专利名称：适配于光谱分析的装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种适配于评估电磁辐射的装置(arrangement)。更具体地，本发明涉及一种适配于波长的光谱分析的装置，其中结果是有可能以 简单和划算(cost effective)的方式光谱地分析关于其波长紧密相邻的谱元素(element) 和/或波长成分(component)的光强。本发明的实际应用将在下文中结合气量计进行更透彻的描述，以便确定适配于所 述评估的气体样品的发生和浓度。这种气体适配的装置然后展现适配于电磁辐射的光发射构件；空腔，用作气体 样品的测量单元和测量路径且预计(intended to)能够限定针对所述测量有效的光学测量 距离；光感测构件，适配于感测从所述光发射构件经过(pass)所述光学测量距离的所述电 磁辐射的辐射；以及适配于执行光谱分析且至少连接到所述光感测构件的单元。感测电磁辐射的所提及的构件光电地适配为对预计落在某光谱区域内的电磁辐 射是敏感的，该光谱区域的选择波长成分或谱元素变成在执行光谱分析的所述单元中的分 析对象以确定谱元素的辐射的相对强度。在这种技术领域内，此处分配和使用先前已知的光发射构件和光感测构件以及执 行光谱分析的单元和与之连接或有关的且呈现结果的显示单元，且因此这些构件、单元和 显示单元在本申请中将不是关于结构组成的更具体研究和阐述的对象。
背景技术：
与上述的技术领域和本质有关的方法、装置和结构在多个不同实施例中是先前已 知的。作为本发明涉及的技术背景和技术领域的第一示例，可以提及一种适配于气体样 品的光谱分析的装置，该装置具有适配于电磁辐射的光发射构件；限制空间，具有空腔形 式，用作测量单元且预计能够限定光学测量距离或路径；光感测构件，用于从所述光发射构 件经过所述光学测量距离的所述电磁辐射；以及执行气体样品的光谱分析、至少连接到光 电检测器形式的所述光感测构件的单元。感测电磁辐射的所述感测构件光电地适配为对预计落在某光谱场内的电磁辐射 是敏感的，该光谱场的选择波长成分或谱元素变成在执行光谱分析的单元中的分析对象以 便在该单元内确定相关波长部分的谱元素的相对辐射强度。此处参考美国专利US-5，009，493-A、德国专利DE-4 110 653-A1，美国专利 US-5, 268，782-A 以及美国专利 US -4，029, 521-A。作为此处指示的装置和分析气体样品的更具体第一示例，参考国际专利申请 No.PCT/SE99/00145 (W0 99/41 592)的内容，该申请包含一种制作适配于气体传感器的检 测器的方法以及以此方式制作的检测器。作为此处指示的装置的更具体第二示例，参考公报号WO 97/18460的国际专利申 请的内容。
作为此处指示的装置的第三具体示例，参考公报号WO 98/09152的国际专利申请 的内容。另外，参考公报号WO 01/81 901的国际专利申请的内容。考虑与本发明相关联的特性，可以引用不同种类的光学带通滤波器。因此，已知以直角向带通滤波器提供具有大波长区域的电磁或光学辐射且在滤 波器中创建允许选择的窄波长区域经过到达光电检测器的条件，以便通过该检测器暴露 (expose)或确定待评估的窄波长区域或带的强度。这种带通滤波器还可以提供有从所述直角偏离的角度区域内的电磁辐射或光学 辐射，且这种带通滤波器因而构造和/或设计为创建允许另一选择窄波长区域或带通过的 前提。这种带通滤波器因而将能够提供依赖于选择入射角的波长通过(passage)以及提 供进入且通过所述带通滤波器的辐射的传输。当考虑本发明的显著特征时，要提及专利公报JP-7 128 231-A的内容。该专利公报公开了红外气体传感器的构建，且专注于提供这种红外气体传感器 其具有简单结构且能够在监控待检测的空间中的干扰气体的产生和增加的同时检测待检 测的气体的产生和增加。这种构建利用了如下属性最大化干涉滤波器(6)的传输的波长取决于入射角， 待检测的气体的产生和增加通过使用垂直入射到干涉滤波器的光(12)来检测，且干扰气体 的产生和增加通过使用以入射角入射到干涉滤波器(6)上的光(13)来检测。使用的光检测器(7、8)均接收其波长且这两个波长通过电路(9)被组合(彼此相 加)成单个波长，以在单元(10)中进一步实施。现有技术还包括用于测量高分辨率测量系统中的波长变化的方法和设备 (US-2004/0 057 041-A1)。更具体地，该专利申请涵盖用于测量辐射源的波长相关特性的方法和设备。两个射束以不同的角度穿过基本相同的滤波器，这产生在功率和/或温度变化方 面行为类似的两个不同的输出信号(132、136)。在各个实施例中，两个射束(106、107)通过单个滤波器的两个部分进行滤波。衍射光栅可以安装到滤波器上以将入射辐射分成第一和第二射束。这些射束因而 以不同角度穿过滤波器，以产生可以组合以补偿共模误差以及功率变化的两个输出信号。可以实现极小的尺寸和高分辨率且还可以使用单个或多个检测器。还可以基于直接温度测量或基于从通过滤波器的两个附加射束得出的输出来补 偿滤波器温度灵敏度，所述滤波器具有与用于前两个射束的滤波器不同的温度依赖性。备选地，可以物理地调节射束穿过滤波器的角度以补偿温度变化。

发明内容
技术问题
