、分析的精度或 者組成所提供的光譜的測量點的數(shù)量、對吸收值的測量的準確度、以及其敏感度即它測量 少量光的能力來進行表征。當今的光譜儀一般地是非常復雜的，從而很昂貴，尺寸相對較大。特別的，當今的光譜儀包含許多光學組件(鏡片、過濾器、棱鏡、鏡面、衍射光柵)，這些組件由空氣空間所 隔離。為了光譜儀正確地工作，這些組件之間的對準是非常關鍵的。因此，當今一般地為實 驗室設計的光譜儀，對于內(nèi)燃機或者機動車環(huán)境是不適合的。特別地，它們未被設計為能承 受由內(nèi)燃機或者機動車所產(chǎn)生的強烈振動。實際上，在光源和光譜分析裝置之間，光束穿過相當多的被空氣空間所隔離的光學組件。光學組件和空氣之間的每個界面都是誤調(diào)或者惡 化的潛在來源。在光譜儀中傳統(tǒng)地使用的光源(白熾燈或者金屬氣相燈、鹵素燈等)與內(nèi)燃機機 載或者車輛中的應用所需的健壯性、服務壽命和尺寸的要求不兼容。激光的使用也必須被 排除，因為將需要與所需的光譜中的測量點相同數(shù)目的激光器。由于在有害環(huán)境中服務壽 命、穩(wěn)定性和健壯性的理由，激光的使用也必須被排除。進一步地，專利申請No. FR 2 798 582和FR 2 789 294考慮了使用與標準光學組 件相關聯(lián)的發(fā)光二極管。因此希望產(chǎn)生能夠被安裝在內(nèi)燃機上或者機動車內(nèi)的流體分析光譜儀。

發(fā)明內(nèi)容
該目標通過提供這樣一個光譜儀來實現(xiàn)，該光譜儀包含發(fā)光裝置，配置為產(chǎn)生覆 蓋波長帶的光束；探針，配置為使得來自發(fā)光裝置的光束與待分析的流體互相作用；以及 光譜分析裝置，配置為在光束已經(jīng)與待分析的流體互相作用之后接收光束，并且依賴于對 于各種波長范圍所接收的光的量來提供測量。根據(jù)一種實施方式，發(fā)光裝置包含數(shù)個發(fā)光組件，每個發(fā)光組件包含發(fā)光表面，并 且在所述波長帶所包含的各種波長范圍內(nèi)發(fā)射光，并包含固定到所述發(fā)光組件的發(fā)光表面 上的混合光學組件，以將由所述發(fā)光組件所發(fā)射的光流結合成為覆蓋所述波長帶的合成光 束，并將合成光流弓I導到所述探針。根據(jù)一種實施方式，所述混合光學組件具有輸入面，該輸入面接收來自所述發(fā)光 組件的光，輸出面，該輸出面被耦合到發(fā)光光導，并且具有這樣的形狀，該形狀具有基本被 優(yōu)化的旋轉形以將來自所述發(fā)光組件的光盡量多地聚焦并發(fā)送到所述探針。根據(jù)一種實施方式，所述混合光學組件覆蓋所述發(fā)光組件的每一個的發(fā)光表面。根據(jù)一種實施方式，所述混合光學組件被一個或者多個光學纖維耦合到所述發(fā)光 組件的每一個的發(fā)光表面。根據(jù)一種實施方式，發(fā)光裝置產(chǎn)生的光束覆蓋700nm到IlOOnm之間的波長帶。根據(jù)一種實施方式，發(fā)光裝置包含數(shù)個發(fā)光組件，這些發(fā)光組件在基本相同的波 長范圍內(nèi)發(fā)射光。根據(jù)一種實施方式，發(fā)光組件是發(fā)光二極管。根據(jù)一種實施方式，所述探針包含光學纖維照明光導，將來自所述發(fā)光裝置的光 束發(fā)送到待分析的流體，還包含光學纖維收集光導，其耦合到發(fā)光光導并至少部分地收集 已經(jīng)穿過待分析流體的光束，并將其發(fā)送到光譜分析裝置。根據(jù)一種實施方式，收集光導包含數(shù)個收集光學纖維，這些光學纖維分散在照明 光導周圍，并包含反射器用來在光束已經(jīng)穿過待分析流體之后，將該光束通過待分析流體 發(fā)送回收集光學纖維。根據(jù)一種實施方式，反射器被產(chǎn)生為沿著基本上與入射光線的方向相反的方向， 以略微較寬的角度反射光束中每一條入射光線。根據(jù)一種實施方式，反射器的類型是Scotchlite 類型，或者具有回復反射棱鏡 的安全反射器類型。
