專利名稱：用于測量光學傳感器的光譜的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于測量光學傳感器的光譜(有利地在紅外區(qū)域內)的方法，其中光束照射到與要測量的介質接觸的光學傳感器上，其中該光學傳感器發(fā)射由于要測量的介質而改變的測量束，并且該測量束被饋送到熱探測器(pyrodetector)，該熱探測器發(fā)出與該光譜相對應的輸出信號；其中在照射到該熱探測器上之前對該測量信號的強度進行調制。本發(fā)明還涉及一種用于執(zhí)行該方法的設備。
背景技術：
在中紅外輻射(MIR)和紅外輻射(IR)的領域中分別發(fā)現了使過程光譜儀對所測量的對象的濃度進行測量的很多應用。這些應用用于化學工業(yè)、以及食品或飲料生產領域、 或者制藥工業(yè)中。熱探測器通常用于分別在中紅外和紅外光譜范圍中更經濟的光檢測。這些熱探測器對傳感器元件的熱升溫的差異作出反應。因此，通常對要測量的光的強度進行調制，以便于在該熱探測器的輸出處獲得交流電壓信號；該交流電壓信號的振幅是要測量的絕對強度的度量。不同的選擇可用于獲得這樣的交流信號在機械調制的情況下，例如通過使用旋轉截光輪(chopper wheel)在熱探測器之前連續(xù)中斷光束路徑。該解決方案引起了顯著的機械復雜性并且引起了在旋轉截光輪的機械磨損方面的易受影響性。此外，由于必須包含截光輪和熱探測器而導致光譜儀的尺寸變大。另一個可能是電調制，其中對來自光源的光進行電調制，該光源將光束發(fā)射到光學傳感器。由光學傳感器接收到的光束由于要測量的介質而改變，并且作為測量信號被饋送到熱探測器。在該情況下，還在光照射到熱探測器上之前進行電調制。電調制的缺點在于，由于所使用的光源的熱質而導致調制深度隨著頻率的增加而減小。此外，光源的使用期受到溫度循環(huán)的限制，使得在更換光源時必須對熱探測器進行新的調整。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種方法，在該方法中能夠使用熱探測器來進行對紅外光譜的更經濟的測量，其中對震動不敏感并且使用期長的測量機構覆蓋了大的光譜范圍。根據本發(fā)明，實現了該目標，其中通過調整包含在測量束光譜中的波長來進行對測量束的強度調制。由于熱探測器對測量信號的變化強度作出反應，所以根據本發(fā)明通過對測量束的光譜的不同波長的時序調整而間接地引起這些變化強度，其中測量信號的光譜的每個波長具有不同的強度。因此，簡單地說，能夠使用更經濟的熱探測器來對測量信號的波長范圍進行光譜分辨檢測。其優(yōu)點在于，不需要隨時間改變測量信號的強度的機械調制， 這使得測量裝置的結構能夠特別穩(wěn)定并且不易受影響。因為省略了發(fā)射光束的電調制，所以該測量方法使用期很長。有利地，發(fā)射沒有進行調制的光束。因為來自光源的靜態(tài)信號不受溫度循環(huán)的影響，所以這樣的靜態(tài)信號增加了光源的使用期。
在進一步的開發(fā)中，僅調整要檢測的光譜的波長附近的窄的第一區(qū)域、或者調整要檢測的光譜的波長附近的更寬的第二區(qū)域。利用大光譜區(qū)域的波長上的調制特別實現了光學傳感器的測量信號的差分光譜；除了積分常數外，從該差分光譜得到測量信號的絕對光譜。在進一步的開發(fā)中，根據由熱探測器所測量的兩個波長的強度來確定差；積分常數的確定基于該差?？梢愿鶕蓚€相鄰的波長或兩個彼此遠離的波長來產生這樣的強度的差測量。在這樣的情況下，電子調制在兩個波長之間迅速地來回切換。由熱探測器作為輸出信號發(fā)出的得到的信號強度是兩個波長的強度差的度量。通過估算測量信號的相位，可以確定兩個波長中哪一個具有更高的強度，根據它來確定積分常數。