專利名稱：氣體傳感器及控制其光源的方法
氣體傳感器及控制其光源的方法 相關(guān)申請
本申請要求于2007年7月3日提交的美國臨時專利申請第60/958,328 號的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容參考結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及氣體傳感器，更具體地涉及包含光源的氣體傳感器及 控制其光源的方法。
提供下面的信息來幫助讀者理解以下揭示的發(fā)明及其通常使用的環(huán) 境。在此使用的術(shù)語無意局限于任何特別的狹義解釋，除非在本文件中另 有清楚說明。在此提到的參考文獻可以有助于理解本發(fā)明或本發(fā)明的背景。 在此引用的所有參考文獻的內(nèi)容參考結(jié)合于此。
在氣體傳感器的檢測方法中，許多氣體傳感器使用來自各類光源的能 量。例如，氣體傳感器采用光聲效應(yīng)檢測相關(guān)氣體物質(zhì)的濃度水平方面的 應(yīng)用廣為人知。例如，美國專利第4,740,086號揭示了應(yīng)用光聲氣體傳感器 在相關(guān)氣體物質(zhì)擴散到光入射于其上感應(yīng)室，光從機械和熱兩方面激勵相 關(guān)氣體物質(zhì)時，將調(diào)幅光源的光能轉(zhuǎn)換為聲能，其專利的內(nèi)容參考結(jié)合于 此。因氣體所吸收的光輻射產(chǎn)生幅度與處于感應(yīng)室內(nèi)的氣體的分子數(shù)量成 正比的壓力波動，所以生成強度對應(yīng)于感應(yīng)室內(nèi)的氣體濃度水平的聲波。 這些聲波/壓力波由壓力傳感器或諸如傳聲器等聲檢測器檢測出來。
光聲氣體傳感器還可以包含機械閥，機械閥打開時讓采樣氣體進入， 然后關(guān)閉以封閉采樣氣體，隔離外界的聲音噪聲，并且允許光聲壓力逐步 建立。閥的缺點是，需要能量來進行操作，而且有會磨損而導(dǎo)致壽命受限 (通常0.5到3年)的運動構(gòu)件?；蛘?，如美國專利第4,740,086號所描述 的氣體擴散元件，可以被用來同時允許氣體擴散、允許光聲壓力逐步建立、 以及衰減外部聲音噪聲。不管光聲傳感器是否包含閥系統(tǒng)抑或一個或更多個氣體擴散元件，其 中使用的紅外光源的操作和控制仍然會產(chǎn)生問題。在那方面，不同制造商 的紅外光源可能具有不同的內(nèi)部電阻。必須注意避免各種光源由于過量電 能而過熱或損壞。然而，在己知的控制方法中，可能發(fā)生過熱，導(dǎo)致光源 的運行壽命縮短。
而且，紅外光源的電阻可能在較冷時(例如啟動電源時)低于在正常 操作溫度時。較冷時光源的電阻甚至可能太低，以致于不允許光聲氣體傳 感器的電源電路啟動光源?，F(xiàn)今，制造商必須為光聲氣體傳感器提供極度 強大的電源以便在各種溫度條件下啟動電源電路，從而需要有額外成本的 更大和/或更高級的元件。并且，典型的裝置可能是多個光聲氣體傳感器連 接于單個電源轉(zhuǎn)換器，此電源轉(zhuǎn)換器現(xiàn)今必須極度強大方能夠在加電時啟 動所有傳感器。
在光源的能量與分析物相互作用而產(chǎn)生輸出信號的其它類型的氣體傳 感器上也存在類似問題。例如，這些問題也可能出現(xiàn)在其測量方法是基于
稱為非色散紅外吸收(NDIR)的紅外域中的光吸收原理。在這種傳感器中， 光源產(chǎn)生的寬頻紅外輻射通過裝滿氣體(例如甲垸或二氧化碳)的室。氣 體吸收已知波長的輻射，并且，這種吸收是氣體濃度的度量。通常，在室 的一端或兩端有較窄帶寬的光濾波器，在用諸如熱電檢測器或熱電堆檢測 器等一個或多個紅外檢測器測量之前，去除所有其它波長的光。
