[0001] 本发明大体上涉及气体泄漏的远程检测领域。特别地，本发明涉及气体检测器，例如用于在工业环境中使用。

[0002] 数年前，可携式远程气体检测器已被开发出，用于通过手动使激光束扫描经过目标区域而从一定距离检查气体泄漏的存在。这种目标区域典型地是气体管道或气体管道网络的附近区域。例如以LaserMethane为商标的可携式远程甲烷检测器是可用的。这种装置发射激光束并接收来自目标区域的后向散射的那一部分，以测量在检测器与目标之间TM的甲烷的浓度光程积。如TakayaIseki所著论文“LaserMethane -可携式远程甲烷检测器”中阐释的，采用的技术是可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS），更具体是波长调制光谱（WMS）的二次谐波检测。有兴趣的读者可以参看该篇论文以及其中引用的参考文献以获知这一技术的细节。已知的人可携式气体检测装置配备有可见红色激光指示器以示出当前瞄准的点。当在检查的方向上检测到气体的存在时，即如果浓度光程积超出预定的阈值，那么远程气体检测装置发出警报信号以警告其使用者。

[0003] 已知的远程气体检测装置的缺点是，存在操作员遗漏泄漏的一些风险，这是因为目标区域的不完美的人工扫描。的确，即使专注的使用者也可能不慎忘记指向一些区域。因此，使用手持式气体检测装置的泄漏检测活动的可靠性在很大程度上取决于人工扫描的完整性。

[0004] 已知手持式气体检测装置的另一缺点是，大面积的人工扫描可耗费长时间。

[0005] 技术问题

[0006] 本发明的目的是提出一种允许更可靠的气体检测并具有缩短扫描目标区域所需时间的潜能的用于远程检测的气体检测器。此目的通过如权利要求1中要求保护的气体检测器实现。本发明的优选实施方式限定在从属权利要求中。发明概要

[0007] 根据本发明，用于远程检测目标区域中的气体（例如甲烷、CO2、CO、N2O、乙醇等）的气体检测器包括用于将波长调制的光束发射到目标区域中的光源（例如激光器，优选可调谐半导体激光器）和用于感测从目标区域返回的光的光传感器，例如光电二极管、光电检测器、光子牵引检测器（例如可从Hamamatsu获得）。光束赋有气体的吸收波长附近的波长调制。控制器（其例如是微控制器、专用集成电路、现场可编程门阵列或之类）操作性连接至光传感器，以便基于光传感器感测到的返回光来检测气体在目标区域中在波长调制光束路径中的存在。气体检测器包括指示器（例如用于提供可见、可听或振动警报），其操作性连接至控制器以便指示气体的存在。气体检测器包括扫描装置，其关于光源构造并布置成用于扫描由光源发射的穿过目标区域的波长调制光束，并且关于光传感器以这样的方式构造和布置，使得光检测器经由扫描装置接收从目标区域返回的光。指示器构造成与扫描装置协作以便指示气体在目标区域中的位置。

[0008] 技术人员将理解，根据本发明的气体检测器构造成用于自动扫描目标区域。扫描图案（例如Lissajous曲线）优选足够密以便不在目标区域中留下空白点（即没有被光束扫过的点）。扫描图案的密度优选适应于光束的发散度，以便实现整个目标区域的高效扫描。较之于目标区域的人工扫描，自动扫描具有可重复性、更高的可靠性并且典型地还具有更高的扫描速度的优点。此外，技术人员将理解，根据本发明的气体检测器可以实施为人可携式（例如手持式）装置。尽管如此，所述气体检测器还可以设有支撑件（例如三脚架）。因此，本发明的一有趣的优点是，当所述气体检测器被安装在策划的位置之后，其可以被用于自主监控目标区域。对于这种监测应用而言，气体检测器优选地包括通信装置（例如网络接口控制器，蓝牙装置、USB接口等）来连接至监测中心。

[0009] 优选地，扫描装置包括扫描镜，其在运行中将波长调制光束扫过目标区域并将从目标区域返回的光反射至光传感器。这种扫描镜可以例如包括双轴线谐振型微机械镜或两个关于彼此布置的单轴线谐振型微机械镜，以便允许实现目标区域的二维扫描。在扫描装置包括两个单轴线谐振型微机械镜的情况下，一个或多个中间镜可以布置在微机械镜之间的光学路径上。

