專利名稱：氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及氣體傳感器，具體地說(shuō)，涉及用于提高光聲檢測(cè)器和其它氣體傳感器中信噪比的器件和方法。
背景技術(shù)：
使用擴(kuò)散型氣體傳感器用光聲效應(yīng)來(lái)檢測(cè)所感興趣氣體種類的濃度水平是眾所周知的。例如，美國(guó)專利No.4,740,086講授了隨著所感興趣的氣體種類擴(kuò)散到光入射的感應(yīng)腔室，當(dāng)光機(jī)械和熱激發(fā)該氣體種類時(shí)，使用擴(kuò)散型光聲氣體傳感器將調(diào)幅光源的光能轉(zhuǎn)換成聲能。當(dāng)氣體吸收的光輻射產(chǎn)生大小正比于感應(yīng)腔室內(nèi)氣體分子數(shù)量的壓力波動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于腔室內(nèi)氣體濃度水平的聲波。這聲/壓力波可以采用諸如麥克風(fēng)的聲檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)。
然而，擴(kuò)散型光聲傳感器的輸出信號(hào)容易受到來(lái)自戶外的空氣壓力波動(dòng)源(如風(fēng)、振動(dòng)和聲音現(xiàn)象)的干擾而產(chǎn)生噪聲的影響。為了能消除這類噪聲，在試圖允許氣體能輕易地?cái)U(kuò)散到用于檢測(cè)的感應(yīng)腔室的同時(shí)，也能采用一些衰減外部所產(chǎn)生壓力波動(dòng)的裝置。例如，常常在光聲傳感器的入口設(shè)置多孔部件，采用該部件可以使氣體迅速擴(kuò)散，并能衰減外部壓力波動(dòng)的效應(yīng)。然而，必須平衡該衰減效應(yīng)和響應(yīng)時(shí)間的增加。就這點(diǎn)而言，引入減小噪聲的聲/壓力衰減元件(或多個(gè)衰減元件)通常會(huì)導(dǎo)致對(duì)變化信號(hào)電平響應(yīng)能力的相應(yīng)損耗。美國(guó)工業(yè)協(xié)會(huì)(ISA)對(duì)可燃性氣體檢測(cè)器的指標(biāo)要求氣體濃度水平的測(cè)量穩(wěn)定性達(dá)到在每秒5米(m/s)的風(fēng)速條件下具有小于12秒的相應(yīng)響應(yīng)時(shí)間(滿刻度顯示的60％)。
于是，就非常希望能研究出能提高光聲檢測(cè)器以及其它氣體傳感器的信噪比的器件和方法，同時(shí)又能保持這類檢測(cè)器所具有的令人滿意的響應(yīng)時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明提供了為擴(kuò)散型、非諧振性光聲氣體傳感器(檢測(cè)器)的使用而設(shè)計(jì)的聲/壓力阻尼元件(SDE)。該SDE能將外部的低頻噪聲減小到可接受的水平上，同時(shí)允許光聲檢測(cè)器(傳感器)對(duì)變化的氣體濃度水平保持適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時(shí)間。
一般來(lái)說(shuō)，光聲檢測(cè)器包括具有傳感器系統(tǒng)的第一容積，用于光聲檢測(cè)。該第一容積通過(guò)開口部分與環(huán)境流體連接，使得氣體分析物能夠通過(guò)開口擴(kuò)散到第一容積。光聲檢測(cè)器還包括第二容積(一個(gè)SDE容積)，它與第一容積相連接，使得壓力能迅速在第一容積和第二容積之間均衡，且使得從第一容積到第二容積的分析氣體的擴(kuò)散受阻(或與從環(huán)境進(jìn)入到第一容積的分析氣體的擴(kuò)散相比，減慢了擴(kuò)散的速度)。
在現(xiàn)有的光聲檢測(cè)器中，當(dāng)入射到感應(yīng)腔室的光的光能被分析氣體吸收，引起分析氣體分子的機(jī)械激發(fā)，該分析氣體分子產(chǎn)生強(qiáng)度正比于感應(yīng)腔室中分析氣體分子數(shù)量的空氣壓力波動(dòng)，從而使光能轉(zhuǎn)換成聲能，產(chǎn)生強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于第一容積或感應(yīng)腔室中分析氣體濃度水平的聲波。隨后，由諸如麥克風(fēng)的檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)聲波。
第二容積最好能大于第一容積，從而增加對(duì)外部壓力波動(dòng)的衰減。第一容積可以采用，例如，能限制分析氣體通過(guò)的形狀的管道，與第二容積相連接。與第一容積的開口相比，該管道例如可以是拉長(zhǎng)和較小截面積的管道。