在使用發(fā)光二極管(LED)或激光二極管光源的情況下，可能需要以 比光聲傳感器或NDIR傳感器所需頻率更高的頻率來調(diào)制光源。LED和激 光二極管通常是非線性半導(dǎo)體器件，因為光輸出的增加不總是與輸入的電 功率的增加成正比。例如，在操作范圍的低端，如果輸入功率加倍，光輸 出可能比加倍更多。在操作范圍的高端，LED或激光二極管的壽命可能會 因電流在半導(dǎo)體節(jié)點處的熱效應(yīng)而減少。 一般而言，這會導(dǎo)致每個器件有 最佳效率和壽命的輸入功率操作點。類似地，LED和激光二極管在制造時 往往是要在從直流到幾百兆赫茲的頻率范圍內(nèi)可以工作的。在經(jīng)調(diào)制的頻 率上操作非線性器件，允許在電流流動時有更高的非線性光輸出，也允許
5器件在電流不流動時冷卻，降低取得更長壽命所需的平均功率水平。因此， 每個器件構(gòu)造的個別細(xì)節(jié)也會量身定做出器件的最佳調(diào)制頻率、輸入功率
和壽命。這個最佳調(diào)制頻率可能高于光聲傳感器或NDIR傳感器所需要的頻率。
因此，仍然需要開發(fā)一種改進的氣體傳感器、用于氣體傳感器上的器 件、以及對用于氣體傳感器上的光源進行控制的方法。
發(fā)明概述
在一個方面，本發(fā)明提供一種氣體傳感器，包括光源，與光源可操 作性地連接的電源，以及與光源和電源可操作性地連接的控制系統(tǒng)。所述 控制系統(tǒng)適于控制從電源到光源的功率輸入，致使控制頻率的時間周期比 下組中的至少一種的熱時間常數(shù)短(i)紅外光源，(ii)傳感器內(nèi)的氣 體，或(iii)傳感器的檢測器。例如，控制頻率的時間周期可以不大于熱 時間常數(shù)的1/3，或者不大于熱時間常數(shù)的1/10，甚至或者不大于熱時間常
數(shù)的1/20?？梢韵蚩刂葡到y(tǒng)提供反饋信號以協(xié)助實現(xiàn)控制。
在另一方面，本發(fā)明提供一種光聲氣體傳感器，包括測量室，與測 量室光連接的紅外光源，與光源可操作性地連接的電源，以及與光源和電 源可操作性地連接的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)適于控制從電源到光源的功率輸 入，致使控制頻率的時間周期比下組中的至少一種的熱時間常數(shù)短(i)
紅外光源，(ii)傳感器內(nèi)的氣體，或(iii)傳感器的檢測器。
在又一方面，本發(fā)明提供一種操作氣體傳感器的光源的方法，包括 控制對光源的功率輸入，致使控制頻率的時間周期比下組中的至少一種的 熱時間常數(shù)短(i)光源，(ii)傳感器內(nèi)的氣體，或(iii)傳感器的檢測 器。如上所述，控制頻率的時間周期不大于熱時間常數(shù)的1/3，或者不大于 熱時間常數(shù)的1/10，甚至或者不大于熱時間常數(shù)的1/20。
光源例如可以是紅外光源。光源例如可以是蝕刻硅紅外光源。 對光源的功率輸入例如可以加以控制以獲得光源(例如紅外光源)輸 出的正弦波調(diào)制。對光源的功率輸入例如還可以加以控制以獲得傳感器輸
6出信號的正弦波調(diào)制。
可以提供反饋信號來幫助實現(xiàn)控制。反饋信號例如可以由光傳感器提 供。光傳感器可以是光電二極管。
提供給光源的平均電壓例如可以在光源啟動后的多個操作周期內(nèi)從頭 至尾增加。
在幾個實施例中，用脈沖寬度調(diào)制來控制提供給光源的功率。脈沖的 頻率也可以進行調(diào)制以控制提供給光源的功率。
光源例如可以在可視和紅外范圍中發(fā)射能量，反饋信號例如可以在可 視范圍中提供。
根據(jù)下面的詳細(xì)說明，結(jié)合附圖，本發(fā)明及其特征和帶來的優(yōu)勢，會 得到最好的認(rèn)識和理解。
附圖簡要說明 圖l表示本發(fā)明的光聲氣體傳感器的一個實施方式。
圖2表示本發(fā)明的控制方法與用于現(xiàn)有的光聲氣體傳感器的控制方法 的比較。
圖3表示本發(fā)明的控制方法的進一步細(xì)節(jié)，用來獲得紅外光源輸出的
正弦波調(diào)制或光聲輸出信號的正弦波調(diào)制。
圖4表示使用本發(fā)明的控制方法生成紅外光源輸出的正弦波調(diào)制或光 聲輸出信號的正弦波調(diào)制的實驗性示例。
發(fā)明的詳細(xì)描述