[0010] 根据本发明的第一优选实施方式，指示器包括光源（以下称作“第二光源”，以与发射波长调制光束的第一光源相区别），其布置成用于发射基本上与波长调制光束共线的可见光束经由扫描镜到目标区域中。更优选地，可见光束和波长调制光束以这样的方式发射，使得它们在目标区域中叠加于彼此。根据这种实施方式，控制器操作性连接至第二光源，以便根据是否检测到在波长调制光束路径中的气体的存在而调制可见光束的强度。第二光源可以被强度调制，例如通过控制器开启和关闭来实现。替代或附加地，第二光源可以包含遮光器（例如机械或光学的遮光器），其在控制器的控制下打开和闭合。优选地，控制器每当且只要返回光指示气体的存在就开启第二光源。如果气体浓度仅在现场的一部分中高得足以被检测到，那么该部分将通过用可见光的照明指示给操作员。不具有气体或具有不可检测的量的气体的部分不会被用可见光照明，这是因为当扫描装置扫描目标区域的此部分时第二光源将被关闭。扫描装置的帧速率（即一个扫描周期所需时间的倒数）优选被选择成足够高（例如≥20Hz，更优选地≥30Hz，并且进一步更优选地≥50Hz），以便操作员在现场的照明部分中看不见或仅看见微小的闪烁。第二光源优选是激光源。波长调制的和/或可见的光束的光学系统优选以这样的方式构造，使得两条光束在目标区域中均具有相同或基本上相同的发散度，由此用可见光照明的点对应于波长调制光束照到的点。

[0011] 气体检测器优选包括光束组合器（例如二向色镜或光学棱镜），用于使得可见光束和波长调制光束共线或叠加。

[0012] 控制器可以操作性连接至扫描装置以便控制波长调制光束的扫描。在这种情况下，控制器例如能够根据检测到的气体的分布而动态调整扫描图案。

[0013] 根据本发明的第二优选实施方式，指示器可以构造成（例如在显示屏、LCD或之类上）显示一个或多个方向，控制器已在该方向上检测到气体的存在。显示的（多个）方向可以基于扫描装置在检测到气体的存在时的（多个）瞬间的位置而确定。特别地，当控制器检测气体（例如通过将浓度光程积与阈值相比较）时，扫描装置的当前位置（例如（多个）扫描镜相对于气体检测器的参照系的定向）转变成方向指示。如此计算出的信息可以例如显示在目标区域的背景上和/或在LCD上，等等。

[0014] 根据气体检测器的第三实施方式，指示器包括用于发射第二光束的第二光源（例如激光）和显示器（例如漫射屏或荧光屏等）。扫描装置设有第一和第二扫描镜。第一扫描镜实现用光源发射的波长调制光束所进行的目标区域的二维扫描，第二扫描镜使得第二光束扫描经过显示器。第一和第二扫描镜构造成同步运行（以使在第一扫描镜和第二扫描镜的位置之间存在一一对应，该对应随时间保持不变）。控制器操作性连接至第二光源，以便根据是否在波长调制光束的路径上检测到气体存在而（例如通过开启和关闭第二光源）调制第二光束的强度。第二光束在显示器上生成可见光点，所述可见光点指示在目标区域中的气体的位置。由于扫描镜同步运行，这里

[0015] 根据气体检测器的第三实施方式的改型，第一和第二扫描镜是双轴线谐振型微机械镜，即二者均能够依照两个轴线倾斜并且因此在两个维度上施行扫描。替代地，第一和第二扫描镜中的每个可以包括两个以这样的方式关于彼此布置的单轴线谐振型微机械镜，在微机械镜上经过的光束可以在两个维度上被扫过。

[0016] 优选地，显示器由第二光束后照射。

[0017] 在第三优选实施方式中，如果显示器是吸收不可见光束并转而发射可见光的荧光屏，那么第二光束可以是不可见光束（例如UV或IR光）。然而，如果不使用荧光屏，那么可以使用可见光束指示气体的位置。

