專利名稱：低功率快速紅外氣體傳感器、手持式氣體泄漏檢測器以及利用吸收性光聲檢測的氣體監(jiān)測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于無彌散紅外線吸收(NDIR)的氣體檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
NDIR技術(shù)作為 一種優(yōu)選的氣體檢測方法已經(jīng)存在多年。該技術(shù)依賴
于以下事實(shí)，氣體在特定波長處吸收紅外能量(光線)，并且不同的氣體 具有位于在不同的波長處的峰值吸收。這種吸收遵循比爾-朗伯
(Beer-Lambert)定律
其中，T為能見度，1。為照射在氣體樣品上的紅外能量強(qiáng)度(特定波 長處)，^為氣體樣品傳導(dǎo)的紅外能量強(qiáng)度，a為該氣體的吸收系數(shù)，/為 通路長度。
現(xiàn)在至少有兩種類型的NDIR氣體檢測系統(tǒng)仍在使用吸收性紅外 檢測(AID)和光聲紅外檢測(PID )。在MSA的Allan Roczko的"用于 制冷氣體檢測的光聲紅外技術(shù)"一文中可以找到關(guān)于這兩種紅外檢測方 法的描述，通過整體引用將該文合并于此。這兩種技術(shù)之間有著顯著的 區(qū)別AID系統(tǒng)隨著氣體濃度的增加產(chǎn)生減小的信號，而PID系統(tǒng)隨著 氣體濃度的增加產(chǎn)生增大的信號。每種類型的紅外檢測都存在顯著的缺點(diǎn)。
吸收性紅外檢測的缺點(diǎn)
例如，AID特有的缺點(diǎn)在于檢測速度和穩(wěn)定性。各種構(gòu)造的熱電設(shè) 備(例如，熱電堆、溫度檢測器)通常用于通過產(chǎn)生與溫度(或溫度變 化或溫差)成比例的電信號而將入射的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號。這些設(shè) 備通常具有顯著的熱容積，因此限制了檢測器能夠檢測入射能量變化的 速度。此外，由于這些設(shè)備主要檢測熱而并非紅外能量(熱是由紅外能 量的吸收所產(chǎn)生的次生效應(yīng))，因此容易產(chǎn)生由環(huán)境條件變化(例如，預(yù) 熱(warm up )、環(huán)境溫度變化、機(jī)械振動等)所導(dǎo)致的漂移和噪聲。
已經(jīng)采用了多種方法減小或者去除環(huán)境噪聲源。 一種方法是使用兩 個(gè)檢測器， 一個(gè)用作參考，另一個(gè)用于取樣。通過從取樣檢測器信號中 減去參考檢測器信號，共同的模式效應(yīng)(例如，環(huán)境溫度、機(jī)械噪聲等) 得以減少或消除，而不同的模式效應(yīng)(即，實(shí)際信號)得到增強(qiáng)。另一 種抑制(或消除)由環(huán)境條件導(dǎo)致的漂移的方法是使用"光切割 (light-cho卯ing)"方法?；蛘邔t外線源的電源進(jìn)行低頻調(diào)制(電切割)， 造成紅外光的開周期和關(guān)周期，或者使用機(jī)械式的切割輪使紅外光形成 周期式的中斷。這導(dǎo)致從熱電堆輸出交流(AC)信號，可以在轉(zhuǎn)換回直 流(DC)之前對其進(jìn)行濾波和放大。通常，使用"鎖相"(同步)放大器 使得只將處于切割頻率的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，然后在較長的時(shí)間周期上 對這些信號求平均值以形成無漂移的信號。切割可以結(jié)合上面指出的取 樣/參考方法一道使用，以達(dá)到更好的噪聲特性。
不幸的是，上面描述的方法有很多問題。取樣/參考方法需要兩個(gè)完 全相同的光通路和檢測器，這些檢測器本身需要仔細(xì)地匹配和校準(zhǔn)。此 外，在產(chǎn)生最終信號的減法元件之前，需要完全相同(匹配良好)的電 子元件用于信號的增益和調(diào)節(jié)。所有這種兩重性導(dǎo)致最終的成本超過單 通道檢測器成本的兩倍。
切割的方法在很好地減小漂移的同時(shí)也有其自身的缺點(diǎn)。紅外線源 通常具有較大的熱容積，將電切割的頻率限制在1Hz左右。因此，有時(shí) 使用昂貴、不可靠的機(jī)械式斬光器來增加切割速度。盡管存在能夠在較高頻率(達(dá)到25Hz或更高)下工作的低熱容積的紅外線源，不考慮所采 用切割的方法，熱電堆檢測器是典型的限制因素。通常，這些檢測器會 顯著削弱在高于幾赫茲的頻率上調(diào)制的紅外線信號。
將交流信號轉(zhuǎn)換回直流信號所需的同步放大器也有其自己的問題。 首先，他們?nèi)菀壮霈F(xiàn)相位噪聲，由于提供給放大器的電信號的相位的變 化而產(chǎn)生的信號漂移。當(dāng)模擬元件的值由于時(shí)間或環(huán)境條件變化而變化 時(shí)會出現(xiàn)相位噪聲。其次，同步放大器的輸出端為低通濾波器，該低通 濾波器具有超過很多輸入信號的周期的時(shí)間常數(shù)。這導(dǎo)致對應(yīng)于很快變 化的輸入條件的變化非常慢的輸出。 光聲紅外檢測的缺點(diǎn)
應(yīng)該注意到，首先，光聲紅外4全測至少需要一個(gè)交流的(電子或才幾 械式脈沖的)紅外線源，其具有如上所述的所有缺點(diǎn)?？墒歉匾?， PID需要對樣品腔進(jìn)行周期性的密封和清除，在樣品腔中待測的氣體^皮有 限帶寬的紅外輻射源照射。換句話說， 一定會使用大量的機(jī)械閥以交替 地使樣品氣體流進(jìn)單元中，然后在進(jìn)行聲學(xué)測量時(shí)封閉入口和出口?？?以預(yù)期，這會有很多的牽連。最明顯地，成本受到嚴(yán)重影響——由于要 使用電子操作的機(jī)械閥。驅(qū)動這些閥所需的電源也會構(gòu)成問題。最后， 只能在閥處于關(guān)閉位置時(shí)進(jìn)行測量，這排除了進(jìn)行連續(xù)分析的可能性。 雖然這對于檢測型的系統(tǒng)可能是足夠的——這時(shí)設(shè)備測量很長時(shí)間周期 內(nèi)的氣體濃度的緩慢變化，而對于泄漏檢測設(shè)備而言則是不可接受的 ——這時(shí)必須在很短的時(shí)間周期內(nèi)檢測出快速的變化。
此外，對于定量的應(yīng)用(即，氣體監(jiān)測器)，校準(zhǔn)這樣的設(shè)備需要在 現(xiàn)場對至少一種已知濃度的目標(biāo)氣體進(jìn)行頻繁取樣。這種要求是由于， 當(dāng)不存在目標(biāo)氣體時(shí)檢測器不輸出信號，而對于任何給定濃度的目標(biāo)氣 體，該輸出的大小都將相對于紅外線源的紅外線輸出(隨時(shí)間退化)而 發(fā)生改變，也會相對于任何元件參數(shù)隨時(shí)間或溫度的變化而改變。校準(zhǔn) 用氣體樣品是昂貴的，難以在偏遠(yuǎn)的地方取得，而且很多時(shí)候是危險(xiǎn)的 (例如，有毒、易爆)。 兩種技術(shù)都有的缺點(diǎn)兩種技術(shù)的主要缺點(diǎn)是需要通過光學(xué)濾波器將有限帶寬的紅外能量 過濾到待測氣體需要的頻段上。首先，這些濾波器很昂貴。另外，即使 最好的濾波器的通帶頻譜也不能與待測氣體的吸收頻語準(zhǔn)確地匹配，因 此降低了檢測器的選擇性和靈敏度。此外，這些濾波器的通帶頻譜也容 易因制造過程、溫度、濕度以及使用時(shí)間等因素而發(fā)生變化。
另外，兩種技術(shù)均需要相當(dāng)多的電力進(jìn)行驅(qū)動。由于上面描述的光 學(xué)濾波器不可能經(jīng)過100%的紅外能量，即使在所需要的通帶也是，必須 為紅外線源供應(yīng)足夠的電力從而使最終到達(dá)紅外檢測器(熱電堆或樣品 氣體腔)的能量足夠激起高于噪聲的檢測器信號。交流電設(shè)計(jì)中使用的 機(jī)械斬光器，以及光聲設(shè)計(jì)中使用的閥同樣消耗相當(dāng)多的電力，而且作 為機(jī)械設(shè)備，其本來就是不可靠的。
Williams的美國專利7022993中描述了 一個(gè)"紅外線泄漏檢測器"。根 據(jù)'993專利公開的內(nèi)容制造的設(shè)備以"PredatIR"紅外制冷劑泄漏檢測器 的形式銷售。因此，通過整體引用將該P(yáng)redatIR設(shè)備的所有者手冊合并 于此。'993專利中公開的檢測器僅僅是一個(gè)采用吸收性紅外檢測的非參 考、非切割的泄漏檢測器。這種檢測器并沒有利用任何方法來穩(wěn)定從檢 測器獲得的結(jié)果信號(其中的說明也沒有公開任何這種穩(wěn)定性)。因此， 不可能通過該'993設(shè)備量化樣品腔中的感興趣的氣體的濃度。
貫穿'993專利的始終，其明顯的目的在于形成一種低成本的方法， 用來確定由感興趣的氣體穿過樣品腔所產(chǎn)生的光信號的變化。其說明書 特別指出，'993發(fā)明通過使用直流(未切割的)紅外線能量以及模擬獨(dú)L 分電路來檢測信號邊緣，從而實(shí)現(xiàn)快速檢測。在使用'993設(shè)備檢測目標(biāo) 氣體時(shí)，由于環(huán)境條件的快速變化，例如，預(yù)熱不充分、電子噪聲、或 其他環(huán)境噪聲源，'993發(fā)明容易發(fā)生頻繁的錯誤指示。盡管'993專利的 說明書聲稱該設(shè)備是"低功率的"，但事實(shí)上，為'993紅外線源供電所需 的直流能量至少是電子式切割系統(tǒng)所需功率的兩倍。這是不言自明的， 因?yàn)閮?yōu)選實(shí)施例需要12V的可再充電的鎳鎘(Ni-Cd)電池卻只能工作4 到5小時(shí)。優(yōu)選實(shí)施例在每次單元上電時(shí)需要2分鐘的預(yù)熱周期，這個(gè) 事實(shí)說明'993發(fā)明缺乏穩(wěn)定性。值得注意地，使紅外線源工作在直流條件下也會嚴(yán)重影響紅外線源 的壽命。本領(lǐng)與技術(shù)人員知道，紅外線源的能量輸出隨著時(shí)間下降，而 且這種下降的速率與該紅外線源所消耗的功率有關(guān)。例如，可以認(rèn)為紅
外線源在50%占空比(duty) (AC)條件下比在100% (DC)條件下能工 作更長時(shí)間。
在'993專利所描述的所有例子中，都需要光學(xué)濾波器，特別地基于 感興趣的氣體而制造為特定的波長。作為一個(gè)附加的缺點(diǎn)，'993設(shè)備需 要使用者以零控制或空控制的形式進(jìn)行手動的干涉，通過1Hz/2Hz的警 報(bào)功能可以證明。
Liebermann的美國專利5498873描述了一種"制冷劑雜質(zhì)分析儀"。 '873分析儀是一種確定一種類型的制冷劑樣品是否^^其它類型的制冷劑 污染的設(shè)備。該設(shè)備使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的白熾燈泡作為紅外線源，并通過在 樣品制冷劑流過的第 一腔之后使用填充有待測的污染氣體的第二腔而消 除了光學(xué)濾波器。使用一個(gè)壓電元件才全測第二腔中的壓力變化(聲能)。
的壓力變化。當(dāng)包含污染制冷劑的氣體進(jìn)入第一腔時(shí)，所討論的波長被 吸收，從而導(dǎo)致第二腔中壓力變化的減少。因此，與真正的光聲傳感器 不同，信號輸出相對于第一腔中污染物濃度減小。'873專利中描述的分 析儀的傳感器具有采用光聲原理的吸收性紅外傳感器的性質(zhì)，其排除了 對成品光學(xué)濾波器的需要(第二腔中的氣體同時(shí)按照濾波機(jī)制和檢測機(jī) 制起作用)。
'873設(shè)計(jì)有兩種有益的特性不再需要特定的光學(xué)濾波器，也不象 上述光聲方法中那樣需要閥。然而，'873設(shè)計(jì)仍有重大的問題。首先， 白紙燈泡的玻璃會吸收大多數(shù)討論中的紅外能量。因此，需要大量的功 率來驅(qū)動燈泡以進(jìn)行足夠的檢測。第二，燈泡的熱時(shí)間常數(shù)非常長。因 此，脈沖速率不得不維持在或低于lHz,這導(dǎo)致檢測緩慢。第三，通過 大的、高阻抗的壓電設(shè)備將聲學(xué)能量轉(zhuǎn)換為電信號。這種設(shè)備對高頻的 機(jī)械噪聲以及快速的大氣壓變化遠(yuǎn)比對燈泡的緩慢的電子切割速率更敏 感。于是，在傳感器的輸出端需要進(jìn)行重要的低通濾波以恢復(fù)1Hz的信號，這導(dǎo)致了更緩慢的響應(yīng)時(shí)間。第四，傳感器形體較大，不適于手持 式設(shè)備(不管可能導(dǎo)致的噪聲問題)。由于元件的表面積較大，很難在第 二腔中長時(shí)間包含參考?xì)怏w。
