專利名稱：被動(dòng)式紅外分析氣體傳感器及其多通道檢測(cè)器組件的制作方法
本申請(qǐng)是與尚未批準(zhǔn)的、于1995年4月13日提出專利申請(qǐng)08/442,507號(hào)相關(guān)的延續(xù)性申請(qǐng)，08/442,507在此被用作對(duì)比文件。
本發(fā)明涉及氣體傳感器件領(lǐng)域，特別涉及能夠利用所要檢測(cè)氣體的特征紅外吸收帶來(lái)測(cè)量一種或幾種氣體的濃度的氣體檢測(cè)器。
許多氣體都具有落在紅外光譜中的特征紅外吸收帶，非色散紅外(NDIR)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于氣體分析器制造領(lǐng)域，用來(lái)檢測(cè)這些氣體。這些氣體分析器所采用的原理是，各種氣體在紅外輻射光譜中所處的特征波長(zhǎng)上都表現(xiàn)出顯著的吸收。在NDIR氣體分析器中一般采用一個(gè)窄光帶或紅外的透射濾波器隔開(kāi)所需的波段。另一方面，依據(jù)色散技術(shù)在氣體分析器中用一棱鏡或衍射光柵。
在通常的分類中，NDIR技術(shù)屬于非相互作用的氣體分析技術(shù)，它與包括電化學(xué)燃料電池、燒結(jié)半導(dǎo)體(二氧化錫)、催化(鉑珠)及熱導(dǎo)等在內(nèi)的舊的相互作用型氣體分析方法相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括響應(yīng)速度快、氣體檢測(cè)的專一性強(qiáng)、長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量穩(wěn)定性、維護(hù)簡(jiǎn)便及準(zhǔn)確度高。而且在某些情況下，相互作用型氣體傳感器會(huì)因中毒而失效。在一些應(yīng)用場(chǎng)合下，這會(huì)給人的生命帶來(lái)危險(xiǎn)。
相互作用型傳感器一般不具有專一性，因?yàn)橛脕?lái)判定欲測(cè)氣體濃度的試劑會(huì)與它所遇到的其它氣體發(fā)生反應(yīng)。這自然會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的判定結(jié)果。而且，如果非特定氣體與試劑之間的反應(yīng)平衡使得即使在監(jiān)測(cè)到環(huán)境中氣體分壓力下降之后氣體與試劑仍保持反應(yīng)時(shí)，傳感器將會(huì)發(fā)生中毒，不會(huì)正常工作。
NDIR氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間明顯短于相互作用型氣體傳感器，這是因?yàn)椋瑯悠窔怏w與試劑之間的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制著反應(yīng)型傳感器對(duì)所監(jiān)測(cè)的環(huán)境中氣體濃度變化的檢測(cè)速度。
盡管相互作用型氣體傳感器不夠可靠，NDIR氣體測(cè)量技術(shù)堪稱是最好的技術(shù)之一，然而由于它復(fù)雜、成本高，NDIR的氣體分析儀仍沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。
多年來(lái)，人們基于NDIR原理提出了許多氣體檢測(cè)技術(shù)并取得了一定成功。在過(guò)去，NDIR氣體分析器主要包括一個(gè)紅外光源、用來(lái)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械斷續(xù)器、用來(lái)經(jīng)一樣品室將氣體推入或拉入的一個(gè)泵、窄帶通干涉濾波器、靈敏的紅外檢測(cè)器、以及用來(lái)將光源發(fā)出的紅外能量聚焦到檢測(cè)器上的昂貴的紅外光學(xué)系統(tǒng)與窗口。
這些類型的分析器中最有代表性的出現(xiàn)在授予Burch等的3,793,525號(hào)美國(guó)專利、授予Blau Jr.的3,811,776號(hào)美國(guó)專利和授予Wong的4,578,762號(hào)美國(guó)專利。這些氣體分析器具有良好的性能，在過(guò)去的20年中為氣體分析領(lǐng)域的整體技術(shù)進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)。然而，它們的總體尺寸、復(fù)雜性和成本使得它們?cè)谠S多場(chǎng)合無(wú)法應(yīng)用。
對(duì)性能更好、成本更低的氣體分析器的需求引發(fā)了更新的發(fā)明。如，授予Maiden的4,500,207號(hào)美國(guó)專利和授予Wong的4,694,173號(hào)和5,026,992號(hào)美國(guó)專利提出了用于氣體檢測(cè)的、不采用機(jī)械斷續(xù)器一類活動(dòng)部件的NDIR技術(shù)。這些發(fā)明導(dǎo)致了更結(jié)實(shí)、緊湊的NDIR氣體傳感器的產(chǎn)生，并開(kāi)辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。
為了進(jìn)一步降低成本并簡(jiǎn)化NDIR技術(shù)的實(shí)施過(guò)程，研制成一種低成本的NDIR氣體傳感器技術(shù)。這種低成本NDIR技術(shù)采用本發(fā)明人于1992年11月17日所取得的5,163,332號(hào)美國(guó)專利所公開(kāi)的一種擴(kuò)散型氣體樣品室。這種擴(kuò)散型氣體樣品室避免了對(duì)昂貴的光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械斷續(xù)器和用來(lái)將氣體推入或拉入樣品室的泵的需求。因此，又為NDIR技術(shù)開(kāi)辟了許多在從前由于成本和技術(shù)復(fù)雜等因素而被認(rèn)為不可行的應(yīng)用領(lǐng)域。
基于類似的原理，一種改進(jìn)的NDIR氣體傳感器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，它公開(kāi)在Wong設(shè)計(jì)的于1995年8月22日授權(quán)的5,444,249號(hào)美國(guó)專利，該專利描述了一種簡(jiǎn)單、低成本的擴(kuò)散型NDIR氣體傳感器，它能用Si或GaAs等半導(dǎo)體材料微加工制成，因此能使整個(gè)傳感器可以設(shè)在一塊微芯片上。
雖然5,163,332號(hào)美國(guó)專利所提供的低成本NDIR氣體傳感器技術(shù)和5,444,249號(hào)美國(guó)專利所提供的改進(jìn)的NDIR氣體傳感器開(kāi)辟了大量新的應(yīng)用領(lǐng)域，但這些氣體傳感器由于功耗太高而無(wú)法應(yīng)用于許多潛在應(yīng)用領(lǐng)域。所以，在那些可以使用低成本、固態(tài)氣體傳感器的地方仍然受到應(yīng)用限制。
如果能夠開(kāi)發(fā)出一種氣體分析技術(shù)，它不需要有活動(dòng)部件，具有與NDIR技術(shù)相同程度的特性，成本低，所需功耗低得可使器件用電池工作一段較長(zhǎng)時(shí)間，這種氣體傳感器的應(yīng)用及其應(yīng)用頻度就會(huì)顯著增大。就是說(shuō)，長(zhǎng)期存在對(duì)簡(jiǎn)單、緊湊、廉價(jià)、功耗低的氣體傳感器的需求一直沒(méi)有得到滿足。所以，本發(fā)明的一個(gè)目的是，通過(guò)提供一種緊湊、可靠、低成本、低功耗的利用紅外吸收的氣體傳感器，進(jìn)一步推進(jìn)紅外氣體分析技術(shù)。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供可以使用于本發(fā)明紅外氣體傳感器的紅外檢測(cè)器組件。
本發(fā)明針對(duì)的是，使用一種稱為被動(dòng)式紅外分析技術(shù)(PIA)的新的紅外氣體分析技術(shù)，檢測(cè)一種或幾種預(yù)定氣體濃度的紅外氣體傳感器。本發(fā)明的PIA技術(shù)比到目前為止的NDIR氣體分析技術(shù)簡(jiǎn)單，體現(xiàn)在它既不需要一個(gè)“主動(dòng)式”的紅外光源，也不需要一個(gè)結(jié)構(gòu)固定的樣品室。所以，由此可以制作出體積小、固態(tài)、低成本、低功耗的氣體傳感器，滿足多種現(xiàn)有NDIR氣體分析器還不可能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用需求。
本發(fā)明考慮到所有絕對(duì)溫度在0度以上的物體都產(chǎn)生輻射。本發(fā)明利用這一事實(shí)，把通常物體，如墻壁、天花板、地板用做紅外輻射的“被動(dòng)式”光源。在一些情況下，這些“被動(dòng)式”紅外輻射源可以用來(lái)有效地代替迄今為止在所有NDIR氣體分析器中幾乎是不可缺少的“主動(dòng)式”紅外輻射源。
現(xiàn)有NDIR氣體傳感器中的“主動(dòng)式”紅外源一般是一個(gè)加熱的高溫物體(500-1000℃)，如埋置于氧化鋁陶瓷中的鎳鉻合金線(Nerst發(fā)光體)或是一個(gè)小白熾燈泡的鎢電阻絲。這些源被表征為“主動(dòng)式”源，是因?yàn)樗鼈兛繗怏w傳感器的電源供電。另一方面，本發(fā)明所指的“被動(dòng)式”源，是不靠氣體檢測(cè)器的電源供電，絕對(duì)溫度高于0度的任何物體。本發(fā)明的紅外氣體傳感器所采用的主要被動(dòng)式紅外源，舉例來(lái)說(shuō)包括墻壁、地毯、磚地、天花板、爐壁等物體。很明顯，本領(lǐng)域技術(shù)人員從本發(fā)明說(shuō)明書(shū)的描述中可以了解到，可以被本發(fā)明的氣體傳感器所采用的被動(dòng)式紅外源實(shí)質(zhì)上是不受任何限制的。但是，被動(dòng)式紅外源的溫度應(yīng)該高于被測(cè)氣體的溫度。即是說(shuō)，必須遵守精細(xì)平衡定律。
雖然主動(dòng)式紅外源的溫度很高，但源面積通常很小，幾個(gè)平方毫米量級(jí)的源面積并不少見(jiàn)。另一方面，雖然一般室內(nèi)被動(dòng)式紅外源的溫度只有約300K或～25℃，但如果其可用源面積約為現(xiàn)有紅外源的1000倍，則根據(jù)普朗克公式可以得出，在3到20微米光譜區(qū)域，被動(dòng)式紅外源的光譜輻射強(qiáng)度與現(xiàn)有主動(dòng)式源的輻射強(qiáng)度是可以相比的。實(shí)際氣體檢測(cè)所需要的被動(dòng)式紅外源面積將取決于對(duì)被動(dòng)式紅外源期望的溫度范圍。
在本發(fā)明所采用的PIA技術(shù)中，被動(dòng)式紅外源必須受到表征。為了表征被動(dòng)式紅外源，提供了一個(gè)能夠測(cè)量所選用被動(dòng)式紅外源在兩個(gè)不同光譜帶輻射強(qiáng)度的檢測(cè)器組件。用來(lái)對(duì)源進(jìn)行表征的光譜帶最好是“中性”波段。這里所說(shuō)的中性波段是指不會(huì)被受監(jiān)測(cè)環(huán)境中的任何常見(jiàn)氣體所吸收或是只被這些氣體中度吸收的一些選定的光譜波段。
根據(jù)普朗克定律，如果兩個(gè)中性光譜波段足夠近，使得源的發(fā)射率函數(shù)的變動(dòng)可以被忽略，那么，在兩個(gè)中性光譜波段測(cè)到的輸出之比就可用來(lái)唯一確定被動(dòng)式紅外源的溫度。
為了確定被測(cè)氣體的濃度，檢測(cè)器組件還要測(cè)量照射在一“非中性”光譜波段上的輻射量，這個(gè)“非中性”光譜波段與被測(cè)氣體的吸收帶相吻合。所以，這個(gè)輸出代表著檢測(cè)器組件對(duì)著被動(dòng)式紅外源的角度范圍內(nèi)的氣體濃度。利用在至少一個(gè)中性光譜波段所測(cè)到的輸出、在非中性光譜波段所測(cè)到的輸出及計(jì)算得到的溫度，就可以確定檢測(cè)器組件對(duì)著被動(dòng)式紅外源的角度范圍內(nèi)的氣體濃度。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，它采用環(huán)境溫度高于周圍氣體的一個(gè)溫度源，把檢測(cè)器組件與源之間的空間用作樣品室。該檢測(cè)器組件包括用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)第一輸出、一個(gè)第二輸出、一個(gè)第三輸出的紅外檢測(cè)器組件，其中，所述第一輸出表示所述檢測(cè)器組件所接收到的位于一個(gè)被預(yù)定待測(cè)氣體吸收的第一非中性光譜帶上的輻射，所述第二輸出表示所述檢測(cè)器組件所接收到的發(fā)自被動(dòng)式紅外源的位于一個(gè)第一中性光譜帶上的輻射，所述第三輸出表示所述檢測(cè)器組件所接收到的發(fā)自被動(dòng)式紅外源的位于一個(gè)第二中性光譜帶上的輻射。該氣體傳感器還包括一個(gè)信號(hào)處理裝置，用來(lái)處理三個(gè)輸出以確定被監(jiān)測(cè)氣體的濃度。如果向這個(gè)檢測(cè)器組件中增加能夠檢測(cè)在額外一些氣體的特征吸收光譜波段上輻射的一些檢測(cè)器，該紅外氣體傳感器就可以用來(lái)監(jiān)測(cè)多種氣體的濃度。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供的被動(dòng)源式紅外氣體傳感器包括a、一個(gè)紅外檢測(cè)器組件，含有i、一個(gè)用來(lái)接收發(fā)自被動(dòng)式紅外源的輻射的開(kāi)口，ii、用來(lái)接收通過(guò)所述開(kāi)口的輻射的第一、第二、第三傳感器，所述第一、第二、第三傳感器用來(lái)分別產(chǎn)生一個(gè)表示照射到第二、第二、第三傳感器上的輻射的第一輸出、第二輸出、第三輸出，iii、置于所述開(kāi)口與所述第一傳感器之間的第一窄帶通濾波器，所述第一窄帶通濾波器產(chǎn)生一個(gè)輸出，以表示照射到第一帶通濾波器上的位于一個(gè)被預(yù)定被測(cè)氣體吸收的第一非中性光譜帶上的輻射，iv、置于所述開(kāi)口與所述第二傳感器之間的第二窄帶通濾波器，所述第二窄帶通濾波器產(chǎn)生一個(gè)輸出，以表示照射到第二帶通濾波器上的位于一個(gè)第一中性光譜帶上的輻射，v、置于所述開(kāi)口與所述第三傳感器之間的第三窄帶通濾波器，所述第三窄帶通濾波器產(chǎn)生一個(gè)輸出，以表示照射到第三帶通濾波器上的位于一個(gè)第二中性光譜帶上的輻射，b、用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)于所述第一、第二、第三傳感器的周圍溫度的輸出信號(hào)的溫度測(cè)量裝置；c、用來(lái)接收所述第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器以及溫度測(cè)量裝置的輸出信號(hào)、用來(lái)取樣、用來(lái)至少是臨時(shí)地按預(yù)設(shè)的間隔存儲(chǔ)所述第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器以及溫度測(cè)量裝置的輸出信號(hào)的信號(hào)處理裝置，所述信號(hào)處理方式包括以下用途的裝置i、校正被存儲(chǔ)的第一傳感器、第二傳感器、第三傳感器的輸出信號(hào)，以分別補(bǔ)償?shù)谝粋鞲衅?、第二傳感器、第三傳感器在取樣時(shí)的周圍溫度，ii、依據(jù)第二和第三傳感器的輸出結(jié)果的校正值的比值，計(jì)算被動(dòng)式紅外源在取樣時(shí)的溫度，
