CN1739019A - 气室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包含在气体传感器中的气室，该气室适于确定气体的存在，和/或适于确定气体(G)的浓度，并包括腔体(2′)，该腔体(2′)由具有反光特性的壁部分限定，并且该腔体(2′)旨在容纳一定所述气体(G)，该气室还包括适于发出光束(3a′)的光源(3)，该光束(3a′)导向为在与腔体关联的壁部分和相对的壁部分之间反射，其中光束(3a″)包括在凹壁镜面(2b′)中反射、并投射到一个或多个光接收器(4、5)上的光线，该光接收器(4、5)可检测与该气体样本(G)对应的吸收波长。该凹曲壁镜面(2b′)适于将倾斜接收的发散光束(3a′)从光源3反射到平的分布有光栅的与腔体关联的壁部分(2g′)上，该壁部分(2g′)的反射表面包括或被构造成利特罗配置(2g″)。光束(3a″)适于以接近光栅闪耀角的角度落在所述平壁面(2g′)上，导致在该光束(3a″)中与所选气体样本(G)对应的吸收波长，被所述平壁面(2g′)在直接相对的方向上反射或衍射(3a″)，使得衍射波长在所述曲镜面(2b′)中再次反射，并且投向并衍射到所述光接收器(4、5)中的每个。

Description

气室

发明领域

本发明总体涉及一种气室，尤其涉及这样一种气室，其包含在气体传感器中，并适于借助于对具有一个或多个不同吸收频率的光波进行光谱分析，来确定气体和/或气体混合物的存在，以及/或者该气体和/或气体混合物的浓度。

确定气体混合物中多种气体的存在也在本发明的范围之内，这些种气体中的每一种可以与一个或多个吸收频率相对应。

该发明的气室适于与电子电路作为一个单元共同工作，所述电路能够驱动气室光源，并能检测在一个或多个光接收器上出现的信号。

各个光接收器均适于测定对应于一个或多个所选波长而出现的瞬时光强度，并适于测定一种或多种所选气体的存在，和/或以此为基础测定所述一种或多种气体的浓度。

可以方便地将这些光接收器中的一个或多个用作参考信号。

显示单元与电子电路连接，用于可视地显示气体的存在和/或气体浓度。

这种气室包括光反射装置，该光反射装置包括由壁限定的腔体，并旨在容纳一定体积的所述气体或气体混合物，以用于化验和测量目的。

这种气室还包括光源，或与光源协作，优选的光源是，其产生和发出可见频率范围内的光，或在特定应用情况下产生和发出IR范围内的光，并且该光源适于发出定向光束，以便在所述腔体的相对壁部分之间反射。

借助于必要的反射元件，该光束应该由发散光束或光线构成，发散光束或光线射到凹曲壁部分上，并被反射，以便能够借助于所述壁部分，汇聚到一个或多个光接收器。

通过电子电路的介质，这样的光接收器适于利用给定气体有效波长的减少测定与所选一个或多个光吸收波长对应的光强度，其中所述减少就光谱分析而言是显著的，而该所选光吸收波长在与所述气体对应的光谱范围内。

这种光接收器与电子电路连接，以使得能够测量光谱的波长的强度，并且还测定与光源的光强度有关的参考波长的强度。

技术背景

在本领域中，上述几种不同类型的方法和设置是公知的。

利用根据美国专利公开US-A-5550375提出的红外(IR)分光仪技术的一种气体传感器，其作为本发明技术背景的第一实例和本发明所属的技术领域。

该现有公开说明和描述了一种装置，在原理上，该装置利用了在IR光谱仪的帮助下，通过确定特定的气体吸收波长，以及测定红外光谱范围内气体有效波长中的气体强度，有选择地检测气体和/或气体浓度的可能性。

所述现有公开中说明的气体传感器尤其适于气体流或充气腔体的连续控制，其中传感器或室体由一个单独部分组成，并被制造成微观结构体。

气室中的腔体包括在红外光的入口和出口之间与壁相联的镜光栅(wall-related mirror grating)。

根据图1B所示的实施例，具有发散光线的光束从光源(7)发出，通过开口(3)到达第一凹镜面(5)上，从第一凹镜面斜反射到平面栅格或栅表面(2)上，在栅表面上作为光波斜反射或斜衍射到邻近的第二凹镜面(8)上，以便能够作为会聚光束穿过出口(4)。