基于以上說明，顯然普遍需要對紅外線氣體傳感器技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
與所有的紅外氣體傳感器相似，任何新的紅外傳感器技術(shù)都應(yīng)該至
少具有如下特征
*高選擇性——傳感器應(yīng)該僅對想要的氣體做出響應(yīng)，并不響應(yīng)其
他可能污染本地空氣的氣體(與Williams的專利不同)； *高敏感性——傳感器檢測非常小的目標(biāo)氣體濃度的能力(與
Liebermann的專利不同)；以及 *長壽命——傳感器應(yīng)該表現(xiàn)出較長的工作壽命和較長的儲存壽命
(與Williams的專利不同)。
此外，對于監(jiān)測型應(yīng)用，如下的特性將改善當(dāng)前的紅外傳感器技 術(shù)
*長期穩(wěn)定性——對于類似的輸入條件，傳感器的輸出應(yīng)該在很長 的時(shí)間周期上保持穩(wěn)定(與Williams的專利以及現(xiàn)有技術(shù)中的 PID不同)；
*參照性能——為了量化目標(biāo)氣體的濃度，必須有可能與已知濃度
的樣品進(jìn)行比較(理想地為零濃度)(與Williams的專利以及現(xiàn)
有技術(shù)中的PID不同)； *無須現(xiàn)場校準(zhǔn)——不需要為了工作的準(zhǔn)確性而使用校準(zhǔn)用的氣體
樣品(與Williams的專利以及現(xiàn)有技術(shù)中的PID不同)；以及 *監(jiān)測目標(biāo)氣體的絕對濃度的能力(與Williams的專利不同)。
最后，對于手持式泄漏檢測應(yīng)用，如下的特性將是對現(xiàn)有的紅外
傳感器技術(shù)的進(jìn)一步改善 *快速的檢測時(shí)間——設(shè)備應(yīng)該能夠在小于一秒的時(shí)間內(nèi)就很小的
濃度變化向操作者報(bào)警(與Liebermann的專利以及現(xiàn)有技術(shù)中的PID不同)；
*快速的清除(clearing)時(shí)間——在目標(biāo)氣體不再存在或者存在但
濃度小于預(yù)設(shè)的闊值之后，設(shè)備應(yīng)該在一秒鐘內(nèi)停止指示(與
Williams的專利以及現(xiàn)有技術(shù)中的PID不同)； *短期穩(wěn)定性(即，對噪聲的免疫性)——只有目標(biāo)氣體濃度的變
化會導(dǎo)致輸出信號的變化，并不隨環(huán)境條件或電子或機(jī)械的噪聲
變化(與Williams的專利不同)； *非常低的功率——設(shè)備應(yīng)該能夠利用小的、普通的不用定制的堿
性電池(例如，AAA號或者AA號的電池)工作纟艮長時(shí)間(>15
小時(shí))(與Liebermann的專利、Williams的專利、現(xiàn)有技術(shù)中的
PID以及現(xiàn)有^支術(shù)中的AID不同)； *快速預(yù)熱——儀器應(yīng)該能夠在上電后的10秒鐘內(nèi)執(zhí)行其規(guī)范
(specification)(與Williams的專利不同)； *尺寸小——儀器應(yīng)該足夠的小和輕便，可以使用單手操縱(與
Liebermann的專利不同)； *充分自動化——從上電到使用再到關(guān)機(jī)，操作者應(yīng)該無須手動地
將儀器調(diào)節(jié)到零點(diǎn)或者校準(zhǔn)；儀器還應(yīng)該自動地忽略本地空氣的
背景污染物(與Williams的專利不同)； *動態(tài)范圍寬——4企測器應(yīng)該能夠辨別濃度的較小和較大的變化，
為操作者提供以下能力(a)定位較小的泄漏以及(b)對準(zhǔn)較大
泄漏；以及
*成本低——檢測器應(yīng)該具有最低的可能成本，即，應(yīng)該排除價(jià)格 很高的光學(xué)濾波器(與Williams的專利以及現(xiàn)有技術(shù)中的 PID/AID不同)。
本發(fā)明獨(dú)創(chuàng)的系統(tǒng)提供了如下全都可用于手持型的有利的屬性
*高選擇性——本發(fā)明的傳感器僅對想要的氣體做出響應(yīng)，并不響
應(yīng)其他可能污染本地空氣的氣體； *高敏感性——本發(fā)明的傳感器能夠檢測非常小的目標(biāo)氣體濃度； *長壽命——本發(fā)明的傳感器表現(xiàn)出較長的工作壽命和較長的儲存壽命；
*長期穩(wěn)定性——對于類似的輸入條件，本發(fā)明的傳感器的輸出在
很長的時(shí)間周期上保持穩(wěn)定； *參照性能——本發(fā)明的設(shè)備使得有可能將測量的目標(biāo)氣體與已知
濃度的樣品(零濃度)進(jìn)行比較，從而量化目標(biāo)氣體的濃度； *無須校準(zhǔn)——不需要為了本發(fā)明工作的準(zhǔn)確性而使用校準(zhǔn)用的氣
體樣品；
*準(zhǔn)確地量化目標(biāo)氣體濃度的能力；
*快速的響應(yīng)時(shí)間——本發(fā)明的設(shè)備能夠在小于一秒的時(shí)間內(nèi)就很
小的濃度變化向操作者報(bào)警； *短期穩(wěn)定性(即，對噪聲的免疫性)——只有目標(biāo)氣體濃度的變
化會導(dǎo)致本發(fā)明輸出信號的變化，環(huán)境條件或電子或機(jī)械的噪聲
的變化不會導(dǎo)致輸出信號的變化； *非常低的功率——本發(fā)明的設(shè)備能夠利用普通的不用定制的堿性
電池比如AA號的電池工作15小時(shí)以上； *快速預(yù)熱——本發(fā)明的儀器能夠在上電后的10秒鐘內(nèi)執(zhí)行其規(guī)
范；
*尺寸d--本發(fā)明的儀器可以使用單手操縱；
*充分自動化——從上電到使用再到關(guān)機(jī)，本發(fā)明的操作者應(yīng)該無
須手動地將本發(fā)明的儀器調(diào)節(jié)到零點(diǎn)或者校準(zhǔn)，而且儀器自動地
忽略本地空氣的背景污染物；
*動態(tài)范圍寬——本發(fā)明的檢測器應(yīng)該能夠辨別濃度的較小和較大 的變化，從而操作者能夠定位較小的泄漏以及對準(zhǔn)較大泄漏；以 及
*成本低——本發(fā)明的檢測器具有很低的成本，因?yàn)槠湎藢r(jià) 才各^^艮高的光學(xué)濾波器的需求。
對于前述的以及其他期待的目標(biāo)，本發(fā)明提供了一種用于感知至少 一種預(yù)定氣體的存在的氣體傳感器，所述氣體傳感器包括紅外線源，麥 克風(fēng)，與至少一種要檢測的預(yù)定氣體實(shí)質(zhì)上類似的參考?xì)怏w，在其中限定了參考腔的參考體，參考腔具有與麥克風(fēng)連接的壓力口，以及寬帶光
窗口中通過，光學(xué)窗口設(shè)置在紅外線源與參考腔之間，參考?xì)怏w被包含 在光學(xué)窗口和麥克風(fēng)之間的參考腔中。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)特征，紅外線源是低熱容積的。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)特征，還提供了插入在紅外線源和樣品氣體之 間的輔助寬帶光學(xué)窗口 ，用以隔離紅外線源和樣品氣體。
根據(jù)本發(fā)明的附加的特征，輔助光學(xué)窗口是上游的紅外線窗口，而 光學(xué)窗口是下游的紅外線窗口 。
根據(jù)本發(fā)明的附加的特征，壓力口與麥克風(fēng)聲學(xué)地連接。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)附加的特征，上游和下游的窗口是下面組中的 一個(gè)，所述的組包括蘭寶石、熒石、硒化鋅、珪以及鍺。特別地，可以 涂覆上游和下游窗口以窄化由上游及下游窗口傳導(dǎo)的紅外能量的頻帶。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)特征，提供了第 一印刷電路板和第二印刷電路 板，所述第一印刷電路板與紅外線源操作地連接并且包括用于和氣體檢 測儀器配合的電接觸器，所述第二印刷電路板與麥克風(fēng)操作地連接并且 包括主動濾波電路以及與第一印刷電路板電連接的接觸器。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)附加的特征，歧管與參考體連接并在靠近參考 腔的位置限定出樣品腔，樣品腔具有用于接收和排放樣品氣體的入口和 出口 ，紅外線源^皮設(shè)置為引導(dǎo)紅外能量穿過樣品腔中的樣品氣體。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)附加的特征，輔助寬帶光學(xué)窗口設(shè)置在紅外線 源和樣品腔之間，從而將產(chǎn)生自紅外線源的紅外能量分給樣品氣體，輔 助光學(xué)窗口為上游的紅外線窗口而光學(xué)窗口為下游的紅外線窗口 ，紅外 線源^皮設(shè)置為引導(dǎo)紅外能量首先穿過上游窗口 ，然后穿過樣品腔中的樣 品氣體，然后穿過下游窗口并進(jìn)入?yún)⒖細(xì)怏w。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特征，樣品腔通過下列至少一種方式處理，拋 光、電鍍以及鍍金，和/或參考腔通過下列至少一種方式處理，拋光、電 鍍以及鍍金。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)特征，紅外線源可操作地通過PWM波形驅(qū)動，PWM波形發(fā)生器與紅外線源操作連接。PWM波形發(fā)生器可以是單階段
發(fā)生器或者兩階段發(fā)生器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)附加的特征，參考?xì)怏w為二氧化碳。 根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)附加的特征，麥克風(fēng)是駐極體電容器麥克風(fēng)。 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特征， 一種手持式氣體檢測儀器包括歧管，所 述歧管與參考體連接并在靠近參考腔的位置限定出樣品腔。樣品腔具有 用于接收和排放樣品氣體的入口和出口。紅外線源被設(shè)置為引導(dǎo)紅外能 量穿過樣品腔中的樣品氣體。還包括第一印刷電路板和第二印刷電路板， 所述第 一 印刷電路板與紅外線源操作地連接并且具有與紅外線源電連接 用以和氣體檢測儀器配合的第一接觸器，所述第二印刷電路板與麥克風(fēng) 操作地連接并且具有主動濾波電路以及與第 一 印刷電路板電連接的第二 接觸器。進(jìn)一步包括電源，電路板組件與電源操作地連接。電路板組件 包括與第一和第二印刷電路板操作地連接的傳感器電路。抽吸泵與入口
和出口中的至少一個(gè)流體地(fluidically)連接。電路板還連接到用于激 勵紅外線源、傳感器和泵中的至少一個(gè)的控制器，用于讀取^義器狀態(tài)的 指示器，以及探測器，所述探測器限定出貫穿其中的、與入口流體地連 接的內(nèi)腔。外殼限定出傳感器室和電源室，傳感器室的尺寸適于在其中 安裝紅外線源、麥克風(fēng)、參考體以及上游和下游光學(xué)窗口，電源室的尺 寸適于在其中安裝電源。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)特征，氣體探測儀器是氣體泄漏探測儀和氣體 監(jiān)測儀中的一種。
對于本發(fā)明期待的目標(biāo)，還提供了一種用于感知至少一種預(yù)定氣體 的存在的氣體傳感器，所述氣體傳感器包括紅外線源，麥克風(fēng)，與至少 一種要檢測的預(yù)定氣體基本類似的參考?xì)怏w，在其中限定了參考腔的參 考體，參考腔具有與麥克風(fēng)連接的壓力口，與參考體連接并在靠近參考 腔的位置限定出樣品腔的歧管，樣品腔具有用于接收和排放樣品氣體的 入口和出口;還包括設(shè)置在參考腔和樣品腔之間，并且設(shè)置在紅外線源 和參考腔之間的下游寬帶光學(xué)窗口 ，至少與預(yù)定氣體的吸收峰相對應(yīng)的 紅外線波長可以從所述下游寬帶光學(xué)窗口中通過，參考?xì)怏w被包含在下游光學(xué)窗口和麥克風(fēng)之間的參考腔中；還包括設(shè)置在紅外線源和樣品腔 之間用以隔離紅外線源與樣品腔中的樣品氣體的上游寬帶光學(xué)窗口 ，紅 外線源被設(shè)置為引導(dǎo)紅外能量首先穿過上游窗口，然后穿過樣品腔中的 樣品氣體，然后穿過下游窗口并進(jìn)入?yún)⒖細(xì)怏w；還包括第一印刷電路板 和第二印刷電路板，所述第一印刷電路板與紅外線源操作地連接，并且 包括與氣體檢測儀器配合的電接觸器，所述第二印刷電路板與麥克風(fēng)操 作地連接，并且包括主動濾波電路以及與第 一印刷電路板電連接的接觸 器。
