用于氣體分析的光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于氣體分析的光譜儀。其中提出了一種用于氣體分析的光譜儀(10)，該光譜儀包括：填充有待測氣體(30)的測量室(28)；用于在光路(16)上將光(14)發(fā)射到測量室(28)的光源(12)；濾波器布置(22)，其具有在光路(16)上的法布里-珀羅濾波器(24a-c)以便通過濾波器布置(22)的透射光譜來調(diào)節(jié)光(14)的頻率特性；以及，檢測器(36、38)，其通過測量室(28)中的氣體(30)來測量光(14)的吸收。同時，濾波器布置(22)具有多個依次布置在光路(14)中的法布里-珀羅濾波器(24a-c)，并且還設(shè)置了用于濾波器布置(22)的控制器(44)，以便通過調(diào)節(jié)至少一個法布里-珀羅濾波器(24a-c)來改變透射光譜。
【專利說明】用于氣體分析的光譜儀
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1或15的前序部分所述的一種光譜儀和一種用于對氣體進行光譜分析的方法。
[0002]已知各種紅外光譜法來測量氣體混合物中各組分的濃度。這些方法都基于以下基本原理，即將紅外測試光發(fā)射到具有待測氣體的測量室中。其中，每種氣體會顯示在相應(yīng)頻率上的特征吸收，所述頻率對應(yīng)于氣體分子的光譜線。這種吸收會改變?nèi)肷涔獾奶匦?所述入射光可用各種方式進行檢測和分析。
[0003]傅里葉變換光譜法(FTIR)是以干涉儀為基礎(chǔ)，并將干涉儀獲取的干涉圖通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換成光譜。但是所述系統(tǒng)很昂貴。光柵光譜儀通過單縫衍射產(chǎn)生光譜，但所述單縫會導(dǎo)致信號強度減弱。在非分光紅外光譜法(NDIR)中，光學(xué)帶通濾波器布置在檢測器前面，所述檢測器根據(jù)待檢測的光譜線選擇性地讓光通過。但這種相對簡單的方法不夠靈活，因為必須為每種待檢測的氣體組分布置光學(xué)帶通濾波器。
[0004]為了使弱信號也能被檢測到,使用鎖相法(Lock-1n-Verfahren)。因此,根據(jù)已知的調(diào)制頻率脈沖發(fā)射發(fā)射光，并且接收器根據(jù)調(diào)制頻率通過模擬混合過程或數(shù)字分析選擇測量信號，以便抑制在其它頻率范圍內(nèi)的干擾。發(fā)射光的調(diào)制通常通過脈沖光源或布置在其后的機械脈沖整形器(“斬波器”)來生成。但這兩者都不能令人滿意，因為脈沖紅外發(fā)射器僅允許極低的調(diào)制頻率再加上機械脈沖整形器敏感并且不靈活，因此必須要讓其穩(wěn)定并需要較大的安裝空間。
[0005]在尚未公開的、申請?zhí)枮?3156530.1的歐洲專利申請中提出，通過可調(diào)諧的法布里-拍羅濾波器(Fabry-P6rot-Filter)來改變?nèi)肷涞綔y量室中光的波長帶并用所述方法掃描光譜。法布里-珀羅濾波器是一種光諧振器，它由兩個半透明的鏡所構(gòu)成。由于結(jié)構(gòu)性和破壞性的干擾，只有符合諧振條件的波長能透射。因此在諧振頻率產(chǎn)生第一透射最大值并在諧波時產(chǎn)生其它高次透射最大值，而中間頻率幾乎被消除。透射最大值之間的距離被稱為自由光譜區(qū)。
[0006]若改變反射鏡之間的間距或空隙，則透射最大值同時受到其寬度和其相互間隔的影響。因此，透射最大值的精細(xì)尖端決定了小的自由光譜范圍，而反過來大的自由光譜范圍只能以大的半值寬度的透射最大值為代價來實現(xiàn)。法布里-珀羅濾波器的這種特性也以所謂的精細(xì)度來記錄，所述精細(xì)度被定義為自由光譜范圍與半值寬度的比值。
[0007]由于這些原因，通常一種或多種氣體組分的眾多吸收線落在法布里-珀羅濾波器的通帶內(nèi)，不管是因為它們在大的半值寬度的法布里-珀羅濾波器相同的透射最大值內(nèi)，還是因為小的半值寬度的法布里-珀羅濾波器的自由光譜范圍太小不能選擇性地將法布里-珀羅濾波器調(diào)節(jié)到吸收線上，而無需使得次最大值與其它吸收線一致。