根據(jù)一種實施方式，反射器具有球形殼的形狀，該殼的中心基本上位于照明光導 的輸出面的中心上。根據(jù)一種實施方式，所述探針包含會聚透鏡，該透鏡布置在照明光導的輸出與待 分析流體之間。根據(jù)一種實施方式，探針包含Y光學耦合器，用來將照明光導的輸出處的光束發(fā) 送到待分析流體中，并將來自待分析流體的光束發(fā)送到收集光導中，并包含反射器用來在 光束已經(jīng)穿過待分析流體之后，將其通過待分析流體發(fā)送回所述光學耦合器。根據(jù)一種實施方式，反射器被產(chǎn)生為將光束中的每一條入射光線沿著與入射光線 方向基本相反的方向反射。根據(jù)一種實施方式，反射器的類型是Scotchlite 類型，或者具有回復反射棱鏡 的安全反射器類型。根據(jù)一種實施方式，反射器具有球形殼的形狀，該殼的中心基本上位于照明光導 的輸出面的中心上。根據(jù)一種實施方式，探針包含會聚透鏡，該透鏡布置在耦合器與待分析流體之間。根據(jù)一種實施方式，探針包含布置在照明光導的輸出與待分析流體之間的會聚透 鏡，以及布置在收集光導與待分析流體之間的會聚透鏡。根據(jù)一種實施方式，所述光譜分析裝置包含第一光導，該第一光導耦合到探針并 在光束已經(jīng)與待分析流體相互作用之后接收光束，并通過第一光學過濾裝置將其擴散到第 一光敏感單元組，該第一光學過濾裝置被布置以向所述光敏感單元組的至少一部分的每個 光敏感單元發(fā)送光束的一部分，該部分光束覆蓋了所述波長帶中包括的各個波長范圍。根據(jù)一種實施方式，所述第一光導具有透明材料制成的板的形狀，利用板的邊緣 接收來自待分析流體的光束，并通過將該光束散布到板的相對邊緣來將其擴散，所述第一 過濾裝置和第一光敏感單元組被安放該相對邊緣對面。根據(jù)一種實施方式，收集光導被耦合到第一光導以向其發(fā)送光束。根據(jù)一種實施方式，所述光譜分析裝置包含光探測器條帶，其包含第一光敏感單 元組，該條帶通過第一過濾裝置被固定到板的邊緣上。根據(jù)一種實施方式，第一過濾裝置包含隨長度線性可變的光譜透射干涉類型的過濾器。根據(jù)一種實施方式，過濾裝置覆蓋700nm到IlOOnm之間的波長帶。根據(jù)一種實施方式，光譜分析包含第二光導，該光導在發(fā)光裝置的輸出處直接取 得光束的一部分，并通過第二光學過濾裝置將該部分光束發(fā)送到第二光敏感單元組，所述 第二光學過濾裝置被布置為向每個光敏感單元發(fā)送覆蓋了所述波長帶內(nèi)所包括的各個波 長范圍的光束的一部分。根據(jù)一種實施方式，所述第二光導具有透明材料制成的板的形狀，其通過板的邊 緣接收來自發(fā)光裝置的光束的一部分，并通過將該光束的一部分散布到板的相對邊緣來將 其擴散，所述第二過濾裝置和第二光敏感單元組被安放在所述相對邊緣的對面。根據(jù)一種實施方式，該裝置包含光學纖維光導，其耦合到第二光導以將來自發(fā)光 裝置的光束發(fā)送到第二光導。根據(jù)一種實施方式，光譜分析裝置包含光探測器條帶，該條帶包含第一和第二光敏感單元組，該條帶通過第一和第二過濾裝置被固定到第一和第二光導的板的邊緣上。根據(jù)一種實施方式，第二過濾裝置包含隨長度線性可變的光譜透射干涉類型的過濾器。


本發(fā)明的實施方式的一些例子將在下文參考以下的圖但是不限于這些圖來進行 描述，在這些圖中圖1以模塊的形式表示光譜儀的一些功能，該光譜儀適于內(nèi)燃機或者機動車的環(huán) 境，圖2A是光譜儀的發(fā)光裝置的側視圖，圖2B是發(fā)光裝置的光源的前視圖，圖3以曲線的形式表示發(fā)光裝置的光源的發(fā)射光譜的一些例子，圖4是光譜儀的發(fā)光裝置的一種替代性實施方式的側視圖，圖5A是透射探針的側視圖，用來將發(fā)光裝置所產(chǎn)生的光束透射到待分析的流體，圖5B是探針中光學纖維的布置的截面圖，圖6是探針的一種替代性實施方式的側視圖，圖7是探針的另外一種替代性實施方式的側視圖，圖8A是光譜儀的光譜分析裝置的頂視圖，圖8B是光譜分析裝置的側視圖，圖9以模塊的形式表示光譜儀的布置，圖10以模塊的形式表示光譜儀的替代性布置，圖11是圖10中所表示的光譜儀的光譜分析裝置的頂視圖，圖12表示利用光譜分析裝置所獲得的流體吸收曲線的例子，圖13以模塊的形式表示光譜儀的第二替代性布置，圖14是圖13中所表示的光譜儀的探針的側視圖。