如果考虑这样的情形，即相关技术领域的技术人员为了提供对一个或多个所确立的技 术问题的解决方案而必须实施的技术考虑一方面最初必须洞察到将要采取的措施和/或 措施的顺序，且另一方面必须选择必要构件，鉴于此，以下技术问题在形成本发明的目标时应当是相关的。考虑到先前技术立场，如上所述，因此应当必须把能够理解与在适配于光谱分析 的装置中将所需的技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性看成是一种技术问 题，所述装置提供一种简单和划算的在一般应用中光谱地分析来自一个且相同的带通滤波 器的电磁辐射或光辐射的强度且在特定应用中的有限范围内分析气体样品的方式。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，在稍后应用中将需要该技术措施和考虑且需要该技术措施和考虑用于分析气体样品， 使这建立在一种装置的基础上，该装置具有空间，具有空腔形式，用作适配于电磁辐射的 光发射构件的测量单元，且具有空腔形式，用作测量单元且预计能够限定通过气体样品的 光学测量距离或路径；光感测构件，用于感测从所述光发射构件经过所述光学测量距离的 所述电磁辐射；以及至少一个连接到所述感测构件的单元，实施光谱分析，其中感测所述电 磁辐射的所述光感测构件光电地适配为对预计落在(波长成分或)光谱区域或带内的电磁 辐射是敏感的，该光谱区域或带的选择谱元素变成在执行光谱分析的单元中的分析对象， 以便在该单元中确定了谱元素的辐射的相对强度且在显示单元或对应构件上显示后者，并 且公开一种装置，其中有可能能够以简单和划算的方式光谱地分析在波长方面彼此靠近的 成分的强度或者包含不同波长的光或电磁光簇(cluster)的谱元素的强度。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑以具有关于测量的信号强度彼此的相互关系，且在这种情况 下仅对于特定和靠近的波长成分和/或谱元素将需要该技术措施和考虑。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得有限的光谱分析适配于气体分析和气体浓度测量内的 测量技术，其中需要特定的“光谱签名”或“信号印记(imprint)”以使得它们变成物质唯一 识别和/或内容确定的基础。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得少量波长特定测定点或谱元素(但每种物质至少一个 波长点)变成识别和/或监视的对象。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来根据非分光红外技术(非分光红外或NDIR技术)利用电磁带 通滤波器以能够创建固定预定波长的测量信号。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得所提及的电磁辐射适配为经过所述光发射构件和所述 光感测构件之间的适配光学带通滤波器。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得这种带通滤波器被构造且构建为能够在大波长区域内 传输光发射构件产生和发射的电磁辐射中提供依赖于入射角的波长。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑以在该时刻使得该带通滤波器通过其结构且通过选择入射角 或类似参数而适配为在一个且相同的发射电磁辐射内分离第一选择谱元素或第一波长成 分与第二选择谱元素或第二波长成分。
在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得所述单元适配为能够电检测发生的属于多于一个波长 成分和/或多于一个谱元素的辐射强度。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑以与所述带通滤波器相邻布置界定发射电磁辐射的色散角的 开口或窗口。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得在辐射的方向上计(counted)，所述开口或窗口定向在 利用的带通滤波器之前或之后。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得光学(电磁)带通滤波器适配为能够使入射和发射的光 学或电磁辐射偏转到针对窄波长成分和/或光谱元素的至少两个不同的光学和预定向外 落(outwards falling)角或出身寸角。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得针对窄波长成分及其辐射的所述向外落角或出射角与 入射电磁辐射的主角准确相关，所述入射电磁辐射通过其相关检测器而变成在执行光谱分 析的单元内的分析对象。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得一个且相同的带通滤波器适配为接收发射的一个且 相同的光发射和入射电磁辐射，在该电磁辐射中包括至少两个不同的选择波长成分或谱元
ο在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得预定数目的带通滤波器被适配为使得每一个接收其或 相同的发射电磁辐射，在该辐射或多个辐射内暴露至少两个不同的波长成分或谱元素。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来指示针对辐射的每个或每个选择的向外落角或出射角的光 电检测器的存在，所述检测器适配在其相关联的用于执行光谱分析的单元中以分析其电相 关联的波长成分或其相关联的谱元素。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来选择对于光学干涉有效的滤波器作为所述光学带通滤波