在實(shí)施例中，光聲檢測(cè)器包括具有傳感系統(tǒng)的第一容積，用于光聲檢測(cè)。第一容積通過(guò)能使分析氣體迅速擴(kuò)散的多孔型元件(例如，燒結(jié)的盤片)與第二容積流體連接。第二容積通過(guò)能使分析氣體迅速擴(kuò)散的第二多孔型元件與環(huán)境流體連通。第二容積采用能使第三容積和第二容積之間的壓力迅速均衡的方式與第三容積相連接，但如上所述從第二容積到第三容積的分析氣體的擴(kuò)散會(huì)受阻。
另一方面，本發(fā)明所提供的光聲檢測(cè)器包括用于測(cè)量進(jìn)入光聲檢測(cè)器的分析氣體的光聲激發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)，用于測(cè)量在環(huán)境中壓力波效應(yīng)的參考系統(tǒng)，以及用于根據(jù)參考系統(tǒng)的輸出來(lái)偏置測(cè)量系統(tǒng)的輸出，以減小在光聲檢測(cè)器的輸出信號(hào)中由環(huán)境壓力波所引起的噪聲的系統(tǒng)。例如，測(cè)量系統(tǒng)可以包括用于測(cè)量氣體光聲激發(fā)的第一麥克風(fēng)；參考系統(tǒng)可以包括用于測(cè)量偏置信號(hào)的第二麥克風(fēng)，該偏置信號(hào)是由電子系統(tǒng)來(lái)處理的，用于減小在光聲傳感器輸出信號(hào)中由外部壓力波所產(chǎn)生的效應(yīng)。例如，參考系統(tǒng)可以設(shè)置在上述討論的SDE容積內(nèi)。第一麥克風(fēng)也可以設(shè)置在光聲單元內(nèi)，而第二麥克風(fēng)可以設(shè)置在參考單元內(nèi)。光聲單元和參考單元最好能相互匹配(例如，一般為相同的容積)。
另一方面，本發(fā)明所提供的光聲檢測(cè)器包括測(cè)量單元、參考單元和在兩個(gè)單元之間耦合的壓力梯度麥克風(fēng)。壓力梯度麥克風(fēng)測(cè)量在測(cè)量單元和參考單元之間的壓力差，以減小在光聲傳感器輸出信號(hào)中外部壓力波所引起的噪聲。
還有一方面，本發(fā)明提供了用于測(cè)量多孔元件的完整性的器件。該器件主要包括壓力波源和用于測(cè)量發(fā)射機(jī)的壓力波發(fā)送所引起的信號(hào)的傳感器。該信號(hào)正比于通過(guò)多孔元件壓力損耗。通過(guò)多孔元件的壓力損耗也就是對(duì)多孔元件阻塞程度的測(cè)量。
又一方面，本發(fā)明提供了用于環(huán)境中分析物檢測(cè)的傳感器，該傳感器包括設(shè)置在傳感器入口處的多孔元件和用于測(cè)量上述多孔元件的完整性的系統(tǒng)。
在以下較佳實(shí)施例的詳細(xì)討論中，本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)、目的及特點(diǎn)將會(huì)變得更加清晰。


圖1是本發(fā)明光聲檢測(cè)器在部分沒(méi)有連接狀態(tài)下的透視圖。
圖2是適用于圖1光聲檢測(cè)器的壓力耦合器的平面圖。
圖3是外部聲/壓力阻尼容積與感應(yīng)容積或單元的壓力耦合器的另一實(shí)施例的示意圖。
圖4顯示了通過(guò)將外部聲/壓力阻尼容積耦合到感應(yīng)容積以衰減外部產(chǎn)生壓力波的效應(yīng)。
圖5說(shuō)明了具有和不具有外部聲/壓力阻尼容積的光聲單元的校正曲線的比較。
圖6顯示了裝備了外部聲/壓力阻尼容積的傳感器(空心圓)和未裝備外部聲/壓力阻尼容積的傳感器(實(shí)心圓)的響應(yīng)時(shí)間的比較。
圖7顯示了沒(méi)有外部聲/壓力阻尼容積的光聲單元(i)，有外部聲/壓力阻尼容積的光聲單元(ii)，以及有外部聲/壓力阻尼容積和背景/參考麥克風(fēng)的光聲單元(iii)的風(fēng)噪聲減小特性的比較。
圖8顯示了本發(fā)明光聲檢測(cè)器的另一實(shí)施例。
發(fā)明的詳細(xì)描述圖1說(shuō)明本發(fā)明的擴(kuò)散、非諧振光聲甲烷檢測(cè)器的實(shí)施例。美國(guó)專利No.4,740,086披露了光聲傳感器/檢測(cè)器操作和結(jié)構(gòu)的一般原理，該專利作為本發(fā)明的參考。在圖1的實(shí)施例中，光聲檢測(cè)器1的氣體入口4處的開口最好用諸如第一金屬燒結(jié)盤片2a的多孔材料來(lái)覆蓋，該多孔材料允許所感興趣氣體種類的分子(即分析氣體)擴(kuò)散入光聲檢測(cè)器1的感應(yīng)(或測(cè)量)單元3。正如在現(xiàn)有技術(shù)中所了解的一樣，第一燒結(jié)盤片2通過(guò)阻止空氣壓力波入射到氣體入口4的過(guò)程起到衰減外部壓力波源的作用，同時(shí)對(duì)氣體分子從入口4擴(kuò)散入光聲檢測(cè)器1僅僅只有最小的阻力。在圖1的實(shí)施例中，第二燒結(jié)盤片2b通過(guò)進(jìn)一步阻止已通過(guò)第一燒結(jié)盤片2a的任何空氣壓力波的擴(kuò)散起到衰減外部壓力波源的作用。類似于燒結(jié)盤片2a，燒結(jié)盤片2b最好對(duì)擴(kuò)散進(jìn)入光聲檢測(cè)器1的測(cè)量單元3的氣體分子只有很小的阻力。