iii、依據(jù)計(jì)算得的被動(dòng)式紅外源在取樣階段的溫度，計(jì)算第二傳感器和第三傳感器中至少一個(gè)的預(yù)測(cè)輸出，iv、通過(guò)將第二傳感器和第三傳感器中至少一個(gè)的預(yù)測(cè)輸出與校正過(guò)的同一傳感器在取樣階段的輸出進(jìn)行比較，計(jì)算一個(gè)調(diào)制因數(shù)，v、用所述調(diào)制因數(shù)校正被存儲(chǔ)的第一傳感器的輸出，vi、依據(jù)校正過(guò)的第一傳感器的輸出，確定氣體在取樣階段的濃度，和vii、基于一個(gè)預(yù)設(shè)的函數(shù)，監(jiān)測(cè)氣體的濃度并基于監(jiān)測(cè)結(jié)果提供一個(gè)輸出信號(hào)。
所以，本發(fā)明提供的紅外氣體傳感器采用一種新PIA技術(shù)中的一個(gè)被動(dòng)式紅外源，有效地避免了原有NDIR氣體檢測(cè)器件中對(duì)熱“主動(dòng)式”紅外源的需求。而且，在本發(fā)明的紅外氣體傳感器所采用的PIA技術(shù)中，可以例如是一部分墻壁的被動(dòng)式紅外源與檢測(cè)器組件之間的空間成為了樣品室。換言之，本發(fā)明不僅避免了對(duì)“主動(dòng)式”紅外源的需求，而且避免了對(duì)原有NDIR氣體分析器所采用的樣品室的需求。
由于本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)不再需要一個(gè)“主動(dòng)式”紅外源，本發(fā)明的紅外氣體傳感器的功耗也顯著減小，從而使本發(fā)明的簡(jiǎn)單的紅外氣體傳感器用電池供電就可工作更長(zhǎng)的一段時(shí)間。不僅如此，傳感器的大小也縮小了，因?yàn)樗辉傩枰粋€(gè)結(jié)構(gòu)固定的氣體室。
相應(yīng)地，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供采用一種被稱為被動(dòng)式紅外分析(PIA)的新紅外分析技術(shù)來(lái)檢測(cè)一種或幾種氣體濃度的裝置和方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種可以用在本發(fā)明的氣體傳感器中的改進(jìn)的紅外檢測(cè)器組件。
下面給合附圖對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施例以舉例的形式加以說(shuō)明，從中可以更好地理解本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)。需要指出，附圖僅用作描述和舉例之目的，本發(fā)明并不僅限于附圖的內(nèi)容。


圖1給出本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中的檢測(cè)器組件、被動(dòng)式紅外源(墻壁)以及構(gòu)成樣品室的位于被動(dòng)式紅外源與檢測(cè)器組件之間的空間；圖2是一個(gè)黑體在100-1,000K溫度下的光譜輻射強(qiáng)度曲線；圖3是作為“被動(dòng)式”紅外源溫度的函數(shù)的兩中央波長(zhǎng)為5.00和3.91微米的0.1微米光譜帶的光譜輻射強(qiáng)度比例數(shù)值表，其中假設(shè)兩個(gè)光譜帶的輻射率值相等；圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所提供的一個(gè)檢測(cè)器組件的立體視圖；圖5是圖4所示的檢測(cè)器組件被部分剖開(kāi)后的斜視圖；圖6是為了描述把一部分墻壁用作“被動(dòng)式”紅外源和用凸面反射鏡提高檢測(cè)器組件的固有視場(chǎng)(FOV)的實(shí)際情況而給出的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖7是本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例的信號(hào)處理電路的示意圖；圖8是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)處理電路的示意圖；圖9是描述本發(fā)明的檢測(cè)器組件的另一個(gè)實(shí)施例的圖10沿線9-9的橫斷剖視圖；圖10是圖9所給出的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的檢測(cè)器組件沿線10-10的縱剖視圖；圖11是圖9和圖10中所描述的基片及干涉帶通濾波器的斜視圖；圖12是用于圖9和圖10中所描述的檢測(cè)器組件實(shí)施例中的基片的俯視圖；圖13是為了顯示制作于基片上的溫差電堆而給出的用于圖9和圖10中所描述的檢測(cè)器組件實(shí)施例中的基片的底部放大視圖；圖14是用于本發(fā)明中檢測(cè)器組件中的一個(gè)干涉帶通濾波器的最佳構(gòu)造示意圖；圖15是用于本發(fā)明中檢測(cè)器組件中的一個(gè)濾波器安裝緊固件的示意圖；圖16是為了顯示圖15中的濾波器安裝緊固件的實(shí)際應(yīng)用而給出的圖9-11中所描述的基片的局部剖視圖；圖17是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中的檢測(cè)器組件的立體視圖；圖18是圖17所描述的檢測(cè)器組件被部分剖開(kāi)后的斜視圖；圖19是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例所提供的被動(dòng)式紅外分析氣體傳感器的示意圖；圖20是本發(fā)明的技術(shù)方案中將圖17和圖18所示的檢測(cè)器組件用于一個(gè)NDIR氣體傳感器中的情況示意圖。
下面結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明的PIA氣體傳感器的一個(gè)最佳實(shí)施例進(jìn)行描述。圖1給出一個(gè)檢測(cè)器組件3，它包含一個(gè)裝有一個(gè)窄帶通干涉濾波器F1(圖中未示出)的一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器4，其中的窄帶通干涉濾波器F1的中央波長(zhǎng)(CWL)L1與被測(cè)氣體的吸收波段相吻合。此外，檢測(cè)器組件3還包含有分別裝有窄帶通干涉濾波器F2和F3(圖中未示出)的二個(gè)源表征檢測(cè)器5和6，其中F2和F3的CWL L2、L3與大氣中通?？梢园l(fā)現(xiàn)的任何已知?dú)怏w或蒸氣的吸收光譜都不相吻合。換言之，在波長(zhǎng)L2和L3不存在(或只存在極弱的)被測(cè)大氣中常見(jiàn)氣體或蒸氣的吸收波段。對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)，中性波長(zhǎng)可以定位于3.91微米、5.00微米和9.00微米。
如果一氧化碳是所要檢測(cè)的氣體，那么與檢測(cè)器4關(guān)聯(lián)的干涉帶通濾波器的CWL及半峰值的全帶寬(FWHM)就被分別選定在4.67微米和0.1微米。如果二氧化碳是希望被檢測(cè)到的氣體，那么與檢測(cè)器4相聯(lián)的干涉濾波器的CWL及FWHM可以被分別設(shè)定在4.26微米和0.1微米。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，這種技術(shù)可以應(yīng)用于許多在紅外有吸收波段的其它氣體，包括水蒸氣和全揮發(fā)的有機(jī)化合物(TVOC)。
在一般情況下，對(duì)與檢測(cè)器4相關(guān)聯(lián)的干涉濾波器F1的CWL L1的選擇要使它盡可能落在與被測(cè)氣體的吸收波段的中間波長(zhǎng)相近的位置，這將保證在所監(jiān)測(cè)的光譜波段有最大的輻射量被氣體吸收，這就提高了檢測(cè)器的靈敏度和精確度。但是，如果被測(cè)氣體是很強(qiáng)的吸收劑，如二氧化碳，就可能有必要將檢測(cè)器4的干涉濾波器F1的CWL L1移向吸收帶的一邊，以使在所監(jiān)測(cè)波段處不致吸收光過(guò)多。在另外兩種情況下也應(yīng)該考慮采用這樣一種移動(dòng)，一是當(dāng)輻射路徑很長(zhǎng)時(shí)，一是當(dāng)氣體濃度很大時(shí)。這種做法可以防止檢測(cè)器在所監(jiān)的測(cè)氣體濃度范圍內(nèi)因光太少而導(dǎo)致失效。
與檢測(cè)器4相關(guān)聯(lián)的干涉濾波器F1的FWHM最好選擇0.1微米左右，這樣可以使檢測(cè)器具有較高的特性。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員也會(huì)了解到，根據(jù)被測(cè)氣體吸收帶的帶寬以及對(duì)檢測(cè)器特性的要求，還可以選擇其它帶寬。
為干涉濾波器F2和F3所選擇的中性光譜波段的CWL L2和L3在光譜中應(yīng)該盡可能選擇靠近L1的位置。L1最好落在L2和L3之間，但并不是必須如此。例如，如果一氧化碳和二氧化碳是被測(cè)氣體，L2和L3可以分別選在3.91微米和5.00微米。另一種選擇方式是將L2和L3分別選在3.91微米和9.00微米。在本實(shí)施例中，F(xiàn)2和F3的FWHM最好定為0.1微米左右。通過(guò)F2和F3的譜帶寬度應(yīng)該足夠窄，使其不至與大氣中可能存在的氣體的吸收譜線相重迭。如果將L2和L3的CWL分別設(shè)定在3.91和5.00微米，且這些檢測(cè)器的FWHM設(shè)為0.1微米，那么就不會(huì)出現(xiàn)明顯的重迭現(xiàn)象。相應(yīng)地，檢測(cè)器5和6的輸出也不會(huì)受被測(cè)氣體或大氣中可能存在的其它常見(jiàn)氣體或蒸氣的濃度的影響。
檢測(cè)器4、5、6最好都是熱電堆檢測(cè)器。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的那樣，本發(fā)明也可以采用其它紅外檢測(cè)器，包括硅化鉑肖特基光電二極管。
檢測(cè)器組件3的視場(chǎng)(FOV)是由與檢測(cè)器組件相連的孔套7所決定，如圖1所示。檢測(cè)器組件3所對(duì)著的是用作本發(fā)明被動(dòng)式紅外源的墻壁9上的區(qū)域8(相應(yīng)于面積A)。檢測(cè)器組件3的檢測(cè)器平面10與墻壁9之間的距離決定了本紅外氣體傳感器的有效取樣路徑長(zhǎng)度。
被動(dòng)式紅外源8的面積A和檢測(cè)器組件3對(duì)著它的立體角OM之間的關(guān)系唯一地決定了本發(fā)明所提供的紅外氣體傳感器的取樣路徑長(zhǎng)度S，其關(guān)系式為取樣路徑長(zhǎng)度S＝[A/OM]由于立體角OM是檢測(cè)器組件對(duì)著墻壁的FOV的函數(shù)，而且可以在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整，所以，本發(fā)明的取樣路徑長(zhǎng)度S是一個(gè)非常有用的變量。換言之，為了適應(yīng)吸收帶非常弱且濃度低的氣體的檢測(cè)，可以使路徑長(zhǎng)度S很長(zhǎng)(幾米)，以便為這種檢測(cè)得到足夠的調(diào)制。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，應(yīng)該根據(jù)所希望獲得的調(diào)制量來(lái)設(shè)置路徑S。例如，當(dāng)被測(cè)氣體是象二氧化碳這樣的強(qiáng)吸收劑時(shí)，應(yīng)該考慮將路徑長(zhǎng)度設(shè)得較短。但如果要把檢測(cè)器用于氣體濃度為ppb量級(jí)的場(chǎng)合，就應(yīng)該考慮將路徑長(zhǎng)度設(shè)得長(zhǎng)些。
盡管實(shí)際上是可以選用任何大小的路徑長(zhǎng)度，但選用5英寸到10英尺之間的長(zhǎng)度就可以了，而且大多數(shù)情況下是5英寸到6英尺。
信號(hào)檢測(cè)器4的輸出V1被用來(lái)確定被測(cè)氣體的濃度。檢測(cè)器4的輸出V1取決于系列因數(shù)。第一點(diǎn)，也是最重要的一點(diǎn)，它是被動(dòng)式紅外源8的溫度T和輻射率ε的函數(shù)，它受下面的公式[1]所描述的光譜輻射強(qiáng)度公式所支配。此外，V1還取決于系統(tǒng)的光通量，或衰減量，用G表示(見(jiàn)公式[1])，取決于存在于檢測(cè)器組件3與被動(dòng)式紅外源8之間的待測(cè)氣體的濃度。待測(cè)氣體濃度決定著調(diào)制因數(shù)M的值，這可以從公式[1]中看出。
裝有中性濾波器F2和F3的檢測(cè)器5和6用于為檢測(cè)器4監(jiān)測(cè)信號(hào)通道對(duì)被動(dòng)式紅外源8及其環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)表征。檢測(cè)器5與6的輸出之比值Z唯一地確定源8的溫度。而且，一旦源8的溫度T被確定，利用下述公式[1]并通過(guò)將實(shí)際輸出與事先存儲(chǔ)的參照黑體源在溫度T0和輻射率ε0條件下的相應(yīng)輸出值進(jìn)行比較，也就能夠迅速地確定源輻射率ε、系統(tǒng)光通量(或衰減量)G的瞬時(shí)值，事先存儲(chǔ)的參照黑體源在溫度T0和輻射率ε0條件下的相應(yīng)輸出值是在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化時(shí)測(cè)量獲得的。為提供信號(hào)檢測(cè)器4的輸出使T、ε和G的值不斷地實(shí)時(shí)更新，使檢測(cè)器4的輸出能夠給出被測(cè)氣體的濃度。
這里公開(kāi)的簡(jiǎn)單紅外氣體傳感器還能夠避免雜散輻射的影響，造成這些雜散輻射的原因是被動(dòng)式紅外源8在一般情況下絕不會(huì)是一個(gè)好的反射器。所以，能夠進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的FOV的雜散輻射量達(dá)到最小。只要雜散輻射不是正好位于檢測(cè)器組件的濾波器所選定的光譜帶，即位于L1和L2，它們都將被排除掉。既使它們?cè)趥鞲衅鞴鈱W(xué)系統(tǒng)的光譜通帶內(nèi)具有能量，其輻射強(qiáng)度也很可能是相當(dāng)穩(wěn)定和連續(xù)。這種情況下，中性檢測(cè)器將會(huì)把這些雜散輻射視作為被動(dòng)式紅外源8溫度的一個(gè)升高進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，即用與信號(hào)檢測(cè)器相關(guān)的校正信息進(jìn)行正常處理。