可以由X射线、平板印刷蚀刻、电镀和模制工艺，通过LIGA处理，来制造所示的体或气室基板(1)。

在国际专利公开WO-A1-98/09152中示出和说明的气体传感器，是适用于本发明的技术背景和技术领域的另一个实例。

后一个现有公开说明了一种气体传感器(A)，适于测定包含在腔体(2)或气室中的气体样本的组成。

该气室以方块的外形示出，其中腔体壁或腔体壁部分被认为具有很高的反光能力，并被指定为镜面(11A，12A)。

腔体(2)包括用于光线进入的开口(2a)，光线在腔体中将反射预定次数，从而在从出口(6)离开之前，定义必要的测量路径或末端。

更具体的，该现有公开讲解了在气室中，三个彼此相对的凹反光壁部分(11，12，13)的使用。

第一壁部分(11)具有半椭圆或椭圆形状。

第二(12)和第三(13)所述壁部分具有相似的形状，符合半椭圆或椭圆的一部分。

发明内容

当考虑到在这个特定领域中的技术人员为了对他/她遇到的一个或多个技术问题提供一种解决方案而必须进行的技术研究时，将会看到，起初必须实现为了上述目的而必须进行的测量和/或测量顺序，并且还要实现解决一个或多个所述问题所需要的装置。在这个基础上，很明显的是，以下所列技术问题与本发明的开发高度相关。

如上所述，考虑到该领域的当前状况，将会看到，在实现创造气室的有效性和实现与创造气室相关的优点的能力中存在技术问题，其中该气室包含在气体传感器中，或与气体传感器相连，该气体传感器可以包括引言中给出的规格，并可以具有十分紧凑的结构，同时仍能在该气室的腔体之内提供足够长的光测量路径或末端，从而能够借助于与给定气体或某些所选气体对应的一个或多个相关吸收波长，在电子电路的帮助下，进行精确的光谱分析。

创建简单测量和简单装置条件，使得能够根据需要，以高精度和高效率，测定一种或多种气体和/或一种或多种气体浓度，还将会看到的是，一种技术问题存在于创造这样的简单测量和简单装置条件中。

测量需要显著地提高测量距离或路径长度，并且主要为此目的使用相对于光源的反射器结构，还将会看到的是，一个技术问题存在于上述测量中。

首先利用出现在对光进行反射和衍射的气体样本腔体内的光测量路径，其次利用在所述反射器结构中出现的另外光测量路径，从而提供了有效性和优点，另外一个技术问题存在于实现这样的有效性和优点的能力。

创造具有这样的几何形状并包括气体样本和光反射腔体的气室，该光反射腔体中能够放置一个或多个光接收器，但是，该光接收器的位置在全向发射光源之前与侧面相关，或在所反射虚的或虚拟的光源之前与侧面相关，在所反射虚的或虚拟光源的一侧，或稍微在所反射虚的或虚拟光源之后，那么，将该技术问题归于能够实现通过创造这样一个气室所提供的有效性和优点。

将所选数量(例如至少两个)的光接收器置于反射器结构邻近的位置，并在反射器结构之外，并且与经由该光源反射器发送的汇聚和/或发散光束邻近并在该光束之外，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现上述有效性和优点的能力中。

调整腔体形成的凹壁部分，以将从光源接收的倾斜并稍微发散的入射光束反射到平的分布有栅(grating-allocated)的腔体壁部分上，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

通过使得平壁部分及其反射和衍射表面包括或被构造成已知的“利特罗(littrow)”配置，从而提供了有效性和优点，另一个技术问题存在于实现上述有效性和优点的能力中。

为弯曲的光反射表面提供一种形状，该形状与一部分抛物线的形状和曲率一致，并由此实现，平的光反射且分布有栅的壁部分可以定义一个角，这个角创造了允许衍射波前被反射的条件，从而提供了有效性和优点，另一个问题存在于实现这样的有效性和优点的能力。

在所述腔体创造条件，导致光束或波前以选择的角度，即与指定给光栅的“闪耀”角接近的角度，落在所述平壁部分，从而提供了有效性和优点，另一个技术问题存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

使光束中存在的且与所选一个或多种气体对应的一个或多个波长，被所述平壁部分在“直接”相反方向上反射或偏折，使得在所述曲面中将光作为衍射波前再一次反射，并且以此允许在朝向所述光源的方向对一个或多个所选波长进行反射，但是会稍微偏到光源的一侧，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

通过使所述曲壁部分与由抛物线或抛物线弧形成的弯曲形状的一部分一致，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

通过使所述弯曲形状部分与抛物线的顶点很接近，并且与所述线的焦点也很接近，从而提供了有效性和优点，在这一点上，一个技术问题存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

通过与抛物线轴成直角且穿过与轴关联的焦点定位一点或一段，为所述弯曲形状的所述部分划界，从而提供了有效性和优点，一个技术问题存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

通过反射器结构，使物理的光源的像实际上处于、或出现在、或接近于抛物线形状的焦点或聚焦点，从而提供了有效性和优点，一个技术问题存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

使所述腔体的曲壁部分具有完全定位在抛物线形状的轴的一侧的一部分抛物线弧的形状，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

使腔体的平的栅分布的壁部分包括具有闪耀角的栅结构，以在基本上直接相对的方向上提供反射和衍射，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

调整栅结构和其它的测量，以单独地提供第一阶的衍射光栅，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

选择50°到60°之间的闪耀角，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

放置一个或多个光接收器，该光接收器适于位于物理的光源附近和/或虚光源附近的衍射波长，该光接收器的接收波瓣(receiving lobe)朝向在抛物线曲面之内关联的表面部分，从而提供了有效性和优点，将会看到，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

