气体传感器及控制其光源的方法技术

一种气体传感器，例如光声气体传感器，包括光源（５），与光源（２０）可操作性地连接的电源（８０），以及与光源（２０）和电源（８０）可操作性地连接的控制系统（７０）。控制系统（７０）适于控制从电源（８０）到光源（２０）的功率输入，从而使控制频率的时间周期比（ｉ）红外光源（２０），（ｉｉ）传感器内的气体、或（ｉｉｉ）传感器的检测器（４０）三者中至少一种的热时间常量短。例如，控制频率的时间周期可以不大于热时间常量的１／３，或者不大于热时间常量的１／１０，甚至或者不大于热时间常量的１／２０。可以向控制系统（７０）提供反馈信号以帮助实现控制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】 相关申请本申请要求于2007年7月3日提交的美国临时专利申请第60/958,328 号的优先权，其全部内容参考结合于此。
技术介绍
本专利技术一般涉及气体传感器，更具体地涉及包含光源的气体传感器及 控制其光源的方法。提供下面的信息来帮助读者理解以下揭示的专利技术及其通常使用的环 境。在此使用的术语无意局限于任何特别的狭义解释，除非在本文件中另 有清楚说明。在此提到的参考文献可以有助于理解本专利技术或本专利技术的背景。 在此引用的所有参考文献的内容参考结合于此。在气体传感器的检测方法中，许多气体传感器使用来自各类光源的能 量。例如，气体传感器采用光声效应检测相关气体物质的浓度水平方面的 应用广为人知。例如，美国专利第4,740,086号揭示了应用光声气体传感器 在相关气体物质扩散到光入射于其上感应室，光从机械和热两方面激励相 关气体物质时，将调幅光源的光能转换为声能，其专利的内容参考结合于 此。因气体所吸收的光辐射产生幅度与处于感应室内的气体的分子数量成 正比的压力波动，所以生成强度对应于感应室内的气体浓度水平的声波。 这些声波/压力波由压力传感器或诸如传声器等声检测器检测出来。光声气体传感器还可以包含机械阀，机械阀打开时让采样气体进入， 然后关闭以封闭采样气体，隔离外界的声音噪声，并且允许光声压力逐步 建立。阀的缺点是，需要能量来进行操作，而且有会磨损而导致寿命受限 (通常0.5到3年)的运动构件。或者，如美国专利第4,740,086号所描述 的气体扩散元件，可以被用来同时允许气体扩散、允许光声压力逐步建立、 以及衰减外部声音噪声。不管光声传感器是否包含阀系统抑或一个或更多个气体扩散元件，其 中使用的红外光源的操作和控制仍然会产生问题。在那方面，不同制造商 的红外光源可能具有不同的内部电阻。必须注意避免各种光源由于过量电 能而过热或损坏。然而，在己知的控制方法中，可能发生过热，导致光源 的运行寿命缩短。而且，红外光源的电阻可能在较冷时(例如启动电源时)低于在正常 操作温度时。较冷时光源的电阻甚至可能太低，以致于不允许光声气体传 感器的电源电路启动光源。现今，制造商必须为光声气体传感器提供极度 强大的电源以便在各种温度条件下启动电源电路，从而需要有额外成本的 更大和/或更高级的元件。并且，典型的装置可能是多个光声气体传感器连 接于单个电源转换器，此电源转换器现今必须极度强大方能够在加电时启 动所有传感器。在光源的能量与分析物相互作用而产生输出信号的其它类型的气体传 感器上也存在类似问题。例如，这些问题也可能出现在其测量方法是基于称为非色散红外吸收(NDIR)的红外域中的光吸收原理。在这种传感器中， 光源产生的宽频红外辐射通过装满气体(例如甲垸或二氧化碳)的室。气 体吸收已知波长的辐射，并且，这种吸收是气体浓度的度量。通常，在室 的一端或两端有较窄带宽的光滤波器，在用诸如热电检测器或热电堆检测 器等一个或多个红外检测器测量之前，去除所有其它波长的光。在使用发光二极管(LED)或激光二极管光源的情况下，可能需要以 比光声传感器或NDIR传感器所需频率更高的频率来调制光源。LED和激 光二极管通常是非线性半导体器件，因为光输出的增加不总是与输入的电 功率的增加成正比。例如，在操作范围的低端，如果输入功率加倍，光输 出可能比加倍更多。在操作范围的高端，LED或激光二极管的寿命可能会 因电流在半导体节点处的热效应而减少。 一般而言，这会导致每个器件有 最佳效率和寿命的输入功率操作点。类似地，LED和激光二极管在制造时 往往是要在从直流到几百兆赫兹的频率范围内可以工作的。