對于本發(fā)明期待的目標(biāo)，還提供了一種手持式氣體檢測儀，包括電 源，外殼，所述外殼限定出尺寸適于安裝氣體傳感器的傳感器室和尺寸 適于在其中安裝電源的電源室；電路板組件，所述電路板組件與電源操 作地連接并包括與第一和第二印刷電路板操作連接的傳感器電路；抽吸 泵，所述抽吸泵與入口和出口中的至少一個(gè)流體地連接；控制器，所述 控制器用于激勵紅外線源、傳感器和泵中的至少一個(gè)；指示器，所述指 示器用于讀取儀器狀態(tài)；以及探測器，所述探測器限定出貫穿其中的、 與入口流體地連接的內(nèi)腔。
被認(rèn)為是本發(fā)明特性的其他特征在后附權(quán)利要求中說明。
盡管本發(fā)明在此解釋和說明為在低功率快速紅外氣體傳感器、手持 式氣體泄漏檢測器以及采用吸收性光聲檢測的氣體監(jiān)測器中實(shí)現(xiàn)，然而
并非想要將其限于所示出的細(xì)節(jié)，因?yàn)椴幻撾x本發(fā)明的精神以及在權(quán)利 要求的等價(jià)物的內(nèi)容和范圍內(nèi)可以對其進(jìn)行各種修改和結(jié)構(gòu)變化。
然而，當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，通過下面對特定實(shí)施例的描述會更好地 理解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和操作方法，連同其附加的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)需要，這里公開了本發(fā)明的具體實(shí)施例；然而，應(yīng)該理解，這 些公開的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的示例，其可以通過各種方式實(shí)施。因此， 這里公開的特定的結(jié)構(gòu)以及功能性細(xì)節(jié)不應(yīng)該被解釋為限定，而僅僅是
體結(jié)構(gòu)變化地使用本發(fā)明的代表性的基礎(chǔ)。而且，這里使用的術(shù)語和措 詞也并非用來限定；而是提供本發(fā)明的可以理解的描述。說明書以限定了本發(fā)明被認(rèn)為具有新穎性的特征的權(quán)利要求結(jié)束，應(yīng)該認(rèn)為結(jié)合附圖 考慮下面的描述將更好地理解本發(fā)明，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記在后 面延用。
這里使用的詞語"一個(gè)"定義為一個(gè)或多于一個(gè)。這里使用的詞語"多 個(gè)"定義為兩個(gè)或多于兩個(gè)。這里使用的詞語"另一個(gè)，，定義為至少第二個(gè) 或更多個(gè)。這里使用的詞語"包括"和/或"具有"定義為包含(即，開放式)。 這里使用的詞語"連接"定義為連起來，不必是直接連接，也不必然是機(jī) 械式連接。
這里使用的詞語"約"或"近似"適用于所有的數(shù)值，無論是否明確指
出。這些詞語通常指代一個(gè)本領(lǐng)域技術(shù)人員會i^為與所陳述的值等價(jià)的
數(shù)的范圍(即，具有相同功能或結(jié)果)。在很多情況下，這些詞語可能包 括能夠四舍五入到最接近的重要數(shù)字的數(shù)。在本文中，詞語"縱向，，應(yīng)該 理解為意味著示例的圓柱形傳感器組件的軸向所對應(yīng)的方向。詞語"程 序"、"計(jì)算機(jī)程序"、"計(jì)算機(jī)算法"、"軟件應(yīng)用程序，，以及這里使用的類
似詞語定義為設(shè)計(jì)用于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、微處理器或微控制器上執(zhí)行的指 令序列。"程序"、"計(jì)算機(jī)程序"、"計(jì)算機(jī)算法"、"軟件應(yīng)用程序"可以包
括子程序、函數(shù)、過程、目標(biāo)方法、目標(biāo)實(shí)現(xiàn)(implementation),可執(zhí)行 應(yīng)用程序、瀏覽器插件(applet )、服務(wù)器插件(servlet)、源代碼、目標(biāo) 代碼、共享庫/動態(tài)加載庫，和/或其他設(shè)計(jì)用于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、微處理器 或微控制器上執(zhí)行的指令序列。


在附圖中相同的附圖標(biāo)記在各個(gè)單獨(dú)的視圖中指代相同的或功能相 似的元件，附圖連同下面的詳細(xì)描述一起并入并形成說明書的 一部分， 用以進(jìn)一步說明各種實(shí)施例，并解釋所有根據(jù)本發(fā)明的各種原理以及優(yōu) 點(diǎn)。
圖1是本發(fā)明的吸收性光聲紅外氣體傳感器的立體圖； 圖2是圖l的吸收性光聲紅外氣體傳感器的橫截面圖； 圖3是圖1和圖2的氣體傳感器的參考腔一側(cè)的立體圖；圖4是圖1和圖2的氣體傳感器的樣品腔一側(cè)的立體圖5是圖1、圖2、圖3和圖4的氣體傳感器的分解立體圖6是方塊電路圖，說明了使用本發(fā)明的吸收性光聲紅外氣體傳感器
的氣體檢測系統(tǒng)中各元件的布局；
圖7是一組比較單階段和兩階段脈沖寬度調(diào)制的曲線圖，所述脈沖寬
度調(diào)制產(chǎn)生要提供給本發(fā)明的氣體檢測系統(tǒng)的紅外線源的具有變化占空
比(dutycycle)的方波4言號；
圖8是根據(jù)本發(fā)明的手持式氣體泄漏檢測儀器的示例性實(shí)施例的立
體圖9是圖8的檢測儀的分解的立體圖10是圖8的檢測儀的探測器組件的立體圖11是圖8的檢測儀的底側(cè)立體圖，傳感器和電源蓋被取下；
圖12是圖8的檢測儀的底側(cè)立體圖和部分分解圖，傳感器和電源被取
下；
圖13是方塊電路圖，說明了使用本發(fā)明的吸收性光聲紅外氣體傳感 器的氣體監(jiān)測系統(tǒng)中各元件的布局；
圖14是方塊電路圖，說明了與本發(fā)明的系統(tǒng)及方法一起使用的計(jì)算 才幾的示例性結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)需要，這里公開了本發(fā)明的具體實(shí)施例；然而，應(yīng)該理解，這 些公開的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的示例，其可以通過各種方式實(shí)施。因此， 這里公開的特定的結(jié)構(gòu)以及功能性細(xì)節(jié)不應(yīng)該被解釋為限定，而僅僅是 作為權(quán)利要求的基礎(chǔ)，以及教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員通過幾乎任何適當(dāng)?shù)木?體結(jié)構(gòu)變化地使用本發(fā)明的代表性的基礎(chǔ)。而且，這里使用的術(shù)語和措 詞也并非用來限定；而是提供本發(fā)明的可以理解的描述。
這里的實(shí)施例可以通過采用各種能夠進(jìn)行紅外線氣體檢測的技術(shù)的 各式各樣的方法來實(shí)現(xiàn)。限制參照圖1到圖5,其中示出了傳感器組件 100，由四個(gè)機(jī)制的元件構(gòu)成歧管110、參考體120以及兩個(gè)端蓋130和140。在示例性的實(shí)施例中這些元件中的每一個(gè)都是由黃銅制成的，主 要是由于其天然的屬性容易加工、成本、防銹，僅舉幾例。當(dāng)然，也 可以使用其他材料，比如鋁、鋼，或者對于極低成本的應(yīng)用甚至可使用 模制的塑津牛?？梢栽谶@些機(jī)制的元件中插入紅外線源PCB組件300、預(yù) 增益(Pre-gain)/濾波器PCB組件400、麥克風(fēng)組件500、 一個(gè)或多個(gè)光 學(xué)窗口 150、 160、各種墊圏170、 180、 190以及尼龍絕緣體200。從兩 邊通過各自的一套緊固件220 (#4-40帽頭機(jī)械螺釘)將這些元件固定在 一起，在例如圖5中更好地示出。每套螺釘220可以設(shè)置為三螺栓圓的 模式，并旋入?yún)⒖俭w120中的螺紋。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，整個(gè)傳感 器組件100的縱長約為50mm ( 2")，歧管一側(cè)的螺釘220可以是1.25英 寸長，參考體120—側(cè)的螺釘可以是0.25英寸長?？梢赃x擇鋼、鋁或者 其他適當(dāng)?shù)牟牧献鳛榫o固件220。
在歧管110中加工形成樣品腔112,利用與連接出口 114連接的抽吸 泵600通過入口 116抽耳又樣品氣體5(H吏其通過樣品腔。參見例如圖6， 樣品氣體50可以是包含污染物的環(huán)境的空氣，或者可以是要測試的氣體。 探測器組件700與入口 116連接。用于樣品氣體提取探測器組件700和 抽吸泵600的氣密連接設(shè)備可以是插入到每個(gè)口 114、116中的密封件210 (例如，0形環(huán))。為了確保紅外能量113沿著樣品腔112長度的最大傳 輸，樣品腔112的內(nèi)表面可以被拋光和/或鍍以反射性材料，比如金。歧 管110可以具有兩個(gè)安裝孔118,兩個(gè)緊固件920 (例如，M2帽頭機(jī)械 螺釘)通過安裝孔將組裝式傳感器100固定到氣體檢測儀器900中(參 見圖9和12)。
紅外線源PCB組件30(H殳置在^支管110的入口端。紅外線源PCB組 件300包括其上安裝有紅外線源320的印刷電路板(紅外線源PCB )310。 紅外線源PCB 310通過一個(gè)端蓋130固定在適當(dāng)位置，并且可以通過尼 龍絕緣體200與該端蓋以及歧管電絕緣。 一個(gè)紅外線可通過的光學(xué)窗口 150(例如，直徑9.5mm、厚度為0.5mm的蘭寶石光學(xué)窗口 )可以用在紅 外線源320和樣品腔112之間，連同密封體170 (例如，丁納橡膠、丁腈 橡膠或者類似的橡膠墊圈)，用以隔離樣品氣體50和紅外線源320。作為選擇，可以得到已連接了窗口 150的紅外線源320,這減少了對墊圈170 的需求。在不需要隔離樣品氣體50和紅外線源320的情況下，可以除去 窗口 150和/或墊圏170。
由紅外線源PCB 310和端蓋130的交界面形成的腔135可以填充用 灌注混合物制造的環(huán)氧樹脂，以防影響傳感器組件100。
對于圖6，可以使用紅外線源PCB310的邊緣312在傳感器組件100 和氣體才全測4義900的主系統(tǒng)寺反800上的卡邊連4妄器810之間形成電連接。
預(yù)增益/濾波器PCB 410 (將在下面描述)上的類似連接器412,從而使 來自預(yù)增益/濾波器PCB 410的電信號經(jīng)過紅外線源PCB 310,隨后傳遞 到卡邊緣312,由此允許僅僅利用一個(gè)卡邊連接器810使得紅外線源的驅(qū) 動信號以及由預(yù)增益/濾波器PCB 410產(chǎn)生的信號發(fā)送到氣體檢測儀900 的主系統(tǒng)板800或者從主系統(tǒng)板上發(fā)出。紅外線源PCB 310的邊緣312 允許傳感器組件100以筒單的"按配(press-fit)"的方式安裝到氣體監(jiān)測 儀900中。參見例如圖11、 12。
紅外線源320可以是任何能夠發(fā)射紅外能量113的設(shè)備。優(yōu)選地， 可以使用能夠以至少10Hz的速率調(diào)制的低熱容量設(shè)備。這里使用的低熱 容量紅外線源定義為能夠在約10Hz到約25Hz的范圍內(nèi)調(diào)制的紅外線源。 而高熱容量紅外線源定義為不能以超過5Hz的速率調(diào)制的紅外線源。為 使傳感器尺寸最小，可以使用微型紅外線源320，該紅外線源可以從T0-5 晶體管罐式封裝(canpackage)中得到。