本發(fā)明的幾個代表性實施例結(jié)合光聲氣體傳感器在此進行描述。然而，
本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員知道，本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法實際上可以結(jié)合其 中分析物與光源的能量相互作用的任何類型的氣體傳感器來使用。


圖1表示本發(fā)明的光聲傳感器5的代表性實施例，此光聲傳感器5包 括傳感室或測量室10。紅外光源20通過窗口 30與測量室IO光連接。聲壓 傳感器40 (例如壓力傳感器或傳聲器)與測量室IO可操作性地連接。 一個或多個氣體擴散元件50例如可以放置在氣體入口 60和測量室IO之間，在 允許分析物氣體分子通過的同時衰減壓力波。例如，擴散元件50可以是本 領(lǐng)域已知的燒結(jié)技術(shù)元件?？梢允褂帽炯夹g(shù)領(lǐng)域已知的閥系統(tǒng)，作為一個 或多個氣體擴散元件的替代物。
光聲傳感器5進一步包括控制系統(tǒng)70，此控制系統(tǒng)70例如可以包括 計算機處理器72 (例如微處理器)和與處理器72通訊連接的存儲器系統(tǒng) 74?？刂栖浖缈梢源娣旁诖鎯ζ飨到y(tǒng)74中。電源80也與控制系統(tǒng)70 和紅外光源20可操作性地連接。光傳感器90 (例如光電二極管)與控制系 統(tǒng)70可操作性地連接，以便例如可以從紅外光源20提供反饋。
如上所述，在紅外光源之間，內(nèi)部電阻(在加電期間的冷態(tài)時與處于 操作溫度時)可以變化，而且，紅外光源的過熱可能造成問題，顯著縮短 紅外光源的操作壽命。在氣體傳感器中越來越多地使用熱質(zhì)量相對較低的 小光源(例如蝕刻硅紅外光源)，使此類過熱問題更加惡化。LED、激光 二極管和其它光源也容易因過大電功率而損壞，需要小心控制。圖2表示
用于現(xiàn)有的光聲氣體傳感器中對其紅外光源的輸出(虛線)進行控制的功 率輸入控制方案與本發(fā)明的控制方案的比較。根據(jù)當(dāng)前實踐，相對長(在 時間期限內(nèi))脈沖的能量從電源供應(yīng)給光源的方式是將單一脈沖應(yīng)用在每 個操作周期的開始。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過控制對光源的功率輸入， 使控制頻率的時間周期比紅外光源的熱時間常數(shù)短，就可以使光源得到好
的控制并提高操作壽命?；蛘?，控制對光源的功率輸入，使控制頻率的時 間周期比光聲傳感器內(nèi)氣體的熱時間常數(shù)短，也可以使光源得到好的控制 并提高操作壽命?；蛘撸刂茖庠吹墓β瘦斎?，使控制頻率的時間周期 比NDIR傳感器中的檢測器的熱時間常數(shù)短，同樣可以使光源得到好的控 制并提高操作壽命。
用于本發(fā)明的光聲氣體傳感器的幾個實施方式中的光聲光源20的典 型或代表性的操作頻率是約18Hz (赫茲)。例如蝕刻硅紅外光源的典型熱 時間常數(shù)例如為約20ms (毫秒)。熱時間常數(shù)一般可以定義為，當(dāng)在熱穩(wěn) 定性環(huán)境中的零功率條件下進行測量時，諸如光源、或者傳感器內(nèi)的氣體、或者檢測器(例如NDIR傳感器)的熱質(zhì)量等元件或?qū)嶓w使其體溫度改變 了特定溫度階躍變化的63.2%時所需的時間量。如上所述，在本發(fā)明中控 制對光源20的功率輸入，使控制頻率的時間周期比熱時間常數(shù)短。較佳地， 控制頻率的時間周期例如不大于熱時間常數(shù)的1/10,或者不大于熱時間常 數(shù)的1/20，或者甚至不大于熱時間常數(shù)的1/40。在本發(fā)明的幾個實施方式 中，電源80的輸入可以在4kHz (千赫茲)或更高的控制頻率(/)下進行 調(diào)制。4kHz或4000Hz的控制頻率導(dǎo)致0.25毫秒或250微秒的脈沖時間周 期或控制時間周期(T; 1//)。