具體實施例方式在附圖的以下描述中，相同的元素具有相同的參考符號。圖1表示用來分析流體的光譜儀FAN。裝置FAN包括-發(fā)光裝置LSRC，覆蓋必須在其中進行光譜測量的至少一個波長帶，-探針PRB，配置為使得由發(fā)光裝置LSRC所產(chǎn)生的光與待分析的流體相互作用，-光譜分析傳感器SPAN，該傳感器分析探針輸出處的光，以及—光學元素4、12，配置為在源和探針之間以及在探針和傳感器之間引導光束。待分析的流體可以是氣體或者液體，并且特別地是碳氫化合物或者碳氫化合物混 合物，或者甚至是碳氫化合物與生物燃料的混合物。圖2A和2B表示發(fā)光裝置LSRC的一種實施方式。發(fā)光裝置LSRC包含光源1，其裝 載在介質2上，并且利用連接針腳5連接到能量源(未示出)。光源1包含例如發(fā)光二極 管(LED)類型的發(fā)光組件。介質2可以包含印刷電路晶片，發(fā)光組件1被裝載在該晶片上 并被連接到其上。
光學纖維4被耦合到組件1的發(fā)光表面，以將所產(chǎn)生的光發(fā)送向探針PRB。如果用來進行光譜學測量的待覆蓋的波長帶不能被單個發(fā)光組件所覆蓋，則可以 在介質2上裝載各種波長范圍內(nèi)的數(shù)個發(fā)光組件la-lg。因此，當前的發(fā)光二極管具有寬度為數(shù)十納米的發(fā)射波長光譜。因此如果待覆蓋 的光譜延伸超過數(shù)百納米，則需要數(shù)個發(fā)光二極管。例如，發(fā)光裝置從而可以覆蓋波長范圍 介于700到1100納米之間的光譜。發(fā)光裝置LSRC于是包含光學組件3，配置為把來自每個發(fā)光組件Ia-Ig的光進行 混合，并將混合后的光引導向光學纖維4。光學組件3可以由在分析器的測量波長光譜內(nèi) 透明的材料制成。光學組件3是例如TIR(全內(nèi)反射)類型的，以將發(fā)光組件Ia-Ig所產(chǎn)生 的光能量以最優(yōu)的效率發(fā)送到光學纖維4。組件3具有輸入面，該面覆蓋了所有發(fā)光組件 la-lg，并且具有輸出面，該面具有與纖維4的輸入面基本相同的形狀和尺寸。組件3具有 基本是圓錐形的旋轉形狀，并且它的發(fā)生器被優(yōu)化以從發(fā)光組件Ia-Ig發(fā)送盡量多的光到 光學纖維4。組件3被固定到組件Ia-Ig上，并被固定到介質2上，例如借助于完全覆蓋組 件Ia-Ig的透明膠3a層。光學纖維4也可以利用透明膠被固定到組件3上。圖3表示發(fā)光功率隨著波長的六條曲線，對應于各種發(fā)光二極管的發(fā)射光譜 C1-C5，并且對應于在光學組件3已經(jīng)結合了光譜C1-C5之后所獲得的合成(resulting) 的光譜CR。每個發(fā)射光譜C1-C5具有基本為高斯曲線的形狀。光譜C1-C5各自在850nm、 890nm、940nm、970nm和1050nm附近具有最大值。由于這些最大值不是相同的，發(fā)光裝置 LSRC可以包含具有基本相同的發(fā)射光譜的數(shù)個發(fā)光組件，從而使得合成光譜CR在待覆蓋 的波長帶內(nèi)盡量平坦(恒定功率)。圖4表示發(fā)光裝置的另一種實施方式。在圖4中，發(fā)光裝置LSRCl包含數(shù)個發(fā)光 組件la、lb、lc，每個組件被裝載到介質2a、2b、2c上，并被直接耦合到光學纖維7a、7b、7c。 每個組件la、lb、Ic的發(fā)光表面從而接觸光學纖維7a、7b、7c的輸入面。每個光學纖維的輸 出面被耦合到光學組件，例如之前所描述的光學組件3。光學纖維7a、7b、7c可以利用透明 膠被固定到組件la、lb、Ic上，或者到介質2a、2b、2c上和組件3上。再次地，這里可以省略混合光學組件3。來自二極管的光學纖維然后被組到一起成 為光學纖維捆束，其將來自發(fā)光裝置的光束發(fā)送到探針PRB。應該注意到，在圖4中的實施方式中，二極管Ia-Ic還可以被裝載到與圖2A、2B所 示相同的介質2上。圖5A表示探針PRB。探針PRB包含數(shù)個成捆束布置的光學纖維4、12和會聚透鏡 19。圖5B表示成捆束的纖維布置的一個例子。在圖5b上，該捆束包含中心光學纖維， 稱為發(fā)光光學纖維，對應于來自發(fā)光裝置LSRC的纖維4，以及側向光學纖維12，稱為收集光 學纖維，它們被布置在中心纖維4的周圍。中心光學纖維4可以具有不同的直徑，例如大于 側向纖維12的直徑。在圖5B的例子中，探針PRB包含七根纖維12。透鏡19被耦合到纖維4、12，從而其光軸16基本上與中心纖維4的輸出處光束的軸相重合，纖維4的輸出面的中心位于透鏡的焦點附近。透鏡19的直徑使得如果給定了在 纖維4的輸出處光束的角度，則由纖維4所發(fā)送的光束被該透鏡全部發(fā)送到無窮遠。所有 的纖維4、12以及整個透鏡19可以被容納在盒子18內(nèi)。