ο在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得与执行所述光谱分析的所述单元有关的所述开口或窗 口、所述带通滤波器和/或被包括通道与一个且相同的接收和/或感测光信号的构件协作 (coordinate)。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得所述开口或窗口、所述带通滤波器和所述通道与一个 且相同的分立光接收器单元协作。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问题，将需要该技术措施和考虑来使得这种接收器单元采取混合单元形式。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得整形为空腔、测量部分和/或光学测量距离的所述限 制空间在光发射构件和光感测构件或检测或光接收器部件之间与笔直的或其他外部形状 相关联。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得给予第一分立单元形式的光发射构件和给予第二分立 单元形式的光感测构件适配为与中间孔径形状局部部分配合，该中间孔形状部分具有入口 和出口、用于感测气体样品的介质以及用于分析的单元。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得预计用于感测和/或分析的介质由呼出空气组成且其 中选择的感测构件和/或分析单元可以被引导以确定乙醇或对应气体结合药物的存在和/ 或相关浓度。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑以便确定二氧化碳(CO2)的瞬态发生的浓度。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得限制空间面对光感测构件的端部展现反射电磁辐射的 表面部以将辐射部分倾斜地偏转向一个或多个外部设置的带通滤波器和/或位于所述限 制空间之外的波长显著检测器。在能够理解技术措施和考虑和/或与其有关的优点和其重要性方面存在技术问 题，将需要该技术措施和考虑来使得电磁辐射或光射线(窄光射线射束)或者选择的光射线 量适配为直接从光发射构件指向光电检测器而其他光射线被指向其他光电检测器。解决方案
本发明以通过介绍提及的已知技术作为起点且基于根据权利要求1的前序部分或者 备选地根据权利要求2的前序部分的适配于光谱分析的装置，该装置具有适配于电磁辐射 的光发射构件。除了所述光发射构件之外，所述装置用于另外分析气体样品以指示限制空间，具 有空腔形式，用作预计用于气体样品的测量单元且预计能够限定光学测量距离或路径；光 感测元件，用于从所述光发射构件经过所述光测量距离的所述电磁辐射；以及单元，至少连 接到所述光感测构件，执行光谱分析，其中感测所述电磁辐射的所述光感测构件适配为对 预计落在某光谱区域内的电磁辐射是敏感的，该光谱区域的选择波长成分和/或谱元素变 成在执行光谱分析的单元内的分析对象以使得在该单元内确定波长成分或谱元素的相对 辐射强度。为了解决上述的技术问题中的一个或多个个，本发明更具体地指示通过使得所述 发射的电磁辐射在所述光发射构件和所述光感测构件之间适配为使频率和/或波长通过 适配的光学带通滤波器来补充所提及的已知技术，其中所述带通滤波器被构造和/或设计 为能够在所述发射构件产生的电磁辐射的传输中提供依赖于入射角的波长。该带通滤波器被适配为使得在发射的电磁辐射内将第一选择波长成分或窄区域 或第一选择谱元素与第二选择波长成分或窄区域或第二选择谱元素分离某波长，且所述单元适配为能够经由光电检测器检测针对多于一个这种谱元素的或来自其的发生的辐射强度。因为提出的实施例落在本发明的基本概念的框架内，它另外指示与所述带通滤波 器相邻设置界定发射的电磁辐射的色散角的开口或窗口。进一步指示，在辐射的方向上计，所述开口或窗口应当在传输的方向上计被紧接 定向在光学带通滤波器之前或之后。此处光学带通滤波器适配为使得入射电磁辐射以电磁辐射的至少两个不同预定 向外落角或出射角偏转。适配于所述角的电磁辐射的所述向外落辐射然后与用于入射辐射的相关联主角 有关，该入射辐射变成在执行光谱分析的单元内的分析对象。更具体地，指示了一个且相同的带通滤波器适配为接收一个且相同的电磁辐射， 至少两个不同波长成分或谱元素落在该电磁辐射内。在提出的实施例中，更具体地指示，预先选择的很多带通滤波器可适配为接收独 立发射的电磁辐射，至少两个不同波长成分或谱元素落在该电磁辐射内。对于针对辐射的每个或者每个选择的向外落角或出射角，存在光电检测器，该光 电检测器则适配为使得在执行光谱分析的其单元中分析其相关联的且由单元接收的波长 成分或其相关联的谱元素。可以有利地选择基于光学干涉的有效滤波器作为所述光学带通滤波器。与执行光谱分析的所述单元有关的所述开口或窗口、所述光学带通滤波器和/或 入射通道与接收和/或感测一个且相同的信号的构件协作。所述开口、带通滤波器和所述通道然后可以与一个且相同的接收器单元协作。接收器单元然后将具有混合单元的形式。整形为空腔、测量单元和/或光学测量距离的所述界定空间可以有利地与光发射 构件和光感测构件或接收器部分之间的笔直和/或光反射形状和延伸相关。光发射构件整形为第一分立单元而光感测构件形成为第二分立单元，其适配为与 中间孔径形状局部部分配合，该中间孔径形状部分具有针对预计用于感测和分析的介质的 入口和出口。预计用于感测和/或分析的单元则可以优选地基于气体样品，该气体样品可以包 含人的呼出空气，且其中通过检测器中的感测和/或单元中的分析，引导或确定气相的呼 出气体所处理的乙醇或对应药物的发生和/或浓度。如在空气或者呼出区域中的二氧化碳(CO2)的发生和浓度的评估也落在本发明的 范围内。界定空间面对光感测构件的端部展现表面部，该表面部反射电磁辐射以将电磁辐 射的角度倾斜地改变到相邻带通滤波器。光的射线(以辐射的窄电磁簇的形式)或者光射线的选择部分可以有利地适配为 从光发射构件直接以直角指向光电检测器。优点