通过创造条件，使得多个光接收器置于邻近所述抛物线形状的焦点或聚焦点的位置，从而提供了有效性和优点，另一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

由两个基于聚合物的仿形形成所述腔体，该仿形已经被处理过，以使所选壁部分具有光反射特性，从而提供了有效性和优点，另一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

使用于构成非相干光源的光源产生IR范围之内的波长光谱，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

使物理的光源或虚光源置于或邻近与抛物线曲凹面关联的焦点或聚焦点的位置，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

将一个或多个光接收器放置在分配给抛物线曲凹面的焦点附近的位置，或放置在所述焦点上，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

将物理的光源放置在椭圆形状的焦点或聚焦点上，并将适合于该检测器系统的滤光器放置在出现在第二焦点或第二聚焦点处的虚光源上、或靠近该虚光源放置，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

调整滤光器，以允许可用于该检测器系统的自由光谱范围之内的、与光相关的波长通过，从而提供了有效性和优点，一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

调整所述滤光器，以滤除或阻止某些波长，这些波长与可用于所选检测器系统的自由光谱范围之内同等的那些波长相比要短，从而提供了有效性和优点，然而另一个技术问题还存在于实现这样的有效性和优点的能力中。

解决方案

本发明以上述已知技术作为其出发点，其中，设计一个气体传感器，来确定一种或多种气体的存在，和/或确定所述气体的浓度。

该气体传感器需要使用包括腔体的气室，该腔体由具有光反射特性的壁部分限定，并且该腔体旨在容纳第一体积的所述要测量的气体，并且该腔体还包括光源，该光源适于发出光束，该光束在所述腔体的相对壁部分之间反射，这里，所述光束尤其由在凹壁部分中反射的发散光线形成，并投向一个或多个光接收器，该光接收器通过电子电路这个媒介，测定与所述气体对应的一个或多个有效吸收波长的产生光强度。

为了解决一个或多个上述技术问题，根据本发明，通过调整所述凹曲壁部分，以将从光源接收的倾斜光束反射到所述腔体的平的栅分布壁部分上，从而改进已知技术。

该平壁部分包括反射表面，该反射表面包含利特罗配置或构造成利特罗配置，这里，该光束旨在以接近光栅闪耀角的角度落在所述平壁部分上。

这样就创造了条件，使得与所选气体对应的光束中的一个或多个吸收波长，被所述平壁部分在“直接”相对方向上反射并衍射，以此在所述曲壁部分中，该衍射吸收波长作为一个或多个反射波长再一次被反射，并投向所述光接收器。

作为在本发明概念范围之内所提出的实施例，建议该曲壁部分应该与适合于抛物线形状的曲线形状一致。

这使得物理的光源通过反射器或反射器结构看上去像是虚的，并且置于或接近于抛物线形状的焦点或聚焦点上。

那么，该曲壁部分可以包括位于抛物线形状的轴的一侧的一部分抛物线弧。

更具体的，所提出的该平的栅分布的腔体壁部分包括具有闪耀角的栅结构，其用于在“直接”相对方向上的反射和/或衍射，这里，该栅结构和其它测量可以很方便地适合于第一阶衍射光栅和可能的第二阶衍射光栅。

还建议闪耀角在50°到60°之间。

根据本发明还提出，一个或多个光接收器可以置于靠近光源和/或靠近虚光源的位置，并且该所用光接收器的接收波瓣朝向该曲面。

更具体的，建议腔体由两个基于聚合物的仿形构成，该仿形已经被处理过，以使所选壁部分具有光反射特性。

根据本发明还提出，光源应该包括非相干光源，以产生IR范围之内的波长光谱。

根据本发明还提出，物理的光源或虚光源可以置于或接近于分配给凹曲面的焦点，并且一个或多个光接收器可以置于或接近于所述焦点。

根据本发明还提出，物理的光源可以置于椭圆形状或椭圆体的一个焦点或聚焦点上，并且滤光器置于第二焦点或聚焦点上，并且虚光源出现在所述第二焦点或聚焦点处。

设计滤光器，以允许在应用于该检测器系统的自由光谱范围之内的、与光相关的波长通过，并且更具体的，所述滤光器适于滤除和阻止与在该自由光谱范围内同等的波长相比要短的波长。

优点

本发明特有的主要优点及其具体显著的特有特征在于：创造了条件，使得能够以简单的方式制造适应气体的气室，其中，腔体、光源和一个或多个光接收器被组合在一起，形成了一个紧凑的单元，并且相互之间直接调整，以测定一个或多个所选气体和/或气体混合物。

该腔体的抛物线曲形光反射壁部分的功能是，将进入的发散光束作为波前反射到平的栅分布壁部分上，之后，该栅分布壁部分将具有所选波长的衍射波前反射回该曲面上，之后，该曲面将衍射波长反射到一个或多个光接收器上，以在一个或多个所选吸收波长之内的评估光强度的帮助下，来确定一个或多个气体的一个或多个浓度。

