開路式氣體檢測器的制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本教導涉及用于開路式路徑氣體檢測的裝置以及方法。
[0002]發明背景
[0003]使用非色散紅外光譜法來檢測碳氫化合物氣體是公認的。這本質上涉及沿著受監測的區域中的路徑使紅外輻射透射；選擇紅外輻射的波長，使得其由所關注的氣體(在下文中稱作“目標氣體”)所吸收，但是大體上不由受監測的區域的氛圍中的其它氣體吸收。測量已沿著受監測的區域中的路徑穿過的輻射的強度且輻射的強度上的衰減給出受監測區域中的目標氣體量的測量。
[0004]然而，除了由目標氣體的吸收之外的因素還使紅外輻射衰減，所述因素包括檢測束的遮蔽，輻射的大氣散射，(例如)由灰塵或冷凝造成的透鏡表面的污染和組件的老化。通過使用參考波段來明顯改善紅外氣體檢測器的可靠性；此參考通常是不同波長下的紅外輻射，所述波長理想的是目標氣體并不展現明顯吸收的波長。可以使用多于一個參考波長下的輻射；同樣地，可以使用多于一個目標波長。測量目標氣體確實吸收的(若干)波長((若干)“樣本”波長)下獲得的信號與目標氣體不明顯吸收的(若干)波長((若干)“參考”波長)下獲得的信號之間的比率更準確地測量由環境條件引起的衰減，這是因為在大多數情況下，(若干)參考波長下的信號和(若干)樣本波長下的信號將都類似地受使輻射衰減的效果(除了目標氣體的存在之外)所影響。
[0005]通常，在筆直束路徑的相對端存在單獨發射器和接收器單元。或者，組合發射源和接收器且束在測量路徑的遠端從回射器彈開。為了便攜使用，已制造使用具有適合自然反照率的遠程物鏡來代替回射器的檢測器。所選氣體(或氣體類)的存在從束中的適合紅外波長的其吸收檢測。測量路徑中的雨、霧等等還可減小接收信號的強度，所以通常在一個或多個參考波長下進行同時測量。接著從測量和參考波長下的信號損耗的比率改變推斷由束攔截的氣體的量。通常通過微處理器執行計算，所述微處理器還執行多種檢查以驗證測量且防止假警報。
[0006]當前開路式氣體檢測器使用包括分束器的成像光學系統以為各個檢測器提供信號，其中各個檢測器具有專屬帶通干涉濾波器以允許適當波長透射至預期檢測器。在使用分束器的這個布置中，因為一半束發送至各個檢測器，所以各個信道中信號損耗是50 %。這個布置對雙光信道之間的略微不對準具靈敏性而可導致兩個檢測器上的非均勻圖像和錯誤氣體確定。因為不能在未對準光電二極管上準確地接收輻射，所以光學發射器與接收器之間的對準上的即使微小改變(< 0.1度)或部分束阻擋可導致不正確執行。
[0007]所需要的是改善型開路式路徑氣體檢測系統，其允許不能忍受發射器和接收器的較大對準誤差以及發射器和接收器的部分束阻擋的操作。
[0008]附圖簡述
[0009]附圖(其包含在說明書中并構成本說明書的一部分)圖示了本教導的實施方式并與【具體實施方式】一起用于解釋本教導的原理。在圖中:
[0010]圖1是根據本公開的實施方式的開路式路徑氣體檢測系統的示例示意性表示。
[0011]圖2更詳細地示出了根據本公開的實施方式的包括具有WDM濾波器的成像系統205的接收器單元110的示例組件。
[0012]圖3示出了根據本公開的實施方式的包括具有分束器的非成像系統305的接收器單元I1的示例組件。
[0013]圖4示出了圖3的接收器單元110的非成像系統305中的某些組件的特寫。
[0014]圖5示出了根據本公開的實施方式的包括具有WDM濾波器的非成像系統505的接收器單元110的示例組件。
[0015]圖6示出了圖5的接收器單元110的非成像系統505的某些組件的特寫視圖。
[0016]圖7示出了圖3和圖5的非成像光學系統的某些組件的特寫視圖。
[0017]圖8示出了類似于圖3和圖5的接收器單元的特寫視圖，其中傳入輻射在對準誤差的兩個狀態中。
[0018]圖9示出了根據本公開的實施方式的接收器單元的另一實例。
[0019]圖10示出了根據本公開的方面的示例光譜。
[0020]圖11示出了根據本公開的方面的另一示例光譜。
[0021]圖12示出了在整個接收器-發射器對準誤差的度數范圍內的圖2、圖3和圖5的光學系統比率的性能的圖。
[0022]圖13示出了照度圖，其將成像和非成像光學系統的光學性能圖示為角對準誤差上所對應的強度的測量。
【具體實施方式】
[0023]現在詳細參考在附圖中圖示的本教導的示例實施方式。在可能的情況下，在整個圖式中使用相同參考數字以指稱相同或相似部件。