下面結(jié)合圖2、圖3對(duì)根據(jù)檢測(cè)器4、5、6的輸出V1、V2、V3來(lái)確定待測(cè)氣體的濃度的方法進(jìn)行說(shuō)明。
圖2所示是一個(gè)黑體在100K至1,000K溫度范圍內(nèi)的光譜輻射曲線。從這些曲線中可以得到黑體輻射的幾種特性。第一，正比于曲線下的面積的總輻射強(qiáng)度隨溫度的升高而迅速升高。曲線下的面積是由Stefan-Boltzmann公式得出的，因而正比于Stefan-Boltzmann常數(shù)乘以絕對(duì)溫度的4次方。第二，隨著溫度的升高，最大光譜輻射強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。這被稱之為Wien位移定律，在以下文中會(huì)有進(jìn)一步描述。第三，分別的黑體曲線絕不相交，因而溫度的升高導(dǎo)致在所有波長(zhǎng)上的光譜輻射強(qiáng)度都升高。
在現(xiàn)有的采用黑體的NDIR測(cè)量系統(tǒng)中，紅外源一般被保持在一個(gè)穩(wěn)定的、相對(duì)較高的溫度(750-1,000K)，所以它的光譜輻射強(qiáng)度，作為絕對(duì)溫度的函數(shù)，一般是由圖2中在700K以上的某個(gè)曲線所表示的。相反，本發(fā)明依靠從被動(dòng)式紅外源所發(fā)出的紅外輻射，所以，在300K附近的黑體曲線就可以表示本發(fā)明所用普通源的光譜輻射強(qiáng)度。圖1中墻壁9的情況就是這樣。
圖2所示的兩個(gè)窄光譜帶1和2的中央波長(zhǎng)位于3.91微米和5.00微米，如上所述，這兩個(gè)波長(zhǎng)是監(jiān)測(cè)一氧化碳或二氧化碳時(shí)用于中性檢測(cè)器5和6的期望波長(zhǎng)。因?yàn)檫@兩個(gè)帶對(duì)應(yīng)于被允許通過(guò)濾波器F2和F3的中性光譜帶，它們最好具有0.1微米的FWHM。
從圖2中可以看出，在這兩個(gè)帶的光譜輻射強(qiáng)度之比值Z唯一地確定黑體的溫度。做出這一判斷所需要的唯一前提假設(shè)是，在3.91微米和5.00微米之間的帶內(nèi)，被動(dòng)式紅外源的輻射率是一樣的。對(duì)于所有的室內(nèi)墻壁來(lái)說(shuō)，不管它們是油漆的、壁紙的、或木質(zhì)的，這一假設(shè)都是成立的。
在確定被測(cè)氣體的濃度之前，被動(dòng)源8必須被表征。下面描述檢測(cè)器5和6對(duì)信號(hào)信道4的被動(dòng)式紅外源8的溫度和輻射率進(jìn)行動(dòng)態(tài)表征的方式。為描述之方便，檢測(cè)器4、5、6被分別標(biāo)示為檢測(cè)器D1、D2、D3。
假設(shè)針對(duì)具有溫度T0、ε0、和面積A0＝OM×S2的已知被動(dòng)式紅外源，所有三個(gè)檢測(cè)器的輸出量V1、V2、V3都被分別初始化賦值為V10、V20、V30，其中OM是檢測(cè)器組件3對(duì)著被動(dòng)源形成的FOV所對(duì)應(yīng)的立體角，S是設(shè)定的取樣路徑長(zhǎng)度，于是可以寫(xiě)成V10＝R(T0，ε0，Li)A0Wiri(ai/(2πS2))GM伏特……公式[1]其中，i＝1，2，或3；R(T0，ε0，Li)＝被動(dòng)式紅外源的光譜輻射強(qiáng)度(Watt cm-1μ-2)，該強(qiáng)度是由ε0(λ)乘以一個(gè)黑體的光譜輻射強(qiáng)度得出的，其中的黑體光譜輻射強(qiáng)是由普朗克定律得出的，即(2πhc2λ-5)/(exp(ch/kBλT)-1)；
A0＝被動(dòng)式紅外源的面積；WI＝FI的FWHM；rI＝檢測(cè)器Di的響應(yīng)度(伏/瓦)ai＝檢測(cè)器DI的面積；S＝取樣路徑長(zhǎng)度；G＝系統(tǒng)的光通量(100％＝全部)；M＝按被測(cè)氣體進(jìn)行的調(diào)制當(dāng)檢測(cè)器組件3面對(duì)一個(gè)具有面積A(A與參照條件A0相同，因?yàn)樵趫D1所給出的實(shí)施例的設(shè)計(jì)使OM和S被固定下來(lái))、溫度T和輻射率ε的實(shí)時(shí)被動(dòng)式紅外源時(shí)，按上述公式[1]可以得出D1的輸出為Vi＝R(T，ε，Li)AWiri(ai/(2πS2))GM伏特，其中i＝1。
對(duì)于中性信道D2(i＝2)和D3(i＝3)來(lái)說(shuō)，如果我們假設(shè)W2＝W3；ri＝r3(類似的檢測(cè)器)；a2＝a3(同樣的檢測(cè)面積)；G2＝G3(兩個(gè)檢測(cè)器共用光學(xué)系統(tǒng))且M＝1.0(D2和D3的中性光譜帶)，那么檢測(cè)器D2和D3的輸出，即V2和V3，僅是它們各自的光譜位置L2和L3、被動(dòng)式紅外源8的溫度T以及輻射率ε的函數(shù)。如果我們進(jìn)一步假設(shè)對(duì)于L2和L3之間的窄光譜區(qū)域來(lái)說(shuō)被動(dòng)式紅外源8的輻射率ε是不變的，那么，輸出之比值Z＝V2/V3僅是被動(dòng)式紅外源8的溫度T以及光譜位置L2和L3的函數(shù)。
事實(shí)上，普朗克黑體輻射物理和Wien位移定律一起規(guī)定，在兩個(gè)被適當(dāng)分開(kāi)的光譜位置上的光譜輻射之比值唯一地確定普朗克黑體范疇內(nèi)某個(gè)部分的一個(gè)特定黑體的溫度。本發(fā)明利用這一原理并認(rèn)同這樣一個(gè)事實(shí)，即，在3-15微米的光譜區(qū)域內(nèi)，且黑體溫度處于250-350K時(shí)，該比值確實(shí)能夠唯一地確定黑體源的溫度。而且，一旦由參照溫度T0確定了溫度T的變化，中性檢測(cè)器分別的輸出出現(xiàn)的值V2與V3就可以用來(lái)通過(guò)計(jì)算推導(dǎo)出在公式[1]中作為乘積組成一體的其它那些參量的變化(如果有的話)，也就是被動(dòng)式紅外源8的輻射率的由ε0到ε的變化、系統(tǒng)光通量G的變化和由于檢測(cè)器自身老化而造成的檢測(cè)器響應(yīng)度的變化。
于是，通過(guò)向本發(fā)明的檢測(cè)器組件中添加兩個(gè)中性光譜帶的檢測(cè)器，這兩個(gè)檢測(cè)器輸出的比值Z可以用來(lái)實(shí)時(shí)表征被動(dòng)式紅外源8的溫度。還有很重要的一點(diǎn)需要指出，由于對(duì)于兩個(gè)中性檢測(cè)器信道來(lái)說(shuō)，上述公式[1]中其它變量，即ε、G、r，的變化基本是一樣的，比值Z是用來(lái)唯一確定被動(dòng)式紅外源8的溫度所需要的唯一變量，總是可以作為第一手?jǐn)?shù)據(jù)獲得。獲得了這些至關(guān)重要的數(shù)據(jù)之后，各個(gè)預(yù)設(shè)的信號(hào)值和中性檢測(cè)器輸出(V10、V20、V30、T0和ε0)可以被用來(lái)經(jīng)過(guò)一番運(yùn)算之后對(duì)公式[1]中其它參量的變化作進(jìn)一步評(píng)定。用來(lái)從公式[1]中信號(hào)信道檢測(cè)器的輸出值來(lái)確定待測(cè)氣體濃度所需要的變量是T、ε、G、r和M，且由于前4個(gè)變量是由為信號(hào)檢測(cè)器信道而設(shè)的兩個(gè)中性檢測(cè)器信道進(jìn)行動(dòng)態(tài)表征的，所以如本實(shí)施所體現(xiàn)的，本發(fā)明能夠精確地檢測(cè)氣體濃度而不需要主動(dòng)式紅外源以及所附帶的氣體樣品室。這一結(jié)論成立的唯一前提條件是，被動(dòng)式紅外源的溫度必須高于被測(cè)氣體的溫度。當(dāng)被動(dòng)式紅外源與被測(cè)氣體處于平衡狀態(tài)時(shí)，將無(wú)法觀測(cè)到吸收，因?yàn)榫?xì)平衡定律要求此時(shí)的氣體所輻射出的光子數(shù)等于它所吸收的光子數(shù)。
圖3給出了在3.91微米和5.00微米波長(zhǎng)光譜輻射強(qiáng)度比值變化的情況，它是，從5℃(278K)至45℃(318K)之間被動(dòng)式紅外源溫度的函數(shù)。為作成圖3，假設(shè)了在3.91微米和5.00微米處的輻射率ε都為1。在300K附近的黑體曲線中，曲線自身的形狀平滑，且作為黑體溫度函數(shù)的比值有很可觀的差異。
例1下面用一個(gè)例子說(shuō)明在一組給定的條件下怎樣根據(jù)公式[1]用檢測(cè)器4、5、6的輸出V1、V2和V3來(lái)計(jì)算待測(cè)氣體的濃度。參照公式[1]，這個(gè)例子的參照條件是設(shè)定為T0＝298K或25℃ε0＝1.000A0＝整個(gè)示例計(jì)算的常數(shù)Wi＝0.1微米，i＝1(信號(hào))，2(中性)，3(中性)r1＝檢測(cè)器Di的響應(yīng)度，在i＝1，2，3時(shí)保持不變a1＝檢測(cè)器Di的面積，在i＝1，2，3時(shí)保持不變而且是常數(shù)S＝S0＝在這個(gè)例子的整個(gè)計(jì)算過(guò)程中的常數(shù)G0＝初始化時(shí)的系統(tǒng)光通量＝1.0
M＝由于待測(cè)氣體的存在而導(dǎo)致的調(diào)制因數(shù)，對(duì)于檢測(cè)器D2和D3來(lái)說(shuō)等于1.0如果把一個(gè)常數(shù)C定義為C＝ai/(2πS2)，那么，它對(duì)于每個(gè)檢測(cè)器通道來(lái)說(shuō)都是一樣的，而且在這個(gè)例子的整個(gè)計(jì)算過(guò)程中保持不變，因?yàn)閍i對(duì)于每個(gè)檢測(cè)器都是一樣的，而取樣路徑長(zhǎng)度是由設(shè)計(jì)設(shè)定的。在上述參照條件中，假設(shè)信號(hào)檢測(cè)器D1具有與一氧化碳的吸收帶相對(duì)應(yīng)的CWL4.67微米，中性檢測(cè)器D2的CWL為3.91微米，中性檢測(cè)器D3的CWL為5.00微米，則根據(jù)公式[1]和圖3所給出的數(shù)據(jù)表，在初始化時(shí)，檢測(cè)器D1、D2和D3的輸出電壓的測(cè)量值將是這樣的檢測(cè)器D1(信號(hào)，在4.67微米)的輸出V10＝5.4507×10-5A0riCG0M伏特＝5.0457×10-5YM(其中Y＝A0riC)檢測(cè)器D2(參照，在3.91微米)的輸出V20＝1.7758×10-5YG0M伏特＝1.7758×10-5Y伏檢測(cè)器D3(參照，在5.00微米)的輸出V30＝7.6655×10-5YG0M伏特＝7.6655×10-5Y伏對(duì)氣體傳感器進(jìn)行初始化的方法是這樣，在沒(méi)有一氧化碳時(shí)測(cè)量每個(gè)檢測(cè)器的輸出電壓，當(dāng)傳感器組件的視場(chǎng)中存在濃度已知的一氧化碳時(shí)再測(cè)量檢測(cè)器的輸出電壓。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，用這種方式可以獲得氣體傳感器的校準(zhǔn)曲線。在進(jìn)行初始化之后，氣體傳感器就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量了。假設(shè)該例子中的情況是這樣的，被動(dòng)式紅外源的溫度提高到308K或35℃，被動(dòng)式紅外源8的輻射率ε為0.8，衰減因數(shù)G為0.9，即是說(shuō)，發(fā)自被動(dòng)式紅外源8的信號(hào)出現(xiàn)10％的衰減。再假設(shè)存在于氣體傳感器的視場(chǎng)中的一氧化碳?xì)怏w濃度在信號(hào)檢測(cè)器D1所檢測(cè)到的信號(hào)中引起2％的調(diào)制。所以信號(hào)檢測(cè)器的調(diào)制因數(shù)M從1.00降到0.98，對(duì)于中性通道檢測(cè)器D2和D3，一氧化碳?xì)怏w不會(huì)引起信號(hào)調(diào)制，這是因?yàn)橹行酝ǖ罊z測(cè)器已經(jīng)過(guò)適當(dāng)選擇干涉濾波器避開(kāi)了一氧化碳和被監(jiān)測(cè)大氣中可能發(fā)現(xiàn)的其它氣體的吸收帶。
在上述條件下，三個(gè)檢測(cè)器的輸出電壓將是檢測(cè)器D1(信號(hào)，在4.67微米)的輸出V1＝7.6250×10-5(0.8)YGM伏＝6.1000×10-5Y(0.9)(0.98)伏＝5.3802×10-5Y伏檢測(cè)器D2(參照，在3.91微米)的輸出V2＝2.6517×10-5(0.8)YGM伏＝2.1214×10-5Y(0.9)(1.0)伏＝1.90922×10-5Y伏檢測(cè)器D3(參照，在5.00微米)的輸出V3＝10.488×10-5(0.8)YGM伏＝8.3904×10-5Y(0.9)(1.0)伏＝7.5536×10-6Y伏有了這些結(jié)果，加之初始化電壓輸出，圖3中的數(shù)值表就可以用來(lái)獲得每個(gè)被監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)的光譜輻射強(qiáng)度。
確定待測(cè)一氧化碳?xì)怏w或其它氣體濃度的第一步就是計(jì)算兩個(gè)參照檢測(cè)器的輸出比值ZZ＝電壓(5.00)/電壓(3.91)＝7.55136/1.90922＝3.9552利用圖3中的表，被動(dòng)式紅外源8的溫度被確定為35℃。如上所述，在該例子的整個(gè)進(jìn)行過(guò)程中，假定被動(dòng)式紅外源8的面積和光學(xué)裝置保持不變。
如果只有溫度需要修正，那么中性通道檢測(cè)器D2的新電壓輸出應(yīng)該是初始值1.7558×10-5Y伏乘以比值(2.6517/1.7558)，等于2.6517×10-5Y伏。由于兩個(gè)電壓不一樣，可知輻射率ε或衰減G或是它們兩者會(huì)與初始化條件不一樣?；跍y(cè)得的檢測(cè)器D2(3.91微米)的輸出，以及在35℃條件下該中性通道應(yīng)取的初始值，就可以算出如下的乘積εGεG＝(1.90922×10-5Y伏)/(2.6517×10-5Y伏)＝0.72應(yīng)該注意到，如果在初始化時(shí)輻射率ε0和衰減G0的乘積小于1.0，那么初始化值就應(yīng)該被歸一化為1.0的輻射率ε0和1.0的衰減G0。按此方式，兩個(gè)電壓輸出的比值就可以導(dǎo)出因數(shù)εG的瞬間乘積值。
利用監(jiān)測(cè)5.00微米通道的其它中性檢測(cè)器的輸出電壓也可以導(dǎo)出同樣的信息。
一旦知道了被動(dòng)式紅外源的溫度為35℃以及εG的乘積為0.72，從檢測(cè)器D1的輸出的測(cè)量值，就可以求出如下在4.67微米處或信號(hào)通道的校正輸出電壓5.3802×10-5Y伏(5.4507/7.6250)×(1/0.72)＝5.3417×10-5Y伏從上述計(jì)算中可以看出，輸出電壓為溫度和因數(shù)εG進(jìn)行了校正，所以，這個(gè)校正的電壓輸出與初始電壓輸出之比值給出如下的調(diào)制因數(shù)M5.3417×10-5Y/5.4507×10-5Y＝0.98至此，上述方法正確地導(dǎo)出了監(jiān)測(cè)4.67微米通道的信號(hào)檢測(cè)器D1的調(diào)制因數(shù)。