所附权利要求1的特征项定义了本发明特有的主要特征。

附图简述

将参考附图，结合实例描述包含本发明的显著特征并且当前优选的实施例。

图1以框图的形式大体上说明了一个包括根据本发明的指示构造、且气体可以通过其流动的气室的气体传感器，其中该气室包括一个光源和两个与具有显示单元的电子电路连接的光接收器；

图2是气室放大图像的俯视图，示出了腔体结构、光源和两个光接收器，然而没有包括电子电路，用于驱动光源，并接收和测定与所选气体相关的一个或多个相关吸收波长的光强度；

图3说明了所选系统的设计和闪耀角，其中，按照石英中具有的光栅结构选择所述设计和角度；

图4更准确地说明了分配给平面的光反射和波长衍射壁部分的，所使用的利特罗(Littrow)装置的实施例；

图5是图2所示的气室的俯视图，图中示出了气室的光反射以及波长或光散射，该气室适于确定二氧化碳气体的存在及其当前浓度；

图6是表示与利特罗配置的波长相关的效率变化图；

图7是表示检测器与波长相关的接收同光源发射的百分比关系。

发明详述

首先指出的是，在对以下当前优选的、包括本发明的显著典型特征的、并在附图中说明的实施例的描述中，我们选择使用本发明的专门名词和术语，以使对于本发明概念的说明更加清楚。

然而，应该注意的是，不应该将这里选择的表达方式看作仅限于说明书中使用的所选术语，并且应该将每个所选术语解释为，包括所有的技术等价物，这些技术等价物以至少基本上相同的方式工作，以便实现相同的、或基本上相同的目的和/或技术效果。

因此，图1示意性地并大体上说明了本发明的基本情况，其中，在当前优选的并且以下将更详细描述的实施例中，本发明的显著特征被具体化。

图1所示的气体传感器1的基本结构在本领域中是公知的。

本发明主要包括气室2，结合物理的光源3的特定方位，以及许多光接收器的特定组合来使用气室2，其中，在所示实施例中示出了与侧面相关的两个光接收器4和5。

本领域技术人员会明白，根据所选一种或多种气体，或根据所选气体混合物以及根据气室2中腔体的形状，光接收器4、5的数量以及它们的物理位置可以变化。

因此只是为了简单，就两个与侧面相关的光接收器来说明和描述提出的实施例，其中，对于与所选气体对应的吸收波长来放置和调整光接收器4，同时，放置和调整光接收器5，用作参考波长。

结果是，可以将接收器4中的信号标准化，以便大体上与光源3的光强度变化无关，这种变化至少会当光源3老化时发生。

为此，图1的气室2包括互相相对的由腔体限定的具有光反射特性的壁部分。示意性说明的定义了腔体2′的壁部分包括第一侧面相关壁部分2a、第二侧面相关壁部分2b、第三侧面相关壁部分2c和第四侧面相关壁部分2d。

侧面相关壁部分2a、2b、2c和2d与设置为互相平行的平底部分2e和平顶部分2f协作。

因此，已被处理成具有光反射特性的所有表面，例如参考标号为2a、2b的表面，被标示为2a′、2b′等，并且在以下说明中可以将这些表面称作镜面2a′、2b′等。

原则上，需要从光源3发出的光束“L”经过腔体2′，并在腔体2′中，以已知的方式由壁面或镜面2b′反射，并转向光接收器4(或5)上，并由光接收器4(或5)接收。光束“L”以此定义了一条在腔体内穿过所密闭气体样本(G)的光测量路径。

不同的气体和不同的气体混合物需要长度或端点互不相同的光测量路径。通过扩大腔体2′的尺寸，或通过创建条件使光源3和接收器4和5之间有多条反射路径，可以满足这种需要。

因此，图1以框图的形式，示意性地说明了气室2，气体“G”可以通过气室2流动，并且气室2可以容纳要进行电子测定的气体样本(G)。

图1和2中所示的该发明的气室2，适于与电子电路6作为一个单元协作，以使与气室关联的光源3能够借助于所述电子电路6进行操作，并检测在一个或多个光接收器4、5上出现的信号，以此能够测定与所选一个或多个吸收波长对应的、或作为选择与所选一个或多个参考波长对应的瞬时光强度，以此测定所选气体“G”的存在和/或该气体的浓度。

显示单元7与电子电路6连接，用于在显示表面或显示屏幕7′上，单独地可视显示气体的存在或气体浓度。

图2是更详细地示出了根据本发明的气室2的俯视图，以下更详细地描述该气室的几何形状和结构。

图2中所示的气室2具有十分复杂的构造，气室2首先定义了腔体2′或容纳要测量的气体样本(G)的空间，以下更详细地描述所述腔体2′。

在第一实施例中，在指定为第二空间“K2”的空间中产生实际的光测量路径。

腔体2′的所有内壁部分(但是壁部分3d、3e除外)，还有关联的底部和顶部，用已知的方式进行表面处理，以提供高的光反射特性。

气室2及其腔体2′被认为是薄结构，因为壁部分2a、2b、2c和2d极窄，还因为底部2e和顶部2f被很接近的放置在一起。

在图2的实施例中，选择高度，以对应于光源3所需高度，其可以是3到5毫米。

腔体2′被认为由两个相互分开的空间组成，分别是第一空间“K1”，其包括物理的光源3和反射器或反射器结构，以及第二空间“K2”，其基本功能是限定了一个气体样本(G)测量室。

