专利名称：用于测量光学传感器的光谱的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量光学传感器的光谱(有利地在红外区域内)的方法，其中光束照射到与要测量的介质接触的光学传感器上，其中该光学传感器发射由于要测量的介质而改变的测量束，并且该测量束被馈送到热探测器(pyrodetector)，该热探测器发出与该光谱相对应的输出信号；其中在照射到该热探测器上之前对该测量信号的强度进行调制。本发明还涉及一种用于执行该方法的设备。
背景技术：
在中红外辐射(MIR)和红外辐射(IR)的领域中分别发现了使过程光谱仪对所测量的对象的浓度进行测量的很多应用。这些应用用于化学工业、以及食品或饮料生产领域、 或者制药工业中。热探测器通常用于分别在中红外和红外光谱范围中更经济的光检测。这些热探测器对传感器元件的热升温的差异作出反应。因此，通常对要测量的光的强度进行调制，以便于在该热探测器的输出处获得交流电压信号；该交流电压信号的振幅是要测量的绝对强度的度量。不同的选择可用于获得这样的交流信号在机械调制的情况下，例如通过使用旋转截光轮(chopper wheel)在热探测器之前连续中断光束路径。该解决方案引起了显著的机械复杂性并且引起了在旋转截光轮的机械磨损方面的易受影响性。此外，由于必须包含截光轮和热探测器而导致光谱仪的尺寸变大。另一个可能是电调制，其中对来自光源的光进行电调制，该光源将光束发射到光学传感器。由光学传感器接收到的光束由于要测量的介质而改变，并且作为测量信号被馈送到热探测器。在该情况下，还在光照射到热探测器上之前进行电调制。电调制的缺点在于，由于所使用的光源的热质而导致调制深度随着频率的增加而减小。此外，光源的使用期受到温度循环的限制，使得在更换光源时必须对热探测器进行新的调整。

发明内容
本发明的目的在于提供一种方法，在该方法中能够使用热探测器来进行对红外光谱的更经济的测量，其中对震动不敏感并且使用期长的测量机构覆盖了大的光谱范围。根据本发明，实现了该目标，其中通过调整包含在测量束光谱中的波长来进行对测量束的强度调制。由于热探测器对测量信号的变化强度作出反应，所以根据本发明通过对测量束的光谱的不同波长的时序调整而间接地引起这些变化强度，其中测量信号的光谱的每个波长具有不同的强度。因此，简单地说，能够使用更经济的热探测器来对测量信号的波长范围进行光谱分辨检测。其优点在于，不需要随时间改变测量信号的强度的机械调制， 这使得测量装置的结构能够特别稳定并且不易受影响。因为省略了发射光束的电调制，所以该测量方法使用期很长。有利地，发射没有进行调制的光束。因为来自光源的静态信号不受温度循环的影响，所以这样的静态信号增加了光源的使用期。
在进一步的开发中，仅调整要检测的光谱的波长附近的窄的第一区域、或者调整要检测的光谱的波长附近的更宽的第二区域。利用大光谱区域的波长上的调制特别实现了光学传感器的测量信号的差分光谱；除了积分常数外，从该差分光谱得到测量信号的绝对光谱。在进一步的开发中，根据由热探测器所测量的两个波长的强度来确定差；积分常数的确定基于该差。可以根据两个相邻的波长或两个彼此远离的波长来产生这样的强度的差测量。在这样的情况下，电子调制在两个波长之间迅速地来回切换。由热探测器作为输出信号发出的得到的信号强度是两个波长的强度差的度量。通过估算测量信号的相位，可以确定两个波长中哪一个具有更高的强度，根据它来确定积分常数。在变体中，在测量束的光谱中产生具有零强度的位置。该具有零强度的位置用作对测量信号的光谱中的波长进行测量的参考点。由于在该点处没有测量信号到达热探测器，所以零强度的位置形成测量的光谱的开始点。为了获得用于对该测量信号的光谱进行测量的第二参考点，窄带参考信号优选地与测量束同时照射到热探测器上。以该方式，对于用作参考信号的波长，极窄带的光到达探测器。由于测量光中的该标记的区域部分地填充具有零强度的点，并且参考信号的波长是已知的，因此第二参考点是已知的，以便于关联进行标记的波长的强度曲线。在特别简单的实施例中，参考信号是额外的光束，该额外的光束在照射到热探测器上之前进行了带通滤光。其优点在于，可以在测量配置中利用非常经济的白光源。本发明的另一进一步的开发涉及一种用于测量光学传感器的光谱(有利地在红外区域中)的设备，其中由光源发射的光束照射到与要测量的介质接触的光学传感器上， 其中该光学传感器发射由于要测量的介质而改变的测量束；该测量束被馈送到热探测器， 该热探测器发出与该光谱相对应的输出信号；其中在该热探测器之间配置了改变测量束的强度的强度调制器。为了实现不仅价格合适而且对震动不敏感并且使用期长的测量配置， 该强度调制器包括带有可调整波长的滤光片。利用该滤光片，测量信号被分解成波长光谱， 其中该滤光片连续调整包含在该波长光谱中的独立波长。