總結(jié)上述內(nèi)容，第一步是通過(guò)計(jì)算兩個(gè)參照的檢測(cè)器輸出之比值來(lái)獲得新的被動(dòng)式紅外源的溫度。第二步是對(duì)兩個(gè)中性通道中任一個(gè)的測(cè)量值與其初始化值進(jìn)行比較，推導(dǎo)出因數(shù)“εG”，然后，用這兩個(gè)結(jié)果來(lái)對(duì)信號(hào)檢測(cè)器D1在4.67微米的輸出測(cè)量值進(jìn)行校正。信號(hào)檢測(cè)器D1的這個(gè)校正值與存儲(chǔ)的初始值的比值可以導(dǎo)出調(diào)制因數(shù)。利用一個(gè)校正曲線，調(diào)制因數(shù)就可以給出存在氣體的濃度，校正曲線可以存儲(chǔ)在信號(hào)處理電路系統(tǒng)中，這是本領(lǐng)域中所公知的。
有一點(diǎn)重要的內(nèi)容需要指出，盡管在圖1至圖3中，中性檢測(cè)器的FWHM(即W1)被描述為相等的值，但在本發(fā)明所提供的PIA檢測(cè)器中，沒(méi)必要設(shè)計(jì)成相等的中性波帶寬。這是因?yàn)槊總€(gè)中性檢測(cè)器(以及信號(hào)檢測(cè)器)的Wi總是在制作具體的PIA檢測(cè)器的過(guò)程中固定了已知的參數(shù)。而且，不管每個(gè)中性檢測(cè)器的FWHM值如何，在兩個(gè)中性波帶處所測(cè)得的光譜輻射強(qiáng)度的比值始終唯一地確定被動(dòng)式紅外源8的溫度。這是因?yàn)?，如上述公式[1]中所闡明的，被動(dòng)式紅外源的輻射強(qiáng)度是普朗克定律所確定的黑體曲線下的面積與源的輻射率ε乘積的函數(shù)，對(duì)于每個(gè)中性通道來(lái)說(shuō)，它們一般都會(huì)相同。
所以，結(jié)合圖1至圖3所描繪的PIA氣體檢測(cè)器可以改換設(shè)計(jì)成使F2和F3(即中性通道)的FWHM W2和W3對(duì)應(yīng)于檢測(cè)器在幾微米的波帶上而不是前面所建議的0.1微米波帶上測(cè)量被動(dòng)式紅外源8的光譜輻射強(qiáng)度。在這樣的系統(tǒng)中，每個(gè)中性干涉濾波器所通過(guò)的光譜帶也可以彼此交迭。這種設(shè)計(jì)方案唯一的限制條件是，兩個(gè)中性檢測(cè)器不能測(cè)量同一光譜帶的光譜輻射強(qiáng)度，且被動(dòng)式紅外源的輻射率ε應(yīng)該在每個(gè)光譜帶上保持相對(duì)恒定。兩個(gè)中性檢測(cè)器不能測(cè)量同一光譜帶的光譜輻射強(qiáng)度是因?yàn)樵谶@種情況下比值Z將永遠(yuǎn)是1，被動(dòng)式紅外源的輻射率ε應(yīng)該在每個(gè)光譜＝波段上保持相對(duì)恒定，可以保證這個(gè)因數(shù)可以在計(jì)算比值Z的過(guò)程中消去，從而使被動(dòng)式紅外源的溫度T可以直接由兩個(gè)中性通道的輸出比來(lái)確定。
在8微米到14微米波段，水和二氧化碳的吸收很弱。所以作為一個(gè)例子，干涉濾波器F2的FWHM W2可以被設(shè)置成允許8微米到14微米的光通過(guò)，這樣，檢測(cè)器5將測(cè)量到被動(dòng)式紅外源在這個(gè)帶上所輻射出的全部能量。如果通過(guò)干涉濾波器F3的光譜帶比通過(guò)F2的要窄，那么，檢測(cè)器5和6所測(cè)得的能量多少的比值就可以仍按上述方法實(shí)時(shí)地唯一確定被動(dòng)式紅外源8的溫度。帶通濾波器F3所允許通過(guò)的光的光譜帶寬最好是帶通濾波器F2所允許通過(guò)的帶寬的一半，這樣，F(xiàn)3就可以設(shè)計(jì)成允許通過(guò)被動(dòng)式紅外源在9.5微米到12.5微米范圍內(nèi)的光譜輻射強(qiáng)度。通過(guò)將干涉濾波器F3的FWHMW3設(shè)置成干涉濾波器F2的寬度的一半，可以保證比值Z具有作為被動(dòng)式紅外源8的溫度的函數(shù)的良好的可變性。
用這種方法設(shè)計(jì)中性通道的優(yōu)點(diǎn)是，檢測(cè)器5和6各自所測(cè)量到的能量顯著增多，這提高了檢測(cè)器的信噪比，從而允許對(duì)被動(dòng)式紅外源進(jìn)行更精確的表征。
從上述內(nèi)容中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以顯而易見(jiàn)，圖1所給出的紅外氣體檢測(cè)器可以用來(lái)監(jiān)測(cè)多種氣體，其方法是僅需向檢測(cè)器組件3中增加額外的檢測(cè)器Di，并適當(dāng)?shù)剡x擇干涉濾波器Fi的CWL使其與所希望監(jiān)測(cè)的氣體的特征吸收波段相對(duì)應(yīng)。
圖4和圖5給出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所提供的一個(gè)檢測(cè)器組件3的構(gòu)造。如圖所示，檢測(cè)器組件被制作于一個(gè)如TO-5型封裝殼檢測(cè)器封裝殼31上。紅外檢測(cè)器4、5、6被安裝于TO-5封裝殼31的殼座30上。紅外檢測(cè)器4、5、6彼此鄰近，使它們各自的視場(chǎng)彼此基本上交迭在一起。
盡管多種紅外檢測(cè)器可以用于本發(fā)明中，但由于溫差電堆不需要任何功耗，具有線性輸出和良好的信噪比，所以檢測(cè)器4、5、6最好是用溫差電堆。而且，還最好將三個(gè)檢測(cè)器中每一個(gè)的參照結(jié)都固定于同一個(gè)熱沉上，盡管這不是必須的。
濾波器座32置于封裝殼座30的頂部，這使得能夠進(jìn)入濾波器座32與封裝殼座30之間的間隙的輻射僅僅是穿過(guò)位于濾波器座32中的三個(gè)孔徑34的輻射。孔徑34位于濾波器座32中，且每個(gè)孔徑與一個(gè)檢測(cè)器軸向?qū)?zhǔn)。
干涉帶通濾波器F1、F2、F3覆蓋孔徑34，使它們置于各自對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器與被動(dòng)式紅外光源之間。此外，通過(guò)用干涉濾波器F1、F2和F3覆蓋位于濾波器座32之中的三個(gè)孔徑34，保證了只能進(jìn)入濾波器座32與封裝殼座30之間的間隙的輻射就是所希望的光譜波段上的輻射。隔板40用來(lái)防止進(jìn)入的一個(gè)帶的光與用來(lái)測(cè)量不同波段的光的紅外檢測(cè)器相接觸。
帶通濾波器F1、F2、F3的CWL和FWHM的設(shè)置是按照?qǐng)D1至圖3所給出的方式進(jìn)行的。
TO-5型封裝殼31的罩42起著孔徑環(huán)的作用，從而限定了檢測(cè)器組件3的FOV。罩頂42含有一個(gè)透明的窗口44。在選擇窗口44的材料時(shí)，最好選擇那些對(duì)檢測(cè)器組件3所監(jiān)測(cè)的光譜帶具有盡可能高的透過(guò)率的材料。最好窗口對(duì)于所要監(jiān)測(cè)的每個(gè)帶都具有相同的透過(guò)率。在1微米至10微米范圍內(nèi)具有相對(duì)均勻的透明度的窗口材料，如硅、CaF2、和BaF2。CaF2、和BaF2是最合適的材料，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶@一帶具有很高的透明度。
為了減少成本，還可以根本不設(shè)窗口44。但如果有了窗口44，圖4和圖5中所示的檢測(cè)器就可以密封，因而提高探測(cè)器組件的使用壽命。由于灰塵和油污在檢測(cè)器組件3上積累，與光譜帶相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)將會(huì)減弱。如果信號(hào)的衰減太大，紅外氣體檢測(cè)器將無(wú)法正常工作。但檢測(cè)器組件3中有了窗口44以后，只要清洗窗口44，就可以很容易地恢復(fù)原有的信號(hào)強(qiáng)度。如果省略了窗口44，這將是不可能作到的。
如果要求有更大的平臺(tái)就能增加額外的檢測(cè)器和帶通濾波器，以增強(qiáng)本發(fā)明紅外氣體檢測(cè)器的能力，可以選用TO-8型或更大的封裝殼。比如，當(dāng)需要監(jiān)測(cè)多種氣體時(shí)，就需要這樣的大平臺(tái)。
下面結(jié)合圖9至圖16對(duì)檢測(cè)器組件3的一個(gè)具體的最佳實(shí)施例加以說(shuō)明。如圖9、10和13所示，檢測(cè)器組件3包括三個(gè)形成于基片50上的紅外檢測(cè)器4、5、6，基片50安裝于檢測(cè)器的封裝殼31內(nèi)。檢測(cè)器封裝殼31最好是TO-5型封裝殼，它包含一個(gè)殼座30和一個(gè)罩42。罩42含有一個(gè)孔徑環(huán)7，它限定了用來(lái)接收進(jìn)入檢測(cè)器組件的輻射的一個(gè)開(kāi)口。即是說(shuō)，檢測(cè)器組件3的視場(chǎng)是由孔徑環(huán)7限定的。罩42最好含有一個(gè)透光窗口44，窗口44嵌于孔徑環(huán)7所限定的開(kāi)口中或?qū)㈤_(kāi)口蓋住。透光窗口44固定于罩42上，這樣，當(dāng)罩42連接于殼座30時(shí)，紅外檢測(cè)器4、5、6就可以被密封在檢測(cè)器組件3之中。
在本實(shí)施例中，為檢測(cè)器4、5、6提供的支撐基片50是由硅、鍺、砷化鎵或類似的半導(dǎo)體材料制成的。因?yàn)槿齻€(gè)檢測(cè)器4、5、6挨得很近，所以它們的視場(chǎng)基本上交迭在一起。
在本實(shí)施例中，紅外檢測(cè)器4、5、6最好是薄膜溫差電堆或者是硅的微加工溫差電堆，溫差電堆4、5、6都各罩蓋住一個(gè)形成于基片50上的孔徑52。通過(guò)帶通濾波器F1、F2、F3的輻射通過(guò)作為窗口的孔徑52受到檢測(cè)。如本領(lǐng)域內(nèi)所公知的，薄膜或微加工熱電堆檢測(cè)器4、5、6被制作于基片50的底側(cè)，而且可以采用任何合適的圖形。圖13是基片50的底側(cè)的放大視圖，它顯示了一種可以用于薄膜或微加工溫差電堆檢測(cè)器4、5、6的合適的圖形。圖12給出了基片50的俯視圖。
如本領(lǐng)域中所通常采用的技術(shù)，每個(gè)溫差檢測(cè)器4、5、6的熱結(jié)60最好支撐于一層電絕緣片54上，電絕緣片54各罩蓋了形成于基片50中的孔徑52，而冷結(jié)60則位于厚基片50之上。三個(gè)孔徑52最好被一層電絕緣片54所罩蓋，熱電堆檢測(cè)器也可以是自我支撐的。
在檢測(cè)器組件的工作過(guò)程中，發(fā)自被動(dòng)式紅外源的紅外輻射通過(guò)窗口44進(jìn)入探測(cè)器封裝殼31。然后，分別允許通過(guò)某個(gè)特定光譜帶輻射的干涉帶通濾波器F1、F2、F3受到紅外輻射的照射。然后，通過(guò)干涉濾波器F1、F2、F3的輻射照到絕緣膜54上，或者，如果熱電堆是自支撐的，這些輻射就照到熱結(jié)60上，在那里，紅外熱電堆檢測(cè)器4、5、6分別檢測(cè)這些輻射。
為提高檢測(cè)器4、5、6對(duì)入射輻射的靈敏度，可以在封裝過(guò)程中在電絕緣膜54的頂側(cè)鍍一薄層氧化鉍或碳黑，以使孔徑區(qū)域更有效地接收射入的輻射。如果熱電堆檢測(cè)器4、5、6是自支撐的，就可將射入輻射的熱結(jié)60一側(cè)直接鍍上氧化鉍或碳黑。
通過(guò)在厚基片50上使冷結(jié)或參照結(jié)62定位，使每個(gè)檢測(cè)器的參照結(jié)都被自然地固定于同一種熱物質(zhì)上。所以基片50起熱沉的作用，將每個(gè)檢測(cè)器的冷結(jié)62維持在一個(gè)相同的溫度上。此外，基片50也為器件提供機(jī)械支撐。
盡管在本實(shí)施例中，采用一個(gè)基片50，在其上形成了三個(gè)紅外熱電堆檢測(cè)器4、5、6，但本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，也可以采用三片分開(kāi)的基片來(lái)代替本實(shí)施例中的基片50，在每個(gè)基片上制作一個(gè)紅外熱電堆檢測(cè)器。
用來(lái)制作電絕緣膜54的材料可以是本領(lǐng)域中很多已知的合適材料，包括MYLAR之類的塑料薄膜或者是氧化硅、氮化硅之類的無(wú)機(jī)電介質(zhì)層，或者是二者兼有的多層結(jié)構(gòu)。電絕緣膜54最好是一薄層無(wú)機(jī)電介質(zhì)層，因?yàn)檫@樣的介質(zhì)層很易于用已知的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝制造出來(lái)，并使更靈敏的熱電堆檢測(cè)器得以制作在基片50上。并且也顯著提高了整個(gè)器件的可制作性。此外，如果只用半導(dǎo)體工藝制作檢測(cè)器4、5、6，則在全范圍硅集成電路技術(shù)的基礎(chǔ)上將使基片5具有芯片上電路功能的器件特性，從而只要需要就可以將檢測(cè)器4、5、6的信號(hào)處理電路包含進(jìn)基片50中。
在現(xiàn)有的溫差電堆和紅外檢測(cè)器領(lǐng)域中有許多可以在基片50底側(cè)上制作溫差電堆檢測(cè)器4、5、6的技術(shù)。其中的一種適合于用半導(dǎo)體的工藝技術(shù)生產(chǎn)溫差電堆檢測(cè)器4、5和6的技術(shù)公布在1992年3月31日授權(quán)的5,100,479號(hào)美國(guó)專利中，這份專利也是本說(shuō)明書(shū)的對(duì)比文件。
參見(jiàn)圖10和圖13，利用焊料或其它已知材料在鍵合區(qū)58將輸出引線56連接于每個(gè)溫差電堆檢測(cè)器4、5、6的輸出焊點(diǎn)64上。因?yàn)闇夭铍姸褭z測(cè)器4、5、6的參照結(jié)是彼此熱短路的，每個(gè)檢測(cè)器4、5、6的參照結(jié)有可能共用一個(gè)輸出焊點(diǎn)。于是，只要4條輸出引線就可以導(dǎo)出各檢測(cè)器的輸出，而不需要6條引線。通常，輸出引線56將檢測(cè)器4、5、6與信號(hào)處理電路連接起來(lái)。如上所述，信號(hào)處理電路可以直接包含在基片50中，這種情況下，輸出引線56將被連接于信號(hào)處理電路的輸入和輸出焊點(diǎn)，而不是連接于紅外溫差電堆檢測(cè)器4、5、6的輸出焊點(diǎn)。
如圖10所示，在基片50上鄰近其中一個(gè)溫差電堆檢測(cè)器的冷結(jié)的位置處最好建立一個(gè)溫度傳感元件。該溫度傳感元件監(jiān)測(cè)基片50在冷結(jié)區(qū)域的溫度，因而它所測(cè)出的溫度代表著冷結(jié)62的溫度。溫度傳感元件53的輸出被送入信號(hào)處理電路中，使其可以補(bǔ)償溫差電堆檢測(cè)器的冷結(jié)周圍溫度所造成的影響。溫度傳感元件53最好是一個(gè)熱敏電阻，但二極管、晶體管等其它溫度傳感元件也是可以使用的。
參見(jiàn)圖9至圖11，干涉帶通濾波器F1、F2和F3被安裝于基片50的項(xiàng)部，使它們分別覆蓋住基片50中的一個(gè)孔徑52。帶通濾波器F1、F2和F3的CWL和FWHM的設(shè)置按圖1至圖3所給出的方式進(jìn)行。由于干涉濾波器覆蓋住孔徑52，通過(guò)窗口44進(jìn)入檢測(cè)器組件3的光必須首先通過(guò)濾波器F1、F2和F3，才能分別到達(dá)紅外檢測(cè)器4、5和6。所以，在基片50上設(shè)置三個(gè)分開(kāi)的孔徑，可以使通過(guò)一個(gè)濾波器的光與通過(guò)另一個(gè)濾波器的光彼此隔開(kāi)，這避免了各個(gè)檢測(cè)通道間的串音。這樣，被動(dòng)式紅外源的發(fā)出的、能夠到達(dá)紅外檢測(cè)器4、5、6的光正落入檢測(cè)器所要檢測(cè)的相應(yīng)光譜波段內(nèi)。