在變體中，在測量束的光譜中產生具有零強度的位置。該具有零強度的位置用作對測量信號的光譜中的波長進行測量的參考點。由于在該點處沒有測量信號到達熱探測器，所以零強度的位置形成測量的光譜的開始點。為了獲得用于對該測量信號的光譜進行測量的第二參考點，窄帶參考信號優(yōu)選地與測量束同時照射到熱探測器上。以該方式，對于用作參考信號的波長，極窄帶的光到達探測器。由于測量光中的該標記的區(qū)域部分地填充具有零強度的點，并且參考信號的波長是已知的，因此第二參考點是已知的，以便于關聯進行標記的波長的強度曲線。在特別簡單的實施例中，參考信號是額外的光束，該額外的光束在照射到熱探測器上之前進行了帶通濾光。其優(yōu)點在于，可以在測量配置中利用非常經濟的白光源。本發(fā)明的另一進一步的開發(fā)涉及一種用于測量光學傳感器的光譜(有利地在紅外區(qū)域中)的設備，其中由光源發(fā)射的光束照射到與要測量的介質接觸的光學傳感器上， 其中該光學傳感器發(fā)射由于要測量的介質而改變的測量束；該測量束被饋送到熱探測器， 該熱探測器發(fā)出與該光譜相對應的輸出信號；其中在該熱探測器之間配置了改變測量束的強度的強度調制器。為了實現不僅價格合適而且對震動不敏感并且使用期長的測量配置， 該強度調制器包括帶有可調整波長的濾光片。利用該濾光片，測量信號被分解成波長光譜， 其中該濾光片連續(xù)調整包含在該波長光譜中的獨立波長。由于每個波長在光譜方面具有不同的強度，所以以該方式間接產生照射到熱探測器上的不同強度，其中該熱探測器發(fā)出由于改變的強度而導致的相應的輸出信號；該輸出信號分譜地分解該測量束。因此，不需要使用震動敏感的機械配置來產生用于熱探測器的交變信號。在實施例中，濾光片被實現為法布里-珀羅濾光片，該法布里-珀羅濾光片在熱探測器之前或與熱探測器一起被布置在光譜儀內。特別是當該光譜儀包括所有需要的部件時，諸如包括電可調整法布里-珀羅濾光片和熱探測器時，相對小并且易于管理的光譜儀能夠作為測量配置。盡管如此，這樣的光譜儀覆蓋大的光譜范圍，其優(yōu)點在于在要檢測的不同材料之間的足夠好的分辨率是可能的。在變體中，在測量束中，陷波濾光片、短通濾光片或長通濾光片被布置在光譜儀之前。這些不同的濾光片種類使得能夠產生具有零強度的參考點。陷波濾光片是窄帶阻濾光片，該窄帶阻濾光片在測量光的光束路徑的確定區(qū)域中阻擋所有的光。通過應用短通濾光片來截止要測量的光譜區(qū)域的長波端的一部分光譜范圍。與之相反，通過長通濾光片來執(zhí)行要測量的光譜區(qū)域的短波區(qū)域的減少。


本發(fā)明提供很多形式的實施例?，F在將基于附圖來更加詳細地說明其中之一，其附圖如下圖1是用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的光譜儀的示意圖；圖2是通過借助圖1中的光譜儀來測量放電所獲得的光譜；圖3是帶有測量和參考信息的所測得的光譜；圖4是在測量通道中具有陷波濾光片的實施例第一示例；圖5是在測量通道中具有短通濾光片的實施例第二示例；圖6是在測量通道中具有長通濾光片的實施例第三示例。
具體實施例方式圖1示出了用于確定紅外或中紅外區(qū)域中的光譜的測量裝置的示意圖；該測量裝置具有光源1。由光源1發(fā)射的光束2被饋送到光學探針3，該光學探針3在該情況下可以被實現為ATR探針。ATR探針是液浸(immersion)探針，該液浸探針浸入要測量的液體介質中，其中在ATR探針與要測量的液體介質的界面處完全反射、削弱由光源1發(fā)送的光束2，從而光束2的光譜被改變；作為測量束的反射光束通過濾光片5被饋送到光譜儀6。濾光片5 例如是陷波濾光片，該陷波濾光片是在測量光束的預定區(qū)域中的窄帶阻擋濾光片。