[0008]因此，可用法布里-珀羅濾波器獲得的光譜分辨率是有限的。如果想要獲得較高的光譜分辨率，則通常采用上述方法如FTIR或光柵光譜法。
[0009]因此本發(fā)明的任務(wù)在于，改進用于氣體分析的光譜的測量。
[0010]此任務(wù)通過根據(jù)權(quán)利要求1或15所述的光譜儀和用于對氣體進行光譜分析的方法得以實現(xiàn)。在將光發(fā)射到具有待測氣體或氣體混合物的測量室中用于光譜分析之前，借助濾波器布置使光具有一些頻率特性。然后對氣體的吸收進行檢測，從而測量氣體組分的濃度。本發(fā)明的基本思想是，在濾波器布置中設(shè)置多個法布里-珀羅濾波器。通過對所述法布里-珀羅濾波器中的至少一個進行調(diào)節(jié)來改變?yōu)V波器布置的透射光譜，這樣便可實現(xiàn)想要的光的頻率特性。例如有可能的是，依次將光譜儀調(diào)到氣體混合物中各種氣體的吸收光譜上，或連續(xù)調(diào)節(jié)濾波器布置以便掃描更大的波長范圍。
[0011]本發(fā)明示出了法布里-珀羅濾波器的優(yōu)點，所述濾波器價格便宜，結(jié)構(gòu)緊湊，機械簡單，因此維護成本低且耐用并具有高的光學(xué)性能。入射光的可變頻率特性可以非常迅速、靈活地進行調(diào)節(jié)。但同時由于法布里-珀羅濾波器的多級布置故可能實現(xiàn)高光譜分辨率。因此產(chǎn)生新的調(diào)節(jié)自由度，所述自由度例如可用于同時實現(xiàn)小的半值寬度和大的自由光譜范圍。如果是簡單的法布里-珀羅濾波器，由于這些變量的直接關(guān)系這是不可能的并且還會大大限制通?？蓪崿F(xiàn)的光譜分辨率。
[0012]為了調(diào)節(jié)法布里-珀羅濾波器，要特別改變?yōu)V波器的空隙或反射鏡間距。由此來改變諧振頻率，并從而改變透射光譜。為此例如將法布里-珀羅濾波器構(gòu)造成靜電或壓電控制的微系統(tǒng)(MEMS，微機電系統(tǒng))。其將魯棒性、小的尺寸和至少在毫秒范圍內(nèi)這樣短的反應(yīng)時間結(jié)合在一起。
[0013]所述濾波器布置優(yōu)選具有三個法布里-珀羅濾波器。原則上也可通過兩個法布里-珀羅濾波器來獲得較大的靈活性。額外設(shè)置在濾波器布置中的法布里-珀羅濾波器越多，得到的自由度就越多。三個法布里-珀羅濾波器構(gòu)成優(yōu)選的折中方案。
[0014]優(yōu)選地，將法布里-珀羅濾波器的反射鏡間距和相應(yīng)的透射光譜的分配存儲在控制器中。所述分配在出廠時就已確定或最初在校準(zhǔn)測量時就已得知?？刂破鹘柚龇峙淇稍O(shè)定期望的濾波器布置的透射光譜。至少有一個法布里-珀羅濾波器參與調(diào)節(jié)過程，但是也可以是多個的或所有的法布里-珀羅濾波器參與調(diào)節(jié)。
[0015]法布里-珀羅濾波器優(yōu)選具有分級的半值寬度，特別是在有三個法布里-珀羅濾波器時分別設(shè)置了具有小的半值寬度的、中等的半值寬度的和大的半值寬度的法布里-珀羅濾波器。直觀上最有可能理解的是法布里-珀羅濾波器的共同作用，其中具有最小半值寬度的法布里-珀羅濾波器決定光譜分辨率，而其余的法布里-珀羅濾波器分級地確保分辨率更精細(xì)的法布里-珀羅濾波器的較高階被隱藏起來。但是在許多情況下也有其它組合方式，用以實現(xiàn)想要的透射光譜。
[0016]所述透射光譜優(yōu)選在預(yù)定的頻率上具有窄帶最大值。另外，在所述最大值以外的優(yōu)選頻率分量仍被大大抑制。因此濾波器布置確保只是具有特定頻率的光才能進入測量室。通過間歇性地移動最大值的頻率來多次單獨測量可將光譜掃描出來。