在这种情况下，腔体2′及其第二空间“K2”包括第一开口21，用作要测量气体G的入口，以及第二开口22，用作已测量气体样本(G)的出口或输出。

将第一空间“K1”构造成容纳一个全向辐射(omniradiating)物理的光源3，该光源3适于发出会聚光束3a，会聚光束3a通过作为媒介的反射器或反射器结构3c，投射到开口3b，并穿过开口3b。

第一空间“K1”和反射器3c具有部分椭圆形或椭圆体的子部分(K1′)，和连接的锥形子部分(K1″)。

将全向辐射物理的光源3设置在椭圆腔体(K1′)的一个焦点或聚焦点F1上，以此，光源3发出的辐射光线将被反射器3c反射到第二焦点或聚焦点F2上，并在该点形成物理的光源的虚像(3′)。

在所说明的情况中，第二或连接的子部分(K1″)被两个会聚的壁部分3d和3e界定。

光源3发出的光线，在属于反射器3c的椭圆弧镜表面中部分地反射到焦点F2，部分地从光源3直接发射到焦点F2上。

壁部分3d和3e形成相互会聚的形状，以便定义第一空间“K1”的开口角“a”，并且应将壁部分3d和3e形成为或处理成避免光反射，或可选择地，使壁部分3d和3e具有不足的反射特性。

在后边的情况中，壁部分3d和3e可以是“锯齿状的”或“发黑的”。

现在可以认为具有发散角″a″的光束3a′，从所述聚焦点或焦点F2的点状虚光源(3′)离开，并以此在第二空间“K2”中形成发散光束，该发散光束在包括处理过的壁面或镜面2b′的凹壁部分2b内斜反射。发散光束3a′在凹镜面2b′中完全反射，并以此适于作为“波前”投射到相对的第二平壁部分2g，第二平壁部分2g包括被处理成对接收的光线和波长进行衍射的壁镜面2g′，以下详细描述所述壁镜面2g′具有的结构。

下文中将参考图5、6和7以更加详细的方式进行描述，尽管将一个或多个相应的吸收波长导向为照射一个或多个诸如光接收器4和5的光接收器，但是具有包括所选一个或多个波长的波前的衍射光从平壁镜面2g′反射到凹壁面或镜面2b′上，衍射光从凹壁面或镜面2b′导向回到朝着虚光源(3′)的方向。

将光接收器4和使用的每个其它光接收器(例如光接收器5和其它未示出的光接收器)设计为：接收和检测与气体样本(G)对应的衍射吸收波长中的光强度，而剩余的光接收器以类似的方式，检测与它们所分配的吸收波长对应的瞬时光强度。

平的栅分布的与腔体关联的壁镜面2g′提供了光反射以及光衍射或波长衍射表面，其中，对所述表面进行处理，并将其标示为2g″，以及将其构造为利特罗配置。

使包含平行光线并被壁镜面2b′反射的完全光波3a″，以接近光栅闪耀角的入射角，投射到所述壁部分2g和所述壁镜面2g′和2″上。

在Springer物理化学系列丛书，卷5，“Laser Spectroscopy(激光光谱学)”，132到134页中定义了得到“利特罗”结构和设置“闪耀”角的条件。

对于空间“K2”和其中容纳的气体样本(G)，光束3a′的光程，反射波前3a″的光程，衍射波前(3a″)，从在其它物体中的凹镜面2b′到接收器4的反射和衍射光线，将构成穿过所容纳的气体样本(G)的完全、有效的光测量路径或末端。

根据提出的本发明气室2的第二实施例，通过使气体G也经过开口21′，并通过开口22′离开，使第一空间“K1”中也包括光测量路径，可以提高测量路径长度。

光束3a′和波前3a″中的每个所选波长，可以由所述平壁镜面2g′和2g″在“直接”相对方向上进行反射和衍射，作为具有离散波长且标示为(3a″)的衍射光波前，并且之后，由曲镜面2b′反射，波长相互独立，并随后被允许作为与吸收波长相关的光束3f，投向所述光接收器4。

“直接”相对方向指的是，微小的方向变化和仅仅稍微偏离“零”的反射角。

在这个方面，很重要的是，要测量的所选吸收波长不会在虚光源(3′)中出现或接近虚光源(3′)。

图2中曲壁镜面2b′的形状与适用于数学抛物线方程的曲线形状一致。

到达或来自反射器或反射器表面3c的光线通过会聚光束3a这个媒介，在焦点或聚焦点F2上会聚，以此示出虚光源(3′)，可以调整虚光源(3′)或优选的使其与曲壁镜面2b′形成的抛物线的焦点或聚焦点F3很接近。