還可以使用短通濾光片來作為對這樣的陷波濾光片的替代。在這樣的短通濾光片中，截止要測量的光譜區(qū)域的長波端。與短通濾光片相反，長通濾光片限定了在光譜的短波端上的光譜區(qū)域的一部分。 在光譜的短波區(qū)域中的該位置中，在光束路徑中實現強度=0。除了包括光束2、探針3、測量束4和濾光片5并且被饋送到光譜儀6的測量通道之外，在測量設備中存在平行于測量通道2、3、4、5進行延伸的參考通道。帶通濾光片10被設置在該參考通道中，該帶通濾光片10將同樣來自光源1的參考束9濾光為極窄帶，這意味著幾乎只有一個波長的光通過帶通濾光片10。該極窄帶參考束9也被饋送到光譜儀6。法布里-珀羅濾光片7被布置在光譜儀6中，并且在其后設置了熱探測器8。參考束9和通過濾光片5的測量束4同時碰撞光譜儀6的法布里-珀羅濾光片7。通過該法布里-珀羅濾光片7來對由測量束4遞送的光譜內的波長進行電調整。在這樣的情況下， 在大的光譜范圍上進行波長的時間調制。在這樣的情況下，獲得差分光譜；除了積分常數之外，對該差分光譜進行積分得到絕對光譜。這樣的光譜在圖2中呈現，其中曲線A示出從在 ATR探針3之后的測量束4所測量到的原始光譜。在這樣的情況下，曲線B示出了使用法布里-珀羅濾光片7從測量束4得到的并且在熱探測器7之前記錄的光譜。最后，曲線C示出了通過積分獲得的光譜；曲線C與曲線A的原始光譜非常接近。為了強度的差測量，在測量束4的光譜的兩個波長之間發(fā)生通過法布里-珀羅濾光片7進行的電子調制，其中該兩個波長可以是該光譜的相鄰波長，或者是彼此遠離的光譜的波長。在這樣的情況下，在兩個波長之間迅速地來回進行切換，其中得到的熱探測器的輸出信號的振幅是對兩個波長的強度差的度量。通過估算測量信號4的相位，可以確定兩個波長中哪一個具有更高的強度。通過對具有波長和光譜位置的強度差的比較測量，能夠確定絕對強度，該波長由參考帶9遞送并且其波長是已知的，該光譜位置由濾光片5以強度=0表征。在確立了積分常數之后，就可以進行關于光譜的實際絕對強度的推算。為了比較測量，并入了參考信號9。經由帶通濾光片10將該參考信號9從光源1 直接傳遞到光譜儀6的第二輸入。在這樣的情況下，使測量信號4與參考信號9疊加，該測量信號4由濾光片5配備有強度=0的參考點。在這樣的情況下，允許通過帶通濾光片10 的參考信號9的中心波長必須位于濾光片5具有透射率(transmission) = 0的光譜區(qū)域中。以該方式，僅所使用的波長的參考光到達熱探測器8，并且具有強度=0的測量信號4 中的忽略區(qū)域沒有被參考信號9完全填充。因而仍然存在進一步獲得強度的絕對測量的可能性。圖3示出了具有測量和參考信息的測量到的光譜。在這樣的情況下，相對于波長繪制了相對強度。在這樣的情況下，參考信號9的參考帶G僅在極窄帶波長范圍內具有強度，而其兩側強度=0。在光譜的其余曲線中，測量信號4與由熱探測器8接收到的測量到的光譜相同，該測量信號4由于濾光片5的使用而在10到20之間的區(qū)域中具有零的強度； 該測量到的光譜由曲線H示出。因此，可以由光譜儀6來可靠地估算由曲線H表征的該測量到的光譜，其中可以實現關于測量光譜的絕對強度的信息。通過該配置，可以測量光源1 的光功率。因此，可以記錄和補償光源1的光功率的改變。濾光片的信號曲線以及參考信號的信號曲線在圖4、圖5和圖6中示出，該濾光片在ATR探針的測量信號4中壓入具有強度=0的波長。使其通過相應濾光片的波長信號由圖4中的陷波濾光片的曲線D表征、由圖5中的短通濾光片的的曲線E表征、并且由圖6中的長通濾光片的曲線F表征。參考信號9的窄帶參考帶由字母G來標記。如從所有三個附圖4、圖5、圖6中顯而易見的，在這樣的情況下，參考帶G總是被布置在測量光4的強度等于零的光譜區(qū)域的區(qū)域中。因此，實現了強度與測量光4的光譜區(qū)域的波長的可靠關聯。