最好用一種如導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂的熱導(dǎo)材料，將濾波器F1、F2和F3固定于基片50上，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是它能夠提高濾波器與基片之間的熱分流，使基片與熱電堆檢測(cè)器4、5、6的冷結(jié)或參照結(jié)62處于相同的溫度下。使來(lái)自干涉濾波器的背景噪聲可以減至最小。
干涉帶通濾波器F1、F2和F3的溫度都高于0K，它們都發(fā)出一定的紅外輻射量。通過(guò)溫度與環(huán)境溫度相近的濾波器后入射到一個(gè)檢測(cè)器上的輻射通量取決于濾波器與檢測(cè)器的參照結(jié)或冷結(jié)的熱短路狀況。這樣需要考慮溫差電堆是怎樣工作的。就是說(shuō)，一個(gè)溫差電堆所產(chǎn)生的電壓輸出可以直接量度構(gòu)成溫差電堆的熱電偶的信號(hào)(熱)結(jié)與參照(冷)結(jié)之間的溫度差異。一個(gè)溫差電堆只不過(guò)是由為了提高器件的輸出電壓而串連起來(lái)的多個(gè)熱電偶所組成的。所以，濾波器與它的溫差電堆檢測(cè)器的參照結(jié)熱短路的狀況能夠影響檢測(cè)器的輸出電壓。
在最差的情況下，當(dāng)濾波器根本沒(méi)有與參照結(jié)熱短路時(shí)，入射到溫差電堆檢測(cè)器上的輻射量中包含一個(gè)來(lái)自濾波器的不希望有的偏離，它使發(fā)自被動(dòng)式紅外源8、通過(guò)濾波器從外面入射到溫差電堆的熱結(jié)所需的信號(hào)調(diào)制減小。在熱結(jié)處，可用信號(hào)與不可用信號(hào)之比取決于被動(dòng)式紅外源8在干涉濾波器所允許通過(guò)的光譜帶上的輻射強(qiáng)度與濾波器在所有波長(zhǎng)上發(fā)出的光譜輻射強(qiáng)度之比。在295K溫度下，對(duì)于一個(gè)具有4.67微米CWL和0.2微米FWHM的干涉濾波器，這個(gè)量可以小到2.3×10-3。但在實(shí)際情況下，干涉濾波器總會(huì)在一定程度上與溫差電堆檢測(cè)器的參照電極熱短路，所以，可用信號(hào)與不可用信號(hào)的比值大約是0.1到0.2。
本檢測(cè)器組件的實(shí)施例可以盡可能地消除從濾波器進(jìn)入至溫差電堆檢測(cè)器的不需要的輻射量。實(shí)現(xiàn)這種效果的方法是，在溫差電堆檢測(cè)器4、5、6的參照(冷)結(jié)與相應(yīng)的干涉濾波器F1、F2和F3之間提供一種高效的熱短路。這可以有效地消除濾波器對(duì)檢測(cè)器的信號(hào)(熱)結(jié)60的影響，使來(lái)自被動(dòng)式紅外源8通過(guò)濾波器的輻射成為溫差電堆檢測(cè)器所測(cè)量到的唯一輻射源。毋需贅言，它是唯一的輻射這一點(diǎn)很重要，而且它還被有效地隔離開(kāi)來(lái)，便于溫差檢測(cè)器進(jìn)行處理。
為了改進(jìn)濾波器與基片50之間的熱短路效果，還可以采用增加熱沉的方法。例如，可以在干涉濾波器F1的一側(cè)或兩側(cè)淀積一個(gè)熱沉金屬格柵68，如圖14所示。用作金屬格柵的材料應(yīng)具有良好的熱導(dǎo)率，金尤其適用于此目的。還有一種選擇，如圖15和圖16所示，可以將熱沉金屬格柵與安裝的緊固件70結(jié)合在一起。如果將格柵上鍍一層金，可以提高金屬格柵68的導(dǎo)熱率。安裝的緊固件70含有一個(gè)格柵部分68和一個(gè)凸邊部分72。干涉濾波器F1(相應(yīng)于濾波器F1、F2或F3)位于由凸邊部分72形成的凹處。為了提高安裝的緊固件70與濾波器F1間的熱傳導(dǎo)，最好用如導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱材料，將濾波器F1與安裝的緊固件70相連接，然后也用一種導(dǎo)熱材料將安裝的緊固件固定于基片50的頂部以覆蓋住孔徑52。這體現(xiàn)在圖16中，圖16是基片50在與檢測(cè)器4、5、6相對(duì)應(yīng)的一個(gè)溫差電偶檢測(cè)器Di處的部分剖視圖。
下面結(jié)合圖17和圖18對(duì)另一個(gè)最佳實(shí)施例檢測(cè)器組件79加以描述。檢測(cè)器組件79含有形成于半導(dǎo)體基片80上的三個(gè)紅外檢測(cè)器4、5、6(圖中未給出)，半導(dǎo)體基片80安裝于檢測(cè)器封裝殼31中。紅外檢測(cè)器4、5、6是形成于基片80底側(cè)的薄膜或微加工紅外熱電堆檢測(cè)器，其方式與圖9至力13所給出的檢測(cè)器實(shí)施例一樣。本實(shí)施例中的基片80與圖9至13所給出的實(shí)施例中的基片50的主要區(qū)別是，在基片80上，圍繞著每個(gè)形成于基片上的孔徑52都有一個(gè)突起的邊沿82。突起的邊沿82提供了額外的熱物質(zhì)，以使溫差電堆4、5、6的參照(冷)結(jié)保持在相同的溫度。本實(shí)施例所增加的熱物質(zhì)是符合需要的，因?yàn)楸緦?shí)施例所提供的檢測(cè)器組件79還包含有一個(gè)安裝于檢測(cè)器封裝殼31內(nèi)的主動(dòng)式紅外光源84。
與圖9至13中所描述的實(shí)施例一樣，在基片50上鄰近一個(gè)溫差電堆檢測(cè)器的冷結(jié)的地方最好建立一個(gè)溫度傳感元件53(未給出)，以監(jiān)測(cè)冷結(jié)的溫度并將溫度的信息提供給信號(hào)處理電路。
紅外光源84為檢測(cè)器組件79提供了更多的靈活性。就是說(shuō)，它允許三通道檢測(cè)器組件79用在具有主動(dòng)式紅外光源的傳統(tǒng)NDIR氣體傳感器中，當(dāng)紅外光源84損壞時(shí)，就可以按本發(fā)明的被動(dòng)式紅外氣體傳感器使用檢測(cè)器組件79。當(dāng)檢測(cè)器組件79按NDIR氣體傳感器使用時(shí)，突起邊沿82所提供的額外熱物質(zhì)有助于在主動(dòng)式紅外光源84反復(fù)開(kāi)關(guān)時(shí)保持參照結(jié)的溫度盡可能一致。這有助于檢測(cè)器對(duì)由于在檢測(cè)器的取樣路徑中出現(xiàn)某種或幾種被測(cè)氣體時(shí)對(duì)它們的信號(hào)的進(jìn)行調(diào)制保持檢測(cè)器的靈敏度。
在本實(shí)施例中，檢測(cè)器封裝殼31是一人TO-5封裝殼，它含有一個(gè)殼基30和一個(gè)罩42。罩42包括一個(gè)限定接收進(jìn)入檢測(cè)器組件的輻射的一個(gè)孔徑環(huán)7。檢測(cè)器組件79的FOV由孔徑環(huán)7所限定。因?yàn)槿齻€(gè)檢測(cè)器4、5、6挨得很近，所以它們的FOV基本上交迭在一起。罩42最好還包含有一個(gè)透光窗口44，窗口44嵌于孔徑環(huán)7所限定的孔徑內(nèi)或覆蓋住孔徑。透光窗口44連接在罩42上，這樣，當(dāng)罩42與殼基30相連接時(shí)，紅外檢測(cè)器4、5、6就密封在檢測(cè)器封裝殼31當(dāng)中。
用于窗口44的材料的選擇應(yīng)按圖4、圖5和圖9至圖16中繪示的檢測(cè)器組件的實(shí)施例中有關(guān)的說(shuō)明進(jìn)行。
干涉帶通濾波器F1、F2、F3安裝于突起邊沿82的頂面，使它們各罩蓋住基片80中的一個(gè)孔徑52。帶通濾波器F1、F2和F3的CWL與FWHM按圖1至圖3的有關(guān)描述設(shè)置。由于干涉濾波器覆蓋了孔徑52，通過(guò)窗口44進(jìn)入檢測(cè)器封裝殼31的光必須首先通過(guò)濾波器F1、F2和F3，才能分別到達(dá)紅外檢測(cè)器4、5和6。所以，在基片80上設(shè)置三個(gè)分開(kāi)的孔徑，可以使通過(guò)一個(gè)濾波器的光與通過(guò)另一個(gè)濾波器的光彼此隔開(kāi)。這就避免了各個(gè)檢測(cè)通道間的互相干擾。這樣，被動(dòng)式紅外源的發(fā)出的、能夠到達(dá)紅外檢測(cè)器4、5、6的光——或是檢測(cè)器組件按傳統(tǒng)的NDIR氣體傳感器使用時(shí)來(lái)自主動(dòng)式紅外光源的光——正好都落在專用檢測(cè)器所要檢測(cè)的光譜波段內(nèi)。
用一種如導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱材料將干涉帶通濾波器F1、F2和F3固定于圍繞著孔徑52的突起邊沿82上。用導(dǎo)熱材料將將濾波器固定到突起邊沿82上的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能夠提高濾波器與基片80之間的熱短路，基片與熱電堆檢測(cè)器4、5、6的冷結(jié)或參照結(jié)62處于相同的溫度下。所以，來(lái)自干涉濾波器的背景噪聲可以降至最小。
為了進(jìn)一步改進(jìn)濾波與基片80之間的熱短路，可以在干涉濾波器F1的一側(cè)或兩側(cè)淀積一層熱沉金屬格柵，如圖14所示。用作金屬格柵的材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱率，金尤其適用于此目的。還有一種選擇，如圖15所示，可以將熱沉金屬格柵組合在濾波器的安裝緊固件70中。安裝緊固件70含有一個(gè)格柵部分68和一個(gè)凸起的罩部分72。如圖16所示，干涉濾波器Fi(相應(yīng)于濾波器F1、F2或F3)位于由凸起的罩部分72形成的凹處。為了提高安裝緊固件70與濾波器F1之間的熱傳導(dǎo)，最好用一種如導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱材料，將濾波器F1連接于安裝緊固件70上，然后也用一種導(dǎo)熱材料將安裝緊固件連接于凸起罩72的頂部在覆蓋孔徑52。
用焊料或其它已知材料在一個(gè)接合區(qū)88將基片的安裝緊固件86連接于溫差電堆檢測(cè)器4、5、6的各個(gè)輸出焊點(diǎn)上(圖中未給出)。在本實(shí)施例中，由于檢測(cè)器4、5、6的參照結(jié)共用一個(gè)共同的輸出焊點(diǎn)，只需有4個(gè)基片的安裝緊固件86就可以將檢測(cè)器的輸出連通。基片的安裝緊固件86與檢測(cè)器封裝殼31的殼基30之間是絕緣的，這是因?yàn)榛陌惭b緊固件的安裝在一個(gè)電絕緣基片90上，基片90的材料最好是從包含氧化鋁和氧化鈹?shù)囊唤M材料中選擇。利用連線94，檢測(cè)器4、5、6的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)基片的安裝緊固件86，送到信號(hào)處理電路92中。信號(hào)處理電路92可以包含鍵合在絕緣基片90上的多個(gè)微芯片，也可以鍵合在絕緣基片90上的單片微芯片。輸出引線56借助連線96與信號(hào)處理電路系統(tǒng)92的輸入與輸出相連。
信號(hào)處理電路92含有一個(gè)源驅(qū)動(dòng)器98用來(lái)驅(qū)動(dòng)一已知頻率的主動(dòng)式紅外源84。源驅(qū)動(dòng)器98通過(guò)連線97來(lái)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)式紅外源84。對(duì)傳統(tǒng)的NDIR應(yīng)用情況，用源驅(qū)動(dòng)器98驅(qū)動(dòng)主動(dòng)式紅外源84的方式是本領(lǐng)域所共知的，在此不需要進(jìn)一步解釋。
雖然在上面對(duì)檢測(cè)器組件79的描述中，檢測(cè)器組件79包括鍵合在絕緣基片90上的信號(hào)處理電路92，但信號(hào)處理電路92可以直接組合在半導(dǎo)體基片80上。還有一種選擇，為了簡(jiǎn)化檢測(cè)器組件79，輸出引線56可以用焊料或其它已知材料直接連于檢測(cè)器4、5、6的輸出端。這種情況下，輸出引線56將把紅外溫差電堆檢測(cè)器4、5、6的輸出信號(hào)接到處于檢測(cè)器組件79之外的一個(gè)信號(hào)處理電路中。
如果檢測(cè)器組件79是按本發(fā)明的被動(dòng)式紅外氣體傳感器使用，發(fā)自被動(dòng)式紅外源8的紅外輻射通過(guò)窗口44進(jìn)入探測(cè)器封裝殼31。然后，分別允許通過(guò)某個(gè)預(yù)定光譜帶輻射的干涉帶通濾波器F1、F2、F3被這些紅外輻射照到。然后，通過(guò)干涉濾波器F1、F2、F3的輻射照到覆蓋了每個(gè)孔徑的無(wú)機(jī)電介質(zhì)膜上(圖中未給出)，或者，如果熱電堆是自支撐的，這些輻射將照到熱結(jié)上，在那里，紅外熱電堆檢測(cè)器4、5、6分別檢測(cè)這些輻射。每個(gè)檢測(cè)器的輸出被傳送到信號(hào)處理電路中，在那里，進(jìn)行信號(hào)處理的方式與圖1至圖3所示的被動(dòng)式紅外氣體傳感器的情況相同。
就象圖9至圖16所描述的檢測(cè)器組件3那樣，為提高檢測(cè)器4、5、6對(duì)入射輻射的靈敏度，可以在封裝過(guò)程中在電介質(zhì)膜54(圖中未給出)的頂側(cè)鍍一薄層氧化鉍或碳黑，以使孔徑區(qū)域更有效地吸收入射輻射。如果熱電堆檢測(cè)器4、5、6是自支撐的，那么，熱結(jié)60接收入射輻射的一側(cè)可以直接鍍氧化鉍或碳黑。
如前所述，因?yàn)闄z測(cè)器組件79還包含一個(gè)主動(dòng)式紅外源，它可以按NDIR氣體傳感器使用。下面將詳細(xì)說(shuō)明，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，將檢測(cè)器組件7按NDIR氣體傳感器使用的情況。
圖6給出了本發(fā)明的技術(shù)方案中，一個(gè)PIA氣體傳感器33的最佳實(shí)施例的實(shí)際構(gòu)成情況。檢測(cè)器組件3直接安裝于印刷電路板(PCB)11上，印刷電路板11也安裝有信號(hào)處理電路12、用來(lái)發(fā)出報(bào)警信號(hào)的警鈴13和蓄電池電源14。電源14最好是鋰電池，這樣可以為系統(tǒng)工作1至2年提供充足的電源。雖然這里所描述的PIA氣體傳感器采用的是檢測(cè)器組件3，但本發(fā)明也可以采用圖17和圖18所描述的檢測(cè)器組件79。
凸面反射鏡15牢固地連接于檢測(cè)器組件3，用來(lái)提高檢測(cè)器組件3的FOV。這種情況下的取樣路徑長(zhǎng)度仍是由檢測(cè)器組件3與被動(dòng)式紅外源8之間的距離來(lái)確定，被動(dòng)式紅外源8是墻壁9的一部分。PCB11裝載著早先所說(shuō)的全部元件被封裝在一個(gè)封裝殼16中，封裝殼16的作用是，當(dāng)器件被用來(lái)實(shí)施本發(fā)明的PIA技術(shù)時(shí)，保護(hù)器件免受操作中的損壞以及外部環(huán)境的影響。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，如果采用折射光學(xué)系統(tǒng)，而不是反射光學(xué)系統(tǒng)，也能夠類似地增大檢測(cè)器組件3的FOV。由于成本的原因，最好采用反射光學(xué)系統(tǒng)。