LED或激光二極管光源的最佳調(diào)制頻率可能比光聲傳感器或NDIR傳 感器所需的頻率高。例如，LED可能是以到4kHz或更高的頻率調(diào)制時表 現(xiàn)最好，而本實施方式的光聲傳感器5工作于約18Hz。在這種情況下，由 于半導(dǎo)體節(jié)處的電子-空穴對的短壽命常數(shù)，LED的光輸出在4kHz調(diào)制， 而且不被其熱時間常數(shù)低通過濾。相反，在光聲傳感器中，低通濾波在氣 體分子吸收光子時由氣體分子的幾個毫秒(~2到10毫秒)熱時間常數(shù)來提 供，吸收光子會將電子提升到較高的能量狀態(tài)，然后通過與其它分子碰撞 而將這種較高的能量狀態(tài)釋放為熱?；蛘撸贜DIR傳感器中，低通濾波 可以由具有通常為l至IO毫秒時間常數(shù)的熱電堆或熱電檢測器的熱質(zhì)量來 提供。
在圖2到圖4所表示的實施方式中，控制電源80對光源20的功率輸 入以獲得光源20的輸出的正弦波調(diào)制(圖4中中間的曲線)，或者獲得光 聲輸出信號的正弦波調(diào)制(圖4中上部的曲線)。在控制電源80以獲得輸 出光源20的正弦波調(diào)制的情況下，反饋例如可以由光傳感器90 (例如光二 極管)提供給控制系統(tǒng)70，以幫助控制對光源20的功率輸入。在幾個實施 方式中，光源20可以在一個范圍的波長上發(fā)射能量，包括可見光譜和紅外 光譜的波長在內(nèi)。當(dāng)此光源20的紅外光用來與分析物氣體相互作用時，更 靠近可見光譜的光可以被用在反饋控制回路中。用于檢測靠近可見光譜中 的光或可見光譜中的光的便宜的光傳感器90較容易獲得，可以節(jié)約成本。
在控制電源80以獲得光聲輸出信號的正弦波調(diào)制的情況下，反饋例如可以從壓力傳感器40提供給控制系統(tǒng)70 (例如傳聲器)。在幾個實施方式 中，可提供參考量的已知氣體來確保有信號存在。或者，背景固態(tài)光聲效 應(yīng)足以確保有信號存在。在圖示的實施方式中，功率輸入的幅度在4kHz(千 赫茲)的頻率(f)進行調(diào)制，產(chǎn)生0.25ms或250微秒的時間周期(T; 1/f)。
例如，當(dāng)光源20在許多操作周期之后處于正常操作平均溫度時，供應(yīng) 給光源20的功率的調(diào)制幅度可以在控制循環(huán)的開始在光源20相對較冷時 較大，而在控制循環(huán)的后期在光源相對較暖時減小。在例如圖4表示的控 制協(xié)議中，傳送給光源20的功率在經(jīng)過了操作周期大約一半的路時部分地 減少，然后在靠近光源輸出正弦波的最大值處大大地減少或停止。功率調(diào) 制然后在靠近光源輸出正弦波的最小值處恢復(fù)。除了對供應(yīng)給光源20的功 率幅度進行脈沖寬度調(diào)制之外，或者替換這種脈沖寬度調(diào)制，對供應(yīng)給光 源20的功率幅度進行脈沖寬度調(diào)制，脈沖的控制頻率可以用例如固定脈沖 寬度進行調(diào)制，以完成類似IR源的功率調(diào)制。
如上所述，紅外光源的電阻通常在加電時的冷態(tài)比在正常操作溫度下 低。在本發(fā)明中控制頻率相對短的時間周期允許光源20在若干個操作周期 內(nèi)逐漸變暖，而不會拉低電源。在操作頻率為18Hz時，每個操作周期就是 1/18Hz或大約0. 0555秒(或55. 5毫秒)。逐漸變暖通?？梢栽?00個操 作周期或大約30秒內(nèi)完成。負(fù)載循環(huán)和控制頻率的優(yōu)化取決于特定光源的 熱特性，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易實現(xiàn)。本發(fā)明的控制系統(tǒng)和方法使制造 者能夠?qū)㈦娫床⑷氲奖犬?dāng)前用于光聲傳感器或NDIR傳感器中的那些光聲氣
體傳感器小、并且在處理峰值電流牽引時不那么強壯的光聲氣體傳感器中， 因而顯著節(jié)約了成本。并且，本發(fā)明的控制方法可以用于在操作溫度和啟 動電源的冷態(tài)用內(nèi)電阻大幅變化的光源。