[0017]控制器是優(yōu)選構(gòu)造為，周期性地改變?yōu)V波器布置的透射光譜，從而調(diào)制最大值的幅度。濾波器布置通過這種方式同時還構(gòu)成光學(xué)脈沖整形器。這特別是通過對法布里-珀羅濾波器進行相互一致的周期性調(diào)整來實現(xiàn)的。例如周期性地移動具有最大半值寬度的法布里-珀羅濾波器的最大值，使得最大值的位置不同程度地與其它法布里-珀羅濾波器的最大值一致。由此獲得的效果與通過遮光板獲得的效果類似，所述遮光板可選擇地讓光通過或?qū)⑵渥钃?。但是法布?珀羅濾波器還有許多其它的位置，其透射最大值在這些位置很少重疊或不重疊，從而使得光實際上被阻止，并且還可以在中間階段啟動它們，以實現(xiàn)其它純明暗調(diào)制。多個法布里-珀羅濾波器還有可能雙功地掃描具有高分辨率的光譜，而同時無需額外的元件就可實現(xiàn)對落入測量室中的光強度進行調(diào)制。
[0018]優(yōu)選地，用可預(yù)先給定的功能來調(diào)制振幅，特別是用增量脈沖、正弦波或先呈指數(shù)增長然后突然下降的脈沖來調(diào)制振幅。增量脈沖對應(yīng)于純明暗調(diào)制。正弦或余弦特別好地支持電子和數(shù)字的鎖相法。但該功能幾乎可以任意選擇，方式是將濾波器布置移動到中間位置，該位置會導(dǎo)致透射最大值產(chǎn)生不同衰減。眾多示例中的一個例子是利用脈沖來調(diào)制，所述脈沖看上去與鯊魚鰭類似，即起初相對緩慢地呈指數(shù)增長到其最大亮度，然后突然回落到暗狀態(tài)。這種調(diào)制是一個簡單易推算的例子。
[0019]優(yōu)選地，將控制器構(gòu)造成用于根據(jù)掃描模式來改變透射光譜，根據(jù)其在掃描頻率下分別生成具有最大值的透射光譜，所述最大值的振幅在所述掃描頻率下通過多次循環(huán)進行調(diào)制，并且系統(tǒng)地改變掃描頻率。用所述掃描模式在不同頻率下分別根據(jù)脈沖序列依次掃描光譜。
[0020]優(yōu)選地，借助已知的調(diào)制用鎖相法來分析檢測器的信號。這是鎖相放大器的原理，其被模擬或數(shù)字調(diào)節(jié)到已知的調(diào)制頻率上并從而獲得更好的信噪比。最好如上所述在濾波器布置中自行對光進行所需調(diào)制，但額外的光學(xué)脈沖整形器或脈沖光源原則上也是可行的。
[0021]在光路中優(yōu)選地設(shè)置額外的光學(xué)帶通濾波器，以隱藏至少一個法布里-珀羅濾波器的高階最大值，最好是隱藏具有最大自由光譜范圍的法布里-珀羅濾波器的高階最大值。具有較大自由光譜范圍的法布里-珀羅濾波器在濾波器布置內(nèi)實際上已實現(xiàn)了此功能，方式是它們對具有較小自由光譜范圍的法布里-珀羅濾波器的高階進行抑制。但這樣并不足以排除所有不需要的光譜分量，并因此光學(xué)帶通濾波器將頻帶全部限制在感興趣的區(qū)域，所述區(qū)域最好最多與濾波器布置的合成自由光譜區(qū)一樣大。所述帶通濾波器也可以集成到在光路中的發(fā)送光學(xué)器件或接收光學(xué)器件中?？商娲?，窄帶的光源或者檢測器就足以從自身排除濾波器布置的存留的較高階。
[0022]測量室優(yōu)選為光聲測量室。當(dāng)吸收路徑短時，低的氣體濃度也可在該測量室中進行測量，并且該測量室具有大的動態(tài)范圍。光聲測量室測量壓力變化，這種壓力變化是由于入射到測量室中的光被吸收時因為氣體被加熱而產(chǎn)生的。所述壓力變化例如用麥克風(fēng)或壓力傳感器來進行聲學(xué)測量。優(yōu)選地，調(diào)制光在這里用于確保足夠的狀態(tài)變化。
[0023]在光聲測量室的優(yōu)選實施方式中，其具有大致為硅膜形式的振動梁(懸臂)和用于通過干涉法來光學(xué)測量振動梁的偏轉(zhuǎn)的干涉儀。在入射光的頻率特性和氣體組分吸收光譜的頻率特性足夠一致時進行吸收會導(dǎo)致非?？斓丶訜?，并從而使得氣體產(chǎn)生脈沖式的壓力變化。然后對由此引起的振動梁偏轉(zhuǎn)進行干涉分析。