圖7所示是本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例的信號(hào)處理電路的示意圖。圖7所示的信號(hào)處理電路可以用于上述任何一個(gè)實(shí)施例中的檢測(cè)器組件。
根據(jù)本實(shí)施例，從被動(dòng)式源發(fā)出的、在檢測(cè)器組件3的視場(chǎng)內(nèi)的輻射(圖中未給出)匯集到分別代表信號(hào)檢測(cè)器D1、中性檢測(cè)器D2和D3的檢測(cè)器17、18、19上面。檢測(cè)器17、18、19都是溫差電堆檢測(cè)器，它們的參照結(jié)與同一個(gè)熱沉20相連接。溫差電堆檢測(cè)器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們具有線性輸出特性(在0℃至70℃范圍內(nèi)以線性比例輸出)。通過(guò)利用微處理器21測(cè)量公共參照結(jié)熱沉20的溫度，可以根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)檢測(cè)器17、18、19的輸出進(jìn)行校正。
雖然本實(shí)施的描述中采用了檢測(cè)器組件3，但在本發(fā)明中，也可以采用圖17和圖18所描述的檢測(cè)器組件79。
為了使DC漂移盡可能減小，三個(gè)檢測(cè)器的各個(gè)輸出被一個(gè)受微處理器21控制的低噪聲乘法器22以相同的占空因數(shù)不斷地轉(zhuǎn)換為一個(gè)同樣低噪聲預(yù)放大器23的差分輸入。放大后的信號(hào)在被送入微處理器21進(jìn)行處理之前，先被一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器24進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在被測(cè)氣體被檢測(cè)到以后，將依據(jù)在微處理器21中編程的一個(gè)預(yù)定的函數(shù)來(lái)測(cè)量氣體的濃度?？梢杂秒娎|25輸出或顯示濃度，或在某些情況下也可用電纜26由處理器21產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
微處理器21應(yīng)是低功耗型的，并包含有足夠的RAM、ROM和EEprom，用來(lái)對(duì)檢測(cè)器組件3所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?br> 為了進(jìn)一步豐富本發(fā)明所提供的被動(dòng)式紅外氣體檢測(cè)器的多樣化途，可以向氣體檢測(cè)器中增加一個(gè)測(cè)距器件。這將使用戶可以根據(jù)具體的應(yīng)用情況迅速而方便地調(diào)整取樣路徑長(zhǎng)度S。測(cè)距器件可以是接觸式的或非接觸式的，例如，它可以含有一個(gè)帶傳感器的激光二極管，這是本領(lǐng)域所常用的技術(shù)。測(cè)距器件的輸出被送入信號(hào)處理器中，這樣，當(dāng)計(jì)算氣體濃度時(shí)，可以將合適的取樣路徑長(zhǎng)度S代入公式[1]中。如上所述，路徑長(zhǎng)度S的變化不影響兩個(gè)中性通道輸出比值的計(jì)算，因?yàn)檫@個(gè)因數(shù)對(duì)于兩個(gè)檢測(cè)器是一樣的，在計(jì)算過(guò)程中被消掉了。
還有一種選擇，氣體檢測(cè)器可以含有一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)頭，使用戶可以輸入預(yù)設(shè)好的路徑長(zhǎng)度。例如，這個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可以設(shè)置1英尺增量的路徑長(zhǎng)度，使用戶在安裝本發(fā)明的氣體檢測(cè)器時(shí)，能夠測(cè)量并輸入合適的路徑長(zhǎng)度。選擇好了的具體的路徑長(zhǎng)度被送入微處理器21，使它知道在計(jì)算樣品容積中的氣體濃度時(shí)該選用的合適的路徑長(zhǎng)度。
要想再多一點(diǎn)靈活性，可以采用一個(gè)數(shù)據(jù)輸入墊片，這樣用戶就可以輸入任何希望的路徑長(zhǎng)度，微處理器21也可以在計(jì)算過(guò)程中做相應(yīng)的補(bǔ)償。
圖8是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例所提供的信號(hào)處理電路的示意圖。電路的結(jié)構(gòu)是按所預(yù)期的信號(hào)低電平確定的，它在5至85微伏的量級(jí)。電路中有3個(gè)一樣的預(yù)放大器電路，它們的區(qū)別僅在于增益設(shè)置電阻R4不一樣。這些放大器都制作成儀器形式，它們具有很高的共模信號(hào)排斥，因?yàn)橛迷诩彝ブ锌拷?0Hz電線的時(shí)候，可能電磁感生出較大的信號(hào)。對(duì)檢測(cè)器和電路進(jìn)行磁屏蔽就可以減小這種影響。還必須保護(hù)檢測(cè)器和電路元件免受劇烈的溫度變化，劇烈溫變可能會(huì)在元件中產(chǎn)生溫差電偶信號(hào)。為了保證電路的充分工作，熱學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)是十分重要的。
U1形成了儀器化放大器的輸入部分，只所以選擇U1是因?yàn)樗哂休^低的輸入偏移電壓，只有大約0.5微伏，而且它隨溫度的變化很小。因?yàn)楦吖材Ｅ懦獾拇嬖?，反饋電阻R2和R3必須很好地匹配，要好于0.1％，并且具有10ppm/dag C或更好的溫度系數(shù)。這個(gè)電路的增益是由大約為500的R2、R3與R1的比值來(lái)確定的。從dc到10Hz的噪聲水平約為2μVpp。這比期望值要高，但在后續(xù)過(guò)程中，它還要經(jīng)過(guò)濾波。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品輸出的合適的處理，輸入偏置低和溫度漂移小是更為重要的。
電路輸出部分的輸入噪聲水平要低得多，大約0.28微伏，但偏移要高得多，大約50微伏，且溫度系數(shù)較大。U2是另一個(gè)儀器形式的放大器，它被用來(lái)提供一個(gè)大約為400的穩(wěn)定的高增益。只所選用它是因?yàn)樗谋攘硪粋€(gè)放大器廉價(jià)，以及因?yàn)樗哂芯_增益設(shè)置電阻器。期望的輸出是1到2伏或略高一點(diǎn)，這取決于檢測(cè)器的輸入輻射。另兩個(gè)檢測(cè)器的預(yù)放大器增益要低一些，因?yàn)槟切z測(cè)器的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因而期望獲得更多的輻射。
信號(hào)處理的其它過(guò)程可以有多種方式，給出的實(shí)現(xiàn)方式僅是個(gè)例子。三個(gè)信號(hào)通道和一個(gè)位于檢測(cè)附近的溫度傳感器被一個(gè)乘法器選擇，它們的輸出被一個(gè)電壓頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成頻率。該頻率輸出可以很容易地被一個(gè)微處理器(微伏)處理，以根據(jù)相應(yīng)溫度下發(fā)出的信號(hào)來(lái)確定視場(chǎng)內(nèi)的溫度、檢測(cè)器的溫度、以及待測(cè)一氧化碳或其它氣體的溫度。
下面結(jié)合圖19對(duì)本發(fā)明的PIA氣體傳感器的另一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。圖19給出的被動(dòng)式紅外氣體傳感器110含有一個(gè)被動(dòng)式紅外源112、位于被動(dòng)式紅外源112的中心位置并具有一個(gè)用來(lái)讓紅外輻射進(jìn)入孔徑118的一個(gè)三通道紅外檢測(cè)器組件3、一個(gè)與檢測(cè)器組件3的孔徑118和被動(dòng)式紅外源分開(kāi)一段距離的并對(duì)著孔徑118和被動(dòng)式紅外源的凹面鏡120。
被動(dòng)式紅外源112最好是凹面的，以提高在對(duì)著紅外源112的凹面鏡120視場(chǎng)內(nèi)的紅外源的表面積。在本實(shí)施例中，被動(dòng)式紅外源112含有一個(gè)形成于非導(dǎo)電部分114的表面之上的紅外黑表面116。紅外黑表面116可以含有多種材料，包括黑氧化鉻、氧化鉍及碳黑。非導(dǎo)電部分114可以由多塊塑料板制成，因?yàn)樗芰系闹剌p且易于加工制作。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，非導(dǎo)電部分114也可以由一整塊塑料板或其它電絕緣材料制成。
凹面鏡120可以是任何凹面反射表面，只要它能夠增大檢測(cè)器組件的視場(chǎng)，凹面鏡120的輻射率最好盡可能低，這樣，使通過(guò)孔徑118被檢測(cè)器組件3所接收到的紅外輻射都是由被動(dòng)式紅外源產(chǎn)生的。凹面鏡120應(yīng)該足夠大，以能夠包容在它與檢測(cè)器分開(kāi)的距離上檢測(cè)器的整個(gè)視場(chǎng)。這可以是公式d＝(OM(S)2π？？？來(lái)計(jì)算，其中d是凹面鏡120的直徑，OM是檢測(cè)器組件對(duì)著凹面鏡120的立體角，S是凹面鏡120與檢測(cè)器組件的距離。類似地，被動(dòng)式紅外源也應(yīng)該足夠大，以滿足凹面鏡視場(chǎng)的要求。
被動(dòng)式紅外源與檢測(cè)器在一端，凹面鏡在另一端，這兩端之間的空隙決定了本發(fā)明的樣品室。從被動(dòng)式紅外源112反出的紅外輻射被凹面鏡120反射入孔徑118并進(jìn)入檢測(cè)器組件120，所以，被動(dòng)式紅外氣體傳感器110的取樣路徑長(zhǎng)度是至少兩倍于檢測(cè)器組件3與凹面鏡120之間的距離。與被動(dòng)式紅外源與檢測(cè)組件相對(duì)著的紅外氣體傳感器設(shè)計(jì)相比，氣體傳感器110將具有兩倍的靈敏度。反過(guò)來(lái)將，氣體傳感器110要想獲得與之一樣的靈敏度，只要一半大小的取樣空隙即可以了。
如上所述，圖17和圖18所描述的檢測(cè)器組件79還包含有一個(gè)主動(dòng)式紅外源，所以，檢測(cè)器組件79也可以直接被用于一個(gè)NDIR氣體傳感器中。圖20給出了本發(fā)明提供的可能的NDIR氣體傳感器設(shè)計(jì)。圖20中的氣體傳感器含有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的空管100，管100具有一個(gè)封閉端102和一個(gè)開(kāi)放端104，在這個(gè)最佳實(shí)施例中，管100由金屬制成，且截面形狀為圓形。在其它實(shí)施例中，截面形狀可以是方的。
管100的內(nèi)表面以及封閉端102的內(nèi)表面具有鏡面式的反射特性。
根據(jù)本發(fā)明，金屬管100是不透氣的，所以在管100上間隔的位置上提供一些過(guò)濾孔徑，以讓被氣體進(jìn)入和離開(kāi)管內(nèi)空間，過(guò)濾開(kāi)口106就是代表性的一個(gè)。每個(gè)過(guò)濾孔徑106都被覆以半透過(guò)性膜108。過(guò)濾孔徑的數(shù)量、位置及形狀不是至關(guān)重要的，自然，有些設(shè)計(jì)可能會(huì)優(yōu)于其它的設(shè)計(jì)。
三通道檢測(cè)器組件3被安裝于管100的開(kāi)放端，并使開(kāi)放端封閉起來(lái)，以防止氣體由管100的開(kāi)放端進(jìn)入或泄出。由于本發(fā)明中采用了主動(dòng)式紅外源84，檢測(cè)器5和6就不需要了，因?yàn)樗鼈兪钱?dāng)檢測(cè)器組件79被用于被動(dòng)式氣體傳感器中時(shí)用作中性檢測(cè)器來(lái)表征被動(dòng)式紅外源8的溫度。因此，本實(shí)施例中，檢測(cè)器組件79可以檢測(cè)多達(dá)3種的不同氣體，只要簡(jiǎn)單地選擇帶通濾波器F1、F2和F3，使它們?cè)试S通過(guò)三個(gè)不同波長(zhǎng)的光譜波段，在這三個(gè)波長(zhǎng)上，待測(cè)氣體產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收，而其它可能存在的氣體不產(chǎn)生吸收。如果需要測(cè)量的氣體少于3種，則多余的檢測(cè)通道就可以取消。本發(fā)明的這一方案為NDIR氣體傳感器增加了許多靈活性。
樣品室內(nèi)待測(cè)氣體的濃度取決于它們吸收發(fā)自主動(dòng)式紅外源84的輻射的程度。如圖20所示的那樣，將檢測(cè)器組件79插入管100的開(kāi)放端口，位于檢測(cè)器組件79上的檢測(cè)器4、5、6和干涉帶通濾波器F1、F2、F3以及主動(dòng)式紅外源的安置方式是使它們都面對(duì)封閉端102的內(nèi)表面。所以，發(fā)自主動(dòng)式紅外源84的一些輻射，要么直接地要么間接地，被封閉端102的內(nèi)表面反射回檢測(cè)它們的檢測(cè)器4、5、6。接下來(lái)，就可以用本領(lǐng)域的已知技術(shù)，利用檢測(cè)器4、5、6所檢測(cè)到的在一定光譜波段上的輻射量，來(lái)確定存在于由管100的空腔所限定的樣品室內(nèi)的被測(cè)氣體的濃度。
設(shè)置半?yún)⑼改?08的目的是為了防止大氣中的比預(yù)定顆粒大的粒子進(jìn)入管100的空腔中，同時(shí)又一定不妨礙被測(cè)氣體自由地?cái)U(kuò)散進(jìn)入和泄出管100的空腔。有礙粒子包括微小的霧滴、油滴以及灰塵和煙霧等細(xì)小的顆粒狀物質(zhì)。如果大氣中的這些有礙粒子進(jìn)入了管100的空腔，它們將會(huì)沉積在反射鏡面的表面上，從而降低其反射率及鏡面反射特性。這些有礙粒子還會(huì)沉積在檢測(cè)器組件79的窗口44上，降低輻射的透過(guò)率。在此最佳實(shí)施例中，采用了能防止大于0.3微米的顆粒進(jìn)入管100空腔的半滲透膜，這些問(wèn)題都得以解決。