在若干實施方式中，用脈沖寬度調(diào)制來控制傳送給光源的平均能量。 脈沖寬度調(diào)制是人們熟悉的用于控制傳送給負(fù)載的平均功率和/或能量的 控制方法。用來幫助解釋脈沖寬度調(diào)制的一個簡單的經(jīng)驗性示例是家用恒 溫器。當(dāng)室內(nèi)太冷，恒溫器啟動爐子，爐子開始使空氣變暖。幾分鐘后， 當(dāng)達到需要的溫度時，恒溫器把爐子關(guān)閉。循環(huán)可以在需要時反復(fù)進行，
10以維持所需的溫度。
取代燒燃料的爐子，在本發(fā)明的實施方式中，是向例如光源燈絲或其 它輻射元件供給電壓，以加熱光源燈絲到所需的幾百攝氏度的溫度。因為 本發(fā)明的光源系統(tǒng)小得多，熱質(zhì)量較低，所以與爐子的運行相比，循環(huán)時 間更短。例如，可以使用一個加熱循環(huán)和下一個加熱循環(huán)之間大約55毫秒 的循環(huán)時間。
在100%的時間把電壓施加到光源上，可以獲得最高的燈絲溫度，而在 0%的時間把電壓施加到光源上，獲得最低溫度。可以通過把負(fù)載循環(huán)調(diào)整 到一個中間值，使溫度設(shè)置在這些極值之間的任何水平。在0和100之間 的這個數(shù)被稱為脈沖寬度調(diào)制水平，或PWM水平。
在以上描述的實施例中，光源20的輸出可以以正弦形式變化。光源 20的光輸出與溫度的關(guān)系是光輸出為T4，其中T為溫度。因此， 一系列的 PWM水平用來進行圖4的控制。在幾個實施例中，P觀水平約每250微秒進 行更新。在每個循環(huán)中，有256個不同的脈沖寬度水平可以按次序選擇。 因此，完成每個完整循環(huán)要用大約64毫秒(250微秒x 256)。在氣體傳 感器5操作期間，循環(huán)可以無限地重復(fù)。產(chǎn)生的結(jié)果是頻率大約為18Hz或 周期大約為55.5毫秒的正弦波。
正弦波的時序(timing)由微處理器72的晶振頻率確定。然而，信號 的幅度可以隨著例如周邊溫度、電源的變化和光源的老化而變化。因此， 較佳的是，提供測量光功率或能量并控制系統(tǒng)以調(diào)整輸出以便使能量維持 在相對一致的水平上的機構(gòu)。該測量可以由光傳感器90 (光電二極管)和 微控制器72執(zhí)行的軟件算法(控制技術(shù)中已知的)來進行，微控制器72 以大約18Hz提取能量水平。所獲得的信息可以用來向上或向下調(diào)整存儲系 統(tǒng)74中PWM表的值，以維持目標(biāo)能量水平。在幾項研究中，此乘法器的調(diào) 整范圍是0.01到2.00。
如以所述，作為施加于冷材料的電流突然瞬涌的結(jié)果，光源經(jīng)常在加 電時發(fā)生故障。在本發(fā)明的幾個實施例中，乘法器可以在加電時設(shè)置在 0.01，以使瞬涌電流最小化。這個方法增加的好處是電源不需要供給大的
11瞬涌電流。作為示例，用于本發(fā)明的C02光聲傳感器的一項研究中的光源熱
電阻是大約50歐姆，但冷電阻僅有5歐姆。如果13.5伏特施加到光源上， 熱燈絲的電流就會是270毫安。然而，在施加同樣的電壓時，冷燈絲的電 流會是10倍大小，達到2.7安培。通過將能量按0.01倍數(shù)降低，冷電流 減少到27毫安。乘數(shù)在多個操作周期里(例如，在啟動后第l分鐘或者在 大約頭1080個操作周期里，逐漸提高，致使電源被要求傳送的最高電流僅 為傳送給熱燈絲的270raA電流。這個控制方法允許本發(fā)明的光聲氣體傳感 器的電源的容量比現(xiàn)用光聲氣體傳感器的電源小10倍。因為本發(fā)明的回路 或反饋控制可以適應(yīng)光源電壓的變化，因此，電源的調(diào)整比起當(dāng)前可用的 光聲傳感器或NDIR傳感器的電源的調(diào)整來也沒那么嚴(yán)格。