由于每个波长在光谱方面具有不同的强度，所以以该方式间接产生照射到热探测器上的不同强度，其中该热探测器发出由于改变的强度而导致的相应的输出信号；该输出信号分谱地分解该测量束。因此，不需要使用震动敏感的机械配置来产生用于热探测器的交变信号。在实施例中，滤光片被实现为法布里-珀罗滤光片，该法布里-珀罗滤光片在热探测器之前或与热探测器一起被布置在光谱仪内。特别是当该光谱仪包括所有需要的部件时，诸如包括电可调整法布里-珀罗滤光片和热探测器时，相对小并且易于管理的光谱仪能够作为测量配置。尽管如此，这样的光谱仪覆盖大的光谱范围，其优点在于在要检测的不同材料之间的足够好的分辨率是可能的。在变体中，在测量束中，陷波滤光片、短通滤光片或长通滤光片被布置在光谱仪之前。这些不同的滤光片种类使得能够产生具有零强度的参考点。陷波滤光片是窄带阻滤光片，该窄带阻滤光片在测量光的光束路径的确定区域中阻挡所有的光。通过应用短通滤光片来截止要测量的光谱区域的长波端的一部分光谱范围。与之相反，通过长通滤光片来执行要测量的光谱区域的短波区域的减少。


本发明提供很多形式的实施例。现在将基于附图来更加详细地说明其中之一，其附图如下图1是用于执行本发明的方法的光谱仪的示意图；图2是通过借助图1中的光谱仪来测量放电所获得的光谱；图3是带有测量和参考信息的所测得的光谱；图4是在测量通道中具有陷波滤光片的实施例第一示例；图5是在测量通道中具有短通滤光片的实施例第二示例；图6是在测量通道中具有长通滤光片的实施例第三示例。
具体实施例方式图1示出了用于确定红外或中红外区域中的光谱的测量装置的示意图；该测量装置具有光源1。由光源1发射的光束2被馈送到光学探针3，该光学探针3在该情况下可以被实现为ATR探针。ATR探针是液浸(immersion)探针，该液浸探针浸入要测量的液体介质中，其中在ATR探针与要测量的液体介质的界面处完全反射、削弱由光源1发送的光束2，从而光束2的光谱被改变；作为测量束的反射光束通过滤光片5被馈送到光谱仪6。滤光片5 例如是陷波滤光片，该陷波滤光片是在测量光束的预定区域中的窄带阻挡滤光片。还可以使用短通滤光片来作为对这样的陷波滤光片的替代。在这样的短通滤光片中，截止要测量的光谱区域的长波端。与短通滤光片相反，长通滤光片限定了在光谱的短波端上的光谱区域的一部分。 在光谱的短波区域中的该位置中，在光束路径中实现强度=0。除了包括光束2、探针3、测量束4和滤光片5并且被馈送到光谱仪6的测量通道之外，在测量设备中存在平行于测量通道2、3、4、5进行延伸的参考通道。带通滤光片10被设置在该参考通道中，该带通滤光片10将同样来自光源1的参考束9滤光为极窄带，这意味着几乎只有一个波长的光通过带通滤光片10。该极窄带参考束9也被馈送到光谱仪6。法布里-珀罗滤光片7被布置在光谱仪6中，并且在其后设置了热探测器8。参考束9和通过滤光片5的测量束4同时碰撞光谱仪6的法布里-珀罗滤光片7。通过该法布里-珀罗滤光片7来对由测量束4递送的光谱内的波长进行电调整。在这样的情况下， 在大的光谱范围上进行波长的时间调制。在这样的情况下，获得差分光谱；除了积分常数之外，对该差分光谱进行积分得到绝对光谱。这样的光谱在图2中呈现，其中曲线A示出从在 ATR探针3之后的测量束4所测量到的原始光谱。在这样的情况下，曲线B示出了使用法布里-珀罗滤光片7从测量束4得到的并且在热探测器7之前记录的光谱。最后，曲线C示出了通过积分获得的光谱；曲线C与曲线A的原始光谱非常接近。为了强度的差测量，在测量束4的光谱的两个波长之间发生通过法布里-珀罗滤光片7进行的电子调制，其中该两个波长可以是该光谱的相邻波长，或者是彼此远离的光谱的波长。在这样的情况下，在两个波长之间迅速地来回进行切换，其中得到的热探测器的输出信号的振幅是对两个波长的强度差的度量。通过估算测量信号4的相位，可以确定两个波长中哪一个具有更高的强度。通过对具有波长和光谱位置的强度差的比较测量，能够确定绝对强度，该波长由参考带9递送并且其波长是已知的，该光谱位置由滤光片5以强度=0表征。在确立了积分常数之后，就可以进行关于光谱的实际绝对强度的推算。为了比较测量，并入了参考信号9。经由带通滤光片10将该参考信号9从光源1 直接传递到光谱仪6的第二输入。在这样的情况下，使测量信号4与参考信号9叠加，该测量信号4由滤光片5配备有强度=0的参考点。在这样的情况下，允许通过带通滤光片10 的参考信号9的中心波长必须位于滤光片5具有透射率(transmission) = 0的光谱区域中。以该方式，仅所使用的波长的参考光到达热探测器8，并且具有强度=0的测量信号4 中的忽略区域没有被参考信号9完全填充。因而仍然存在进一步获得强度的绝对测量的可能性。图3示出了具有测量和参考信息的测量到的光谱。在这样的情况下，相对于波长绘制了相对强度。在这样的情况下，参考信号9的参考带G仅在极窄带波长范围内具有强度，而其两侧强度=0。