[0024]優(yōu)選地，設(shè)置校準(zhǔn)裝置，其可引入到光路中并可從光路中移除，而且所述校準(zhǔn)裝置包括具有已知參考頻率的干擾濾波器或具有參考?xì)怏w的氣體比色皿(GaskUvette)。雖然法布里-珀羅濾波器的諧振特征及其透射光譜理論上可以很好地預(yù)測，但實際上當(dāng)控制器設(shè)置一定的反射鏡間距時，會產(chǎn)生公差。在校準(zhǔn)時通過與已知的參考頻率進行比較來對其進行補償，并因此可以特別精確地調(diào)節(jié)相應(yīng)的透射波長和/或強度。所述參考?xì)怏w也可以引入測量室。在使用參考?xì)怏w時要像往常一樣注意溫度和壓力穩(wěn)定的情況。
[0025]校準(zhǔn)裝置優(yōu)選具有滑塊或濾光輪。因此校準(zhǔn)起來很容易，如有必要可以重復(fù)進行?？梢苑謩e使用多種參考?xì)怏w或干擾濾波器，用于校準(zhǔn)多個校準(zhǔn)點。
[0026]優(yōu)選至少一個法布里-珀羅濾波器可從光路中移除且又可重新引入光路中。滑塊也可用于此用途。用這種方式不僅可將法布里-珀羅濾波器整個作為濾波器布置來校準(zhǔn)，而且還可單獨或成組地進行校準(zhǔn)。這會簡化校準(zhǔn)過程并導(dǎo)致更準(zhǔn)確的結(jié)果。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的方法可用類似的方式進一步改進并同時顯示類似的優(yōu)點。所述有利的特征是示例性的，但是并不限于隸屬獨立權(quán)利要求的從屬權(quán)利要求所述。
[0028]下面示例性地借助實施方式并參考附圖來進一步詳細(xì)說明本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。附圖中的圖片顯示:
[0029]圖1為光譜儀的概括圖；
[0030]圖2a示出了三個不同法布里-珀羅濾波器的透射光譜；
[0031]圖2b示出了根據(jù)圖2a所示的三個按順序依次布置的法布里-珀羅濾波器的共同的透射光譜；
[0032]圖3示出了 CO的示例性光譜掃描；
[0033]圖4a示出了與圖2a類似的三個不同法布里-珀羅濾波器的透射光譜，但具有相互失諧，由此透射最大值獲得相互位移；
[0034]圖4b示出了根據(jù)圖4a所示的、與圖2b類似的三個按順序依次布置的法布里-珀羅濾波器的共同的透射光譜；
[0035]圖5a示出了根據(jù)圖2a和4a所示的透射光譜，用于闡述可能的設(shè)置更改以便對共同透射光譜中的合成最大值進行振幅調(diào)制；
[0036]圖5b不出了有多個設(shè)置更改時根據(jù)圖5a所不的三個按順序依次布置的法布里-珀羅濾波器的共同的透射光譜的最大值；
[0037]圖6示出了用于調(diào)制入射光的掃描模式，所述入射光的每個設(shè)定透射波長分別具有五個明暗周期；
[0038]圖7示出了用于調(diào)制入射光的另一種掃描模式，所述入射光的每個設(shè)定透射波長分別具有兩個鯊魚鰭狀周期；
[0039]圖8示出了光譜儀另一種實施方式的概括圖，其中具有可調(diào)節(jié)引入光路中的元件用于校準(zhǔn)；以及
[0040]圖9示出了光譜儀另一種實施方式的概括圖，其中具有可選擇性地從光路中移除的法布里-珀羅濾波器。
[0041]圖1示出了光譜儀10的概括圖，所述光譜儀10用于通過吸收測量來確定氣體組分的濃度。光源12發(fā)出光14,該光14在其光路16上通過第一光學(xué)器件18、帶通濾波器20、具有多個法布里-珀羅濾波器24a-c的濾波器布置22以及第二光學(xué)器件26，并隨后入射到測量室28中。待檢測的氣體30或氣體混合物在測量室28中，為此設(shè)置了用箭頭示出的氣體入口 32和氣體出口 34。
[0042]檢測器位于測量室28，所述檢測器在這里被設(shè)計成具有(激光)干涉儀38的振動梁36用于確定振動梁36的偏轉(zhuǎn)?？刂坪头治鰡卧?0具有用于分析干涉儀38信號的測量模塊42，還具有用于調(diào)節(jié)濾波器布置22的控制器44和其它必要的控制和分析功能?？刂坪头治鰡卧?0的劃分僅僅為了說明清楚，將其以一個或多個物理控制和分析單元進行劃分也是可能的，這些單元相互交換數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)。