待分析的流體被布置在透鏡19的輸出處光束的路徑上。為此，包含待分析流體的管子或者儲罐10包含透明窗口 Ila和平面反射器13，布置在透鏡19的輸出處光束的路徑 上。反射器13被布置為與光軸16相垂直，從而使得光束穿過待分析流體20，并通過透鏡 19被反射向纖維4和12。從而光束在窗口 Ila和反射器13之間兩次穿過待分析流體。反射器13是對于光源的回復反射類型，即，將每一條入射光線都沿著與入射光線 相反的方向加以微小的偏折進行反射，從而使得反射的光束被透鏡19聚焦在大于纖維4的 表面面積上，特別地覆蓋了纖維12的輸入面。例如，3M公司以品牌名稱Scotchlite 所經(jīng)銷的反射表面具有此種屬性到達該 種表面的光束以相反的方向離開，并伴隨略微較大的角度。這種類型的表面被用來例如制 造回復反射安全覆蓋物。為此，反射表面包含粘在介質上的透明的微珠，其轉向介質的一半 表面被覆蓋有反射層。具有回復反射棱鏡的安全反射器也具有相同的屬性。該屬性抵消了垂直于反射器13的軸與透鏡19的光軸16之間的對準誤差。管子或儲罐10可以包含位于光束路徑上的第二透明窗口 11b，反射器13固定于其 上。將能理解，透明窗口 Ila可以與透鏡19結合。圖6表示探針的另一種實施方式。在這種實施方式中，探針PRBl與圖5A中所表 示的那一個由于缺少透鏡19而不同。盛有待分析流體20的儲罐或者管子10’如圖5A所 示包含透明窗口 11a，該窗口使得來自纖維4的光束進入待分析流體。在透明窗口 Ila的對 面，提供了反射器13’，其形式為球形殼，其中心基本位于纖維4的輸出面的中心上。因此， 在纖維4的輸出處的光束的所有光線在待分析流體20中經(jīng)過長度基本相同的路徑。反射器13’具有回復反射表面，從而它擴大了反射光束，以覆蓋纖維12的輸入面。來自纖維4的整個光束從而通過透明窗口 Ila進入管子或儲罐10’并被反射器13 向纖維4、12進行反射。反射器13’再次被布置在管子或者儲罐內(nèi)，或者在透明窗口上，其形式為提供在管 子或者儲罐10’內(nèi)的球形殼。還可以采取措施以將纖維4、12的末端與反射器13’互鎖，并將它們沉入待分析流 體20中。圖7表示探針的另一種實施方式。在這種實施方式中，探針PRB2由于具有Y耦 合器25和單根收集纖維12’而與圖5A中所表示的那一個不同。探針PRB2包含單根纖維 26，該纖維將光束發(fā)送到待分析流體20，并捕獲來自后者的光束。耦合器25被配置為根據(jù) 光束的傳播方向來對其進行分離，并從而將來自發(fā)光裝置LSRC或LSRCl的光束指引向纖維 26和待分析流體，并且已經(jīng)穿過待分析流體的光束被纖維26發(fā)送向耦合到光譜分析傳感 器SPAN的輸入的光學纖維12’。光學纖維4、26和12’可以利用透明膠被固定到耦合器25 上。將能理解，如以上參考圖6所描述的，在圖7的實施方式中透鏡19可以被去除。在 這種情形下，使用如圖6中所表示的形式為球形殼的反射器。圖8A、8B表示光譜分析傳感器SPAN的一種實施方式。傳感器SPAN包含光導21、 光學過濾器22和光敏感傳感器24。光導21由透明材料制成，例如玻璃，并具有基本為平行六面體板的形狀，該形狀具有較小的厚度，其厚度基本等于或者大于來自探針PRB的光學纖維12的直徑。每個收集光學纖維12例如使用透明膠被固定到板的側向面或者邊緣210 上。傳感器24包含一組光敏感單元，這些單元可以被布置為條帶，并被過濾器22所覆 蓋。該具有過濾器22的光敏感單元條帶覆蓋了光導21的側向面或邊緣211，該側向面或 邊緣211位于收集光學纖維12所固定到的側向面或邊緣210的對面。