因此，曲壁镜面2b′由壁部分(2b′)构成(见图5)，壁部分(2b′)具有抛物线弧的形状，并位于该抛物线形状的轴2b″的一侧。

与其它测量类似，在壁面2b′上的栅结构表面2g″，被调整为第一顺序的衍射光栅。

闪耀角与所选吸收波长无关，并且实际上具有50°到60°之间的值。

在图2实施例的情况中，两个略微分开的光接收器4、5放置在第一空间“K1”的外部，并与虚光源(3′)十分接近，并且相应接收器的接收波瓣3f和3h指向曲镜面2b′和所指示的壁部分(2b′)，以便能够接收代表一种或多种气体的不同的吸收波长。

更具体的，根据本发明提出，腔体2′可以由两个基于聚合物的仿形形成，在单独的过程中对该仿形进行处理，以使壁部分和壁镜面具备很好的光反射特性。

光源3也由用于产生IR范围内的波长光谱的不连贯光源组成，这种情况下，光源3可以具有由石英玻璃31包围的白炽灯丝30这样的形态。

图2中的反射器3c沿着椭圆线3c′形成为平的椭圆形曲面，该曲面略微超过焦点F1一段距离，该距离与所述焦点F1和顶点“V1”之间选择的值相对应。

曲椭圆形线3c′在两个会聚的平壁部分3d和3e的末梢点终止，该点将曲线3c′与第二焦点F2联系起来，以在所述第二焦点F2处留出一个小开口3g(3b)，例如大概1.2-0.3毫米的开口，例如0.6毫米。

壁部分3d和3e具有锯齿状的或锯齿表面，以便能够为光束3a′吸收或反射掉不需要的落在期望的开口角“a”之外的干扰光，光束3a′是由光源3，和/或通过返回椭圆曲镜线3c′或椭圆曲镜面3c上的入射光的反射而产生并投射的。

前述配置的椭圆形曲平面3c和会聚的壁部分3d和3e互相形成这样的尺寸，以至于从安装有滤光器3g′的开口3g离开的发散光束3a′将获得30°到45°之间的发散角“a”，例如大概40°。

离开开口3g的光束3a′发散，其边缘分布的光线标示为13a′、23a′。

将曲面2b和镜面2b′调整为抛物线，该抛物线的起点在该抛物线顶点“V2”，轴2b″穿过或至少接近开口3g和聚焦点或焦点F2。

曲面2b和镜面2b′形成了选择的部分或局部(2b′)，其为具有标示为F3的焦点或聚焦点的抛物线的一半。

在本发明的一个实施例中，尽管在所说明的实施例中，这两个焦点被显示为沿轴2b″互相稍微分开放置，但是焦点F2和焦点F3可以方便地在同一位置，以下将更具体地进行描述。

在镜面2b′中反射的波前3a″，被反射到栅表面2g″，并且被衍射，以致作为衍射波前(3a″)返回到镜面2b′，并且由此作为具有各自吸收波长的两个衍射光束3f和3h，与其它物质一起，反射到各自光接收器4和5上。

与光束3a′的第一边缘相关的光线13a′的反射角“b”优选地在20°到40°之间，更优选的在25°到35°之间，例如30°。

与光束3a′的第二边缘相关的光线23a′的反射角“C”优选地在40°到80°之间，更优选的在50°到70°之间，例如60°。

更具体地，尽管朝向抛物线顶点“V2”，聚焦点或焦点F2以及开口3g更靠近焦点F3放置，而用于接收器4的开口4a放置在焦点F3的另一侧，其中接收器4接收在接收波瓣3f范围内的光束。

调整接收器5及其开口5a，以接收在接收波瓣3h之内的所选频率的选择光线，这些选择光线在电子电路6中用作参考信号。

根据上述图2的实施例很显然的是，可以将类似于接收器4和/或接收器5的多个其它光接收器在物理上分开，并按一定方式进行排布，以允许对与其它所选气体相对应的，或关于其它所选气体来说显著的不同吸收波长或吸收频率进行检测。

尽管光接收器4和5被显示为置于第一空间“K1”的下方，但是应该理解的是，所述接收器可选地可以置于该空间“K1”的上方。

根据图3和4很显然的是，为了使石英中的栅结构形成两个不同的具有70.6°公共角的结晶面，可以利用该栅结构产生具有54.7°的自然闪耀角“d”的衍射栅，已经做出系统设计的选择，以及平的栅分布的与腔体关联的壁表面2g″的闪耀角和其它参数的选择。

这使得工具制造所需的原型以廉价的并容易生产的方式产生，并且还提供了基于聚合物的仿形。

图3中的参考标号X指出了保护层/氧化层的开口，参考标号Y指出了保护层/氧化层桥(bridge)。

在蚀刻处理期间，标号U的值等于Y/2，而标号D代表光栅常数的值。

图4更详细的说明了利特罗配置，所述图形包括放大的包括栅结构2g″的平面2g′界定的子部分。

在利特罗配置中，允许输入光波3a″落在与栅格的闪耀角接近的角度中。

光波3a″中具有由所选气体样本(G)确定的、以及对于本发明来说显著的预定吸收波长，该光波3a″中的光线以很小的反射角、在基本上“直接”相对方向上被反射、衍射，由此产生实现最大效率的条件，如图6所示。