为表征本发明和从而分配的特定显著特性而必须主要考虑的优点是由此为适配于光 谱分析的装置创建了前提，该装置具有适配于电磁辐射的光发射构件；空间；用于来自所述光发射构件的所述电磁辐射的光感测构件；以及至少连接到所述感测构件且执行光谱分 析的单元，其中感测光电辐射的所提及的构件适配为对滤波器敏感，该滤波器使预计落在 某光谱场或区域内的电磁辐射经过，该光谱场或区域的选择波长成分和/或谱元素变成在 执行光谱分析的单元中的分析对象，以在该单元内通过不同计算来确定谱元素的相对辐射 强度、确定所述光发射构件和所述光感测构件之间的所述发射的电磁辐射适配为能够经过 适配和/或构建的光学带通滤波器，其中该带通滤波器构造为能够提供依赖于入射角的波 长以传输从所述光发射构件产生和发射的电磁辐射。该单个带通滤波器因而适配为将第一选定波长成分和/或第一选择谱元素与第 二选择波长成分和/或第二选择谱元素分离，且所述单元适配为能够针对多于一个波长成 分或谱元素单独检测和计算发生的波长成分的强度或辐射强度。为表征本发明而必须主要考虑的内容在所附权利要求1和权利要求2的特征部分 中公开。


为了参考附图进行例证，现在将描述说明与本发明相关联的显著特性的目前提出 的实施例，其中
图1示出用于在利用具有光发射构件、适配于气体样品的界定空间、光接收构件以及 相关联的显示单元的NWR技术时测量气体的原理，
图2示出单通道测量(单射束NWR技术)中的已知接收器单元或光感测构件的原理， 图3示出双通道测量(双射束NWR技术)中的已知接收器单元或光感测构件的原理， 图4示出利用二氧化碳传感器且通过使用不同时隙“tl”接着是“t2”或者相同时隙的 差分吸收测量的双通道测量中的应用的曲线图，其中χ轴被分配对应于l/λ的值，(CO2吸 收谱，具有用于标准双波长NWR CO2监控的两个滤波器曲线)，
图5示出通过基于时间对干涉滤波器进行选择性电扫描的双通道测量的原理(“tl”接 着是“t2”且接着是“tl”)，
图6示出通过基于不同时隙对干涉滤波器进行选择性热扫描的双通道测量的原理， 图7示出根据本发明的具有两个相邻布置的光电检测器的感测构件或光接收器构件 的示例，
图8示出预计用于NDIR-技术的干涉滤波器的波长传输的角度依赖性的曲线图，(作为 使用窄带通滤波器的典型NWR气体检测，中心波长偏移)，
图9示出使用二氧化碳传感器且通过差分吸收测量的双通道测量中的典型应用的曲 线图，(NWR单滤波器双波长(X)2气体感测，具有用于C02监控的标准4.沈μ m Cff滤波器的 滤波器曲线)，
图10示出与本发明有关的具有两个光检测器的光学装置，
图11示出本发明用于评估二甲基乙烷(DME)与丁烷的应用的曲线图、(碳氢分化)， 图12a以多于两个的相邻分析波长且以放大的视图说明本发明的实施例的示例，其中 发射的电磁辐射能够通过带通滤波器而分布到4个光感测构件中的每一个，图12b示出这 种4个光感测构件的备选方案，
图13说明本发明用于区分碳氢化合物的各种特定气体成分检测的应用的曲线图，(NDIR单滤波器三波长气体感测，具有用于HC监控的标准3. 46 μ m Cff滤波器的滤波器曲 线)，以及
图14说明用于接收其光射束和其波长的以并排关系相邻定向的两个光感测构件的定向。
具体实施例方式首先应指出在关于目前提出的实施例的以下说明书中，我们选择了措词和特定 术语以便主要阐明本发明的基本概念，其中所述实施例展现与本发明有关的显著特性且将 借助于附图中示出的图1至14来阐明。然而，在这点上应当注意，此处选择的术语不应被看成是仅限于此处所利用和选 择的措词，且应当理解，每个由此选择的措词要被解读为使得它另外将能够包含以相同或 基本相同方式起作用的所有技术等效物，以便从而能够实现相同或基本相同的目的和/或 技术结果。因而，参考附图，示意性地且详细地示出本发明的基本前提，且其中与本发明有关 的显著特点通过现在提出的且在下文中更具体描述的实施例来具体化。因而，图1示意性地示出适配于光谱分析的装置“A”的原理，该装置具有针对具 有大波长间隔的电磁辐射“S”适配的光发射构件单元10 ；以及界定空间11，具有空腔形式， 用作适配于气体“G”样品且预计能够限定光学测量距离“L”的测量单元或测量路径。而且，说明了针对从所述光发射构件10经过所述光学测量距离“L”的所述电磁辐 射“S”的光感测构件12，以及执行光谱分析的单元13通过线121至少连接到所述光感测构 件12且其中包括光电检测器!3b、3b’。而且，感测电磁辐射“S”的所提及构件12及其相关联的检测器!3b、3b’应当适配 为对预计落在光谱区域内的电磁辐射敏感，所述光谱区域的选择波长成分或者谱元素是在 执行光谱分析的单元13中的分析对象，以用于主要在该单元13中计算和确定谱元素的相 对光辐射强度。