上述實(shí)施例描述了本發(fā)明的技術(shù)方案，本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易認(rèn)識(shí)到，在不背離本發(fā)明思想的情況下，很容易對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、設(shè)置、形狀、元件、材料、組成等進(jìn)行修改以適合具體的應(yīng)用場(chǎng)合及需求。例如，圖9至18所描述的檢測(cè)器組件被描述成三通道檢測(cè)器，因?yàn)槟鞘菫榱诉m用于本發(fā)明的PIA氣體傳感器。本領(lǐng)域技術(shù)人員都會(huì)明白，根據(jù)具體的應(yīng)用需要，本發(fā)明的檢測(cè)器組件可以含有任意希望數(shù)量的通道數(shù)，包括一個(gè)通道。因此，上述內(nèi)容僅為描述和舉例之目的，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述內(nèi)容為限，而是以權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，它包括以下部分a、一個(gè)具有一個(gè)用來(lái)接收紅外輻射的開(kāi)口的檢測(cè)器封裝殼；b、一個(gè)安裝在所述檢測(cè)器封裝殼內(nèi)的基片，所述基片中有三個(gè)孔徑；c、制作于所述基片底側(cè)的第一、第二和第三溫差電堆檢測(cè)器，其中，所述溫差電堆檢測(cè)器的熱結(jié)分別位于所述基片的一個(gè)孔徑之上，以接收穿過(guò)所述孔徑的輻射，各個(gè)所述溫差電堆檢測(cè)器的冷結(jié)都位于基片上；d、一個(gè)安裝于所述基片頂部的第一干涉帶通濾波器，所述第一濾波器覆蓋了所述第一檢測(cè)器上方的所述孔徑，且位于所述開(kāi)口與所述第一檢測(cè)器之間，所述第一干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第一光譜波段上的入射輻射；e、一個(gè)安裝于所述基片頂部的第二干涉帶通濾波器，所述第二濾波器覆蓋了所述第二檢測(cè)器上方的所述孔徑，且位于所述開(kāi)口與所述第二檢測(cè)器之間，所述第二干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第二光譜波段上的入射輻射；以及f、一個(gè)安裝于所述基片頂部的第三干涉帶通濾波器，所述第三濾波器覆蓋了所述第三檢測(cè)器上方的所述孔徑，且位于所述開(kāi)口與所述第三檢測(cè)器之間，所述第三干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第三光譜波段上的入射輻射。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，它還包括經(jīng)所述檢測(cè)器封裝殼延伸并與所述第一、第二和第三溫差電堆檢測(cè)器電連接的輸出引線。
3.如權(quán)利要求2所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述基片是由一種半導(dǎo)體材料組成的，且其中所述第一、第二和第三溫差電堆檢測(cè)器是從由薄膜溫差電堆檢測(cè)器和微加工溫差電堆檢測(cè)器所組成的一組器件中選擇出來(lái)的。
4.如權(quán)利要求1所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述基片是由一種半導(dǎo)體材料組成的。且其中所述第一、第二、第三溫差電堆檢測(cè)器是一種微加工溫差電堆檢測(cè)器。
5.如權(quán)利要求4所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，它還包括a、一個(gè)制作于所述基片上的信號(hào)處理器，所述信號(hào)處理器與所述第一、第二和第三溫差電堆檢測(cè)器電連接；以及b、經(jīng)所述檢測(cè)器封裝殼延伸并與所述信號(hào)處理器電連接的引線。
6.如權(quán)利要求1所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述第一、第二和第三紅外溫差電堆檢測(cè)器形成于一個(gè)罩蓋了檢測(cè)器下面的孔徑的電絕緣膜片上。
7.如權(quán)利要求6所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述電絕緣膜片是由一薄層塑料膜組成的。
8.如權(quán)利要求7所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述塑料膜是MYLAR。
9.如權(quán)利要求6所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述電絕緣膜片是從由氧化硅、氮化硅、以及氧化硅和氮化硅的多層結(jié)構(gòu)組成的一組膜中選擇出來(lái)的一種無(wú)機(jī)電介質(zhì)膜所組成的。
10.如權(quán)利要求1所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述第一、第二和第三干涉帶通濾波器是用一種導(dǎo)熱材料與所述基片連接的。
11.如權(quán)利要求10所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，它還包括一種為了提高所述基片與所述第一、第二和第三干涉帶通濾波器之間熱短路的熱沉裝置。
12.如權(quán)利要求1所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，它還包括一個(gè)安裝在所述開(kāi)口之內(nèi)的透光窗口。
13.如權(quán)利要求12所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述基片、所述濾波器和所述檢測(cè)器都被密封于所述檢測(cè)器封裝殼之內(nèi)。
14.一種紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，它包括a、具有一個(gè)用來(lái)接收紅外輻射的開(kāi)口的檢測(cè)器封裝殼；b、一個(gè)安裝在所述檢測(cè)器封裝殼內(nèi)的半導(dǎo)體基片，所述基片中有三個(gè)孔徑；c、形成于所述基片底部并分別罩蓋三個(gè)所述孔徑的一層電介質(zhì)膜；d、第一、第二和第三溫差電堆檢測(cè)器，其中，各個(gè)所述溫差電堆檢測(cè)器的熱結(jié)形成在罩蓋所述孔徑的所述電介質(zhì)薄膜的一個(gè)孔徑上，各個(gè)所述溫差電堆檢測(cè)器的冷結(jié)都形成在所述基片上；e、一個(gè)安裝于所述基片頂部的第一干涉帶通濾波器，所述第一濾波器覆蓋了所述第一檢測(cè)器上方的所述孔徑，且位于所述開(kāi)口與所述第一檢測(cè)器之間，所述第一干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第一光譜波段上的入射輻射；f、一個(gè)安裝于所述基片頂部的第二干涉帶通濾波器，所述第二濾波器覆蓋了所述第二檢測(cè)器上方的所述孔徑，且位于所述開(kāi)口與所述第二檢測(cè)器之間，所述第二干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第二光譜波段上的輻射；g、一個(gè)安裝于所述基片頂部的第三干涉帶通濾波器，所述第三濾波器覆蓋了所述第三檢測(cè)器上方的所述孔徑，且位于所述開(kāi)口與所述第三檢測(cè)器之間，所述第三干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第三光譜波段上的輻射；以及h、經(jīng)所述檢測(cè)器封裝殼延伸并與所述第一、第二和第三溫差電堆檢測(cè)器電連接的引線。
15.如權(quán)利要求14所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述無(wú)機(jī)電介質(zhì)薄膜是從由氧化硅、氮化硅、以及氧化硅和氮化硅的多層結(jié)構(gòu)組成的一組膜中選擇出來(lái)的。
16.如權(quán)利要求14所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，它還包括一個(gè)制作于所述基片上的信號(hào)處理器，其中所述第一、第二和第三溫差電堆檢測(cè)器與所述信號(hào)處理器電連接，所述引線也與所述信號(hào)處理器電連接。
17.如權(quán)利要求14所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述第一、第二和第三干涉帶通濾波器被用一種導(dǎo)熱材料與所述基片連接。
18.一種紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，它包括a、具有一個(gè)用來(lái)接收紅外輻射的開(kāi)口的檢測(cè)器封裝殼；b、一個(gè)安裝在所述檢測(cè)器封裝殼內(nèi)的半導(dǎo)體基片，所述基片中有三個(gè)孔徑，在所述基片的頂部具有圍繞著每個(gè)所述孔徑的突起的邊緣；c、形成于所述基片底部并分別罩蓋三個(gè)所述孔徑的一層電介質(zhì)膜；d、第一、第二和第三溫差電堆檢測(cè)器，其中，所述溫差電堆檢測(cè)器的熱結(jié)分別形成在罩蓋所述孔徑的所述電介質(zhì)薄膜的一個(gè)孔徑上，各個(gè)所述溫差電堆檢測(cè)器的冷結(jié)都形成在所述基片上；e、一個(gè)安裝于圍繞著其上方形成有所述第一檢測(cè)器的孔徑的所述突起邊沿頂部的第一干涉帶通濾波器，所述第一濾波器位于所述開(kāi)口與所述第一檢測(cè)器之間，所述第一干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第一光譜波段上的入射輻射；f、一個(gè)安裝于圍繞著其上方形成有所述第二檢測(cè)器的孔徑的所述突起邊沿頂部的第二干涉帶通濾波器，所述第二濾波器位于所述開(kāi)口與所述第二檢測(cè)器之間，所述第二干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第二光譜波段上的輻射；以及g、一個(gè)安裝于圍繞著其上方形成有所述第三檢測(cè)器的孔徑的所述突起邊沿頂部的第三干涉帶通濾波器，所述第三濾波器位于所述開(kāi)口與所述第三檢測(cè)器之間，所述第三干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第三光譜波段上的輻射。
19.如權(quán)利要求18所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，它還包括一個(gè)運(yùn)行安裝于所述檢測(cè)器組件內(nèi)的主動(dòng)式紅外光源。
20.如權(quán)利要求19所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述無(wú)機(jī)電介質(zhì)薄膜是從由氧化硅、氮化硅、以及氧化硅和氮化硅的多層結(jié)構(gòu)組成的一組膜中選擇出來(lái)的。
21.如權(quán)利要求19所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，它還包括經(jīng)所述檢測(cè)器封裝殼延伸并與所述第一、第二和第三溫差電堆檢測(cè)器電連接的輸出引線。
22.如權(quán)利要求19所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，它還包括a、一個(gè)制作于所述基片上的信號(hào)處理器，所述信號(hào)處理器與所述溫差電堆檢測(cè)器電連接；以及b、經(jīng)所述檢測(cè)器封裝殼延伸并與所述信號(hào)處理器電連接的引線。
23.如權(quán)利要求19所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述第一、第二和第三干涉帶通濾波器被用一種導(dǎo)熱材料與所述基片連接。
24.如權(quán)利要求19所述的紅外檢測(cè)器組件，其特征在于，所述主動(dòng)式紅外光源包含一根鎢絲。
25.一種被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，它包括a、具有一個(gè)用來(lái)接收紅外輻射的開(kāi)口的檢測(cè)器封裝殼；b、一個(gè)安裝在所述檢測(cè)器封裝殼內(nèi)的基片，所述基片中有三個(gè)孔徑；c、制作于所述基片底部的第一、第二和第三溫差電堆檢測(cè)器，其中，所述溫差電堆檢測(cè)器的熱結(jié)分別位于所述基片中的一個(gè)孔徑之上，以接收穿過(guò)所述孔徑的輻射，各個(gè)所述溫差電堆檢測(cè)器的冷結(jié)都位于基片上；d、一個(gè)安裝于所述基片頂部的第一干涉帶通濾波器，所述第一濾波器覆蓋了所述第一檢測(cè)器上方的所述孔徑，且位于所述開(kāi)口與所述第一檢測(cè)器之間，所述第一干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)為一預(yù)選的被測(cè)氣體可吸收的第一非中性光譜波段上的入射輻射；e、一個(gè)安裝于所述基片頂部的第二干涉帶通濾波器，所述第二濾波器覆蓋了所述第二檢測(cè)器上方的所述孔徑，且位于所述開(kāi)口與所述第二檢測(cè)器之間，所述第二干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第一中性光譜波段上的輻射；f、一個(gè)安裝于所述基片頂部的第三干涉帶通濾波器，所述第三濾波器覆蓋了所述第三檢測(cè)器上方的所述孔徑，且位于所述開(kāi)口與所述第三檢測(cè)器之間，所述第三干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第二中性光譜波段上的輻射；以及g、與所述第一、第二和第三檢測(cè)器的電輸出相連、用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于被測(cè)氣體濃度的表達(dá)量的信號(hào)的信號(hào)處理電路。
26.如權(quán)利要求25所述的被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述被測(cè)氣體是從由CO、CO2、H2O、和TVOC所組成的一組氣體中選出來(lái)的至少一種。
27.如權(quán)利要求25所述的被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一、第二和第三帶通濾波器在FWHM處具有大約0.1微米的寬度。
28.如權(quán)利要求27所述的被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第二和第三帶通濾波器分別具有從由3.91微米、5.00微米和9.00微米所組成的一組波長(zhǎng)中選擇出來(lái)的一個(gè)中央波長(zhǎng)。
29.如權(quán)利要求28所述的被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一帶通濾波器具有從由4.26微米左右和4.67微米左右所組成的一組波長(zhǎng)中選擇出來(lái)的一個(gè)中央波長(zhǎng)。