當(dāng)允許氣體擴(kuò)散到測(cè)量單元3時(shí)，燒結(jié)的盤片2a和2b起著將進(jìn)入的外部壓力波封閉在其間的空間所確定的區(qū)域(Vb)中，其中，Vb與測(cè)量單元3確定的區(qū)域(Va)一起形成氣體的擴(kuò)散容積Vo(Va+Vb)，圖3對(duì)此作了最好的顯示。容積Vo最好保持著盡可能的小，以便于減小氣體分析物擴(kuò)散到測(cè)量單元3所需的時(shí)間量。在圖1和圖2的實(shí)施例中，盤片5最好用聚四氟乙烯或類似的材料制成，它占據(jù)燒結(jié)盤片2a和2b之間的空間，將燒結(jié)盤片2a和2b之間的容積與一般是由外殼20確定的SDE容積Vx(測(cè)量單元3的感應(yīng)容積外部)相連接。不同于燒結(jié)盤片2a和2b的是，盤片5對(duì)壓力波只具有很小的阻力，因?yàn)槠渚哂忻?xì)管縫隙6(對(duì)應(yīng)于以下將要討論的圖3實(shí)施例中的壓力管道6’)，形成了使外部聲/壓力波能進(jìn)入SDE容積Vx的通道。位于盤片5中心的孔7作為分析氣體分子通過(guò)盤片5進(jìn)入測(cè)量單元3的擴(kuò)散通道?？p隙6最好制成與輸入孔7的面積相比具有相對(duì)較小的截面積且比較長(zhǎng)，使得分析氣體分子能以比分析氣體分子擴(kuò)散通過(guò)燒結(jié)盤片2a和2b和通過(guò)孔低得多的速率擴(kuò)散通過(guò)縫隙6。
SDE容積Vx吸收通過(guò)第一燒結(jié)盤片2a進(jìn)入的外部壓力波的能量，以此減小由進(jìn)入的壓力波所引起的噪聲信號(hào)的壓力幅值。除了縫隙6與環(huán)境的流體連接之外，Vx最好能壓力密封，以避免外部的壓力波通過(guò)燒結(jié)盤片2a和2b以外的任何通道進(jìn)入光聲檢測(cè)器1。與Vo相比，Vx最好能相對(duì)大些。在這點(diǎn)上，Vx相比于Vo越大，則由Vx吸收的進(jìn)入壓力波動(dòng)的能量百分比就越大。較佳的是，Vx約是Vo的至少兩倍。更佳的是，Vx約是Vo的至少五倍。最佳的是，Vx約是Vo的至少十倍。
在本發(fā)明的另一方面，Vx也提供了用于放置第二麥克風(fēng)9的空間，以測(cè)量由入射的外部壓力波能量所產(chǎn)生的噪聲電平，允許產(chǎn)生一個(gè)測(cè)量補(bǔ)償信號(hào)，該信號(hào)可以被連接主麥克風(fēng)10(用于測(cè)量光聲所產(chǎn)生的信號(hào))所發(fā)出信號(hào)的常規(guī)信號(hào)處理電路8處理，以進(jìn)一步減小或消除外部壓力變化對(duì)光聲檢測(cè)器1所提供的整個(gè)輸出信號(hào)的影響。
正如在一般光聲傳感器中，當(dāng)入射到感應(yīng)腔室3的光的光能被分析氣體吸收，引起分析氣體分子的機(jī)械激發(fā)，產(chǎn)生強(qiáng)度正比于感應(yīng)單元3中氣體分子數(shù)量的空氣壓力波動(dòng)，從而使光能轉(zhuǎn)換成聲能，產(chǎn)生強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于分析氣體濃度水平的聲波。該聲波可以被麥克風(fēng)10檢測(cè)到。例如參照?qǐng)D3，外部容積Vx到最好稍小些氣體擴(kuò)散容積Vo的耦合器起到了使聲/壓力衰減的作用，采用該方式，可以使入射到光聲檢測(cè)器的外部產(chǎn)生壓力波被最好稍大些的容積Vx適當(dāng)?shù)厮p，且不會(huì)反過(guò)來(lái)影響通過(guò)Vo用于被檢測(cè)器測(cè)量的感興趣氣體種類的擴(kuò)散。正如以上所討論的，通過(guò)最好相對(duì)較長(zhǎng)又相對(duì)較細(xì)(即，相對(duì)較小的截面積)的壓力管道6’將最好較大的容積Vx連接到較小的氣體擴(kuò)散容積(它部分由燒結(jié)盤片2a和2b確定)來(lái)實(shí)現(xiàn)以上結(jié)果。