在歧管110的出口側(cè)和參考體120之間，光學(xué)窗口 160(例如，直徑 9.5mm、厚度為0.5mm的蘭寶石光學(xué)窗口或其他材料)和墊圈180(例如， 丁納橡膠、丁腈橡膠、特氟綸或者類似的膠墊圈)形成夾層式結(jié)構(gòu)。墊 圈180可以涂覆低蒸汽壓力的真空油脂以消除可能由于參考體120或歧 管110上的表面磨光不規(guī)則而發(fā)生的任何氣體泄漏。參考體120在其中 限定出參考腔122。制造時(shí)，在添加麥克風(fēng)組件500之前，通過壓力口 124向參考腔122中填充100%濃度的參考?xì)怏w123。為了限制參考腔122 的壁吸收紅外能量113的量，參考腔122的壁可以拋光和/或鍍以反射性的材料，比如金，這與樣品腔112相似。
傳感器100的出口側(cè)包含麥克風(fēng)組件500，該麥克風(fēng)組件可以包括麥 克風(fēng)510和預(yù)增益/濾波器PCB組件400，預(yù)增益/濾波器PCB組件帶有 預(yù)增益/濾波器PCB 410、接觸器412以及互連線420。制造完成后，參 考腔122中參考?xì)怏w123的壓力變化通過壓力口 124傳遞給麥克風(fēng)510。
麥克風(fēng)510可以是不用定制的標(biāo)準(zhǔn)的駐極體電容器型麥克風(fēng)，安裝 在人造橡膠(橡膠)的麥克風(fēng)固定器520上。麥克風(fēng)510可以是例如6015 型(直徑6.0mm，厚度為1.5mm),靈敏度范圍從-46db到-42db。對于相 似的電輸出，高靈敏度麥克風(fēng)(例如，-42db)比低靈敏度的麥克風(fēng)需要 的紅外能量更少。
麥克風(fēng)組件500,以及密封體190(例如，丁納橡月交、丁腈橡膠、特 氟綸或者類似的墊圏)夾在參考體120和預(yù)增益/濾波器PCB組件400之 間，麥克風(fēng)組件本身由端蓋140和三個(gè)螺釘固定在適當(dāng)位置。墊圈190 可以涂覆油脂以防參考?xì)怏w123從參考腔122中泄漏。麥克風(fēng)510和預(yù) 增益/濾波器PCB 410之間的電接觸通過人造橡膠麥克風(fēng)固定器520內(nèi)的 導(dǎo)電橡膠接觸器和預(yù)增益/濾波器PCB 410上的對應(yīng)的接觸器構(gòu)成。預(yù)增 益/濾波器PCB組件400可以包含交流連接的前置放大器和低通濾波器電 路430,用以在通過互連線420、紅外線源PCB310以及邊緣312將輸出 信號預(yù)增益/濾波器PCB 410傳遞到氣體監(jiān)測儀900的主系統(tǒng)板800之前 對來自麥克風(fēng)510的信號進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)增益/濾波器PCB 410被構(gòu)造為 參考體120的金屬與放大器的公共(地)信號電連接從而實(shí)現(xiàn)低噪聲工 作。
由預(yù)增益/濾波器PCB組件400和端蓋140的交界面形成的腔145可 以填充用灌注混合物制造的環(huán)氧樹脂，以防影響傳感器組件100，防止參 考?xì)怏w123通過預(yù)增益/濾波器PCB 410的材料擴(kuò)散以及削弱包括電路 430的預(yù)增益/濾波器元件由于環(huán)境條件(溫度、濕度)變化而引起的參 數(shù)變化。
參考體120是系統(tǒng)的核心，其中在制造時(shí)以大氣壓力在光學(xué)窗口 160 和麥克風(fēng)組件500之間的參考腔122中密封了 100%濃度的參考?xì)怏w123的樣品。
光學(xué)窗口 150和160可以是允許寬帶紅外能量通過的任何材料，比 如，但不限于，蘭寶石、熒石、硒化鋅、鍺或硅。對窗口 150和160的 最低要求是他們能夠傳導(dǎo)與待測氣體的至少一個(gè)或多個(gè)吸收峰一致的紅 外波長。例如，二氧化碳在4.5戸處有一個(gè)強(qiáng)吸收峰。低成本的蘭寶石 窗口能夠在直到約5.0戶處傳導(dǎo)所有的紅外波長。因此，蘭寶石是例如 在二氧化碳?xì)怏w檢測器中可用的理想材料。對于吸收峰處于其他紅外波 長范圍的氣體可以使用其他的窗口材料。此外，盡管不是必須的，但是 可以對窗口進(jìn)行光學(xué)涂覆以窄化穿過窗口的紅外能量的帶寬。
隨著寬帶紅外能量穿過窗口 160,與參考腔122中的參考?xì)怏w123 的吸收峰對應(yīng)的波長被參考?xì)怏w123吸收。這會導(dǎo)致氣體的瞬間加熱， 導(dǎo)致壓力增加(類似于光聲紅外檢測設(shè)備)。通過將紅外線源脈沖化，以 與脈沖化的紅外線源相同的頻率在參考腔122內(nèi)部形成聲壓波。這些聲 壓波通過壓力口 124傳遞到麥克風(fēng)510,壓力口為將參考腔122聲學(xué)地連 接到麥克風(fēng)510的小孔(例如，0.020")。這些壓力波的幅度，以及因此 由麥克風(fēng)510產(chǎn)生的電信號的幅度與參考?xì)怏w吸收的能量的數(shù)量直接成 比例。
氣體可以通過抽吸泵600從歧管110的出口 114被連續(xù)地或周期性 地抽出，所述抽吸泵600用于將樣品氣體50抽到入口 116和樣品腔112 中。與參考?xì)怏w123相同的樣品腔112中的任何氣體會在與參考?xì)怏w123 相同的吸收帶內(nèi)吸收紅外線源320輻射的一些紅外輻射113,因此減少了 可用于加熱參考?xì)怏w123的能量的數(shù)量。這會導(dǎo)致參考腔122中聲壓波 的瞬間減少，同樣地，來自麥克風(fēng)510的電信號也減少。根據(jù)比爾-朗伯 定律，電信號的減少直接對應(yīng)于樣品腔112中的氣體樣品中目標(biāo)氣體濃 度的增加。
只有準(zhǔn)確地吸收與參考?xì)怏w123所吸收的波長相同波長的樣品氣體 會導(dǎo)致信號輸出的減少。因此，傳感器IOO變得高度針對于特定的氣體， 只檢測與參考?xì)怏w相同的氣體，而忽略所有其他氣體，并且無需使用專 門的光學(xué)濾波器就能夠?qū)崿F(xiàn)。使得對其他氣體的交叉敏感性最小化(其他氣體可能會分享參考?xì)怏w吸收譜的小部分，但不足以針對'J 、濃度形成 大的信號變化)。氣體靈敏度比其他技術(shù)高很多，而且不受變化的環(huán)境條 件或參數(shù)改變的影響。此外，壓力波的交流幅度，以及同樣地，麥克風(fēng) 發(fā)出的電信號的交流幅度會相對樣品氣體中的參考?xì)怏w濃度的變化而立 即改變。熱電堆紅外線檢測器的熱時(shí)間常數(shù)不再決定紅外線源的最大調(diào) 制頻率。
參照圖6，采用本發(fā)明的吸收性光聲氣體傳感器的用于泄漏檢測或者 監(jiān)測應(yīng)用的完整的氣體檢測系統(tǒng)900包括如上所述的氣體傳感器組件 100主系統(tǒng)PCB 800。主系統(tǒng)板800具有足夠的功率源(例如，電池、交 流電力線)，模擬信號前端(增益和帶通濾波器)820,帶有集成的(或 外部的)A/D 832和PWM (脈沖寬度調(diào)制或脈沖寬度調(diào)制器)834能力 的CPU以及執(zhí)行數(shù)字信號處理(DSP )運(yùn)算836的軟件，紅外線源的功 率驅(qū)動器840,以及用戶接口 850。
在圖6的示例性實(shí)施例中說明的CPU 830包括集成的A/D轉(zhuǎn)換器832 (用于對輸入信號進(jìn)行:取樣)和PWM轉(zhuǎn)換器834 (用于驅(qū)動紅外線源 320)。這是一個(gè)低甚至最低成本/復(fù)雜性的解決方案。A/D和PWM轉(zhuǎn)換 器可能獨(dú)立于CPU存在。還可以想到，通過相當(dāng)大的努力，能夠根本不 采用任何數(shù)字元件來實(shí)現(xiàn)類似的應(yīng)用。因此，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以想 象利用下面描述的基本原理但采用純模擬實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。
PWM 834可以配置為產(chǎn)生提供給紅外線源驅(qū)動器840的變占空比的 方波信號845?？紤]到紅外線源320的熱時(shí)間常數(shù)，選擇PWM 834的基 礎(chǔ)頻率以使系統(tǒng)的檢測速度和靈敏度最佳。對于具有低熱容量紅外線源 的系統(tǒng)，可以使用10Hz的基礎(chǔ)頻率來增加檢測的速度。PWM 834的占 空比通過紅外線源驅(qū)動器840控制施加到紅外線源320上的功率，可以 在DSP 836的控制下從0%變化到100%。超過50%的占空比導(dǎo)致紅外線 源320消耗的功率增加，卻不會顯著增加信號幅度，因此PWM控制的 實(shí)際范圍限制在0%到50%。紅外線源320的功率消耗限制可能會進(jìn)一步 限制PWM占空比的實(shí)際最大值。此外，可以對基礎(chǔ)PWM信號845的"開" 周期部分施加第二階段的PWM調(diào)制，產(chǎn)生復(fù)合的PWM信號846。這允許對施加到紅外線源320的功率進(jìn)行超精細(xì)的調(diào)整，因此允許對傳感器 100發(fā)出的信號的幅度進(jìn)行精細(xì)的控制。第二階段的調(diào)制器可以在遍及 0%到100%的整個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。理想地， 一個(gè)或者兩個(gè)PWM 通過程序進(jìn)行調(diào)節(jié)以使傳感器100輸出信號的動態(tài)范圍最小。當(dāng)兩個(gè)PWM同時(shí)使用時(shí)，最終施加給紅外線源320的能量與兩個(gè) 占空比的乘積成比例。例如，如果主(粗)調(diào)制器工作在12%的占空比 下，而輔(細(xì))調(diào)制器工作在80%的占空比下，紅外線源320的最終功 率是兩個(gè)調(diào)制器均操作在100%占空比時(shí)紅外線源320總功率的9.6%。有可能使用一個(gè)很高解析度(同樣很昂貴)的PWM 834代替兩階段 PWM834并^是供同樣精細(xì)的調(diào)節(jié)能力，但是兩階段的實(shí)現(xiàn)方式準(zhǔn)確、成 本低，并且容易通過集成在CPU 830上的單個(gè)的解析度適中的PWM 834 實(shí)現(xiàn)，CPU 830具有附加的計(jì)算機(jī)代碼用以產(chǎn)生兩階段的能力。在PWM834控制定時(shí)和施加到紅外線源320上的功率的同時(shí)，其同 樣控制A/D轉(zhuǎn)換器832和DSP 836 (將在下面描述)的定時(shí)835。這允許 在信號處理階段抵制包含在模擬信號中的同步噪聲。PWM信號845或846被輸出到紅外線源驅(qū)動器840。這僅僅是經(jīng)適 當(dāng)調(diào)節(jié)的電源電路和晶體管開關(guān)，在PWM信號的"開"周期847,該晶體 管開關(guān)閉合并向紅外線源320供應(yīng)電流，而在PWM信號的"關(guān)"周期848, 該晶體管開關(guān)開啟并中斷給紅外線源320的電流。在兩階段PWM的配 置中，應(yīng)該注意到，在主"關(guān)，，周期847,紅外線源320得不到功率，但是 在主"開"周期848，紅外線源得到的是在開和關(guān)之間迅速切換的功率。這 些主開/關(guān)周期的頻率與紅外線源320的熱時(shí)間常數(shù)是高度可比擬的，所 以紅外線源320在"開"周期848真正得到的是驅(qū)動信號的平均功率。作 為實(shí)際的例子，粗PWM具有10Hz的基礎(chǔ)頻率(比紅外線源的熱時(shí)間常 數(shù)慢)，細(xì)PWM可能具有1280Hz的基礎(chǔ)頻率(遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于熱時(shí)間常數(shù))。 上面描述的單階段和兩階段PWM模式在圖7的圖中進(jìn)行說明。從經(jīng)過調(diào)制的紅外線源發(fā)出的紅外能量113傳播通過樣品腔112并 進(jìn)入?yún)⒖记?22。與參考?xì)怏w123的吸收帶對應(yīng)的紅外能量的波長周期性 地加熱參考?xì)怏w123，形成粗PWM的基礎(chǔ)頻率(例如，10Hz)的聲壓脈沖。這導(dǎo)致對應(yīng)的交流信號從麥克風(fēng)510發(fā)出傳遞到預(yù)增益/濾波器PCB 組件400。該預(yù)增益/濾波器PCB組件400可以具有偏壓電^各430用以向 麥克風(fēng)510供電，具有直流阻斷電容器用以從麥克風(fēng)信號中除去任何直 流成分，后面跟著是放大器和低通濾波器電路。