30.一種紅外氣體傳感器，其特征在于，它包括a、具有一個(gè)用來(lái)接收紅外輻射的開(kāi)口的檢測(cè)器封裝殼；b、一個(gè)安裝在所述檢測(cè)器封裝殼內(nèi)的基片，所述基片中有三個(gè)孔徑；c、制作于所述基片底部的第一、第二和第三溫差電堆檢測(cè)器，其中，所述溫差電堆檢測(cè)器的熱結(jié)分別位于所述基片中的一個(gè)孔徑之上，以接收穿過(guò)所述孔徑的輻射，各個(gè)所述溫差電堆檢測(cè)器的冷結(jié)都位于基片上；d、一個(gè)安裝于所述基片頂部的第一干涉帶通濾波器，所述第一濾波器覆蓋了所述第一檢測(cè)器上方的所述孔徑，且位于所述開(kāi)口與所述第一檢測(cè)器之間，所述第一干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第一光譜波段上的入射輻射；e、一個(gè)安裝于所述基片頂部的第二干涉帶通濾波器，所述第二濾波器覆蓋了所述第二檢測(cè)器上方的所述孔徑，且位于所述開(kāi)口與所述第二檢測(cè)器之間，所述第二干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第二光譜波段上的輻射；f、一個(gè)安裝于所述基片頂部的第三干涉帶通濾波器，所述第三濾波器覆蓋了所述第三檢測(cè)器上方的所述孔徑，且位于所述開(kāi)口與所述第三檢測(cè)器之間，所述第三干涉帶通濾波器被設(shè)計(jì)成通過(guò)在一第三光譜波段上的輻射；g、一個(gè)運(yùn)行安裝于檢測(cè)器組件內(nèi)的主動(dòng)式紅外光源；h、一個(gè)與所述主動(dòng)式紅外光源電連接、用以在一預(yù)定的頻率上驅(qū)動(dòng)所述主動(dòng)式紅外光源的光源驅(qū)動(dòng)器；以及i、與所述第一、第二和第三檢測(cè)器產(chǎn)生的電輸出連接、用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于至少一種被測(cè)氣體濃度的表達(dá)量的信號(hào)的信號(hào)處理電路。
31.如權(quán)利要求30所述的被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述被測(cè)氣體是從由CO、CO2、H2O、和TVOC所組成的一組氣體中選出來(lái)的至少一種。
32.如權(quán)利要求30所述的被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一、第二和第三帶通濾波器在FWHM處具有大約0.1微米的寬度。
33.如權(quán)利要求32所述的被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第二和第三帶通濾波器具有從由3.91微米、5.00微米和9.00微米所組成的一組波長(zhǎng)中選擇出來(lái)的一個(gè)中央波長(zhǎng)。
34.如權(quán)利要求33所述的被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一帶通濾波器具有從由4.26微米和4.67微米所組成的一組波長(zhǎng)中選擇出來(lái)的一個(gè)中央波長(zhǎng)。
35.一種被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，它包括a、一個(gè)含有一個(gè)紅外黑表面的被動(dòng)式紅外源；b、一個(gè)位于所述被動(dòng)式紅外源的中央位置的三通道紅外檢測(cè)器組件，所述檢測(cè)器組件具有一個(gè)用來(lái)接收紅外輻射的開(kāi)口；以及c、一個(gè)對(duì)著所述檢測(cè)器組件的開(kāi)口和紅外黑表面的凹面鏡，所述凹面鏡的定位方式是使發(fā)自所述被動(dòng)式紅外源的輻射從所述凹面鏡反射入所述開(kāi)口。
36.如權(quán)利要求35所述的被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述紅外黑表面含有從由黑氧化鉻、氧化鉍和碳黑所組成的一組材料中選擇出來(lái)的一種材料。
37.如權(quán)利要求35所述的被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述被動(dòng)式紅外源含有一個(gè)凹面紅外黑表面。
38.如權(quán)利要求35所述的被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述的三通道檢測(cè)器組件含有三個(gè)紅外溫差電堆檢測(cè)器和三個(gè)干涉帶通濾波器，所述濾波器中的每一個(gè)都被置于所述被動(dòng)紅外源與一個(gè)溫差電堆檢測(cè)器之間的光路上。
39.一種被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，它包括a、一個(gè)紅外檢測(cè)器組件，包含有i、一個(gè)用來(lái)接收發(fā)自被動(dòng)式紅外源的輻射的開(kāi)口，ii、用來(lái)接收通過(guò)所述開(kāi)口的輻射的第一、第二和第三傳感器，所述第一、第二和第三傳感器用來(lái)分別產(chǎn)生一個(gè)表示入射到第一、第二和第三傳感器上的輻射的第一輸出、第二輸出和第三輸出，iii、置于所述開(kāi)口與所述第一傳感器之間的第一窄帶通濾波器，所述第一窄帶通濾波器產(chǎn)生一個(gè)輸出，以表示入射到第一帶通濾波器上的位于一個(gè)為預(yù)定的檢測(cè)氣體所能吸收的第一非中性光譜帶上的輻射，iv、置于所述開(kāi)口與所述第二傳感器之間的第二窄帶通濾波器，所述第二窄帶通濾波器產(chǎn)生一個(gè)輸出，以表示入射到第二帶通濾波器上的位于一個(gè)第一中性光譜帶上的輻射，以及v、置于所述開(kāi)口與所述第三傳感器之間的第三窄帶通濾波器，所述第三窄帶通濾波器產(chǎn)生一個(gè)輸出，以表示入射到第三帶通濾波器上的位于一個(gè)第二中性光譜帶上的輻射，b、用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)于所述第一、第二和第三傳感器的周圍溫度的輸出信號(hào)的溫度測(cè)量裝置；c、適合于用來(lái)接收所述第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器以及溫度測(cè)量裝置的輸出信號(hào)、并用來(lái)進(jìn)行取樣以及至少是臨時(shí)按預(yù)設(shè)的間隔存儲(chǔ)所述第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器以及溫度測(cè)量裝置的輸出信號(hào)的信號(hào)處理裝置，所述信號(hào)處理裝置包括以下用途的裝置i、校正被存儲(chǔ)的第一傳感器、第二傳感器、第三傳感器的輸出信號(hào)，為第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器在取樣時(shí)的周圍溫度分別進(jìn)行補(bǔ)償，ii、依據(jù)第二和第三傳感器的輸出結(jié)果的校正值的比值，計(jì)算被動(dòng)式紅外源在取樣時(shí)的溫度，iii、依據(jù)計(jì)算得的被動(dòng)式紅外源在取樣階段的溫度，計(jì)算第二傳感器或第三傳感器中至少一個(gè)的預(yù)測(cè)輸出，iv、通過(guò)將第二傳感器或第三傳感器中至少一個(gè)的預(yù)測(cè)輸出與校正過(guò)的同一傳感器在取樣階段的輸出進(jìn)行比較，計(jì)算一個(gè)衰減因數(shù)，v、用所述衰減因數(shù)校正被存儲(chǔ)的第一傳感器的輸出，vi、依據(jù)校正過(guò)的第一傳感器的輸出，確定氣體在取樣階段的濃度，以及vii、基于一個(gè)預(yù)設(shè)的函數(shù)，監(jiān)測(cè)氣體的濃度并基于監(jiān)測(cè)結(jié)果提供一個(gè)輸出信號(hào)。
40.如權(quán)利要求1所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器中的每一個(gè)都包含一個(gè)溫差電堆檢測(cè)器。
41.如權(quán)利要求1所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器中的每一個(gè)都包含一個(gè)溫差電堆并各共用一個(gè)共同的參照結(jié)。
42.如權(quán)利要求1所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器的視場(chǎng)基本上是一樣的。
43.如權(quán)利要求1所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述被測(cè)氣體是從由CO、CO2、H2O、和TVOC所組成一組氣體中選出來(lái)的至少一種。
44.如權(quán)利要求1所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一、第二和第三窄帶通濾波器在FWHM處具有大約0.1微米的寬度。
45.如權(quán)利要求6所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第二和第三窄帶通濾波器具有從由3.91微米左右、5.00微米左右和9.00微米左右所組成的一組波長(zhǎng)中選擇出來(lái)的一個(gè)中央波長(zhǎng)。
46.如權(quán)利要求7所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一窄帶通濾波器具有大約4.67微米的中央波長(zhǎng)。
47.如權(quán)利要求1所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，它還包括一個(gè)電池電源。
48.如權(quán)利要求1所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述開(kāi)口包含在TO-5封裝殼中的一個(gè)窗口。
49.如權(quán)利要求4所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，它還包括一個(gè)擴(kuò)展所述檢測(cè)器組件的視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)。
50.如權(quán)利要求1所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述信號(hào)處理裝置的輸出被送到一個(gè)報(bào)警器中。
51.一種被動(dòng)源式紅外氣體傳感器，其特征在于，它包括a、用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)第一輸出、一個(gè)第二輸出和一個(gè)第三輸出的紅外檢測(cè)器組件，其中，所述第一輸出表示所述檢測(cè)器組件所接收到的位于一個(gè)預(yù)定被測(cè)氣體所能吸收的第一非中性光譜帶上的輻射，所述第二輸出表示所述檢測(cè)器組件所接收到的發(fā)自被動(dòng)式紅外源的位于一個(gè)第一中性光譜帶上的輻射，所述第三輸出表示所述檢測(cè)器組件所接收到的發(fā)自被動(dòng)式紅外源的位于一個(gè)第二中性光譜帶上的輻射；b、用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)表示所述傳感器組件的周圍溫度的輸出信號(hào)的一個(gè)溫度測(cè)量裝置；c、適用于接收所述第一、第二和第三輸出以及來(lái)自所述溫度測(cè)量裝置的輸出信號(hào)并用來(lái)取樣以及至少是臨時(shí)按預(yù)設(shè)的間隔存儲(chǔ)所述第一、第二、第三輸出以及來(lái)自所述溫度測(cè)量裝置的輸出信號(hào)的信號(hào)處理裝置，所述信號(hào)處理裝置包括以下用途的裝置i、校正所存儲(chǔ)的第一、第二和第三輸出，為所述檢測(cè)器組件的周圍溫度進(jìn)行補(bǔ)償，ii、依據(jù)存儲(chǔ)的第二和第三輸出的校正值的比值，計(jì)算被動(dòng)式紅外源的溫度，iii、依據(jù)所計(jì)算的被動(dòng)式紅外源的溫度，計(jì)算預(yù)期在取樣階段的第二輸出或第三輸出，iv、通過(guò)將預(yù)期的第二輸出或第三輸出與實(shí)際存儲(chǔ)的第二輸出或第三輸出分別進(jìn)行比較，計(jì)算出一個(gè)取樣階段的衰減因數(shù)，v、用所計(jì)算的取樣階段的衰減因數(shù)校正所存儲(chǔ)的第一輸出，vi、使用校正過(guò)的第一輸出，確定取樣階段的氣體濃度，和vii、基于一個(gè)預(yù)設(shè)的函數(shù)，監(jiān)測(cè)氣體的濃度，并基于監(jiān)測(cè)結(jié)果提供一個(gè)輸出信號(hào)。
52.如權(quán)利要求5 1所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述被測(cè)氣體是從由CO、CO2、H2O、和TVOC所組成的一組氣體中選出來(lái)的至少一種。
53.如權(quán)利要求51所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一非中性光譜帶、第一中性光譜帶、和第二中性光譜帶在FWHM處具有大約0.1微米的寬度。
54.如權(quán)利要求53所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一中性光譜帶和第二中性光譜帶具有從由3.91微米左右、5.00微米左右和9.00微米左右所組成的一組波長(zhǎng)中選擇出來(lái)的一個(gè)中央波長(zhǎng)。
55.如權(quán)利要求54所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一非中性光譜帶具有大約4.67微米的中央波長(zhǎng)。
56.如權(quán)利要求54所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述第一非中性光譜帶具有大約4.26微米的中央波長(zhǎng)。
57.如權(quán)利要求51所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，它還包括一個(gè)電池電源。
58.如權(quán)利要求39所述的被動(dòng)式紅外氣體傳感器，其特征在于，所述紅外檢測(cè)器組件被封裝于一個(gè)TO-5型封裝殼中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種被動(dòng)源式紅外氣體傳感器,它采用一個(gè)環(huán)境溫度源,把檢測(cè)器組件與源之間的空隙用作樣品室。它包括用來(lái)產(chǎn)生第一、第二、第三輸出的紅外檢測(cè)器組件,第一輸出表示接收到的位于被待測(cè)氣體吸收的光譜帶上的輻射,第二輸出表示接收到的位于第一中性光譜帶上的輻射,第三輸出表示接收到的位于第二中性光譜帶上的輻射。它還包括一個(gè)信號(hào)處理裝置,用來(lái)處理三個(gè)輸出,以確定氣體濃度。它可以監(jiān)測(cè)多種氣體的濃度。
文檔編號(hào)G01J1/08GK1216108SQ96199608
公開(kāi)日1999年5月5日 申請(qǐng)日期1996年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月10日
發(fā)明者雅各布·Y·翁 申請(qǐng)人:恩格爾哈德傳感器技術(shù)公司