[0043]光源12最好是寬帶的紅外發(fā)射器。由此將待測氣體分子光譜線的典型頻率范圍覆蓋。第一光學(xué)器件18將光12聚焦，其中所示透鏡僅代表一個或多個適合用于光束整形和光束引導(dǎo)的光學(xué)元件。帶通濾波器20從光源12的寬頻帶中截選出粗糙區(qū)域，待測氣體在該區(qū)域的吸收帶內(nèi)。例如在4.3μπι-7.4μπι的頻率范圍可測到氣體組分CO、NO、SO2, NO2,N2O, CO2和H2O并在3μπι-3.8μπι的頻率范圍可測到許多的碳?xì)浠衔铩Ｒ虼?，在所述區(qū)域之外的頻率，或具有氣體光譜線的頻率(這些頻率用某些光譜儀應(yīng)該根本測不出來)，它們從一開始就可借助帶通濾波器20來抑制。帶通濾波器20也可不在示出的位置而在光路16的其它位置或?qū)⑺傻狡渲幸粋€光學(xué)器件18、26中?；蛘呤褂妙l帶有點窄的光源12，例如LED，并且不必再用帶通濾波器20。濾波器布置22自身至少在某種程度上可承擔(dān)帶通濾波器20的功能。
[0044]濾波器布置22在下面還會進行詳細(xì)描述，其透射光譜可通過調(diào)節(jié)法布里-珀羅濾波器24a-c用期望的方式來指定，從而使得光14在通過濾波器布置22后具有某些頻率特性。優(yōu)選地，在指定頻率只有窄的透射最大值仍然保留著，然后所述最大值在多次單獨測量中移動通過感興趣的頻率范圍?；蛘邔⑼干渥畲笾涤嗅槍π缘嘏c已知光譜線一致，以便測量相應(yīng)的氣體組分。第二光學(xué)器件26將被濾波的光14引入到測量室28，其中與第一光學(xué)器件18 —樣將此示圖純示例性地理解成簡單的透鏡。此外，在濾波器布置22內(nèi)，特別是在法布里-珀羅濾波器24a-c之間還可設(shè)置其它的光學(xué)元件。
[0045]只有當(dāng)入射到測量室28中的光的頻率特性與氣體30的分子的一個或多個光譜線一致時，相應(yīng)頻率的光才會被吸收。這會導(dǎo)致氣體30被加熱，從而使測量室28中的壓力增力口，而這又會使振動梁36與相應(yīng)的一種或多種氣體組分的濃度成一定比例地進行偏轉(zhuǎn)。干涉儀38高精度地將所述偏轉(zhuǎn)檢測出來。因此用這種類型的光聲測量室28進行的測量特別準(zhǔn)確。但是也可設(shè)置另外的光聲測量裝置，例如通過麥克風(fēng)或壓力傳感器來進行測量，以及設(shè)置完全不同的檢測裝置例如通過紅外探測器來進行檢測，其對透射過氣體30的光14進行測量并從中推斷出吸收情況。在這種情況下，具有檢測器的布置在測量室28外是可以設(shè)想的，接著將通過測量單元28的光借助適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件引導(dǎo)至檢測器。還有一種可能布置是這樣的，其中光在測量室28之后反射，經(jīng)過兩次傳輸通過測量室28之后記錄在檢測器中，例如通過光源12和檢測器之間的分束器布置來進行。
[0046]現(xiàn)在參照圖2至圖7來進一步詳細(xì)說明濾波器布置22的運行方式?？刂破?4能夠?qū)χ辽僖粋€法布里-珀羅濾波器24a_c的參數(shù)進行更改，特別是對兩個半透明反射鏡之間的空隙進行更改，從而更改諧振頻率。例如可通過靜電或壓電操縱裝置被構(gòu)造成MEMS的法布里-珀羅濾波器來實現(xiàn)，所述濾波器的反應(yīng)時間短而沒有宏觀運動。由此可指定濾波器布置22的透射光譜。