在一阶衍射光栅的情况下，波长等于函数“2Dsin55°”，其结果是，在该实施例的情况下效率接近100％，因为没有发现更高阶。

在这么高入射角度的情况下，也没有负阶。

因此，创造了这样的条件，使得具有预定吸收波长的所有光在期望的方向上被反射，并进而被反射到各个光接收器4和5。

对于椭圆形状的焦点F2和接收器4和5之内的与吸收波长相关的接收而言，不允许在同一位置放置接收器，而是接收器之间必须有一小段距离，通过在焦点F3的一侧放置焦点F2，在焦点F3的另一侧放置接收器4和5，有可能在所说明的实施例中控制这个小距离。

如果焦点F2与焦点F3在同一位置，必须在一定程度上改变平的栅表面2g″的角度或改变光栅常数D，以至于衍射光束(3a″)在镜面2b′中被斜反射，并且各自的吸收波长投射到接收器4或接收器5上。

如果将接收器4或接收器5置于焦点F3上，必须将焦点F2置于焦点F3的一侧。

因此，本发明使得光源3或可见光源(3′)能够在或接近分配给凹曲面2b′的聚焦点或焦点F3处被方便地放置。

可选地，可以接近或直接在分配给凹曲镜面2b′的焦点F3处，放置一个或多个光接收器4、5。

滤光器3g′适于在应用于该检测器系统的自由光谱范围内，允许与光相关的波长通过，其中，滤波器3g′适于滤除与该自由光谱范围内同等的波长相比要短的波长。

自由光谱范围指从计算的观点、仅通过一个光谱阶示出的光谱范围，并因此不受其它阶或多阶比该范围短的波长和重叠波长的约束。

更具体地，滤光器3g′应该屏蔽比所选最短波长还要短的波长。

倘若接收器4、5接收到基本频率的高阶频率，应该将这些频率理解为噪声。因此，应该采取措施防止各高阶频率的出现。

参考图5的应用对本发明进行更具体的说明，图5中特别设计和修改的气室2和气体传感器检测具有正常气体混合物的空气中的二氧化碳含量。对于检测和分析其它气体，需要对气室2及其腔体2′进行其它修改和其它设计。

气体“G”经过入口21，经过腔体2′中的空间“K2”，以及经过出口22。

选择白光源作为光源3，该光源包括表征CO₂吸收波长的波长范围，以及其它波长。

虽然建议了白炽灯或一些其它发热光源3，但是本发明的方案也能够使用发光二极管。

二氧化碳具有的4.25μm的特征吸收波长。使该波长发生衍射，并在接收器4中接收，而较短的波长，比方说3.9μm，在接收器5中被接收，并且用作参考信号。

二阶波长为2.12μm，滤波器3g′旨在滤除这些波长以及更短的波长。

电子电路6计算接收器4和5中的光强度，并且通过对比较电路6a的介质与显示在显示表面7′上的气体浓度一起进行比较的方法，确定CO₂的存在。

图5示出了可用于对腔体或空间“K2”中存在的气体混合物中的CO₂气体进行测定的光谱和光测量路径。

图5还示出了所讨论的波长的当前值。

白炽金属丝30被石英玻璃31包围着，定义上限为5.0μm。

由滤光器3g′定义下限尺寸，比方说3.0μm。

波前3a″被反射，并投射到包含利特罗配置表面2g″的平面2g′上，4.0-4.5μm和3.9μm波长在利特罗配置表面2g″被衍射(3a″)，并在由镜面2b′反射后被各自接收器4和5接收。

图6是表示与利特罗配置的波长相对应的效率变化的曲线图，从图中可以看到，对于所关心的波长而言，效率很高。

图7是说明与波长相关的、接收器4和5的检测器关于光源发射的接收百分比的曲线图，所述曲线图示出了对于4.0μm和4.5μm附近的波长的高接收。

从图5还可以看到，曲面2b的有效子部分(2b′)或光线13a′和23a′之间的所述抛物线形状应该被置于离开抛物线顶点“V2”一段距离的位置，并且应该在接近所述抛物线的焦点或聚焦点F3的附近。

将子部分(2b′)限定到一点或一部分，该点或部分朝向与抛物线或抛物线方程的轴2b″相关的直角或直角附近，其中轴2b″穿过与所述轴对应的焦点或聚焦点F3。

应该理解的是，本发明不限于上述示例性实施例，并且在所附权利要求中阐明的本发明概念范围内可以进行各种修改。

Claims (27)