管道起到類似于毛細(xì)管的作用，使得氣體分子通過(guò)壓力管道6’的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)慢于通過(guò)多孔部件/燒結(jié)盤片2a和2b的速度，此時(shí)，壓力管道6’對(duì)進(jìn)入SDE容積Vx的外部壓力波幾乎沒(méi)有任何阻力，在本發(fā)明的光聲傳感器實(shí)驗(yàn)中是以低頻進(jìn)行的。壓力管道6’對(duì)聲/壓力波提供的低阻力使得容積Vx能接受和適當(dāng)?shù)厮p入射到氣體擴(kuò)散容積Vo的外部聲/壓力波能量，而沒(méi)有不利地增加傳感器的響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)閷?duì)容積Vx的氣體分子損耗數(shù)量由于通過(guò)壓力管道6’的低擴(kuò)散速率而減小。
容積Vx的衰減效應(yīng)可以采用以下討論的模型來(lái)解釋。外部壓力波首先滲透過(guò)第一燒結(jié)盤片2a，且引起燒結(jié)盤片2a和2b之間的小容積Vb內(nèi)的壓力增量ΔP。該壓力差通過(guò)壓力管道6’得到均衡。壓力差的均衡對(duì)應(yīng)于燒結(jié)盤片之間的空氣進(jìn)入到Vx的絕熱膨脹。最終被麥克風(fēng)10檢測(cè)到的測(cè)量單元中的壓力增量為初始?jí)毫υ隽喀乘上系數(shù)Vo/(Vx+Vo)。正如以上所討論的，Vo是金屬燒結(jié)盤片2a和2b之間的容積Vb和光聲檢測(cè)器的感應(yīng)單元3的容積Va的和。因此，與容積Vo相耦合的外部容積Vx越大，則系數(shù)Vo/(Vx+Vo)越小。
上述模型使增加的外部產(chǎn)生壓力波衰減與增加的外部容積Vx相關(guān)，正如圖4所示。圖4說(shuō)明了隨著SDE容積Vx的增加6Hz的外部聲波衰減的例子。為了便于實(shí)驗(yàn)，在這些研究中，光聲傳感器都設(shè)計(jì)成如圖3所示的，使得容積Vx能夠更容易變化。在圖4的研究中，光聲檢測(cè)器包括兩個(gè)相同的燒結(jié)盤片2a和2b，這兩個(gè)盤片約為0.062英寸厚且相互間隔約為11mm，將他們膠合在內(nèi)直徑約為24mm的圓形金屬環(huán)上。在燒結(jié)盤片2a和2b之間的容積通過(guò)大約50cm長(zhǎng)以及內(nèi)直徑約為4mm的管子與可變外部容積Vx相耦合。隨后，傳感器受到喇叭所產(chǎn)生的6Hz的聲波的輻射。隨著SDE容積Vx的增加，所檢測(cè)到的噪聲幅度減小了Vo/(Vx+Vo)的系數(shù)。通過(guò)增加大約200ml的外部容積，所觀測(cè)到的噪聲幅度可從它的初始值減小了約為10的系數(shù)(見圖4)。
在本發(fā)明研究中所使用的光聲檢測(cè)器1的一個(gè)實(shí)施例中，SDE容積Vx是與ULTIMA型氣體傳感器的外殼結(jié)合在一起的，該傳感器出品于Pittsburgh，Pennsylvania的Mine Safety Appliances Company。在該實(shí)施例中，盤片5是由約0.6mm厚的聚四氟乙烯薄膜制成，并具有約為1mm寬的縫隙6。燒結(jié)盤片2a的厚度約為0.062英寸，燒結(jié)盤片2b的厚度約為0.02英寸。每個(gè)燒結(jié)的盤片2a和2b都具有約為0.1微米的氣孔尺寸(直徑)。Panasonic(松下)麥克風(fēng)型號(hào)WM-034可用于主麥克風(fēng)10和第二麥克風(fēng)9。ALBA燈(型號(hào)7328)可以幅度為5伏、頻率為8Hz的方波脈沖工作，以產(chǎn)生照射光聲檢測(cè)器1的調(diào)幅光信號(hào)。正如在本領(lǐng)域工作的人士所熟悉的那樣，光聲檢測(cè)器1的部分或全部元件都可以各種方式相互嵌套。例如，燒結(jié)的盤片2a和2b可以透氣隔膜來(lái)取代。使Vx與Vo相連接的另一種壓力管道6’或縫隙6可以是氣體密封的柔性隔膜，它可透過(guò)聲/壓力波但能防止或阻止氣體分子的擴(kuò)散。
在該光聲傳感器的其他幾項(xiàng)研究中，對(duì)具有和不具有SDE容積Vx的安裝/連接的情況進(jìn)行了光聲傳感器的測(cè)試。在這些研究中，采用環(huán)境空氣(0％CH4)，1.33％CH4(27％LEL-較低的煤氣爆炸限制)和5％CH4(100％LEL)來(lái)校準(zhǔn)傳感器。如圖5所示，無(wú)論是具有和不具有SDE容積Vx，都可以獲得在所施加的氣體濃度和引起的信號(hào)輸出(在圖5的研究中是電壓)之間良好的線性關(guān)系。當(dāng)安裝了容積Vx之后，可以認(rèn)為在5％甲烷條件下的輸出信號(hào)是減小的，因?yàn)?，與對(duì)應(yīng)的“常規(guī)”傳感器相比，增加了通過(guò)本研究中所用0.02英寸厚的第二燒結(jié)盤片2b的信號(hào)壓力損耗(常規(guī)的傳感器是指沒(méi)有容積Vx和沒(méi)有第二燒結(jié)盤片2b的傳感器，其中單元僅僅只通過(guò)第一燒結(jié)盤片2a與大氣環(huán)境隔離)。在常規(guī)傳感器中的燒結(jié)盤片2a的厚度為0.062英寸，這與本發(fā)明傳感器中的盤片2b的厚度相同。