[0024]在實施方式中，開路式路徑氣體檢測系統包括具有成像或非成像光學系統的接收單元。成像系統實施方式提供遠距離發射器光源的清晰形成的圖像。在非成像系統實施方式中，可利用非成像科勒透鏡布置提供非成像均勻照明。在這個非成像科勒透鏡布置中，落入于光電二極管上的光圖案的形狀從光的寬廣平坦的照亮區域而言稱作“頂帽照明”。這個照明形狀可幫助減少或消除輸出信號不穩定性，其造成為使熱點在物鏡后焦面周圍移動的光源弧漂移。同樣，這個照明形狀可幫助消除光電二極管的主動區域上的強度的空間和時間改變且提供穩定的檢測信號。結果，可使用非成像科勒照明光學器件改善落入于光電二極管上的照明強度，所述光學器件可容許光軸對準誤差的至多±1.5度的對準誤差。相比之下，具有相同物鏡的常規成像系統只允許小得多的對準誤差量。科勒非成像透鏡布置還可減少或防止假警報，其源自于由移動通過光束的鳥、人或設備引起的部分束阻擋。
[0025]在實施方式中，開路式路徑氣體檢測系統可使用波分多路復用(WDM)濾波器以將輸入束分離為兩個波長。使用WDM濾波器的這個布置通過在不同波長下使用波長選擇性濾波器而相比于常規分束器使各個信道中的信號強度加倍，其中第一波長由WDM濾波器反射，而第二波長透射通過WDM濾波器。
[0026]在實施方式中，開路式路徑氣體檢測系統可被操作來通過使WDM濾波器與非重疊帶通濾波器和額外光電二極管級聯來檢測多個氣體。
[0027]此外，在實施方式中，由于場對準因發射器和接收器的獨立運動(諸如在大風浪的海上大型船舶彎曲)而降級，所以成像系統的外圍可能經歷明顯差分邊緣效應。這導致光電二極管的主動區域上的強度的空間和時間改變。因此，儀器可能指示不準確。為了減輕這個效應，可以通過利用參考通道孔隙的非成像系統頂帽照明方案調整主動/參考比率而在光軸移動超出適當操作的邊緣時導致向上比率軌跡。這個方向在光軸不穩定性的周期期間不會引起假氣體警報。
[0028]圖1是根據本公開的實施方式的開路式路徑氣體檢測系統的示例示意性表示。雖然圖1圖示開路式路徑氣體檢測系統的多種組件、模塊和/或特征，但是所屬領域技術人員將認識到這些組件、模塊和/或特征是示例性且開路式路徑氣體檢測系統可包括任何數量和類型的組件、模塊和/或特征。
[0029]如圖1中所示，開路式路徑氣體檢測系統100可包括發射器單元105，其可被操作來沿著路徑將輻射提供至接收器單元110。路徑可包括存在目標氣體的區域109和存在潔凈空氣的區域111。在實施方式中，發射器單元105和接收器單元110可包括相似組件且各可被操作來執行發射和接收功能兩者且可被操作為收發器。單詞“發射器”、“發射”、“接收器”、“接收”和類似術語的使用僅僅描述開路式氣體檢測器系統的組件的功能。在實施方式中，發射器單元105可正以發射器模式操作，但還可用作接收器。這同樣適用于接收器單元IlOo
[0030]發射器單元105可包括可被操作來支撐和安置輻射源114的外殼112、一個或多個調節、聚焦和/或導向光學組件或發射器光學組件116以及孔隙118。輻射源114可被操作來產生各種波長和/或強度中的輻射。發射器光學組件116可被操作來導向、修改、調節或改變來自輻射源114的輻射。可取決于其中使用開路式氣體檢測器系統100的特定情形和環境而選擇輻射源114和/或發射器光學組件。例如，輻射源114可包括可調諧激光二極管，其可被操作來產生非常窄的波段中的紅外輻射束。此外和/或替代地，輻射源114可被操作來產生在一個或多個波長下且具有較寬或較窄波長線寬的輻射。可調諧激光二極管僅僅是輻射源114的一個實施例。可使用其它適合輻射源。例如，發射器光學組件116可包括可操縱光學元件(諸如可操縱鏡)和一個或多個準直光學器件，其可從輻射源114接收輻射且將輻射沿著可具有實質長度(例如，20m至1，000m)的測量路徑導向至接收器單元110。發射器單元105可包括一個或多個控制器(未示出)，其可被操作來控制輻射源114和/或發射器光學組件116的特定操作模式，其中操作模式可包括來自發射器單元105的輻射的預定波長范圍、線寬范圍和/或強度范圍。
[0031]可選擇由輻射源114產生的輻射的波長或波長范圍，使得輻射具有將沿著測量路徑由一個或多個目標氣體吸收的頻率。在實施方式中，輻射源114的輸出波長可改變以跨越一個或多個目標氣體的氣體吸收帶掃描。
[0032]接收器單元110可包括:外殼120，其可被操作來支撐和安置孔隙122 個或多個透鏡組件(可選)124 ;光學組件126，其可被操作來使入射輻射分離，諸如波分多路復用(WDM)濾波器或分束器；和檢測器128a、128b。可調整孔隙122大小以允許所期望的輻