应当注意，仅仅为阐明目的，在图1中光发射构件10和光接收构件12示为稍微 远离界定空间11。在所述光发射构件10和所述光感测构件12之间的所述发射的电磁辐射“S”被适 配为允许传向且选择性地传到适配的带通滤波器，诸如光学带通滤波器14。这种带通滤波器14被构造和/或设计为能够在所述光发射构件10产生的电磁辐 射“S”的传输中提供依赖于入射角的波长。这种带通滤波器14因而被适配为根据选择的入射角来分离(图7)指向检测器北 的第一选择谱元素如和指向检测器3b’的第二选择谱元素4b，且另外，两个光电检测器北 和3b’都连接到所述单元13，该单元适配有能够检测多于一个这种谱元素的发生的辐射强 度的模块。单元13 (图1)执行光谱分析且展现被电磁辐射“S”控制且被中央单元1 激励 的发射器模块13a以及也通过所述线121连接到中央单元13b的很多信号接收模块13c、 13d 和 13e。在电路13f上，经由光发射构件10发送的信号即电磁辐射“Sa”可以与光感测构件12中接收的电磁辐射“Sb”进行比较。为此，使用线101和线121。中央单元13b中评估和计算的结果然后可以作为曲线图1 被传递到显示单元 15。更具体地，图1说明了用吸收容器(cuvette) 1的应用，其中借助于电磁辐射“Sb” 被分析的气体“G”位于该吸收容器1中，或者视为光辐射束4要被分析，其中辐射“Sa”由 发射器单元2发射且由电光检测器单元3接收。该光发射器单元2然后可以由辐射源加(构件10)和协作准直器2b组成，该准直 器2b的目的是尽可能有效地聚集以其辐射束4发射的辐射“Μ”且将其引导通过吸收容器 1的长度到检测器或接收器单元3。发射器单元2可以采取玻璃灯泡(该玻璃灯泡填充有气体或者排出气体)中的炽热 丝的形式，即具有明确发射谱的、白炽灯或通过硅技术及微机械(micromechanics)制作的 薄膜上或陶瓷基板上的加热电阻器或发光二极管。根据本发明的指导，发射器单元2发出辐射束4的发射“Μ”，该辐射束4至少必须 包括其强度在图1中的独立检测器北、3b’(以及图7的检测器!3b、3b’)中被光电检测且在 单元13中被评估的所有波长。然后可以根据选择的应用、选择的测量准确度、其中测量气体“G”可以期望经由负 压或正压被聚集的方式等，以不同的方式设计吸收容器1。在某些应用中，吸收容器1可以同时包含机械底座la，光发射器单元2和光接收器 单元3刚性地紧固到该机械底座la。接收器单元12的检测器!3b、3b’适配为产生电信号，所述电信号依赖于光电波长 并且稍后使其成为用于执行光谱分析的单元13中的计算分析的对象。这种单元13在本技术领域中是公知的且因此不做详细描述。所述单元13预计计算示出相关气体浓度和/或气体和/或气体混合物的结果。为了能够提供增加的必要测量灵敏度，诸如为了延伸测量距离或吸收距离“L”的 长度，这可以通过各种光学装置来实现，诸如通过在使用的测量单元或限制空间11内的多 次来回通过(所谓的多次经过单元)而实现。为了进一步能够收集反射器或准直器2b不能在期望和正确的方向上准直的射线 的发射电磁束4，有可能利用吸收单元，其具有已知方式的镜像内表面la’且其几何形状设 计为使得作为波导把来自发射器单元2的光束向前带到接收器单元3。图2现在示意性地说明适配于单通道测量的已知光接收器单元3，其中发射的入 射光射线4由干涉滤波器3a进行光学滤波，在该示例中该干涉滤波器3a安装为与封装3’ 中的开口(孔径)3i结合用作接收器单元3的封装3’上的窗口，使得仅在极窄且明确光谱 间隔内的电磁辐射或光射线如经过滤波器3a且到达对该辐射敏感的光电检测器北。开口 3i具有空间滤波的功能，即仅让与来自发射器单元2的方向一致的电磁辐射 4a进入检测器元件北并且抑制来自其他方向的光和辐射，否则来自其他方向的光和辐射 将能够不利且干扰地影响单元13中的计算结果。因此，壁la’而且包含对环境以及对接收单元3结构的屏蔽。检测器元件北可以是光二极管、量子检测器、热电检测器的类型或者用于光电转 换的热检测器的另一形式。CN 102132144 A
说明书
10/13 页重要的是，图2中的光电检测器北具有产生某一种类或某一形式的电信号的能 力，该电信号的大小和形状依赖于且对应于在其频率间隔内经过滤波器3a的辐射如的强度。通过示出的电连接3c、3c ’，这些电信号转递到光接收器单元3的两个测量连接3d 和!Be，单元13中的后续放大级(未示出)和/或其他电子/计算机处理将来自所述连接的 测量信号提炼为最终结果，该结果可以被评估且在显示单元15上作为曲线图1 可见。如果基于NWR技术实施气体测量，则滤波传输如的波长被选择为与测量其气体 浓度的物质的吸收波长特性一致。图3现在示意性地示出用于双通道测量的已知接收器单元3，且除了结合图2所示 出和描述的之外，该接收器单元3还提供有附加开口 3i’、开口 3i’后的干涉滤波器3f以及 相关联的独立光电检测器元件北和3b’。滤波器3f此处选择为具有不同于滤波器3f ’的另一传输波长4b，且因此选定光射 束4b将具有与选定光射束如不同的波长。对应于转换的电可测量信号，连接器引脚:3h、:3e和3d上的信号分别用于波长4b 和4a，用于波长如的引脚3d、;3e提供关于瞬时光强的信息。如果测量通道之一用作信号中性波长的强度参考，则承受使测量信号121的精确 评估失真的风险的、电磁辐射(4) “S”或光射线“Sa”的向内辐射强度中的短时间变化可以 被完全调节和中性化。图4示出用于说明借助于差分吸收测量根据图3的二氧化碳传感器的双通道测量 中的应用的曲线图。