在這些研究中，麥克風(fēng)信號(hào)是采用計(jì)算機(jī)的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換卡以4096Hz的速率進(jìn)行預(yù)放大和采樣。隨后，采用鎖定程序相對(duì)于8Hz的參考頻率校準(zhǔn)信號(hào)幅度和相位。所實(shí)施的鎖定算法檢測(cè)參考頻率和(衰減的)奇次較高諧波上的頻率分量。為了表征鎖定算法，將具有恒定峰峰值為50mV和遞增頻率的正弦波信號(hào)施加到麥克風(fēng)預(yù)放大器。在基頻為8Hz時(shí)，檢測(cè)的帶寬為9Hz FWHM(半峰全寬)。當(dāng)使用背景/參考麥克風(fēng)9時(shí)，來(lái)自測(cè)量單元麥克風(fēng)10和背景麥克風(fēng)9的信號(hào)都單獨(dú)通過(guò)鎖定程序。測(cè)量背景麥克風(fēng)9的最終濃度值，隨后從測(cè)量單元麥克風(fēng)10的濃度值中減去它。圖7說(shuō)明了減去麥克風(fēng)9的輸出后產(chǎn)生的附加噪聲的減小。
在圖4的研究中所使用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間超過(guò)了ISA的要求。然而，通過(guò)減小燒結(jié)盤片之間的距離以及減小燒結(jié)盤片的厚度，就能在保持噪聲衰減效果的同時(shí)獲得明顯較短的響應(yīng)時(shí)間。在圖1所示實(shí)施例的光聲傳感器的幾項(xiàng)研究中，例如，將內(nèi)部燒結(jié)盤片2b的厚度減小到約0.02英寸且將盤片2a和2b之間的距離也減小。圖6演示了圖1的光聲傳感器1的響應(yīng)時(shí)間(T60＝11.5秒；由圖6中的空心圓表示)，它符合ISA的要求，只是略大于圖6中實(shí)心圓(T60＝8.5秒)表示的常規(guī)結(jié)構(gòu)(即，沒(méi)有SDE的圖1的傳感器——也就是沒(méi)有第二燒結(jié)盤片2b和沒(méi)有隔膜5)。該響應(yīng)時(shí)間是將傳感器入口置于含有5％甲烷氣體濃度(滿刻度)的容積中測(cè)定的。甲烷的較低易爆極限或LEL為5％。另一方面，圖7演示了SDE的噪聲衰減效果。在圖1實(shí)施例中的噪聲水平在風(fēng)速5m/s(滿足ISA的要求)時(shí)保持低于10％，而在沒(méi)有SDE的設(shè)置中噪聲水平在風(fēng)速為2.6m/s時(shí)就已經(jīng)超過(guò)了100％的滿刻度指示。當(dāng)除了SDE效果還使用背景麥克風(fēng)9的數(shù)據(jù)時(shí)，直至風(fēng)速達(dá)到14m/s時(shí)，輸出信號(hào)的噪聲水平仍能減小到10％滿刻度以下(見圖7)。
正如以上所討論的，背景麥克風(fēng)9可以單獨(dú)使用或和SDE容積Vx一同使用，以減小本發(fā)明光聲傳感器輸出信號(hào)中的噪聲水平。圖8說(shuō)明了本發(fā)明另一實(shí)施例，在該實(shí)施例中，在參考單元110中實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量由進(jìn)入的外部壓力波引起的光聲傳感器100輸出信號(hào)中噪聲的概念。在圖8的實(shí)施例中，光聲檢測(cè)器100包括了最好能確定上述SDE容積Vx的外殼105。光聲(PA)單元120和參考(Ref)單元110也最好能在外殼105中。
一般來(lái)說(shuō)，光聲信號(hào)只能由一個(gè)光聲單元120輸出。光聲單元120和參考單元110最好盡可能以相似的或良好匹配的方式來(lái)制造。例如，每個(gè)光聲單元120和參考單元110最好能具有相同的容積。每個(gè)光聲單元120和參考單元110也最好能具有相同的內(nèi)部元件。例如，每個(gè)光聲單元120和參考單元110最好都能安裝上述的輻射源和麥克風(fēng)。正如以上所討論的，通過(guò)利用參考單元110的輸出信號(hào)作為光聲單元120輸出信號(hào)的偏置，這樣就基本上減小了光聲檢測(cè)器100輸出信號(hào)中由外部進(jìn)入壓力波所引起的噪聲。