[0047]圖2a以示例形式示出了三個法布里-珀羅濾波器24a_c的三個透射光譜。具有最小半值寬度的法布里-珀羅濾波器24a生成了用細(xì)線表示的、彼此緊靠的呈細(xì)針狀的透射最大值。另一個中等的半值寬度的法布里-珀羅濾波器22b在所示的頻率部分具有三個用粗線表示的透射最大值。第三個法布里-珀羅濾波器24c在所示的頻率部分只有比較寬的用虛線表示的透射最大值。這也闡明了引言中所描述的對透射最大值的半值寬度和密度的依賴性，也就是說取決于自由光譜范圍:透射最大值越窄并因此越適合較高光譜分辨率，則下一個高階透射最大值就越近。因此法布里-珀羅濾波器24a-c中沒有一個單獨適用高分辨率光譜法，因為光不會被特別限制在特定的窄頻率范圍。
[0048]通過將三個法布里-珀羅濾波器24a_c依次布置可解決上述問題。圖2b示出了相應(yīng)的共同透射光譜，即最后將圖2a中的三個透射光譜逐點相乘。在圖2a中所有三個法布里-珀羅濾波器24a_c的透射最大值重疊的地方會產(chǎn)生明顯的透射最大值。其余的透射最大值仍是可以識別的，只是明顯被抑制了，因為具有較大自由光譜范圍的每個法布里-珀羅濾波器24a_c抑制了法布里-珀羅濾波器的高階透射最大值并且所述濾波器的半值寬度窄。同時也要遵守圖2b的對數(shù)表達。如果法布里-珀羅濾波器24c具有的透射最大值最寬，則自由光譜范圍不一定足夠?qū)⒐庠?2的整個帶寬覆蓋，為此選擇性地讓帶通濾波器20額外地縮小頻率范圍，例如縮小至圖中所示部分或一般縮小至通頻帶，所述通頻帶最多與一個或多個法布里-珀羅濾波器24a-c的自由光譜范圍一樣大。
[0049]現(xiàn)在通過連續(xù)改變圖2b中所示區(qū)域的中心波長可掃描氣體30的吸收光譜。圖3示例性地顯示了 CO光譜的連續(xù)掃描結(jié)果。
[0050]高分辨率光譜測定法現(xiàn)在可以用相同的結(jié)構(gòu)擴展到調(diào)制，以便在檢測中能夠使用鎖相法。由此在具體示出的具有光聲測量室28的實施方式中周期性地偏轉(zhuǎn)振動梁24并對其振動進行干涉分析。但是鎖相法也有其它用途，例如用于放大紅外檢測器的信號。
[0051]濾波器布置22本身雙功地并因此無需額外的組件就能夠產(chǎn)生所需調(diào)制。為此法布里-珀羅濾波器24a_c周期性地彼此失諧并因此有針對性地暫時離開圖2b所示出的明亮狀態(tài)。圖4闡明了這一點。圖4a示出了與圖2a類似的圖，其中在這里透射最大值相對于彼此被移位，從而使得它們盡可能在任何頻率下均沒有重疊。對于最寬的、用虛線表示的透射最大值來說，其能夠被立刻識別出來的。但用粗線表示的平均透射最大值在4.6 μ m時不再與用細(xì)線表示的針狀透射最大值一致。如有必要也可以通過微調(diào)來防止在4.2 μ m時進行重疊。在根據(jù)圖4b的所得共同的透射光譜中，透射最大值在4.6μπι時衰減了兩個數(shù)量級。因此根據(jù)圖2和圖4的調(diào)節(jié)之間的周期性變換會導(dǎo)致在每個透射波長具有兩個亮度等級的明暗調(diào)制。
[0052]但是不僅有可能進行簡單的明暗調(diào)制，而且還有可能進行可選擇的、隨時間變化的被傳輸?shù)墓夤β收{(diào)制。為此不直接啟動如圖4所示的暗狀態(tài)，而是啟動不同強度的中間狀態(tài)。
[0053]圖5對所述方法進行了闡述。圖5a的描述基本上與圖2a —致，但其是用箭頭46來指示調(diào)制模式。其原因在于，要調(diào)節(jié)具有最大半值寬度和最大自由光譜范圍的法布里-珀羅濾波器24c的空隙。這只是一個特別直觀的可以理解的示例，法布里-珀羅濾波器24a-c設(shè)置的其它組合形式也會獲得想要的結(jié)果。
[0054]在4.6μπι時的共同透射最大值在中間狀態(tài)會產(chǎn)生不同的幅度。這一點在圖5b中示例性地通過法布里-珀羅濾波器24c的四個位置示出。
[0055]圖6示出了具有掃描模式和調(diào)制模式的CO吸收線的示例性掃描的部分。在每個設(shè)定的透射波長上分別進行五次明暗循環(huán)。因此每十個數(shù)據(jù)點對應(yīng)于一個透射波長。四個透射波長上的循環(huán)用箭頭48表示。