放大器和低通濾波器可 以具有大小為50的增益和6db/倍頻(octave)下降(roll-off), 3db點(diǎn)在 47Hz處。對增益和濾波器特性進(jìn)行選^^以使預(yù)增益/濾波器PCB組件400 發(fā)出的信號(例如，10Hz)的幅度最大化，同時(shí)削弱任何可能導(dǎo)致放大 器截短和扭曲信號的高頻噪聲成分。最終的信號是具有粗PWM基礎(chǔ)頻 率的交流波形。該交流波形，可能仍然包含粗PWM頻率的諧波形式的噪聲，以及 沒有被低通濾波器濾除的中頻(mid-range)噪聲，被傳播到氣體檢測儀 器的主系統(tǒng)板800的增益和帶通濾波器電路820。該濾波器820可以是第 二、第四或更高階的帶通濾波器，通帶中心大約位于粗PWM基礎(chǔ)頻率 (例如，10Hz)上，帶寬為2Hz (例如，9Hz到11Hz的信號可以通過， 所有其他信號被阻斷)。濾波器820可以具有6.4的通帶增益。該電路輸 出的最終的信號是干凈的、低扭曲的交流信號，具有粗PWM的頻率， 幅度由紅外線源功率(PWM占空比)以及可用于激勵參考腔122中的目 標(biāo)氣體樣品的紅外功率的數(shù)量決定。最后，最終的信號可以被引導(dǎo)至CPU830,在這里信號被集成的A/D 轉(zhuǎn)換器832數(shù)字化。取樣速率可以選擇為粗PWM速率的多倍(允許進(jìn) 行同步噪聲降低和信號檢測)，并且足夠高以滿足奈奎斯特(Nyquist)標(biāo) 準(zhǔn)?？梢赃x擇例如每秒鐘640個(gè)采樣點(diǎn)的取樣速率，產(chǎn)生320Hz的奈奎 斯特頻率，比期望通過帶通濾波器的最高頻率多一個(gè)數(shù)量級。依賴于應(yīng) 用，A/D轉(zhuǎn)換器832可以具有10比特或更高的解析度。數(shù)字采樣流可以通過程序傳遞給DSP 836,然后DSP進(jìn)行PWM控 制、信號量化、校準(zhǔn)以及檢測。傳遞給DSP的經(jīng)數(shù)字化的交流信號的幅 度包含了與進(jìn)入?yún)⒖记?22并激勵參考?xì)怏w的紅外能量的數(shù)量有關(guān)的全 部信息。交流波形同時(shí)包含幅度成分和相位成分。有用的幅度信息必須 提取而相位信息則被丟棄。有大量的一般的方法可以實(shí)現(xiàn)這種提取，每種都有各自的缺點(diǎn)。提取幅度成分的最簡單的方法是信號整流和求平均(同樣已知為包 絡(luò)檢測)。這種方法非常慢(求平均必須在很多信號周期上實(shí)現(xiàn)，也許幾 十個(gè)信號周期，以形成相當(dāng)穩(wěn)定的信號幅度的直流表示)。這種方法還傾 向于在整流過程中產(chǎn)生大量的錯誤。峰值檢波是另 一種基本的方法，可以針對漸增的幅度產(chǎn)生較快的結(jié) 果，但是對于漸減的幅度則很慢，因?yàn)檩敵鲂盘柋仨毭黠@比交流波形的周期衰退得更慢以進(jìn)行歸零(clean)操作。這種方法同樣對高頻噪聲及 其敏感。包絡(luò)檢測和峰值檢測是數(shù)字領(lǐng)域中容易實(shí)現(xiàn)的基本技術(shù)，具有低復(fù) 雜性的計(jì)算機(jī)代碼和可忽略的處理功率(對于低成本普通CPU )。一種更為先進(jìn)的信號幅度提取方法被稱為"鎖相"放大(也已知為同 步檢測)。在這種方法中，信號與同頻率的幅度不變的正弦波(本地振蕩 器或LO)"混合"(算術(shù)地相乘)。然后，在較長的時(shí)間周期上對乘積求 平均，以形成與下列因素成比例的直流信號(a)交流信號的幅度；以 及(b)交流信號相對LO的相位的相位。通常，同步檢測器具有控制器 用以調(diào)節(jié)信號與LO之間的相位關(guān)系，從而是混合的結(jié)果最大化。這種情 況發(fā)生在輸入信號和LO之間為0。相位差時(shí)。通過增加自動追蹤輸入信 號相位的能力，相位的依賴性得到極大的削弱。在低成本應(yīng)用中，可以 使用方波LO代替正弦波LO 。同步檢測的主要好處在于精度和靈敏度。依賴于平均濾波器的時(shí)間 常數(shù)，可以從大量的噪聲中準(zhǔn)確地提取出非常小的信號幅度。兩個(gè)主要 的缺點(diǎn)是速度(需要相當(dāng)大量的求平均)和相位噪聲(對信號與LO之間 相位關(guān)系的變化敏感)。同步檢測通常需要中等數(shù)量的處理功率以便數(shù)字 地執(zhí)行(通過計(jì)算機(jī)程序)，并且隨著各種相位補(bǔ)償技術(shù)的加入復(fù)雜性顯 著增加。同步檢測既可以通過模擬方案又可以通過數(shù)字方案實(shí)現(xiàn)。正交(quadrature)檢測可用于消除影響同步檢測器的相位敏感性。 在這種方法中，信號由兩個(gè)正交(在兩個(gè)LO信號之間存在90度的相位 差)工作的本地振蕩器相乘。 一個(gè)LO稱為正弦振蕩器，而另一個(gè)稱為余弦振蕩器。就像在同步檢測器中那樣，每個(gè)LO的基礎(chǔ)頻率與要檢測的信 號相同。在較長的時(shí)間上對兩個(gè)乘積求平均，隨后將它們組合成復(fù)數(shù)， 平均后的正弦積值作為實(shí)分量而平均后的余弦積值作為虛分量?，F(xiàn)在這 個(gè)復(fù)合的結(jié)果同時(shí)包含原來波形的幅度信息和相位信息?，F(xiàn)在提取幅度信息就是筒單地確定該復(fù)數(shù)的移相器幅度，可以通過應(yīng)用畢氏定理得出幅度=)實(shí)分量)2+(虛分量)2 正如在同步檢測中那樣，可以用兩個(gè)正交工作的方波代替正弦波以 簡化生成或計(jì)算。正交檢測很大的好處在于，它不需要對輸入信號的相位進(jìn)行補(bǔ)償并 且對相位噪聲不敏感。同時(shí)，它具有與同步;^全測相同的精度和靈敏性特 性。不幸的是，仍然需要在許多信號周期上求平均，導(dǎo)致響應(yīng)較慢。此 外，就計(jì)算復(fù)雜性和處理功率而言，正交檢測在數(shù)字領(lǐng)域是極其昂貴的。 正交檢測既可以通過模擬方案又可以通過數(shù)字方案實(shí)現(xiàn)?；谝陨厦枋觯梢源_定需要一種算法，能夠從交流波形中快速地 提取幅度信息，并且具有正交檢測器的精度、靈敏度以及相位不敏感性。 另外，還期望這種算法計(jì)算起來足夠簡單以便于在低成本微處理器上執(zhí) 行。將連續(xù)的模擬交流波形轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字樣本的好處是，可以選擇 取樣速率，使得對于波形的每個(gè)周期都產(chǎn)生已知數(shù)量的采樣值。因此， 計(jì)算機(jī)算法可以寫成對于一個(gè)完整周期進(jìn)行信號幅度的正交計(jì)算而無需 對許多周期求平均。例如，如果交流波形的基礎(chǔ)頻率為10Hz,每秒鐘產(chǎn) 生640個(gè)釆樣值，波形的每個(gè)周期則產(chǎn)生64個(gè)采樣值。這64個(gè)值可以 與正弦和余弦正交波形混合，在整個(gè)周期上求平均，并且結(jié)合起來形成 用以計(jì)算波形這個(gè)周期的幅度信息的復(fù)數(shù)值。對于這些信號特性和取樣 定時(shí)，每秒鐘會產(chǎn)生10個(gè)準(zhǔn)確的幅度計(jì)算?？梢赃M(jìn)一步對這10個(gè)最終 的值進(jìn)行數(shù)字濾波，以消除剩余的高頻偽影(artifact),形成可以繼續(xù)進(jìn) 行進(jìn)一步處理的代表原始交流波形RMS幅度的10Hz的數(shù)值序列。雖然這導(dǎo)致檢測速度比傳統(tǒng)方法有了數(shù)量級上的改善，但是可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)速率還能夠進(jìn)一步提高。如果上次的64個(gè)取樣值的"移動窗口"中 的數(shù)據(jù)可以用作計(jì)算每個(gè)取樣周期(與每個(gè)信號周期相對)的數(shù)據(jù)組，這將產(chǎn)生每秒鐘640個(gè)準(zhǔn)確的幅度數(shù)據(jù)點(diǎn)。表示檢測速度又一個(gè)數(shù)量級 的增加。不幸的是，這種方法需要在每個(gè)取樣周期中進(jìn)行正弦和余弦乘 法，128個(gè)數(shù)據(jù)單元(64個(gè)正弦、64個(gè)余弦)的算術(shù)平均，以及移相器 幅度計(jì)算。通常，這種數(shù)學(xué)運(yùn)算足夠復(fù)雜而排除了在低成本微處理器上 的執(zhí)行。雖然如此，可以確定本發(fā)明的算法執(zhí)行如上所述的計(jì)算，但是 具有足夠低的復(fù)雜性以便于在低成本的微處理器上有效地執(zhí)行。本發(fā)明 的算法在這里被稱為快速數(shù)字正交檢測。這種快速數(shù)字正交檢測算法采用兩個(gè)累加器(微處理器的寄存器的 組合)， 一個(gè)用于正弦求和， 一個(gè)用于余弦求和，還采用了兩個(gè)陣列，每 個(gè)為64個(gè)字長，還是一個(gè)用于正弦一個(gè)用于余弦。該陣列作為循環(huán)緩沖 器工作。與計(jì)算每個(gè)取樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的正弦和余弦值不同，通過程序確定是 否基于取樣好對來自兩個(gè)累加器中每一個(gè)的新的取樣值進(jìn)行加或減運(yùn) 算。對于10Hz的交流波形和每秒鐘640個(gè)采樣點(diǎn)的取樣速率，在交流波 形的每個(gè)完整周期中會有64個(gè)采樣點(diǎn)。這些采樣點(diǎn)被編號為0到63。對 于余弦函數(shù)，對于采樣點(diǎn)0到7以及48到63,采樣值被加到余弦累加器 上，而對于采樣點(diǎn)8到47,采樣值被從余弦累加器上減去。這些加減運(yùn) 算模擬了交流信號與兩個(gè)幅度一致的正交方波信號(例如，相位差為90 度)的乘法。此外，采樣值或者其負(fù)值被放置到每個(gè)循環(huán)緩沖器中，盡 管符號被計(jì)算為與上面的結(jié)果相反。例如，對于采樣號0到31，采樣值 的負(fù)數(shù)被存儲在正弦循環(huán)緩沖器中。在上面的加減運(yùn)算之前，循環(huán)緩沖 器中最早的值，表示在64個(gè)采樣值之前已經(jīng)加到累加器上的來自前一波 形周期的對應(yīng)的采樣號的相反值，在被新值替換之前被加到正弦和余弦 累加器上。通過這種方式，正弦和余弦累加器總是包含整個(gè)信號周期上 的完整的正弦與余弦和(平均值)，無需重新計(jì)算每個(gè)取樣周期上的所有 128個(gè)(兩個(gè)64個(gè)值的和)值的和，因此導(dǎo)致計(jì)算功率的顯著減少。最 后，對每個(gè)取樣周期計(jì)算這些和的移相器幅度，如下文所述。如果"是正弦累加器的值而6是余弦累加器的值，那么移相器幅度c等價(jià)于:盡管看起來復(fù)雜，這個(gè)公式可以由低成本微處理器容易并有效地基 于以下算法執(zhí)行*計(jì)算a*a的積以及b*b的積； *計(jì)算這些積的和；*通過查找表、分段近似以及二進(jìn)制移位計(jì)算這個(gè)和的以2為底的 對數(shù)；參通過單次二進(jìn)制右移計(jì)算該對數(shù)一皮2除的商；*通過查找表、分段近似以及二進(jìn)制移位對2進(jìn)行自乘達(dá)到該商次 冪，從而計(jì)算最終的幅度。作為本發(fā)明的快速數(shù)字正交檢測的結(jié)果，每個(gè)取樣周期完成一次準(zhǔn) 確地反映最近64個(gè)采樣值的交流波形幅度的計(jì)算，或者說每秒鐘640次。 最終的數(shù)據(jù)流看起來像表示交流信號的隨時(shí)間變化的RMS值的直流信 號，其可以利用傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行處理?？梢允褂每焖贁?shù)字正交檢測算法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流通過一 階段和兩階段 PWM對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)?？梢曰跉怏w檢測系統(tǒng)的類型(例如，氣體監(jiān)測 儀或泄漏檢測器)以及校準(zhǔn)時(shí)假設(shè)氣體樣品中存在目標(biāo)氣體的可能性來 選擇校準(zhǔn)方法。一旦經(jīng)過校準(zhǔn)，可以基于應(yīng)用(氣體泄漏檢測、氣體監(jiān)測等)由微 控制器通過各種方式進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)流。