權利要求
1.一種用于測量光學傳感器的光譜、有利地在紅外區(qū)域中的方法，其中，光束⑵照射到與要測量的介質接觸的光學傳感器C3)上，其中所述光學傳感器C3)發(fā)射由于所述要測量的介質而改變的測量束；測量束(4)被饋送到熱探測器(8)，所述熱探測器(8)發(fā)出與所述光譜相對應的輸出信號；其中，所述測量信號(4)的強度在照射到熱探測器(8)上之前被調制，其特征在于通過調整包含在所述測量束(4)的光譜中的波長而發(fā)生測量束(4) 的強度調制。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在不進行調制的情況下發(fā)射所述光信號⑵。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，僅調整所述要檢測的光譜的波長附近的窄的第一區(qū)域、或者調整所述要檢測的光譜的波長附近的更寬的第二區(qū)域。
4.如前述權利要求中的至少一項所述的方法，其特征在于，根據所述熱探測器(8)所測量的兩個波長的強度來確定差，并且所述差用于確定積分常數。
5.如前述權利要求中的至少一項所述的方法，其特征在于，在所述測量束的波長光譜中產生具有零強度的位置。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，窄帶參考信號(9)優(yōu)選地與所述測量束(4) 同時照射到熱探測器(8)上。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述參考信號(9)由額外的光束形成，所述額外的光束在照射到熱探測器(8)上之前進行帶通濾光。
8.一種用于測量光學傳感器的光譜、有利地在紅外區(qū)域中的設備，其中，光源(1)所發(fā)射的光束( 照射到與要測量的介質接觸的光學傳感器C3)上，其中，所述光學傳感器(3) 發(fā)射由于所述要測量的介質而改變的測量束G)，并且所述測量束(4)被饋送到熱探測器 (8)，所述熱探測器⑶發(fā)出與所述光譜相對應的輸出信號；其中，改變測量束⑷強度的強度調制器(7)被布置在熱探測器(8)之前，其特征在于，所述強度調制器包括具有可調整波長的濾光片(7)。
9.如權利要求8所述的設備，其特征在于，濾光片(7)是具有電可調整波長的法布里-珀羅濾光片；濾光片(7)被布置在光譜儀(6)之前、或者與所述熱探測器(8) —起被布置在所述光譜儀(6)中。
10.如權利要求8或9所述的設備，其特征在于，在測量束(4)中，陷波濾光片、短通濾光片或長通濾光片被布置在光譜儀(6)之前。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量光學傳感器光譜的方法和設備，其中光束(2)照射到與要測量的介質接觸的光學傳感器(3)上，其中光學傳感器(3)發(fā)射由于要測量的介質而改變的測量束(4)，并且測量束(4)被饋送到熱探測器(8)，該熱探測器(8)發(fā)出與光譜相對應的輸出信號；其中測量信號(4)的強度在照射到熱探測器(8)上之前被調制。為了提供成本有效的不受震動影響的具有長使用期的測量設備，通過調整包含在測量束(4)的光譜中的波長而發(fā)生測量束(4)的強度調制。
文檔編號G01N21/25GK102539342SQ201110430288
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權日2010年12月20日
發(fā)明者哈孔·米克爾森, 拉爾夫·伯恩哈特 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾測量及調節(jié)技術分析儀表兩合公司