傳感器24是例如 CMOS-傳感器類型的，包含多個光敏感元素，例如64或者128個光敏感單元。過濾器22每 個光敏感單元包含一個過濾器元素，配置為發(fā)送位于待分析波長帶的各個波長范圍內(nèi)的光 線，使得每個光敏感單元提供待產(chǎn)生的光譜曲線上一個點的值。每個單元的輸出信號是對 于由過濾器22發(fā)送到單元的波長范圍的、已經(jīng)穿過待分析流體的光的量的測量。從而由單元進行的測量就被發(fā)送到信號處理裝置RDP，該裝置被配置為產(chǎn)生一個 形狀為Ι = f·(λ)的光譜，以指示由待分析流體所發(fā)送的光的量I隨著波長λ的關系。信 號處理裝置還被配置為從如此產(chǎn)生的吸收光譜中導出來自發(fā)光裝置LSRC的光束所穿過的 流體的特定的特征SPCT。組成光導21的材料具有的折射率使得所有通過邊緣210引入的光線被光導的壁 所反射，并且只從對面的邊緣211離開光導。收集光學纖維12的輸出處的光束從而完全地 被發(fā)送到過濾器22。對于光導21如此選擇的幾何結構使得來自探針PRB的光束可以以基 本上均勻的方式被散布到過濾器22的整個表面上。光導21對于每個直徑為Imm的七條收集纖維12具有例如Imm的厚度和大約7mm 的寬度。光導21的長度例如根據(jù)光導21中纖維12的輸出處的光束的角度來確定，使得固 定在光導21的寬度中間的收集纖維的輸出處的光束27覆蓋整個過濾器22。過濾器22的類型可以是隨著長度線性可變的光譜透射干涉類型，使得所接收的 光束中的每一個波長分量，沿著光導21的輸出面(邊緣)211的寬度，在取決于其波長的位 置通過。因此，傳感器24的每個光敏感單元接收位于完全不同的波長帶內(nèi)的光線，且傳感 器的兩個相鄰單元接收的光線是位于兩個鄰近的波長范圍內(nèi)。將能理解，如果探針包含單根收集光學纖維，如圖7中的纖維12’，則單根纖維被 固定到光導21的輸入面(邊緣)210上，優(yōu)選地在此面的中部。圖9表示之前描述的光譜儀FAN中不同組件的布置。在圖9中，發(fā)光裝置LSRC通 過光學纖維4被連接到探針PRB (或PRBl、PRB2)。在探針PRB或PRB2的情形中，透鏡19被 安放在盛有待分析流體20的管子或儲罐10上的透明窗口 Ila和反射器13的對面。探針 PRB (或PRB1、PRB2)通過光學纖維12 (或對于探針PRB2的情形，光學纖維12，)被連接到 光譜分析傳感器SPAN。圖10表示光譜儀的另一種實施方式。在圖10中，光譜儀FANl與光譜儀FAN的不 同在于它包含光譜分析裝置SPANl和將發(fā)光裝置LSRC連接到裝置SPANl的光學纖維4’。在圖9和10上，發(fā)光裝置還可以是裝置LSRC1。圖11表示光譜儀FANl的光譜分析傳感器SPANl。在圖11中，光譜分析傳感器 SPANl包含兩個傳感器，例如圖8A、8B中所表示的那個SPAN。因此，傳感器SPANl包含兩個 光導21、21’和兩個光學纖維22、22’以及兩個光敏感傳感器。光導21的輸入面被耦合到 光學纖維12，而光導21’的輸入面被耦合到光學纖維4’。
光學纖維4’可以通過本身已知的光學纖維耦合器(未示出)被連接到發(fā)光裝置 LSRC(或LSRC1)，該耦合器能夠將混合組件3的輸出處的光束基本沒有任何損失地并且以 平衡的方式發(fā)送到兩個光學纖維4、4’。在圖11的例子中，傳感器SPANl包含單個光敏感傳感器24，該傳感器包含兩倍的 光敏感單元，例如128或256個，以分析由兩個光導21、21’所發(fā)送的光束，每個光導與過濾 器22、22’相關聯(lián)。從發(fā)光裝置LSRC由纖維4’直接發(fā)送的光通過過濾器22’被分析，并指示出對于 每個波長λ由發(fā)光裝置所發(fā)射的光的量R(A)。從探針PRB由收集纖維12所發(fā)送的光指示出對于每個波長λ已經(jīng)穿過待分析流 體的光的量 (λ)。因此裝置SPAm可以組成一個校正的透射光譜，其中考慮了來自發(fā)光裝置的光束 中的任何波動，光譜的形狀是T ( λ ) = t ( λ ) /R ( λ )。圖12表示了在波長等于850nm和1050nm之間的這樣一種吸收光譜T的例子，當 流體在對應的波長λ處完全透明時，T基本上等于1，而當流體在對應的波長λ處完全不 可穿透時，T基本上等于0。