處理的結(jié)果經(jīng)過微處理器的I/O 接口 838通過用戶接口 850指示給操作者，用戶接口可以包括如下設(shè)備 進(jìn)行聲音指示的揚(yáng)聲器、電子指示器856,例如，LED顯示器、LED陣 列、LCD圖形文字?jǐn)?shù)字或線條圖顯示器，或者任何類型的機(jī)械、光學(xué)或 聲音的信號設(shè)備858,例如振動器。數(shù)據(jù)流同樣可以經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)或其它類型<formula>formula see original document page 29</formula>的連接(包括無線方式)直接發(fā)送給主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者微處理器，以進(jìn)一步進(jìn)行氣體濃度信息的處理、記錄、傳輸或顯示。用戶接口 850還可 以包含多個(gè)輸入設(shè)備852以控制氣體檢測儀器的操作，比如，按鈕、觸 覺或接觸開關(guān)、觸摸屏、鍵盤或鍵區(qū)、電位計(jì)，或者模擬控制器。還可 以經(jīng)由用戶接口 850提供通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(包括無線形式)或主計(jì)算機(jī) 進(jìn)行的遠(yuǎn)程控制?；谇懊娴恼f明，本發(fā)明可以使用計(jì)算機(jī)程序或者工程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)， 包括計(jì)算機(jī)軟件、固件、硬件或者其任意組合或子集合。任何這樣的最 終的程序，具有計(jì)算機(jī)可讀的代碼裝置，可以在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀 介質(zhì)中收錄或提供，由此形成本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，即，制造出的 物品(article of manufacture )。該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以是，例如，固定(硬) 驅(qū)動器、磁盤、光盤、磁帶、半導(dǎo)體存儲器比如只讀存儲器(ROM)等， 或者任何傳輸/接受媒介，比如互聯(lián)網(wǎng)或者其他通信網(wǎng)絡(luò)或連接。該包含 計(jì)算機(jī)代碼的制造出的物品可以通過直接從一個(gè)介質(zhì)上執(zhí)行代碼，通過 從一個(gè)介質(zhì)復(fù)制到另一個(gè)介質(zhì)，或者通過在網(wǎng)絡(luò)上傳輸代碼而制造和/或 使用。計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠容易地將如上形成的軟件與適當(dāng) 的通用或特定用途的計(jì)算機(jī)硬件結(jié)合以形成實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)或計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)。制造、使用或者銷售本發(fā)明的裝置可以是一個(gè)或多 個(gè)處理系統(tǒng)，包括但不限于，中央處理單元(CPU)、內(nèi)存、存儲器、通 信連接和設(shè)備、服務(wù)器、1/0設(shè)備或者實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)處理系統(tǒng) 的子部分，包括軟件、固件、硬件或者其任意組合或子集。用戶輸入可 以接收自鍵盤、鼠標(biāo)、筆、觸摸屏、按鈕、或者人能夠用以向計(jì)算機(jī)輸 入數(shù)據(jù)的任何其他裝置，包括通過其他程序，比如應(yīng)用程序。圖14是用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的方塊圖。該計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)處理器，比如處理器1404。該處理器1404與通信 基礎(chǔ)設(shè)置1402 (例如，通信總線、交叉條(cross-over bar)或網(wǎng)絡(luò))連 接。根據(jù)這個(gè)示例性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對各種軟件實(shí)施例進(jìn)行描述。閱讀該說 明之后，如何使用其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和/或計(jì)算機(jī)體系來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明對本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以包括顯示接口 1408,其轉(zhuǎn)發(fā)來自通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 1402 (或來自未示出的框架緩沖器)的圖形、文本以及其他數(shù)據(jù)，用以 在顯示單元1410上進(jìn)行顯示。該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還包括主存儲器1406,優(yōu)選 為隨機(jī)存取存儲器(RAM),并且還可以包括輔助存儲器1412。該輔助 存儲器1412可以包括，例如，硬盤驅(qū)動器1414和/或可移動存儲驅(qū)動器 1416,意指軟盤驅(qū)動器、磁帶驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器等?？梢苿哟鎯︱?qū)動 器1416讀和寫存儲了計(jì)算機(jī)軟件和/數(shù)據(jù)的軟盤、磁帶、光盤等。該系統(tǒng) 還包括資源表1418,用于管理資源RrRn,比如磁盤驅(qū)動器、》茲盤陣列、 磁帶驅(qū)動器、CPU、內(nèi)存、有線及無線通信接口、顯示器及顯示接口， 包括圖14中示出的所有資源以及未示出的其它資源。在可選的實(shí)施方式中，輔助存儲器1412可以包括允許向計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 導(dǎo)入計(jì)算機(jī)程序或其他指令的其他類似裝置。這樣的裝置可以包括，例 如，可移動存儲單元1422和*接口 1420。這樣的例子包括程序盒以及盒才矣 口 (比如可在視頻游戲設(shè)備上看到的接口 )，可移動存儲芯片(比如 EPROM或PROM)和相關(guān)的插座，以及其他允許乂人可移動存4諸單元1422 性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳送軟件和數(shù)據(jù)的可移動存儲單元1422及接口 1420。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還可以包括通信接口 1424。通信接口 1424同時(shí)用作輸入 和輸出，并允許在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和外部設(shè)備之間傳遞軟件和數(shù)據(jù)。通信接 口 1424的例子包括調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口 (比如以太網(wǎng)卡)、通信端口、 PCMCIA槽和卡，等等。經(jīng)由通信接口 1424傳輸?shù)能浖蛿?shù)據(jù)是信號形 式的，可以是，例如，電子、電磁、光或者其他能夠由通信接口 1424接 收的信號。這些信號經(jīng)由通信通道(即，信道)1426提供給通信接口 1424。 該信道1426承載信號，并且可利用電線或電纜、光纖、電話線、蜂窩電 話連接、射頻連接、和/或其他通信信道來實(shí)現(xiàn)。在本文中，術(shù)語"計(jì)算機(jī)程序介質(zhì)"、"計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)"、"計(jì)算機(jī)可 讀介質(zhì)"通常用于指代下面的介質(zhì)，比如，主存儲器1406和輔存儲器1412、 可移動存儲驅(qū)動器1416、安裝在硬盤驅(qū)動器1414中的硬盤、以及信號。 這些計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品是用于向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供軟件的裝置。計(jì)算機(jī)可讀 介質(zhì)允許計(jì)算機(jī)系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)、指令、消息或消息包，以及其他來自計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的計(jì)算機(jī)可讀信息。例如，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以包括非易失性存儲器，比如，軟盤、ROM、閃存、^茲盤驅(qū)動存儲器、只讀光盤以 及其他永久性存儲器。這對于例如在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間傳輸信息，比如， 數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)指令，非常有用。此外，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以包括處于暫 時(shí)狀態(tài)的計(jì)算機(jī)可讀信息，比如允許計(jì)算機(jī)讀取這種計(jì)算機(jī)可讀信息的 網(wǎng)絡(luò)連接和/或網(wǎng)絡(luò)接口 ，包括有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)程序(也稱為計(jì)算機(jī)控制邏輯)存儲在主存儲器1406和/或輔 存儲器1412中。還可以通過通信接口 1424接收計(jì)算機(jī)程序。當(dāng)執(zhí)行時(shí)，這樣的計(jì)算機(jī)程序使得計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)這里所討論的本發(fā)明的特征。特 別地，當(dāng)執(zhí)行時(shí)，這些計(jì)算機(jī)程序使得處理器1404能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 的特征。因此，這種計(jì)算機(jī)程序表現(xiàn)為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制器。如圖9所示，頂部和底部殼體930和910分別通過螺4丁 916裝配起來， 形成小的、人體工學(xué)的且容易使用的封裝。分別通過俘獲螺釘942和952 緊固在底部殼體910上的傳感器室的蓋子940和電源室的蓋子950完成 了儀器的封裝，并且為傳感器IOO和電源960 (例如，AA號電池)的安 裝/去除提供了便捷的途徑。殼體910、 930以及蓋子940、 950可以由塑 料模制而成(ABS、聚碳酸酯或其他材料)。頂部殼體930可以包括塑料或其他材料的裝飾按鈕932及其彈簧 934，用以控制儀器的操作，并且包括塑料或其他材料的透明光管936, 用以向操作者提供可視的操作和泄露信息。當(dāng)然，該實(shí)施例僅僅是示例， 可以設(shè)想任何其他的操作控制。揚(yáng)聲器網(wǎng)板(grill) 938可以形成在頂部 殼體930中(或其他位置)用以向操作者傳送聲音信息。底部殼體910可以形成有傳感器室918和電源室919 (圖12)分別 用以容納傳感器100和電源960?？梢园惭b電池*接觸器860以與電源960 的電池的終端形成電連接。