每個(gè)光聲單元120和參考單元110最好能與壓力梯度麥克風(fēng)130相耦合。麥克風(fēng)130的輸出正比于光聲單元120和參考單元110之間的壓力差。當(dāng)來(lái)自外部壓力波動(dòng)的低頻噪聲在每個(gè)光聲單元120利參考單元110中相同時(shí)，就只有來(lái)自光聲單元120的光聲信號(hào)。只對(duì)光聲單元120和參考單元110之間的壓力差進(jìn)行測(cè)量能基本上減小或消除在輸出信號(hào)中由外部壓力波動(dòng)所引起的噪聲。使用光聲單元120和參考單元110各自開口處的參考測(cè)量、多孔元件122和112提供的特定噪聲抑制，可以采用比常規(guī)光聲傳感器更大的多孔材料來(lái)設(shè)計(jì)，以獲得更快的響應(yīng)。
在使用類似于圖8所示參考單元結(jié)構(gòu)的幾項(xiàng)研究中，可以確定在相對(duì)低頻的噪聲水平下所得的噪聲減小效果是良好的，但隨著頻率的增加效果下降。在這點(diǎn)上，采用參考單元110所獲得的噪聲減小結(jié)果能補(bǔ)償呈現(xiàn)低通特性的SDE容積Vx所獲得的結(jié)果。
在這點(diǎn)上，光聲檢測(cè)器110也可以包括SDE容積Vx。每個(gè)光電單元120和參考單元110都通過(guò)例如管道140與容積Vx流體連接，管道140與容積Vx的開口150流體連接。正如以上所討論的，在光聲單元120的入口處最好能設(shè)置燒結(jié)盤片122，而在參考單元110的入口處最好能設(shè)置燒結(jié)盤片112。同樣，在外殼105的入口處最好能設(shè)置另一燒結(jié)盤片170，所有的氣體通過(guò)該盤片170擴(kuò)散入光聲傳感器100。
光聲傳感器100最好再提供一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)(例如，包括系統(tǒng)電路210)，以測(cè)試最外層多孔元件(即，燒結(jié)盤片170)的完整性。在這方面，燒結(jié)盤片170直接與環(huán)境條件接觸，時(shí)常會(huì)被碎片或污染物阻塞，從而妨礙氣體擴(kuò)散到光聲傳感器100。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)試系統(tǒng)最好包括聲/壓力波的發(fā)射機(jī)/源220，如喇叭；以及傳感器/接收機(jī)230，如用于檢測(cè)由源220產(chǎn)生的聲/壓力波的麥克風(fēng)。源220最好能設(shè)置在外層多孔元件170和壓力/聲密封隔膜250之間所產(chǎn)生的通道240的一側(cè)。在圖8的實(shí)施例中，聲密封隔膜250也確定/限制了管道140，正如以上所討論的。聲密封隔膜250最好能對(duì)源220產(chǎn)生的壓力波提供比外層多孔元件170更大的聲阻力，以防止源220所用頻率的聲波通過(guò)聲密封隔膜250。通過(guò)使用比外層多孔元件170的孔徑更小孔徑尺寸的隔膜就可以獲得該結(jié)果。為了能保持快響應(yīng)時(shí)間，多孔隔膜250要盡可能的薄。在另一實(shí)施例中，使用了GORETEX隔膜具有約0.2微米的孔徑尺寸，厚度約0.5mm以及直徑約32mm。在該實(shí)施例中，外層多孔元件170的孔徑尺寸約5微米。
參照?qǐng)D8來(lái)簡(jiǎn)要地討論測(cè)試系統(tǒng)的操作。這時(shí)，在測(cè)試外層多孔元件170的完整性或條件的過(guò)程中，聲/壓力波信號(hào)由發(fā)射機(jī)220發(fā)送。壓力/聲密封隔膜250最好能基本上防止發(fā)射機(jī)220信號(hào)頻率的聲/壓力波通過(guò)，因此有利于向通道相對(duì)端的接收機(jī)230發(fā)送聲波。然而，最好能選擇發(fā)射機(jī)220的信號(hào)頻率，使得它至少能部分通過(guò)外層多孔元件170。于是，例如在光聲傳感器100是新的或“沒(méi)有被阻塞”時(shí)，就能得到來(lái)自接收機(jī)230的基本測(cè)試輸出信號(hào)，該信號(hào)對(duì)應(yīng)于發(fā)射機(jī)220的某一幅度和頻率的信號(hào)。接收機(jī)230的輸出信號(hào)將反映出通過(guò)多孔元件170的某些聲損耗。該測(cè)試程序最好能在光聲傳感器100的工作壽命中周期性地重復(fù)。隨著外層多孔元件170變得越來(lái)越被使用光聲傳感器100環(huán)境中的碎片阻塞時(shí)，通過(guò)的聲損耗會(huì)減少，且接收機(jī)230將接受到相對(duì)更大的信號(hào)。