[0018] 为了施行第二光束的强度调制，第二光源可以通过控制器开启和关闭，和/或包括在控制器的控制之下打开和阻断光路径的遮光器（例如机械或光学的遮光器）。

[0019] 有利地，气体检测器可以包括偏转镜，以将从目标区域的背景返回的光偏转到光传感器上。偏转镜优选具有开口，波长调制光束和可能的可见光束经过该开口。这种偏转镜优选是弯曲的，以将返回光聚焦到光传感器上。

[0020] 应注意，波长调制光束还可以赋有幅度调制。这优选通过使用波长和输出功率取决于相同控制变量的激光器作为第一光源来实现，例如当前使用的用于驱动激光的激光器：通过在控制变量上施加正弦调制，该激光器在光束的强度和波长二者上获得正弦调制。激光器的名义波长被调整成待检测气体的吸收波长。控制器因而能够通过，在从目标区域返回的光中，将在调制频率的二次谐波下（即以两倍调制频率）的功率与在调制频率自身下的功率相比较而检测气体。浓度光程积可以从在二次谐波下的功率与在调制频率下的功率的比率中获得。

[0021] 气体检测器可以构造成检测单一或多个气体种类。气体检测器使用者通常必须检测代表潜在危险的气体的存在，比如爆炸性气体（例如甲烷）或有毒气体。

[0025] 图1示出气体检测器100的第一实施方式，所述气体检测器用于在目标区域106中的气体（例如甲烷）的远程检测。气体检测器100包括第一光源102。光源102优选是激光器，例如近红外可调谐半导体激光器或InGaAsP DFB激光器，所述激光器具有处在待检测气体种类的吸收线的波长（例如对于甲烷的2ν3带R（3）线而言是1.6537μm）。光源102构造成发射波长调制光束110经由扫描装置104到目标区域106中。包括扫描镜114的扫描装置104操作性连接至控制器108（例如微处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列或之类），所述控制器用于控制扫描镜114的运动并且因而根据特定的扫描图案使得波长调制光束110扫描经过目标区域106。波长调制光束110在波长上（对应于待检测气体吸收线的中心波长附近/左右）和在幅度上被正弦地调制。幅度调制和波长调制彼此同相。当波长调制光束110在目标区域106内遇到障碍时，光的一部分沿其到来的方向反射和/或后向散射。气体检测器100包括光传感器112（例如光电二极管），其感测光从目标区域106沿射出光束110的光路径返回的那一部分。在第一光源与扫描镜114之间，波长调制光束110经过在静止的偏转镜116中的开口（图1中未示出），所述偏转镜将从目标区域106散射回的光导向到光传感器112上。偏转镜116优选是弯曲的，以便将后向散射的光聚焦到光传感器上。附加或替代地，气体检测器100可以包括布置在光传感器112前方的聚焦光学器件。控制器108操作性连接至光传感器112，以接收指示光入射在光传感器112上的信号。

[0026] 当波长调制光束110（及其反射回的部分）经过含有待检测气体的空间时，气体将吸收光子的波长对应于吸收线的那一部分。这把在两倍原始调制频率下的附加幅度调制引入返回至传感器的光中。控制器108确定在调制频率下的返回光中的功率P1f以及在双倍调制频率下的功率P2f。比率P2f/P1f是与在扫描装置当前瞄准的方向上的浓度光程积成比例的。为了确定沿该方向是否存在气体，控制器108将浓度光程积与预定的阈值相比较。

[0027] 气体检测器100另外包括指示器124，其操作性连接至控制器108以向操作员指示气体的存在。指示器124包括第二光源118，其为能够发射可见光束120的激光器形式。光束组合器（例如二向色镜、棱镜或之类）布置在可见光束120和波长调制光束110的光路径中，以在所述可见光束和波长调制光束被扫描镜114偏转和扫过目标区域106以前将可见光束和波长调制光束组合（叠加）。控制器108当未在目标区域106中检测到气体时保持第二光源118关闭，但是一旦且只要检测到气体的存在便将第二光源开启。因此，每当在特定方向上检测到气体时，气体检测器100都在目标区域106的背景130上产生亮点，其允许气体检测器100的操作员确定已在其中探明气体存在的区域。应注意，不同于关闭第二光源，控制器108可以构造和布置成基本上暗化可见光束的强度或引起可见光束120被阻挡（例如使用机械或电子遮光器）。光传感器112和控制器108必须足够快以允许第二光源近乎瞬间被开启，因为不然的话可见点可能明显从其理论位置偏移。检测例如可以以约100KHz的速率实现。