通過與另一個用來降低傳送給諸如光源20等負(fù)載的電壓和電功率的 簡單方法相比較，可以進一步地說明本發(fā)明的控制方法的優(yōu)點；即，通過 插入與負(fù)載串聯(lián)的電阻的方法。例如，在本發(fā)明的光聲氣體傳感系統(tǒng)的幾 個實施例中，電源輸出是13.5伏特，光源具有如以上所描述的大約50歐 姆的電阻。為了把燈的電壓減少到6.75伏特，可以放置一個與燈串聯(lián)的50 歐姆電阻。不幸的是，電阻會消耗與燈相同數(shù)量的功率；在本案情況下為 0.911瓦特(使用公式功率=電壓7電阻)。
主要參考圖3，在本發(fā)明的脈沖寬度調(diào)制控制方法中，上述串聯(lián)電阻 可用諸如晶體管等固態(tài)開關(guān)來代替。當(dāng)控制電路使晶體管導(dǎo)通時，全部電 源電壓施加到負(fù)載上。相反地，當(dāng)控制電路使晶體管不導(dǎo)通時，沒有電壓 施加到負(fù)載上。這些脈沖以上述受控模式施加。平均電壓可以通過調(diào)整施 加電壓的時間與不施加電壓的時間的比例的方式來控制?？梢杂霉綄Υ?進行描述平均電壓二 (電源電壓)*供電時間/ (供電時間+斷電時間)。 在本實施例中，脈沖周期(供電時間+斷電時間)例如是250微秒，全部電 源電壓是13. 5伏。為把平均燈電壓設(shè)置在全部燈電壓的50% (6.75伏)， 供電時間可以設(shè)置在脈沖周期的50%，例如125微秒。如果我們選擇把平均 電壓進一步減少到25% (3. 38伏)，則供電時間減少到62.5微秒。
功率=電壓7電阻這個公式還可以用在脈沖寬度調(diào)制電路的晶體管上。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時，它的阻抗小于0.5歐姆，這使得晶體管上的電壓保持在
0. 134伏以下，把該部件的功率消耗限制在0. 036瓦特。當(dāng)晶體管不導(dǎo)通時， 它的阻抗大于1,000， 000歐姆，電壓達到13. 5伏特，導(dǎo)致O. 0002瓦特的 功率消耗。因此，當(dāng)晶體管以50%的負(fù)載循環(huán)進行驅(qū)動以向燈施加平均6. 75 伏特的電壓時，損失的是0.018瓦特(0.036+0.0002) /2=0. 018)，這是 上述電阻所損失的功率的大約1/50。
以上說明及附圖陳述了本發(fā)明目前的優(yōu)選實施例。當(dāng)然，根據(jù)以上教 示且不背離本發(fā)明范圍，各種修改、添加和替代的設(shè)計，對于本領(lǐng)域技術(shù) 人員是顯而易見的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書而非以上的說明指示。 權(quán)利要求的等效方案意義和范圍內(nèi)的所有改變和變換都被涵蓋在權(quán)利要求 范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器，包括光源，與所述光源可操作性地連接的電源，以及與所述光源和電源可操作性地連接的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)適于控制從所述電源到所述光源的功率輸入，從而使控制頻率的時間周期比光源、傳感器內(nèi)的氣體、或傳感器的檢測器三者中至少一種的熱時間常數(shù)短。
2. 如權(quán)利要求l所述的氣體傳感器，其中所述控制頻率的時間周期不大于所述熱時間常數(shù)的1/3。
3. 如權(quán)利要求l所述的氣體傳感器，其中所述控制頻率的時間周期不大于所述熱時間常數(shù)的1/10。
4. 如權(quán)利要求l所述的氣體傳感器，其中所述控制頻率的時間周期不大于所述熱時間常數(shù)的1/20。
5. 如權(quán)利要求l所述的氣體傳感器，其中反饋信號被提供給控制系統(tǒng)以幫助實現(xiàn)控制。