选择干涉滤波器3f’的特性，使得其传输曲线图(4a)与测量气体的吸收区域(4c) (在这种情况下大约4. ^ym波长对应于二氧化碳)一致。图4中的尺度由l/λ的值限定。另一滤波器(未示出)可以选择为通过使其传输特性(4b)选择为位于没有气体吸 收发生或存在的区域(在该示例中为大约3. 39μπι波长)中来创建参考信号。通过最初使仪器校准且测量在不存在二氧化碳的情况下这些信号产生的信号商 (quotient)，测量系统可以以这种方式标准化且使其与射束的光束4的辐射强度中的变化 无关。发射器加的老化趋势以及光学系统11中的传输变化导致束4的强度随时间变 化，实际上正是其极大地限制了 NWR气量计的准确度且确立了重现(recurring)服务的要 求和重新校准的需要。与根据图2的单通道测量系统的系统相比，端子3cK3e和: - 之间的、气体吸收 信号和参考波长相关电信号之间的商的这种形成明显改善了该情况。图5现在说明通过在时间上选择的干涉滤波器北’和北的电扫描的双通道测量。NWR双通道测量的备选实施例是在这样的时候对于一个且相同的干涉滤波器 3b‘的传输波长可以借助于通过连接(未示出)而外部施加的控制信号进行电子变化。在不同的时间序列“ 11”和“ t2 ”中，具有波长如的辐射如(t 1)可以以时间间隔 “tl”发射，而具有参考波长4b的辐射4b(t2)可以以时间间隔“t2”发射。通过在这些不同的时间间隔期间交替地允许两个预定波长4a、4b经过，根据图4， 此后可以根据波长差分吸收测量的基本概念来形成信号商。
图5中的电子可控光学传输滤波器3b’可以用硅基工艺中的微机械来实现，其中 所谓的法布里-珀罗(Fabry-Perot)滤波器可以以如下方式向前蚀刻其一个镜表面变得 在微观尺度上可控地可位移，以便从而提供时间受控的法布里-珀罗干涉仪传输波长。此外，布置滤波器北’的机械旋转属于本发明的范围内。图6说明通过干涉滤波器3k的热或类似扫描的双通道测量。根据图6，此处说明另一概念通过利用简单的检测器单元北而不用与检测器北 相邻的任何波长选择滤波器并且结合如图4和5中的具辐射^(tl)和4b(t2)的脉冲束的 波长调制发射器单元2a，实现用于形成波长差分信号商的前提的创建。该发射器单元通过使用作为发射器单元加中的窗口或开口且与发射器相 邻的干涉滤波器3k而不是把滤波器安装成与接收器单元3相邻，实现波长分段的形成。结果是，通过使用其反射率具有基本温度依赖性的金属氧化物，可以创建温度扫 描干涉滤波器3k，其中传输波长随滤波器3k的瞬态温度而明显变化。鉴于滤波器3k与功率递送发射器单元2 Qa)邻近，其将根据发射器单元2 Qa)的 输出而被加热到不同的平衡温度。发射器单元2和相关联辐射4的功率调制因而将在滤波器材料3k’中产生对应的 温度调制且因此产生发射光4的波长调制，发射光4的在时隙“tl”的极限波长值^(tl) 和在时隙“t2”的极限波长值4b(t2)提供用于基本上以如图5和6中说明的方式形成商的
■石出。现在将参考图7至12来描述与本发明有关的特定性质。图7的目的是说明光接收器单元3，展现与本发明有关的性质或特征。更具体地，图7的目的是示出接收器单元3，该接收器单元3可以被认为是图3中 示出的实施例的简化，因为在该结构中不包括滤波器单元3f而仅包括滤波器3f’。不过，此处示出的其两个相关联的检测器元件北、3b ’均通过一个相同的滤波器单 元3f ’来接收独立辐射束如和4b，其中不同之处在于束射线4b在其传播方向上相对于 束射线4和束射线如的方向呈现角度4(a)。本身已知干涉滤波器的传输波长随偏离射线4朝向滤波器3f ’的法向入射束的入 射角(α)的增加而减小。这导致通过根据图7的装置可以创建如图3中的前提，且根据图4的曲线图中说 明的原理，该前提可以用于执行差分吸收信号测量，然而仅在一个时隙“tl”中进行。结果是，用于此的前提是，周围的光学器件被设计为使得至少特定部分4(a)中 发射的和(部分)准直的辐射4被偏转且以入射角“ α ”指向滤波器3f’。此处示出一种装置，其可以以划算的方式测量两个不同且分离波长的信号强度， 其中根据图7，一个单个滤波器3f’将比图3中示出的两个滤波器单元3f、3f’更划算。而且，结果是，针对波长差异所达到的精度将很大并且比实际/经济地可能用两 个不同光学滤波器单元(3f、3f’)所实现的更大。注意，针对光学滤波器的传输波长的容差的常用值是+/_1%，且在购买时两个滤波 器单元之间的传输波长的差异具有+/-2%的工作波长不确定性，结果是用于根据本发明的 装置的对应值典型地是上面针对传输波长公开的值的+/-10%。图8的目的是以曲线图说明预计用于NWR气体测量的典型干涉滤波器的传输波长的角度依赖性。该图示应当不言而喻，但是说明了用于改变例如45°入射角时的传输波长的典型 值相对于法向光入射时的标称值约是传输波长的3%且具有约为0. 3%的最大不确定性。图9以曲线图说明根据本发明的指导、通过差分吸收测量的二氧化碳传感器的双 通道测量的应用。在具有根据图8的具有标准特性的干涉滤波器的NDIR气体传感器中应用如图7 中的根据本发明的装置提供了信号或滤波器特性Ga)和(4b)，该信号和滤波器特性满足 用于根据双通道测量原理的二氧化碳(4c)的差分NWR吸收测量的基本条件。曲线图的尺寸或包络指示气体浓度的幅值。图10说明根据本发明的原理的进一步光学装置“A”。与图1的NWR实施例相比较，此处指示光接收器单元3被图7中更具体示出和 描述的结构代替，但稍微向上移动或位移，目的是使得下检测器元件北直接被在测量单元 1的上半部分内经过的光射束或光束4e Ga)照射。