1.一种包含在气体传感器中的气室，该气室适于确定一种或多种气体的存在，和/或适于确定这种气体的浓度，其中，所述气室包括腔体(2′)，该腔体(2′)由具有反光特性的壁部分限定，并且该腔体(2′)旨在容纳一定体积的所述气体((G))，其中，包括光源(3)，该光源(3)适于发出光束(3a′)，将该光束(3a′)导向为在与腔体关联的壁部分和相对的壁部分之间反射，并且其中所述光束包括在凹壁部分(2b)中反射、并被导向一个或多个光接收器(4、5)的光线，该光接收器(4、5)适于检测与所述气体对应的一个或多个吸收波长中出现的光强度，其特征在于：所述凹曲壁部分(2b)适于将倾斜地接收的来自光源((3′))的发散光束(3a′)反射(2b′)到平的分布有光栅的与腔体关联的壁部分(2g′)上，该壁部分(2g′)的反射表面(2g″)呈现利特罗配置或构造的利特罗配置；其特征还在于，所述光束(3a″)适于以接近该光栅闪耀角的角度，落在所述平壁部分上；并且其特征在于，使得在所述光束(3a″)中与所选气体对应的一个或多个吸收波长，由所述平壁部分(2g′)在直接相对的方向反射或衍射，使得衍射的波长在所述曲面(2b′)中反射，并且被导向所述光接收器(4、5)。

2.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述曲壁部分(2b′)与代表抛物线的弯曲形状的一部分((2b′))一致。

3.根据权利要求2所述的气室，其特征在于，所述光源(3)虚拟地出现在((3′))抛物线形状的焦点(F3)处或与其临近。

4.根据权利要求2或3所述的气室，其特征在于，所述曲壁部分(2b)具有抛物线弧的形状，朝向该抛物线形状的轴(2b″)的一侧。

5.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述平的分布有光栅的与腔体关联的壁部分(2g′)包括光栅结构(2g″)，该光栅结构具有在相对方向上用于光线反射的闪耀角。

6.根据权利要求5所述的气室，其特征在于，所述光栅结构适于产生只有第一阶和/或第二阶的衍射的光栅。

7.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述闪耀角在50°到60°之间。

8.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，将一个或多个光接收器接近虚光源放置，所述光接收器的接收波瓣朝向所述曲面(2b′)。

9.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述腔体由至少一个基于聚合物的仿形而形成，该仿形经过处理使得所述壁部分具备反光特性。

10.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述光源由用于产生IR范围内波长光谱的非相干光源构成。

11.根据权利要求1或8所述的气室，其特征在于，光源或虚光源置于或接近于所述凹曲面(2b)所配置的焦点(F3)。

12.根据权利要求1、8或11所述的气室，其特征在于，一个或多个光接收器(4、5)置于所述凹曲面(2b)所配置的焦点(F3)的附近位置或被置于该焦点上。

13.根据上述权利要求中的任何一个所述的气室，其特征在于，物理的光源置于椭圆形状的一个焦点上，其特征还在于，虚光源((3′))在该第二焦点(F2)上出现，并位于包括滤光器(3g′)的开口(3g)中。

14.根据权利要求13所述的气室，其特征在于，所述滤光器适于允许在应用于该检测器系统的自由光谱范围内的、与光相关的波长通过。

15.根据权利要求13或14所述的气室，其特征在于，所述滤光器适于滤除比所述自由光谱范围内等同的波长更短的波长。

16.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，所述腔体(2′)具有两个空间(“K1”，“K2”)的形状，其中一个空间(“K1”)包括物理的光源和反射器。

17.根据权利要求16所述的气室，其特征在于，所述第二空间(“K2”)的功能是作为提供反光的测量室。

18.根据权利要求16所述的气室，其特征在于，所述第一空间(“K1”)具有部分椭圆形状的子部分(3c)。

19.根据权利要求18所述的气室，其特征在于，末端的子部分((K1″))具有锥形。

20.根据权利要求19所述的气室，其特征在于，所述子部分((K1″))由两个汇聚的壁部分(3d，3e)限定。

21.根据权利要求20所述的气室，其特征在于，所述壁部分(3d，3e)制备或形成为表现出缺乏反射特性。

22.根据权利要求20所述的气室，其特征在于，所述汇聚的壁部分(3d，3e)对从所述光源(3，3′)发出的光束(3a′)定义了一个与发散角或孔径角(“a”)对应的角度。

23.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，多个光接收器(4、5)配置在与腔体关联的空间(“K1”)的一侧。

24.根据权利要求23所述的气室，其特征在于，多个光接收器配置在所述空间的互相相对的侧面。

25.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，平的分布有光栅的与腔体关联的壁部分(2g)具有一个方向，在该方向上，该壁部分(2g)的虚延伸与凹曲壁部分(2b)的所述顶点(“V2”)相连，或紧邻该顶点(“V2”)通过。

26.根据权利要求1、16或17所述的气室，其特征在于，通过利用在所述第一空间(“K1”)之内的光测量路径，延长了所述测量室的测量路径。

27.根据权利要求26所述的气室，其特征在于，所述第一空间(“K1”)包括用于该待测量的气体(G)的入口((21′)和出口(22′)。

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