圖13表示光譜儀的另一種實施方式。在圖13中，光譜儀FAN2與裝置FANl的不 同在于具有一個改進的包含兩個部分PRB3、PRB4的探針，其中一個探針部分PRB3被連接 到發(fā)光裝置LSRC，而一個探針部分PRB4被連接到分析傳感器SPANl。兩個探針部分PRB3、 PRB4被放置在管子或者儲罐10的兩側透明窗口 IlaUlb前，PRBl部分被連接到纖維4，以 將由發(fā)光裝置所產(chǎn)生的光束發(fā)送到待分析流體20，而PRB2部分在光束已經(jīng)穿過待分析流 體之后接收該光束，并將其發(fā)送到纖維12’。將能理解，發(fā)光裝置LRSCl還可以被用在裝置FAN2中。圖14表示了兩個探針部分PRB3、PRB4。PRB3部分包含探針PRB的盒子18和透鏡 19。PRB4部分包含透鏡19’，該透鏡將已經(jīng)穿過待分析流體20和窗口 lib的光束聚焦到纖 維12’的輸入面的中心。整個透鏡19’和纖維12’的末端可以被裝載到盒子18’內(nèi)。在這 種布置中，纖維4、12’和透鏡19、19’被相互耦合，從而纖維4的輸出處的光束的軸與透鏡 19、19’的光軸16以及纖維12，的輸入軸相重合。這里還應該注意，透鏡19、19’可以組成透明窗口 11a、lib。將能理解，以上所描述的、連接了發(fā)光裝置LSRC、LSRC1、探針PRB、PRB1_PRB4以及 分析裝置SPAN、SPANl的光學纖維4、4’、12、12’可以被纖維捆束所代替。光譜儀FAN、FANl、FAN2的不同的光學元素在這些元素的組裝和他們之間通過光 學纖維的連接過程中被對準。通過使用光學纖維，可以完成組裝，以形成單個模塊，而在光 學組件之間沒有任何空氣或者真空，這也使得該裝置對于振動不敏感。因此，裝置的所有組 件和光學纖維可以例如被沉入樹脂，例如是罐封類型的，適合來承受攻擊性的環(huán)境。此外，光譜儀FAN、FANU FAN2只使用低成本、長服務壽命的組件，并且其成分使得 它與批量生產(chǎn)工藝相兼容。因此，此光譜儀被證明優(yōu)選地適合于內(nèi)燃機和機動車的環(huán)境。本領域內(nèi)技術人員將會理解，本發(fā)明的各種替代性的實施方式和(各種)應用是 可能的。特別地，本發(fā)明不限于使用光學纖維來連接光譜儀的不同的元素(發(fā)光裝置、探針 和光譜分析裝置)。本發(fā)明也不限于包含將發(fā)光裝置連接到探針和光譜分析裝置的單根光學纖維的裝置，也不限于將探針連接到光譜分析裝置的一條或者七條光學纖維。實際上，這些連接還可以由光學纖維的捆束所制成的光導來產(chǎn)生。本發(fā)明還可以包含一個不帶有任何混合光學組件3的發(fā)光裝置。實際上，如果使 用具有的輸入面覆蓋所有發(fā)光二極管的光學纖維或者光學纖維捆束，這個組件3可以被省 略。光學纖維或者捆束于是可以利用二極管所沉入到的透明膠層被固定到二極管上。在缺 少混合光學組件3的情況下，發(fā)光二極管Ia-Ig產(chǎn)生的位于各種波長范圍的光束在待分析 流體中被混合，然后被光學纖維12或者纖維12’以及光導21所收集。在圖11的實施方式 中，直接發(fā)送到光譜分析裝置SPANl的光束在纖維4’和光導21’中被混合。本發(fā)明也不限于板狀形式的光導21，21’。取決于光敏感單元的形狀和分布，其它 形狀也可能適合。通過提供這樣的光導，光束可以以基本均勻的方式散布到光敏感傳感器 的所有單元上。
權利要求
一種光譜儀，包含發(fā)光裝置(LSRC、LSRC1)，配置為產(chǎn)生覆蓋波長帶的光束，探針(PRB、PRB1-PRB4)，配置為使得來自所述發(fā)光裝置的光束與待分析的流體(20)相互作用，以及光譜分析裝置(SPAN、SPAN1)，配置為在光束已經(jīng)與待分析流體相互作用之后接收光束，并依賴于對于各種波長范圍所接收的光的量來提供測量，其特征為，發(fā)光裝置(LSRC、LSRC1)包含數(shù)個發(fā)光組件(1a-1g)每個發(fā)光組件包含發(fā)光表面，并且在所述波長帶所包含的各種波長范圍內(nèi)發(fā)射光，并包含固定到所述發(fā)光組件(1a-1g)的發(fā)光表面上的混合光學組件(3)，以將由所述發(fā)光組件所發(fā)射的光流結合成為覆蓋所述波長帶的合成光束，并將合成光流引導到所述探針(PRB、PRB1-PRB4)。