同樣可以在底部殼體910中形成兩個(gè)氣體4妄 觸器912和914,分別將傳感器100的入口 116和出口 114連"t妻到纟笨測器 700的探測器樣品軟管750 (圖10)以及管道組件610。如圖10所示，探測器組件700包括探測器體710,由鋼或其他材料的細(xì)長彎曲部件(gooseneck)構(gòu)成(為了柔韌性)，鋁或其他材料的支撐 點(diǎn)套管(anchor bushing) 720,用于將探測器組件固定在儀器上，以及鋁 或其他材料的螺紋套管730，用于將探測器帽740固定在合適的位置。柔 性的乙烯樹脂或其他材料的樣品軟管750可以是帶螺紋的并沿著探測器 組件的長度，為樣品氣體提供了從探測器尖端到儀器的確定的通路。出 于裝飾目的，可以在細(xì)長彎曲部件的表面形成聚碳酸酯或其他材料的蓋 層。過濾器可以容納在螺紋套管730內(nèi)并通過探測器帽740固定在合適 的位置，以防止污垢、塵土或濕氣沿著探測器軟管750吸入并進(jìn)入儀器。 探測器組件700通過支撐點(diǎn)套管720和一個(gè)螺釘916固定到頂部和底部 殼體930和910上。樣品軟管末端752連接到氣體入口連接器912,其完 成進(jìn)入傳感器100的樣品氣流通道。各種電子和機(jī)械元件容納于由頂部和底部殼體930和910形成的腔 體內(nèi)，從而完成儀器的裝配。這包括電路板組件800、抽吸泵600以及管 道組件610。抽吸泵600可以固定在儀器900的主體內(nèi)，或者如圖9所示 安裝在電路板組件800上以簡化組裝過程。除了上述的抽吸泵600,電路板組件800還可以包括電池連接器 860中一部分或全部，用以從電源960的電池終端向電路板組件的電子元 件提供功率，卡邊連接器810，用以將傳感器100的卡邊312電連接到電 路板組件800，開關(guān)852 (與按鈕932機(jī)械地連接)，用以控制儀器900 的操作，揚(yáng)聲器854,用以通過揚(yáng)聲器網(wǎng)板938向操作者產(chǎn)生聲音信息， 以及LED指示器856,用以通過光管936向操作者產(chǎn)生視覺信息。盡管 圖9中沒有示出，電路板組件800上還包括模擬信號前端元件820、 CPU 元件830 (具有內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器832、 PWM轉(zhuǎn)換器834、 DSP軟件836 以及I/O 838 ),以及紅外線源驅(qū)動元件840?？ㄟ呥B接器810可以穿過底 部殼體910上的開口突出出來進(jìn)入傳感器室918,從而方便在傳感器100 的卡邊312和電路板組件800的卡邊連接器810之間形成電連接。氣體出口連接器914可以經(jīng)由管道組件610以及適當(dāng)?shù)呐浼c抽吸 泵600的入口連接，管道組件可以由柔性的乙烯樹脂或其他材料的軟管。 管道組件610還可以包括限制抽取通過傳感器的樣品氣體的流速所需的其他設(shè)備，比如，流量限制器或其他設(shè)備。管道組件610完成了從傳感器100的出口 ，經(jīng)過氣體出口連接器914,到抽吸泵600的樣品氣體流通 路。抽吸泵600的出口可以直接向儀器900的主體內(nèi)排氣，或者通過附 加的、未示出的管道組件向主體的外部開口。由管道組件610和抽吸泵 600的能力決定的穿過樣品氣體流通道的流速，應(yīng)該足夠高以進(jìn)行快速檢 測，也應(yīng)該足夠低以防止沖淡較小的泄漏和檢測困難。例如100和500 之間的流速似乎在檢測速度和靈敏度之間提供了可接受的折衷。參照圖11和12，清楚地說明了從儀器900中移除傳感器100或電源 960,或者將其替換的情況。為了替換傳感器100,才喿作者通過^HH孚獲 螺釘942移除傳感器室的蓋子940,露出傳感器室918中的傳感器100。 然后，他取下兩個(gè)螺釘920,允許從傳感器室中將傳感器100自由地拔出。 然后新的傳感器被壓倒傳感器室中的合適的位置，在傳感器100的紅外 線源卡邊312和電路板800的卡邊連接器810之間自動地形成電連接。 氣體連接器同樣形成在傳感器100的入口和出口 116、 114與儀器900的 底部殼體910的氣體入口和出口連接器912、 914之間。最后，把螺釘920 放回原位以將傳感器100固定到儀器900上，裝上傳感器室的蓋子并通 過俘獲螺釘942固定在適當(dāng)?shù)奈恢?。電?60電池通過類似的方式替換。操作者通過松開俘獲螺釘952 移除電源室的蓋子950,露出電源960電池。然后取下耗盡的電池，換上 新電池。最后，裝上電源室的蓋子950并通過俘獲螺釘952固定在適當(dāng) 的位置。在一個(gè)實(shí)施例中，示例性的泄漏檢測儀器900的操作的所有方面都 由操作者通過由按鈕932帶動的單個(gè)開關(guān)852進(jìn)行控制，包括上電、斷 開、改變靈敏度以及重啟。運(yùn)行情況由LED指示器856通過光管936可 視地指示，并由揚(yáng)聲器854通過揚(yáng)聲器網(wǎng)板938可聽見地指示。為操作儀器900,操作者按動按鈕932,開啟上電序列。該上電序列 使抽吸泵600以及電路板組件800的所有電子元件激活，可以包括初始 的預(yù)熱序列，緊跟著自動校準(zhǔn)序列。商店序列的情況可以通過LED指示 器(通過掃描模式)可視地以及通過揚(yáng)聲器(通過特定的嘟都聲模式)可聽見地指示纟會^操作者。在預(yù)熱序列的開始，將單階段或兩階段PWM 834的占空比設(shè)置為初 始值。例如兩階段PWM的細(xì)PWM可以設(shè)置為80%,而兩階段PWM的 粗PWM可以設(shè)置為25%。這開始通過紅外線源驅(qū)動器840驅(qū)動紅外線 源320，在參考腔122中形成聲壓脈沖，并形成從麥克風(fēng)510經(jīng)過預(yù)增益 /濾波器PCB組件400和模擬前端820到A/D轉(zhuǎn)換器832的交流電信號。 隨著電子元件的穩(wěn)定允許該信號短時(shí)間平靜(1或2秒鐘)，利用通過探 測器700吸取的環(huán)境空氣(可能包含或不包含目標(biāo)氣體的背景污染)使 樣品腔112清零。在這個(gè)時(shí)間周期完成時(shí)，儀器開始校準(zhǔn)的操作序列。為了使氣體檢測儀器的動態(tài)范圍(即，能夠準(zhǔn)確測量的氣體濃度的 范圍)最大化，有必要在不超出轉(zhuǎn)換器最大可允許輸入的范圍的情況下， 使呈現(xiàn)給A/D轉(zhuǎn)換器832的交流信號的幅度盡可能地大。例如，如果A/D 轉(zhuǎn)換器具有0到3VDC的輸入電壓范圍，呈現(xiàn)給轉(zhuǎn)換器的信號的幅度必 須不超過3VAC p-p (峰值對峰值)。通過調(diào)節(jié)PWM 834的占空比的值可 以對該幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了操作簡單，儀器的軟件可以在上電序列的校 準(zhǔn)序列中自動地調(diào)整這些值。這個(gè)序列可以由一系列逐漸變小的步組成， 每一步產(chǎn)生一個(gè)更接近最佳操作所需的PWM占空比值的近似值。這種 方法稱為連續(xù)近似法。在連續(xù)近似校準(zhǔn)序列的每一步中，計(jì)算交流電壓的RMS值(通過快 速數(shù)字正交檢測算法)，將該值與表示最大AC信號(例如， 3VACp-p) 的RMS值的目標(biāo)值進(jìn)行比較，做出決定增加粗PWM的占空比(如果算 得的值比目標(biāo)值小)或減小粗PWM的占空比(如果算得的值比目標(biāo)值 大)。盡可能地執(zhí)行這個(gè)步驟以達(dá)到粗PWM轉(zhuǎn)換器的最終解析度。最后， 以同樣的方式調(diào)節(jié)細(xì)PWM的占空比?；谶@個(gè)校準(zhǔn)序列的完成，粗PWM 和細(xì)PWM中的每一個(gè)都在最佳的占空比值下工作，從而產(chǎn)生呈現(xiàn)給A/D 轉(zhuǎn)換器的最佳幅度的交流信號。最終算得的相當(dāng)接近目標(biāo)值的RMS值， 可以作為"重設(shè)"值存儲在CPU存儲器中；也就是說，該值表示在不存在 超過環(huán)境背景濃度的目標(biāo)氣體濃度存在時(shí)的傳感器信號。例如，在二氧 化碳?xì)怏w檢測器的情況下，允許甚至在總是存在350到400ppm或更多的背景污染物時(shí)實(shí)現(xiàn)儀器的最佳校準(zhǔn)。
作為附加的優(yōu)點(diǎn)，在校準(zhǔn)序列中，有可能確定傳感器以及因此確定 儀器是否工作在其規(guī)范之內(nèi)。隨著傳感器的老化，可能會發(fā)生長期的有 害影響，比如，紅外線源退化或者灰塵、污垢或濕氣聚集在樣品腔112
的反射表面或窗口 150和160的傳輸表面上。這些影響會導(dǎo)致紅外線源
產(chǎn)生最佳幅度交流信號所需發(fā)射的功率數(shù)量隨著時(shí)間增加。在該序列期
間，如果發(fā)現(xiàn)粗PWM占空比必須超過可以安全地呈現(xiàn)給紅外線源的值 (例如，40%),那么儀器會自動地關(guān)閉給紅外線源的功率(以防止給傳感 器和/或儀器造成進(jìn)一步的損害)，并且例如通過LED指示器和聽得見的 報(bào)警警告操作者出現(xiàn)了問題。通過這種方式，操作者可以確定儀器正在 其規(guī)范之內(nèi)操作，而且有機(jī)會在發(fā)生問題之前更換傳感器。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)， 在示例性的泄漏4企測儀器中，適當(dāng)?shù)恼伎毡?粗PWM與細(xì)PWM的占空 比的乘積)工作范圍可以在8% (新傳感器)和40% (老化的傳感器)之 間變化。這個(gè)較寬的范圍允許在必須更換傳感器之前、在較長的時(shí)間周 期上發(fā)生顯著的傳感器退化。此外，較低的占空比(例如，小于40%) 和較低熱容量的紅外線源結(jié)合，允許較長的電源(電池)壽命(達(dá)到20 小時(shí))，甚至使用較小的AA號電池。
整個(gè)的上電序列，包括預(yù)熱和校準(zhǔn)，可能只需要執(zhí)行10秒鐘，之后 儀器開始操作測量階段。在測量階段的開始，儀器可以自動地將其靈敏 度水平設(shè)置為"高"水平，而且發(fā)出連續(xù)的嘟嘟聲并閃爍LED以指示操作 者該設(shè)備正在適當(dāng)?shù)貓?zhí)行功能。
在"高"靈敏度水平，選擇預(yù)定的閾值，其表示一些低于"重設(shè)"RMS 值的RMS值。任何時(shí)候，如果樣品腔中的目標(biāo)氣體的濃度增加導(dǎo)致傳感 器信號的RMS值下降到低于閾值，儀器可以向操作者報(bào)警，例如，與傳 感器信號RMS值減'J 、到閾值以下的量成比例地增加警報(bào)的音調(diào)和速率。 LED指示器也可以以類似的漸進(jìn)的方式發(fā)光。這種向操作者報(bào)警的方法 不僅提供了與濃度增加有關(guān)的信息，而且給出了增加量的定性的說明。 同樣可以有一個(gè)或多個(gè)較低的靈敏度水平，可能需要更大的濃度變化來 產(chǎn)生同樣水平的警報(bào)。例如，操作者可以通過"雙擊"(例如，類似于計(jì)算機(jī)鼠標(biāo))按鍵932來選擇各種預(yù)設(shè)的靈壽丈度。在可選擇的實(shí)施例中， 可以包括模擬電位計(jì)或刻度盤控制設(shè)備從而在連續(xù)的靈敏度范圍內(nèi)調(diào)節(jié) 儀器。此外，操作者可以選擇在當(dāng)前的濃度水平上使警報(bào)靜音，使得儀器 只在更高的濃度水平上發(fā)出警報(bào)。他可以通過快速地按壓按鈕實(shí)現(xiàn)這種功能，使當(dāng)前的傳感器信號RMS值替換CPU存儲器中存儲的先前的"重 設(shè)"值。這個(gè)功能在這里稱為"重設(shè)"。例如，可以通過按下按鈕并短時(shí)間保持(例如， 一秒半)來關(guān)閉儀 器。應(yīng)該認(rèn)識到，盡管在示例性的實(shí)施例中，所有的操作特征都通過單 個(gè)的按鈕控制，但是其同樣可以通過多個(gè)按鈕或控制器進(jìn)行控制，每個(gè) 控制一個(gè)或多個(gè)不同的特征。在儀器的操作期間，參數(shù)和環(huán)境的變化可能導(dǎo)致呈現(xiàn)給A/D轉(zhuǎn)換器 的交流信號緩慢地偏離最佳的目標(biāo)值，即使樣品腔中目標(biāo)氣體的濃度保 持不變。CPU能夠識別這種情況，可以自動地對細(xì)PWM占空比的值進(jìn) 行緩慢的、輕微的調(diào)整以維持最佳的性能。