最好設(shè)定接收機(jī)輸出信號(hào)的閾值限制(對(duì)應(yīng)于完全阻塞的多孔元件170)，使得電路210能夠測(cè)試是否已經(jīng)超過(guò)閾值限制。如果已經(jīng)超過(guò)了閾值限制，則電路210就觸發(fā)報(bào)警裝置(例如，視覺(jué)或音頻報(bào)警)，以便于例如更換外層多孔隔膜170。業(yè)內(nèi)的專業(yè)人士應(yīng)該理解到這一類測(cè)試系統(tǒng)的使用并不限于光聲傳感器，也可同樣應(yīng)用于任何包括電化學(xué)或催化傳感器的傳感器系統(tǒng)中的多孔元件的使用(例如，金屬燒結(jié)盤片或多孔隔膜)。
雖然已經(jīng)結(jié)合上述例子詳細(xì)討論了本發(fā)明，但應(yīng)該理解到該詳細(xì)的討論也僅僅只是為了討論的目的，業(yè)內(nèi)專業(yè)人士可以不脫離以下權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的核心精神的范圍作出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量環(huán)境中分析氣體的光聲檢測(cè)器，其特征在于，該光聲檢測(cè)器包括第一容積，該第一容積包括用于光聲檢測(cè)的傳感器系統(tǒng)，第一容積通過(guò)開口與環(huán)境流體連接，使得分析氣體能通過(guò)開口擴(kuò)散到第一容積；以及與第一容積相連的第二容積，第二容積與第一容積相連使得壓力能在第一容積和第二容積之間迅速均衡，并使得從第一容積到第二容積的分析氣體的擴(kuò)散受到阻力。
2.如權(quán)利要求1所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于第二容積大于第一容積。
3.如權(quán)利要求2所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于第二容積比第一容積大5倍。
4.如權(quán)利要求1所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于第一容積采用管道與第二容積相連接，該管道具有限制分析氣體擴(kuò)散的形狀。
5.如權(quán)利要求4所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于將管道拉長(zhǎng)且具有比第一容積的開口小的截面積。
6.如權(quán)利要求1所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于用于光聲檢測(cè)的傳感器系統(tǒng)包括產(chǎn)生輸出信號(hào)的第一麥克風(fēng)；設(shè)置在第二容積中的第二麥克風(fēng)，第二麥克風(fēng)產(chǎn)生偏置信號(hào)，該偏置信號(hào)與第一麥克風(fēng)的輸出信號(hào)相組合，以減小外部產(chǎn)生壓力波對(duì)光聲傳感器輸出信號(hào)的影響。
7.一種用于檢測(cè)環(huán)境中分析氣體的光聲檢測(cè)器，其特征在于，該光聲檢測(cè)器包括第一容積，第一容積包括用于光聲檢測(cè)的傳感器系統(tǒng)，第一容積采用多孔元件與第二容積流體連接，通過(guò)多孔元件分析氣體可以迅速地?cái)U(kuò)散；第二容積，它通過(guò)第二多孔元件與環(huán)境流體連接，通過(guò)第二多孔元件分析氣體能迅速地?cái)U(kuò)散；與第二容積相連的第三容積，第三容積與第二容積相連使得壓力在第三容積和第二容積之間迅速均衡，并使得從第二容積向第三容積的分析氣體的擴(kuò)散受到阻力。
8.如權(quán)利要求7所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于第一多孔元件是燒結(jié)的盤片，以及第二多孔元件是燒結(jié)的盤片。
9.如權(quán)利要求7所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于第三容積大于第一和第二容積的組合。
10.如權(quán)利要求9所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于第三容積比第一和第二容積的組合容積大5倍。
11.如權(quán)利要求7所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于第二容積采用管道與第三容積相連接，該管道具有限制分析氣體擴(kuò)散的形狀。