2.根據(jù)權利要求1的裝置，其中所述混合光學組件(3)具有輸入面，該輸入面接收來自 所述發(fā)光組件(Ia-Ig)的光，輸出面，該輸出面被耦合到發(fā)光光導(4)，并且具有形狀，該形 狀具有基本被優(yōu)化的旋轉形以將來自所述發(fā)光組件的光盡量多地聚焦并發(fā)送到所述探針 (PRB.PRB1-PRB4)。
3.根據(jù)權利要求1和2中之一的裝置，其中所述混合光學組件(3)覆蓋所述發(fā)光組件 (Ia-Ig)的每一個的發(fā)光表面。
4.根據(jù)權利要求1到3中之一的裝置，其中所述混合光學組件(3)被一個或者多個光 學纖維(7a、7b、7c)耦合到所述發(fā)光組件(Ia-Ic)的每一個的發(fā)光表面。
5.根據(jù)權利要求1到4中之一的裝置，其中所述發(fā)光裝置(LSRC、LSRC1)產(chǎn)生的光束 覆蓋700nm到IlOOnm之間的波長帶。
6.根據(jù)權利要求1到5中之一的裝置，其中所述發(fā)光裝置(LSRC、LSRC1)包含數(shù)個發(fā) 光組件，這些發(fā)光組件在基本相同的波長范圍內(nèi)發(fā)射光。
7.根據(jù)權利要求1到6中之一的裝置，其中所述發(fā)光組件(Ia-Ig)是發(fā)光二極管。
8.根據(jù)權利要求1到7中之一的裝置，其中所述探針(PRB、PRB1-PRB4)包含光學纖維 照明光導(4)，將來自所述發(fā)光裝置(LSRC、LSRC1)的光束發(fā)送到待分析的流體(20)，還包 含光學纖維收集光導(12、12’)，其耦合到發(fā)光光導并至少部分地收集已經(jīng)穿過待分析流體 的光束，并將其發(fā)送到光譜分析裝置(SPAN、SPAN1)。
9.根據(jù)權利要求8的裝置，其中收集光導包含數(shù)個收集光學纖維(12)，這些光學纖維 分散在照明光導(4)周圍，并包含反射器(13、13’ )用來在光束已經(jīng)穿過待分析流體(20) 之后，將該光束通過待分析流體發(fā)送回收集光學纖維。
10.根據(jù)權利要求9的裝置，其中所述反射器(13、13’)被產(chǎn)生為沿著基本上與入射光 線的方向相反的方向，以略微較寬的角度反射光束中每一條入射光線。
11.根據(jù)權利要求10的裝置，其中所述反射器(13、13’)的類型是Seotehlite 類 型或者具有回復反射棱鏡的安全反射器類型。
12.根據(jù)權利要求9到11中之一的裝置，其中反射器(13’)具有球形殼的形狀，該殼 的中心基本上位于照明光導(4)的輸出面的中心上。
13.根據(jù)權利要求9到11中之一的裝置，其中所述探針包含會聚透鏡(19)，該透鏡布 置在照明光導(4)的輸出與待分析流體(20)之間。
14.根據(jù)權利要求8的裝置，其中探針(PRB2)包含Y光學耦合器(25)，用來將照明光 導(4)的輸出處的光束發(fā)送到待分析流體(20)中，并將來自待分析流體的光束發(fā)送到收集 光導(12)中，并包含反射器(13、13’)用來在光束已經(jīng)穿過待分析流體之后，將其通過待分 析流體發(fā)送回所述光學耦合器。
15.根據(jù)權利要求14的裝置，其中反射器(13、13’)被產(chǎn)生為將光束中的每一條入射 光線沿著與入射光線方向基本相反的方向反射。
16.根據(jù)權利要求15的裝置，其中反射器(13，13’)的類型是Scotchlite 類型，或 者具有回復反射棱鏡的安全反射器類型。
17.根據(jù)權利要求14到16中之一的裝置，其中反射器(13’)具有球形殼的形狀，該殼 的中心基本上位于照明光導(4)的輸出面的中心上。
18.根據(jù)權利要求14到16中之一的裝置，其中探針(PRB2)包含匯聚透鏡(19)，該透 鏡布置在耦合器(25)與待分析流體(20)之間。