[0056]循環(huán)數(shù)和每次循環(huán)的調(diào)制是任意變化的。為此，圖7示出了具有其它掃描模式和調(diào)制模式的CO吸收線的另一個示例性掃描的概要。在這里每個設(shè)定的透射波長上要分別進行兩次調(diào)制循環(huán)，如四次循環(huán)一樣用箭頭50表示。調(diào)制本身不再是簡單的明暗變換，而是通過多個步驟進行，這里一共要進行十次強度調(diào)制，先是呈指數(shù)增長而隨后便急劇下降(呈“鯊魚鰭”形)。實際上用類似的方式可以實現(xiàn)任意掃描模式和調(diào)制模式。
[0057]因此，濾波器布置22能夠?qū)⒃谶B續(xù)改變的中心波長周圍的狹窄波長范圍中的光發(fā)射到測量室28，其中可以根據(jù)需要對光進行調(diào)制。
[0058]法布里-珀羅濾波器24a_c的透射光譜與控制參數(shù)有關(guān)，所述控制參數(shù)可以由控制器44來設(shè)置。要將其校準(zhǔn)可在根據(jù)圖8的光譜儀10的另一種實施方式中將額外的元件52作為校準(zhǔn)裝置引入光路16中或從光路中移除。在這種情況下元件52具有已知的光譜，所述光譜被用作參考。所述元件52的兩個示例為已知與波長有關(guān)的透射干涉濾波器或閉合的參考?xì)怏w比色皿，且所述比色皿的長度已知并且由已知濃度的一種或多種氣體組分填充。在這種情況下應(yīng)注意溫度穩(wěn)定性，在有參考?xì)怏w的情況下也還要注意壓力穩(wěn)定性。在使用元件52并測量光譜時，要根據(jù)一個或多個控制參數(shù)將透射光譜校準(zhǔn)，所述透射光譜包括法布里-珀羅濾波器24a-c的透射波長和透射強度在內(nèi)。元件52的引入或取出可通過濾光輪或機械滑塊來實現(xiàn)。一種替代性的實施方式在光路16中布置了用于校準(zhǔn)的窄帶激光光源來替代兀件52。
[0059]圖9示出了光譜儀10的另一種實施方式。在此實施方式中，法布里-珀羅濾波器24a-c也可以通過滑塊或類似物單獨或成組地從光路16中移除或可引入其中。這也可以與根據(jù)圖8的實施方式相結(jié)合。根據(jù)圖9的實施方式允許單獨或成組地將法布里-珀羅濾波器24a-c校準(zhǔn)，而不只是將整個濾波器布置22校準(zhǔn)。這會提高精度并簡化程序。
[0060]要將法布里-珀羅濾波器24a_c校準(zhǔn)也可以設(shè)想的是，用校準(zhǔn)氣體或參考?xì)怏w來填充測量室28，其氣體組分及其濃度是已知的。此外還有可能的是，將檢測器代替測量室28引入光路16中用于校準(zhǔn)，所述檢測器將相關(guān)光譜范圍內(nèi)的強度測量出來，并由此可對濾波器布置22的設(shè)置進行檢驗或?qū)φ麄€光路16的特性進行檢驗。
【權(quán)利要求】
1.一種用于氣體分析的光譜儀(10)，所述光譜儀(10)包括:測量室(28)，其填充有待測氣體(30);光源(12)，其用于在光路(16)上將光(14)發(fā)射到所述測量室(28);濾波器布置(22)，其具有在所述光路(16)上的法布里-珀羅濾波器(24a-c)，以便通過所述濾波器布置(22)的透射光譜來調(diào)節(jié)光(14)的頻率特性；以及，檢測器(36、38)，其通過所述測量室(28)中的氣體(30)來測量光(14)的吸收， 其特征在于， 所述濾波器布置(22)具有多個依次布置在所述光路(14)中的法布里-珀羅濾波器(24a-c)，并且還設(shè)置了用于所述濾波器布置(22)的控制器(44)，以便通過調(diào)節(jié)所述法布里-珀羅濾波器(24a_c)中的至少一個法布里-珀羅濾波器(24a_c)來改變透射光譜。
2.如權(quán)利要求1所述的光譜儀(10)，其中，所述濾波器布置(22)具有三個法布里-珀羅濾波器(24a-c)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光譜儀(10)，其中，將所述法布里-珀羅濾波器(24a-c)的反射鏡間距和相應(yīng)的透射光譜的分配存儲在所述控制器(44)中。