在经调制的频 率上操作非线性器件，允许在电流流动时有更高的非线性光输出，也允许5器件在电流不流动时冷却，降低取得更长寿命所需的平均功率水平。因此， 每个器件构造的个别细节也会量身定做出器件的最佳调制频率、输入功率和寿命。这个最佳调制频率可能高于光声传感器或NDIR传感器所需要的频率。因此，仍然需要开发一种改进的气体传感器、用于气体传感器上的器 件、以及对用于气体传感器上的光源进行控制的方法。专利技术概述在一个方面，本专利技术提供一种气体传感器，包括光源，与光源可操 作性地连接的电源，以及与光源和电源可操作性地连接的控制系统。所述 控制系统适于控制从电源到光源的功率输入，致使控制频率的时间周期比 下组中的至少一种的热时间常数短(i)红外光源，(ii)传感器内的气 体，或(iii)传感器的检测器。例如，控制频率的时间周期可以不大于热 时间常数的1/3，或者不大于热时间常数的1/10，甚至或者不大于热时间常数的1/20。可以向控制系统提供反馈信号以协助实现控制。在另一方面，本专利技术提供一种光声气体传感器，包括测量室，与测 量室光连接的红外光源，与光源可操作性地连接的电源，以及与光源和电 源可操作性地连接的控制系统。控制系统适于控制从电源到光源的功率输 入，致使控制频率的时间周期比下组中的至少一种的热时间常数短(i)红外光源，(ii)传感器内的气体，或(iii)传感器的检测器。在又一方面，本专利技术提供一种操作气体传感器的光源的方法，包括 控制对光源的功率输入，致使控制频率的时间周期比下组中的至少一种的 热时间常数短(i)光源，(ii)传感器内的气体，或(iii)传感器的检测 器。如上所述，控制频率的时间周期不大于热时间常数的1/3，或者不大于 热时间常数的1/10，甚至或者不大于热时间常数的1/20。光源例如可以是红外光源。光源例如可以是蚀刻硅红外光源。 对光源的功率输入例如可以加以控制以获得光源(例如红外光源)输 出的正弦波调制。对光源的功率输入例如还可以加以控制以获得传感器输6出信号的正弦波调制。可以提供反馈信号来帮助实现控制。反馈信号例如可以由光传感器提 供。光传感器可以是光电二极管。提供给光源的平均电压例如可以在光源启动后的多个操作周期内从头 至尾增加。在几个实施例中，用脉冲宽度调制来控制提供给光源的功率。脉冲的 频率也可以进行调制以控制提供给光源的功率。光源例如可以在可视和红外范围中发射能量，反馈信号例如可以在可 视范围中提供。根据下面的详细说明，结合附图，本专利技术及其特征和带来的优势，会 得到最好的认识和理解。附图简要说明 图l表示本专利技术的光声气体传感器的一个实施方式。图2表示本专利技术的控制方法与用于现有的光声气体传感器的控制方法 的比较。图3表示本专利技术的控制方法的进一步细节，用来获得红外光源输出的正弦波调制或光声输出信号的正弦波调制。图4表示使用本专利技术的控制方法生成红外光源输出的正弦波调制或光 声输出信号的正弦波调制的实验性示例。专利技术的详细描述本专利技术的几个代表性实施例结合光声气体传感器在此进行描述。然而，本
熟练人员知道，本专利技术的装置、系统和方法实际上可以结合其 中分析物与光源的能量相互作用的任何类型的气体传感器来使用。附图说明图1表示本专利技术的光声传感器5的代表性实施例，此光声传感器5包 括传感室或测量室10。红外光源20通过窗口 30与测量室IO光连接。声压 传感器40 (例如压力传感器或传声器)与测量室IO可操作性地连接。 一个或多个气体扩散元件50例如可以放置在气体入口 60和测量室IO之间，在 允许分析物气体分子通过的同时衰减压力波。例如，扩散元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体传感器，包括：光源，与所述光源可操作性地连接的电源，以及与所述光源和电源可操作性地连接的控制系统，所述控制系统适于控制从所述电源到所述光源的功率输入，从而使控制频率的时间周期比光源、传感器内的气体、或传感器的检测器三者中至少一种的热时间常数短。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RE乌伯，JH雷诺，
申请(专利权)人：矿井安全装置公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]