最上的检测器元件北’则将被经过测量单元1的下半部分但是通过引入小反射镜 表面5而向上朝向检测器3b’倾斜的光射束或者光束4cK4b)照射。此处，与光束4d的原始传播方向相比，镜面5以“ α /2”的角度安装，使得朝向干 涉滤波器3f’的入射角将具有装置所期望的值“ α ”，看上去源于图10的底部的发射器单元 2a' (10’)的虚拟说明2’’。对于可以产生对光接收器单元3和其检测器!3b、3b’所需的入射角的装置“Α”及 其变型，存在很多可能的解决方案。参考图11，说明能够区分二甲基乙烷(DME)与丁烷的应用示例中的曲线图。此处说明其中可以通过检查DME混合物来测量燃料性质的方式。根据本发明的指导，这可以实现且可以通过在3. 56μπι和3. 45 μ m的波长对的差 分吸收测量(4a)、(4b)而应用于过程监控中。图1 说明根据本发明的装置“A”的实施例，且其可以评估多个(多于两个)彼此 即将(at hand)靠近或相邻的分析波长。此处提及，(与束如有关的)多个波长如、41^41^可以分离，且如图12所示，形 成和使用特定光接收器单元3。装置然后可以同样包含许多光电单元或检测器单元!3b、3b’ "Ibi作为选择波长， 其中所有检测器成行地安装(检测器阵列)，使得基本不同的角度将照射它们所有中的每一 个。碳氢化合物的分析可以被认为是当可能需要若干紧密排列波长下的差分吸收测 量以具有能够分离与混合气体结合的不同碳物质的可能性时的典型示例。图12b说明适配为能够辨别即将靠近的多个分析波长的光接收器单元3’的备选
实施例<此处示出了几何形状，其中波长选择滤波器3f’位于中央，但是在接收器单元3的 内倾斜。
封装3’对于波长4e及其部分4^41ν··41ν这然后可以引起各个检测器元件3b、3b，...
3b,之间的更均勻发光和/投射。
为了能够区分碳氢化合物的特定气体成分检测，图13以曲线图说明了本发明的应用。已知，在紧密相关的物质的吸收谱中存在微小差异且此处这以约3. 4μπι的波长 来例证。这应用于诸如乙醇、丙酮和辛烷的碳水化合物。结果是，难以用在利用半导体传感器和电化学测量单元中设计的已知气体测量原 理来分离这些物质。然而，结果是，根据本发明的引导，光谱区域Ga)、(4bl)和(4b2)中的吸收的差分 测量可以彼此辨别这些物质，检测哪个物质是相关物质且在测量单元中存在多少该物质部 分，尤其在装置“A”的测量单元11内每次仅暴露这些物质中的一个或少数物质的情况下。在相关联谱展现明显和/或差异的条件下且在装置作为其基础可以具有气体分 析(该气体分析包含多于两个测量通道(此处图7中说明)，诸如如图1 和12b中的3个、4 个、5个或更多)的情况下，在本发明的帮助下可以更精确地或较不精确地评估存在气体混 合物和若干可能气体的仍更复杂情况。光学带通滤波器3f’依赖于辐射“S”的选择入射角而适配为将每个入射电磁辐射 偏转到至少两个(往往更多)不同光学和预定出射角，其中所述出射角将与入射辐射4和在 执行光谱分析的单元13中经受分析的其部分如或如的主角相关。至少一个且相同的带通滤波器3f’被适配为接收至少两个不同波长成分或谱元素 落在其内的一个且相同的电磁辐射4。对于每个出射角或对于每个选定出射角，存在至少一个光电检测器!3b、3b’，其适 配为在执行光谱分析的单元13中通过计算而使其相关联的谱元素强度相对于发射的电磁 辐射4 (“S”)的强度得到分析。图14是说明在时隙“tl”期间用于接收其光射束4a、4b及其波长的以并排关系相 邻定向的两个光感测构件:3b、3b’的定向。距离“a”指示滤波器3f’表面和其狭缝3i之间的最小距离，与检测器3b’和北 的光感测表面之间的最小距离“b”相对。此处说明在中央单元13b中进一步实施信号接收模块13c和13d中的信号(3d、 3d)和(3h、;3e)的并行处理(tl)以促成信号曲线图，如图9、11和/或13中的(4a)和(4b)。通过延伸距离“a”，如图12a和图12b所示，可以引入比所示的两个更多的检测器。本发明当然不限于上面作为示例公开的实施例且可以在所附权利要求中说明的 发明概念的框架内经受修改。尤其应当注意，在能够实现所期望的技术功能的框架内，每个所说明单元和/或 电路可以与每个其他所说明单元和/或电路组合。
权利要求
1.一种适配于光谱分析的装置，所述装置具有适配于电磁辐射的光发射构件；空 间；和用于来自所述光发射构件的所述电磁辐射的光感测构件；以及执行光谱分析且至少 连接到所述光感测构件的单元，其中所述感测构件适配于通过被光电地适配为对预计落在 光谱区域内的电磁辐射敏感的检测器来感测电磁辐射，所述光谱区域的选定波长成分或谱 元素变成在执行光谱分析的所述单元中的分析对象从而在所述单元中通过计算来确定谱 元素的相对辐射强度，其特征在于，所述电磁辐射适配为以不同入射角经过所述光发射构 件和所述光感测构件之间的适配光学带通滤波器，该带通滤波器构造和/或构建为使得能 够提供依赖于入射角的波长以传输从所述光发射构件产生的电磁辐射，其中所述带通滤波 器在这点上适配为依赖于入射角使第一选择波长成分和/或第一选择谱元素与第二选择 波长成分和/或第二选择谱元素分离，第一和第二选择波长成分和/或选择谱元素均在其 光电构件或检测器中接收，且所述单元适配为能够单独检测和计算多于一个波长成分和/ 或多于一个谱元素的发生的辐射强度。