[0028] 光束组合器122优选是二向色镜，即其在可见光束120的波长下和在波长调制光束110的波长下分别具有显著不同的反射或传递特性。在图1的构造中，光束组合器对波长调制光束110及其从目标区域返回的那一部分透明，而所述光束组合器反射可见光束120。替代地，光束组合器可以对可见光束120透明，并且反射波长调制光束110及其从目标区域返回的那一部分。

[0029] 扫描镜114优选是双轴线谐振型微机械镜或能够二维扫描的类似装置。然而，可能存在这样的应用，对其而言现场的一维扫描是足够的。在这种情况下，单轴线扫描镜足矣。

[0030] 图2示出用于在目标区域206中的气体远程检测的气体检测器200第二实施方式。气体检测器200包括光源202，所述光源用于发射波长调制光束210经由扫描装置204到目标区域206中。扫描装置204包括第一扫描镜214并操作性连接至控制器208，该控制器控制波长调制光束210扫过目标区域206。光传感器212（例如光电二极管）被设置用于感测光沿射出光束210的光路径从目标区域206返回的那一部分。在第一光源202与扫描镜214之间，波长调制光束210经过在静止的偏转镜216中的开口（图2中未示出），所述偏转镜将从目标区域206散射回的光引导到光传感器212上。控制器208操作性连接至光传感器212，以接收指示了光入射在光传感器212上的信号。就目前为止讨论的气体检测器200的特征而言，其以与图1的气体检测器100相同的方式运行。以下描述其区别。

[0031] 气体检测器200包括与扫描装置204协作的指示器224以指示在目标区域206中检测到的气体的位置。指示器224包含光源218（例如激光器）和显示屏226。扫描装置204包括第二扫描镜228，所述第二扫描镜与第一扫描镜214同步被驱动，并且关于第二光源218和显示屏226以这样的方式布置，使得由第二光源发射的光束220（“第二光束”）被第二扫描镜228偏转到显示屏226上。由于两个扫描镜214、228同步运行，所以在由第二光束在显示屏上产生的点与第一光束210射向的方向之间存在恒定的一一对应。第二光源
218在操作性连接至指示器224的控制器218的控制下开启和关闭。特别地，当在目标区域106中未检测到气体时控制器208保持第二光源218关闭，但是一旦且只要检测到气体的存在就将第二光源开启。因此，每当在特定方向上检测到气体时，就在显示屏226上向操作员呈现出指示已探明气体存在的（多个）方向的亮点。显示屏226有利地设有刻度尺或之类以简化指示的读取。

[0032] 显示屏226优选是允许操作员以大范围的视角观察亮点的漫射屏。第二光束220可以是可见光束或不可见光束。然而，在后者情况下，显示屏226需要以这样的方式构造，使得（例如通过使用荧光屏）将不可见光转变成可见光。

[0033] 尽管详细描述了具体实施方式，本领域普通技术人员将理解对于那些细节的各种改变和替代能够依据本公开的整体教导被开发出。相应地，公开的具体布置意图仅是演示性的并且不对本发明范围进行限制，所述本发明范围由所附权利要求以及其任何和全部等同形式的整个范围给出。

[0034] 图例：

[0035] 100；200 气体检测器

[0036] 102；202 第一光源

[0037] 104；204 扫描装置

[0038] 106；206 目标区域

[0039] 108；208 控制器

[0040] 110；210 波长调制光束

[0041] 112；212 光传感器

[0042] 114 扫描镜

[0043] 214 第一扫描镜

[0044] 116；216 偏转镜

[0045] 118；218 第二光源

[0046] 120 可见光束

[0047] 220 第二光束

[0048] 122 光束组合器

[0049] 124；224 指示器

[0050] 226 显示屏

[0051] 228 第二扫描镜

[0052] 130；230 目标区域背景

[0053] 132；232 镜致动器