在光谱的其余曲线中，测量信号4与由热探测器8接收到的测量到的光谱相同，该测量信号4由于滤光片5的使用而在10到20之间的区域中具有零的强度； 该测量到的光谱由曲线H示出。因此，可以由光谱仪6来可靠地估算由曲线H表征的该测量到的光谱，其中可以实现关于测量光谱的绝对强度的信息。通过该配置，可以测量光源1 的光功率。因此，可以记录和补偿光源1的光功率的改变。滤光片的信号曲线以及参考信号的信号曲线在图4、图5和图6中示出，该滤光片在ATR探针的测量信号4中压入具有强度=0的波长。使其通过相应滤光片的波长信号由图4中的陷波滤光片的曲线D表征、由图5中的短通滤光片的的曲线E表征、并且由图6中的长通滤光片的曲线F表征。参考信号9的窄带参考带由字母G来标记。如从所有三个附图4、图5、图6中显而易见的，在这样的情况下，参考带G总是被布置在测量光4的强度等于零的光谱区域的区域中。因此，实现了强度与测量光4的光谱区域的波长的可靠关联。
权利要求
1.一种用于测量光学传感器的光谱、有利地在红外区域中的方法，其中，光束⑵照射到与要测量的介质接触的光学传感器C3)上，其中所述光学传感器C3)发射由于所述要测量的介质而改变的测量束；测量束(4)被馈送到热探测器(8)，所述热探测器(8)发出与所述光谱相对应的输出信号；其中，所述测量信号(4)的强度在照射到热探测器(8)上之前被调制，其特征在于通过调整包含在所述测量束(4)的光谱中的波长而发生测量束(4) 的强度调制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在不进行调制的情况下发射所述光信号⑵。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，仅调整所述要检测的光谱的波长附近的窄的第一区域、或者调整所述要检测的光谱的波长附近的更宽的第二区域。
4.如前述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，根据所述热探测器(8)所测量的两个波长的强度来确定差，并且所述差用于确定积分常数。
5.如前述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，在所述测量束的波长光谱中产生具有零强度的位置。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，窄带参考信号(9)优选地与所述测量束(4) 同时照射到热探测器(8)上。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述参考信号(9)由额外的光束形成，所述额外的光束在照射到热探测器(8)上之前进行带通滤光。
8.一种用于测量光学传感器的光谱、有利地在红外区域中的设备，其中，光源(1)所发射的光束( 照射到与要测量的介质接触的光学传感器C3)上，其中，所述光学传感器(3) 发射由于所述要测量的介质而改变的测量束G)，并且所述测量束(4)被馈送到热探测器 (8)，所述热探测器⑶发出与所述光谱相对应的输出信号；其中，改变测量束⑷强度的强度调制器(7)被布置在热探测器(8)之前，其特征在于，所述强度调制器包括具有可调整波长的滤光片(7)。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，滤光片(7)是具有电可调整波长的法布里-珀罗滤光片；滤光片(7)被布置在光谱仪(6)之前、或者与所述热探测器(8) —起被布置在所述光谱仪(6)中。
10.如权利要求8或9所述的设备，其特征在于，在测量束(4)中，陷波滤光片、短通滤光片或长通滤光片被布置在光谱仪(6)之前。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量光学传感器光谱的方法和设备，其中光束(2)照射到与要测量的介质接触的光学传感器(3)上，其中光学传感器(3)发射由于要测量的介质而改变的测量束(4)，并且测量束(4)被馈送到热探测器(8)，该热探测器(8)发出与光谱相对应的输出信号；其中测量信号(4)的强度在照射到热探测器(8)上之前被调制。为了提供成本有效的不受震动影响的具有长使用期的测量设备，通过调整包含在测量束(4)的光谱中的波长而发生测量束(4)的强度调制。
文档编号G01N21/25GK102539342SQ201110430288
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者哈孔·米克尔森, 拉尔夫·伯恩哈特 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔测量及调节技术分析仪表两合公司