6. —種光聲氣體傳感器，包括測量室，與所述測量室光連接的紅外光源，與所述光源可操作性地連接的電源，以及與所述光源和所述電源可操作性地連接的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)適于控制從所述電源到所述光源的功率輸入，從而使控制頻率的時間周期比紅外光源、傳感器內(nèi)的氣體、或傳感器的檢測器三者中至少一種的熱時間常數(shù)短。
7. —種操作氣體傳感器的光源的方法，包括控制對光源的功率輸入，從而使控制頻率的時間周期比光源、傳感器內(nèi)的氣體、或傳感器的檢測器三者中至少一種的熱時間常數(shù)短。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述控制頻率的時間周期不大于所述熱時間常數(shù)的1/3。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中控制頻率的時間周期不大于所述熱時間常數(shù)的1/10。
10. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述控制頻率的時間周期不大于所述熱時間常數(shù)的1/20。
11. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中控制對光源的功率輸入以獲得光 源輸出的正弦波調(diào)制，或者控制對光源的功率輸入以獲得傳感器輸出信號 的正弦波調(diào)制。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中提供一反饋信號以幫助實現(xiàn)控制。
13. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中控制所述光源以獲得光源輸出的 正弦波調(diào)制。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中反饋信號是從光傳感器中提供的。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中光傳感器是光電二極管。
16. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中提供給光源的平均電壓在光源啟 動后的多個操作周期中增大。
17. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中脈沖寬度調(diào)制被用來控制提供給 光源的功率。
18. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述光源是紅外光源。
19. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述光源在可見光和紅外線范圍 內(nèi)發(fā)射能量，所述反饋信號是在可見光范圍中提供的。
20. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中脈沖的頻率被調(diào)制以控制提供給 光源的功率。
全文摘要
一種氣體傳感器，例如光聲氣體傳感器，包括光源(5)，與光源(20)可操作性地連接的電源(80)，以及與光源(20)和電源(80)可操作性地連接的控制系統(tǒng)(70)?？刂葡到y(tǒng)(70)適于控制從電源(80)到光源(20)的功率輸入，從而使控制頻率的時間周期比(i)紅外光源(20)，(ii)傳感器內(nèi)的氣體、或(iii)傳感器的檢測器(40)三者中至少一種的熱時間常量短。例如，控制頻率的時間周期可以不大于熱時間常量的1/3，或者不大于熱時間常量的1/10，甚至或者不大于熱時間常量的1/20。可以向控制系統(tǒng)(70)提供反饋信號以幫助實現(xiàn)控制。
文檔編號G01N21/17GK101688830SQ200880022103
公開日2010年3月31日 申請日期2008年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月3日
發(fā)明者J·H·雷諾, R·E·烏伯 申請人:礦井安全裝置公司