19.根據(jù)權利要求8的裝置，其中探針(PRB3、PRB4)包含布置在照明光導⑷的輸出 與待分析流體(20)之間的會聚透鏡(19)，以及布置在收集光導(12)與待分析流體之間的 會聚透鏡(19' ) ο
20.根據(jù)權利要求1到19中之一的裝置，其中所述光譜分析裝置(SPAN、SPAN1)包含第 一光導(21)，該第一光導耦合到探針(PRB、PRB1-PRB4)并在光束已經(jīng)與待分析流體(20)相 互作用之后接收光束，并通過第一光學過濾裝置(22)將其擴散到第一光敏感單元組(24、 24’)，該第一光學過濾裝置被布置以向所述光敏感單元組的至少一部分的每個光敏感單元 發(fā)送光束的一部分，該部分光束覆蓋了所述波長帶中包括的各個波長范圍。
21.根據(jù)權利要求20的裝置，其中所述第一光導(21)具有透明材料制成的板的形狀， 利用板的邊緣(210)接收來自待分析流體(20)的光束，并通過將該光束散布到板的相對邊 緣(211)來將其擴散，所述第一過濾裝置(22)和第一光敏感單元組(24、24’ )被安放該相 對邊緣(211)對面。
22.根據(jù)權利要求21的裝置，其中收集光導(12、12’)被耦合到第一光導(21)以向其 發(fā)送光束。
23.根據(jù)權利要求21或22的裝置，其中所述光譜分析裝置(SPAN、SPAN1)包含光探測 器條帶(24、24’)，其包含第一光敏感單元組，該條帶通過第一過濾裝置(22)被固定到板 (21)的邊緣(211)上。
24.根據(jù)權利要求20到23中之一的裝置，其中第一過濾裝置(22)包含隨長度線性可 變的光譜透射干涉類型的過濾器。
25.根據(jù)權利要求20到24中之一的裝置，其中過濾裝置(22)覆蓋700nm到IlOOnm之 間的波長帶。
26.根據(jù)權利要求20到25中之一的裝置，其中光譜分析裝置(SPANl)包含第二光導 (21’)，該光導在發(fā)光裝置(LSRC、LSRC1)的輸出處直接取得光束的一部分，并通過第二光 學過濾裝置(22’ )將該部分光束發(fā)送到第二光敏感單元組(24’)，所述第二光學過濾裝置 被布置為向每個光敏感單元發(fā)送覆蓋了所述波長帶內(nèi)所包括的各個波長范圍的光束的一 部分。
27.根據(jù)權利要求26的裝置，其中所述第二光導(21’)具有透明材料制成的板的形狀，其通過板的邊緣接收來自發(fā)光裝置(LSRC、LSRC1)的光束的一部分，并通過將該光束的一 部分散布到板的相對邊緣來將其擴散，所述第二過濾裝置(22’ )和第二光敏感單元(24’ ) 組被安放在所述相對邊緣的對面。
28.根據(jù)權利要求27的裝置，包含光學纖維光導(4’)，其耦合到第二光導(21’)以將 來自發(fā)光裝置(LSRC、LSRC1)的光束發(fā)送到第二光導(21，)。
29.根據(jù)權利要求26到28中之一的裝置，其中光譜分析裝置(SPANl)包含光探測器 條帶(24’)，該條帶包含第一和第二光敏感單元組，該條帶通過第一和第二過濾裝置(22， 22’ )被固定到第一和第二光導(21、21’ )的板的邊緣上。
30.根據(jù)權利要求26到29中之一的裝置，其中第二過濾裝置(22’)包含隨長度線性 可變的光譜透射干涉類型的過濾器。
全文摘要
本發(fā)明涉及光譜儀，包含配置為產(chǎn)生覆蓋波長帶的光束的發(fā)光裝置(LSRC)、配置為使得來自發(fā)光裝置的光束與待分析的流體互相作用的探針、以及配置為在光束已經(jīng)與待分析的流體互相作用之后接收光束并且提供對各種波長范圍的光強度測量的光譜分析裝置，發(fā)光裝置包含數(shù)個在各種波長范圍內(nèi)發(fā)光的發(fā)光組件(1a-1c)，以及固定到發(fā)光組件(1a-1g)的發(fā)光表面上的混合光學組件(3)，以將由發(fā)光組件所發(fā)射的光流結合成覆蓋波長帶的合成光束，并將合成光流引導到探針。
文檔編號G01J3/10GK101821611SQ200880111172
公開日2010年9月1日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權日2007年10月12日
發(fā)明者A·盧納蒂, J·富爾內(nèi)爾, T·熱爾戈 申請人:Sp3H公司