2.一种适配于光谱分析的装置，具有适配于电磁辐射的光发射构件；界定空间，具 有空腔形式，用作气体适配测量单元且预计能够限定光学测量距离；光感测构件，用于从所 述光发射构件经过所述光学测量距离的所述电磁辐射；以及执行光谱分析的单元，至少连 接到所述光感测构件，其中感测所述电磁辐射的所述提及的构件光电地适配为对预计落在 光谱区域内的电磁辐射敏感，该光谱区域的选择或选定波长成分或谱元素变成在执行光谱 分析的所述单元内的分析对象，使得在该单元中通过计算来确定谱元素的相对辐射强度， 其特征在于，所述电磁辐射在所述光发射构件和所述光感测构件之间被适配为允许经过适 配的光学带通滤波器，该带通滤波器构造和/或构建为使得提供依赖于入射角的波长以传 输从所述光发射构件产生的电磁辐射，其中所述带通滤波器适配为使第一波长成分和/或 第一选择谱元素与第二选择波长成分和/或第二选择谱元素分离以均在其光电构件或检 测器中接收，且所述单元适配于能够单独检测和计算多于一个接收波长成分和/或多于一 个谱元素的发生的辐射强度。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，与所述带通滤波器相邻或者在所述 滤波器内定位界定电磁辐射的色散角的开口或窗口。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，在辐射的方向上计，所述开口或窗 口定向在所述带通滤波器之前和/或之后。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述带通滤波器响应于相关入射角 而适配为将入射电磁辐射偏转到至少两个不同的电磁、光学和预定出射角。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述出射角与入射辐射的主角有关，所 述入射辐射变成在执行光谱分析的单元内的分析对象。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，一个且相同的带通滤波器适配为接 收至少两个独立谱元素落在其内的一个且相同的电磁辐射。
8.根据权利要求5、6或7所述的装置，其特征在于，预选的多个带通滤波器适配为每 一个接收其电磁辐射，其中该辐射被包括在至少两个独立谱元素中。
9.根据权利要求5、6、7或8所述的装置，其特征在于，对于与出射射束或射线相关联 的每个或每个选定角度，存在光电检测器，该光电检测器适配为通过提供的至少两个电信 号和计算而在执行光谱分析的所述单元中分析其相关联的谱元素。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，选择基于光学干涉的有效 滤波器作为所述带通滤波器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，与执行光谱分析的所述单 元有关的所述开口、所述带通滤波器和/或被包括通道与接收和/或感测一个且相同的信 号的构件协作。
12.根据前述权利要求中任一项尤其是权利要求11所述的装置，其特征在于，所述开 口、所述带通滤波器和所述通道与一个且相同的光接收构件协作。
13.根据前述权利要求中任一项尤其是权利要求11和12所述的装置，其特征在于，所 述接收单元被分配混合单元的形式。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，光发射构件和光感测构件 之间，整形为空腔、暴露测量部分和/或光学测量距离的所述界定空间被分配笔直和/或辐 射反射形状。
15.根据前述权利要求中任一项尤其是权利要求14所述的装置，其特征在于，光发射 构件整形为第一分立单元且光感测构件整形为第二分立单元，该第二分立单元适配为与中 间孔径状部分配合，该部分具有针对预计用于感测和分析的气体的入口和出口。
16.根据前述权利要求中任一项尤其是权利要求15所述的装置，其特征在于，预计用 于感测和/或分析的气体包含呼出空气，且选择的感测和/或分析是针对确定乙醇或对应 药物的存在和/或浓度。
17.根据前述权利要求中任一项尤其是权利要求15所述的装置，其特征在于，二氧化 碳(CO2)的浓度被评估且在显示单元上呈现为曲线图。
18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，界定空间面对光感测构件 的端部展现表面部，该表面部对电磁辐射进行反射以将传输的电磁辐射朝向一个或多个光 电检测器倾斜地偏转。
19.根据前述权利要求其中任一项尤其是权利要求18所述的装置，其特征在于，与选 择电磁辐射有关的光射线或光射束或者光射线或光射束的选定部分适配为从光发射构件 直接指向光电检测器。
全文摘要
一种适配于光谱分析的装置(“A1”)，具有光发射构件(10，2a)；界定空间(11)，具有空腔形式，用作测量单元且限定光学测量距离(“L”)；光感测构件(12)，用于检测从所述光发射构件(10)经过所述光学测量距离(“L”)的辐射(4)；以及至少连接到所述光感测构件(12)且执行光谱分析的单元(13)。使来自光发射构件的辐射射束以不同的入射角经过光学带通滤波器(3f)。该滤波器构建为使得依赖于入射角的波长经过。把第一选择波长成分与第二波长成分分离，该第一和第二波长成分均在其光电构件(3b，3b’)中接收。所述单元适配于检测和计算每个这种波长成分的发生的辐射强度。
文档编号G01N21/61GK102132144SQ200980133231
公开日2011年7月20日 申请日期2009年6月10日 优先权日2008年6月30日
发明者G. E. 马丁 H. 申请人:空气传感公司