12.如權(quán)利要求11所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于將管道拉長(zhǎng)且具有比第二多孔元件小的截面積，環(huán)境中的分析氣體通過(guò)該多孔元件擴(kuò)散進(jìn)入第二容積。
13.如權(quán)利要求7所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于用于光聲檢測(cè)的傳感器系統(tǒng)包括設(shè)置在第一容積中的第一麥克風(fēng)；設(shè)置在第三容積中的第二麥克風(fēng)，該麥克風(fēng)產(chǎn)生偏置信號(hào)，用第一麥克風(fēng)的信號(hào)處理該偏置信號(hào)，以減小外部產(chǎn)生壓力波對(duì)光聲檢測(cè)器輸出信號(hào)的影響。
14.一種光聲檢測(cè)器，其特征在于，它包括用于測(cè)量進(jìn)入光聲檢測(cè)器的分析氣體的光聲激發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)，用于測(cè)量環(huán)境中壓力波的影響的參考系統(tǒng)，和用于將參考系統(tǒng)的輸出與測(cè)量系統(tǒng)的輸出相組合以偏置環(huán)境中壓力波所引起的噪聲來(lái)產(chǎn)生光聲檢測(cè)器輸出信號(hào)的電子系統(tǒng)。
15.如權(quán)利要求14所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于測(cè)量系統(tǒng)包括用于測(cè)量分析氣體的光聲激發(fā)的第一麥克風(fēng)，以及參考系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生偏置信號(hào)的第二麥克風(fēng)，偏置信號(hào)被電子系統(tǒng)處理后，用于減小外部產(chǎn)生壓力波對(duì)光聲傳感器輸出信號(hào)的影響。
16.如權(quán)利要求15所述的光聲檢測(cè)器，其特征在于第一麥克風(fēng)設(shè)置在光聲單元中，以及，第二麥克風(fēng)設(shè)置在參考單元中，光聲單元和參考單元一般具有相同的容積。
17.一種光聲傳感器，其特征在于，它包括測(cè)量單元、參考單元、以及在這兩個(gè)單元之間耦合的壓力梯度麥克風(fēng)，壓力梯度麥克風(fēng)測(cè)量在測(cè)量單元和參考單元之間的壓力差，以減小光聲傳感器輸出信號(hào)中來(lái)自外部壓力波的噪聲。
18.一種用于檢測(cè)環(huán)境中分析物的傳感器，其特征在于，該傳感器包括覆蓋在傳感器入口處的第一多孔元件和用于測(cè)試第一多孔元件完整性的器件，該器件包括壓力波源和用于測(cè)量由源的壓力波傳輸所引起的信號(hào)的傳感器，該信號(hào)正比于通過(guò)第一多孔元件的壓力損耗，通過(guò)第一多孔元件的壓力損耗是第一多孔元件阻塞程度的測(cè)量值。
19.如權(quán)利要求18所述的傳感器，其特征在于，進(jìn)一步包括第二多孔元件，它設(shè)置在第一多孔元件和傳感器的測(cè)量單元之間，第二多孔元件一般具有比第一多孔元件的氣孔尺寸更小的氣孔尺寸，將源調(diào)整為通過(guò)第一多孔元件和第二多孔元件之間的空間來(lái)傳輸壓力波。
全文摘要
本發(fā)明涉及采用聲阻尼元件(2a，2b)和/或背景或參考麥克風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光聲氣體檢測(cè)器(1)中噪聲減小的器件，其中起聲阻尼元件(SDE)作用的最好較大的外部容積(Vx)與氣體通過(guò)其擴(kuò)散的較小容積(7)耦合。以這種方式所實(shí)現(xiàn)的耦合使得入射到光聲檢測(cè)器(3)的外部產(chǎn)生聲波能被較大容積SDE適當(dāng)?shù)厮p，而不會(huì)對(duì)感興趣氣體種類擴(kuò)散到較小容積用于被檢測(cè)器測(cè)量有不利影響。最好能采用又長(zhǎng)又細(xì)的壓力管道(6)來(lái)實(shí)現(xiàn)較大SDE容積與較小氣體擴(kuò)散容積的耦合。
文檔編號(hào)A61K38/00GK1411552SQ01806043
公開日2003年4月16日 申請(qǐng)日期2001年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月3日
發(fā)明者M·A·默克利, U·F·博格利, L·J·布拉特尼卡, P·A·巴克曼, H·特拉赫塞爾 申請(qǐng)人:礦井安全裝置公司