4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜儀(10)，其中，所述法布里-珀羅濾波器(24a-c)具有分級的半值寬度，特別是在有三個法布里-珀羅濾波器(24a_c)時分別設(shè)置了具有小的半值寬度的、中等的半值寬度的和大的半值寬度的法布里-珀羅濾波器(24a-c)。
5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜儀(10)，其中，所述透射光譜在預(yù)定的頻率上具有窄帶最大值。
6.如權(quán)利要求5所述的光譜儀(10)，其中，所述控制器(44)被構(gòu)造為，周期性地改變所述濾波器布置(22)的透射光譜，從而調(diào)制最大值的幅度。
7.如權(quán)利要求5或6所述的光譜儀(10)，其中，用可預(yù)先給定的功能來調(diào)制振幅，特別是用增量脈沖、正弦波或先呈指數(shù)增長然后突然下降的脈沖來調(diào)制振幅。
8.如權(quán)利要求5至7中任一項所述的光譜儀(10)，其中，所述控制器(44)被構(gòu)造成，用于根據(jù)掃描模式來改變透射光譜，根據(jù)其在掃描頻率下分別生成具有最大值的透射光譜，所述最大值的振幅在所述掃描頻率下通過多次循環(huán)進行調(diào)制，并且隨后系統(tǒng)地改變所述掃描頻率。
9.如權(quán)利要求6至8中任一項所述的光譜儀(10)，其中，借助已知的調(diào)制用鎖相法來分析所述檢測器(36、38)的信號。
10.如前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜儀(10)，其中，在所述光路(16)中設(shè)置有額外的光學(xué)帶通濾波器(20)，以隱藏所述法布里-珀羅濾波器(24a-c)中的至少一個法布里-珀羅濾波器(24a_c)的高階最大值，最好是隱藏具有最大自由光譜范圍的法布里-珀羅濾波器(24a_c)的高次最大值。
11.如前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜儀(10)，其中，所述測量室(28)為光聲測量室。
12.如前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜儀(10)，其中，設(shè)置有校準(zhǔn)裝置(52)，所述校準(zhǔn)裝置(52)可引入所述光路(16)中并可從所述光路(16)中移除，而且所述校準(zhǔn)裝置(52)包括具有已知參考頻率的干擾濾波器或具有參考?xì)怏w的氣體比色皿。
13.如權(quán)利要求12所述的光譜儀(10)，其中，所述校準(zhǔn)裝置(52)具有滑塊或濾光輪。
14.如前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜儀(10)，其中，至少一個法布里-珀羅濾波器(24a-c)可從所述光路(16)中移除并且又可重新引入到所述光路(16)中。
15.一種用于對氣體進行光譜分析的方法，其中，光源(12)的光(14)穿過具有法布里-珀羅濾波器(24a-c)的濾波器布置(22)，并且同時還通過所述濾波器布置(22)的透射光譜來調(diào)節(jié)光(14)的頻率特性，緊接著將所述光(14)引到具有待測氣體(30)的測量室(28)中并通過在所述測量室(28)中的氣體(30)來測量光(14)的吸收， 其特征在于， 通過對所述濾波器布置(22)的多個依次布置的法布里-珀羅濾波器(24a-c)中的至少一個法布里-珀羅濾波器(24a-c)進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，并且由此用具有不同頻率特性的光來多次測量吸收。
【文檔編號】G01N21/3504GK104515745SQ201410521849
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月2日
【發(fā)明者】托爾斯滕·沃爾德曼, 羅爾夫·迪施 申請人:西克股份公司