上面描述的示例性實(shí)施例的儀器的 一 種實(shí)際的應(yīng)用是氣體泄漏檢 測，這種情況下必須識別并定位受壓容器的很小的氣體泄漏。通常，技 術(shù)人員或在遠(yuǎn)離容器或其他目標(biāo)氣體源的地方打開儀器并等待上電序列 的完成。隨后，將探測器的尖端緩慢地(例如，少于每秒鐘2英寸)向 可疑的泄漏處(例如，在四分之一英寸之內(nèi))移動。如果檢測到泄漏(在 探測器尖端處氣體濃度增加)，會發(fā)出警報(bào)指示泄漏的存在。在大量泄漏 的情況下，操作者可以將儀器的控制變成較低靈敏度，和/或利用"重設(shè)，， 特征使操作者能夠?qū)?zhǔn)(zero into)泄漏的準(zhǔn)確位置。知道了泄漏的確切 位置，可以進(jìn)行修補(bǔ)，并重新檢查容器以便確認(rèn)滿意的條件。圖13示出了本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例；在這種情況下為氣體監(jiān) 測器。氣體監(jiān)測不同于氣體泄漏檢測，氣體監(jiān)測器并不確定氣體濃度的 迅速變化，而是準(zhǔn)確地確定特定位置處氣體濃度的數(shù)量，并在濃度超過 預(yù)定的限制或一組限制時(shí)警告操作者。通常期望氣體監(jiān)測器在較長的周 期上自動地工作，只需在超過氣體濃度限制或者出于維護(hù)的目的時(shí)才進(jìn)行干預(yù)。與泄漏檢測儀器類似，氣體監(jiān)測儀器900被構(gòu)建在適合監(jiān)測器所期望工作的環(huán)境的外殼中。包括傳感器100及其相應(yīng)的元件部分，帶CPU 的830的主電路板800,模擬和紅外線驅(qū)動元件820和840，以及用戶沖妄 口 850。用戶接口可包括與泄漏檢測設(shè)備類似的指示設(shè)備，包括LED和/ 或LCD指示器、陣列和顯示器，以及發(fā)出聲音信號的設(shè)備(揚(yáng)聲器)。 可以包括一個(gè)或多個(gè)按鈕、鍵區(qū)或其他的控制器，用以控制儀器的操作。 還可以通過電線或網(wǎng)絡(luò)(無線或相反)連接到主計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備，用 以通過主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并隨后對氣體濃度信息進(jìn)行處理、 存儲、顯示或傳輸。探測器組件700可以替換為雙向的氣體閥760(或可以交替工作的兩 個(gè)或多個(gè)單向氣體閥)。氣體閥的一個(gè)入口可以與已知不包含目標(biāo)氣體 (例如，外部環(huán)境氣體)的4交準(zhǔn)氣體源60連接，而另一個(gè)入口可以與尋皮 監(jiān)測的環(huán)境氣體50連接。閥的出口可以被引向傳感器100的入口 116, 因此將氣體50或60導(dǎo)入到樣品腔112中?？梢杂蒀PU 830經(jīng)CPU I/O 838 通過控制信號762自動地控制閥760,從而，在一個(gè)操作模式(校準(zhǔn)模式) 下，將校準(zhǔn)氣體60吸入樣品腔112,而在另一個(gè)操作模式(分析模式) 下，將環(huán)境氣體50吸入樣品腔112。在另一個(gè)變化形式中，校準(zhǔn)氣體60 可以是由汽缸、氣袋或其他來源提供的已知濃度的目標(biāo)氣體(包括零濃 度)。氣體監(jiān)測儀器900可以設(shè)置在要收集和分析氣體濃度信息的區(qū)域。 CPU 830可以促使測量循環(huán)周期性地(例如，每分鐘、每小時(shí)、每天或 者更長時(shí)間測量一次)或者連續(xù)地發(fā)生。每個(gè)測量循環(huán)可以包括校準(zhǔn)階 段和分析操作階段。在一個(gè)示例性操作方法中，校準(zhǔn)階段可以包括如下步驟切換閥760 以將校準(zhǔn)氣體60導(dǎo)向傳感器100的樣品腔112;打開抽吸泵600，因此 將校準(zhǔn)氣體抽取到樣品腔中；以及通過PWM 834經(jīng)由紅外線源驅(qū)動器 840激發(fā)紅外線源320的預(yù)熱和校準(zhǔn)循環(huán)(由此在校準(zhǔn)氣體中存在已知濃 度(可以為零)氣體的情況下，確定使最佳的傳感器信號呈現(xiàn)給A/D轉(zhuǎn)換器832的PWM占空比的值)。(通過快速正交檢測算法計(jì)算得到的) 最終的RMS信號可以存儲為表示已知校準(zhǔn)氣體濃度的RMS值。在另 一個(gè)操作方法的校準(zhǔn)階段中，設(shè)定表示已知?dú)怏w濃度的最佳 RMS信號的預(yù)定的PWM占空比(在制造過程中編排的或者先前通過手 動或自動的校準(zhǔn)循環(huán)存儲的)，因此避免了在每個(gè)分析循環(huán)中對樣品校準(zhǔn) 氣體的需要。預(yù)定的RMS值表示在前一次校準(zhǔn)循環(huán)中取樣的校準(zhǔn)氣體濃 度所期望的RMS信號?；谛?zhǔn)階段的完成，開始操作的分析階段。CPU 830將閥760切 換為將環(huán)境氣體50導(dǎo)向傳感器100。短時(shí)間之后，計(jì)算出在存在環(huán)境氣 體的情況下表示交流傳感器波形幅度的新RMS值，并且通過應(yīng)用比爾-朗伯方程，利用在設(shè)計(jì)和/或制造傳感器時(shí)預(yù)定的系數(shù)，計(jì)算出環(huán)境氣體 中目標(biāo)氣體的濃度。然后，該氣體濃度通過用戶接口顯示，傳送至主計(jì)算機(jī)，和/或與一 個(gè)或多個(gè)預(yù)先編排的設(shè)置點(diǎn)進(jìn)行比較，這些設(shè)置點(diǎn)可以激活警報(bào)，用以 警告操作者氣體濃度是否超過了這些水平。最后，CPU可以關(guān)閉儀器以節(jié)省電源能量，并等待下一個(gè)分析周期。應(yīng)該理解，這里所描述的示例和實(shí)施方式僅僅用于解釋的目的，本 領(lǐng)域技術(shù)人員可以由此想到各種修改或變化，這些修改和變化應(yīng)該包含 在本申請的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種用于感知至少一種預(yù)定氣體存在的氣體傳感器，所述氣體傳感器包括紅外線源；麥克風(fēng)；與至少一種要檢測的預(yù)定氣體實(shí)質(zhì)上類似的參考?xì)怏w；在其中限定了參考腔的參考體，參考腔具有與麥克風(fēng)連接的壓力口，以及寬帶光學(xué)窗口，至少與預(yù)定氣體的吸收峰相對應(yīng)的紅外線波長可以從所述光學(xué)窗口中通過，光學(xué)窗口設(shè)置在紅外線源與參考腔之間，參考?xì)怏w被包含在光學(xué)窗口和麥克風(fēng)之間的參考腔中。
2. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中，所述紅外線源是低熱 容積的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，進(jìn)一步包括插入在紅外線源 和樣品氣體之間的輔助寬帶光學(xué)窗口 ，用以隔離紅外線源和樣品氣體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體傳感器，其中，所述輔助光學(xué)窗口是 上游的紅外線窗口 ，而光學(xué)窗口是下游的紅外線窗口 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中，所述壓力口與麥克風(fēng) 聲學(xué)地連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體傳感器，其中，所述上游和下游的窗 口是下面組中的一個(gè)，所述的組包括蘭寶石、熒石、硒化鋅、硅以及鍺。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體傳感器,其中，可以涂覆所述上游和 下游的窗口以窄化由上游及下游窗口傳導(dǎo)的紅外能量的頻帶。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，進(jìn)一步包括第一印刷電路板，所述第一印刷電路板與紅外線源操作地連接并且 包括用于和氣體檢測儀器配合的電接觸器；以及第二印刷電路板，所述第二印刷電路板與麥克風(fēng)操作地連接并且包 括主動濾波電路以及與第 一 印刷電路板電連接的接觸器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氣體傳感器，進(jìn)一步包括歧管，所述歧管 與參考體連接并在靠近參考腔的位置限定出樣品腔，樣品腔具有用于接 收和排放樣品氣體的入口和出口 ，紅外線源被設(shè)置為引導(dǎo)紅外能量穿過 樣品腔中的樣品氣體。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的氣體傳感器，進(jìn)一步包括輔助寬帶光學(xué) 窗口，所述輔助寬帶光學(xué)窗口設(shè)置在紅外線源和樣品腔之間，從而將產(chǎn) 生自紅外線源的紅外能量分給樣品氣體，輔助光學(xué)窗口為上游的紅外線 窗口而光學(xué)窗口為下游的紅外線窗口 ，紅外線源被設(shè)置為引導(dǎo)紅外能量 首先穿過上游窗口，然后穿過樣品腔中的樣品氣體，然后穿過下游窗口 并進(jìn)入?yún)⒖細(xì)怏w。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的氣體傳感器，其中，所述樣品腔通過下 列至少一種方式處理，拋光、電鍍以及鍍金。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中，所述參考腔通過下 列至少一種方式處理，拋光、電鍍以及鍍金。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的氣體傳感器，其中，所述參考腔通過下 列至少一種方式處理，拋光、電鍍以及鍍金。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中，所述紅外線源可操 作地通過PWM波形驅(qū)動，PWM波形發(fā)生器與紅外線源揭:作連4妄。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的氣體傳感器，其中，所述PWM波形發(fā) 生器可以是單階段發(fā)生器或者兩階段發(fā)生器。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的氣體傳感器，其中，所述紅外線源可操 作地通過PWM波形驅(qū)動，PWM波形發(fā)生器與紅外線源操作連接。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的氣體傳感器，其中，所述PWM波形發(fā) 生器可以是單階段發(fā)生器或者兩階段發(fā)生器。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中，所述參考?xì)怏w為二 氧化碳。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中，所述麥克風(fēng)是駐極 體電容器麥克風(fēng)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體傳感器，進(jìn)一步包括手持式氣體4全測儀器，所述手持式氣體檢測儀器包括歧管，所述歧管與參考體連接并在靠近參考腔的位置限定出樣品腔， 樣品腔具有用于接收和排放樣品氣體的入口和出口 ，紅外線源被設(shè)置為 引導(dǎo)紅外能量穿過樣品腔中的樣品氣體，第一印刷電路板，所述第一印刷電路板與紅外線源操作地連接并且具有與紅外線源電連接用以和氣體檢測儀器配合的第 一接觸器；第二印刷電路板，所述第二印刷電路板與麥克風(fēng)操作地連接并且具有主動濾波電路以及與第一印刷電路板電連接的第二接觸器； 電源；電路板組件，所述電路板組件與電源操作地連接，并包括 與第 一和第二印刷電路板操作地連接的傳感器電路；與入口和出口中的至少一個(gè)流體地連4妄的抽吸泵； 用于激勵紅外線源、傳感器和泵中的至少一個(gè)的控制器； 用于讀取儀器狀態(tài)的指示器； 探測器，所述探測器限定出貫穿其中的、與入口流體地連接的內(nèi)腔；以及外殼，所述外殼限定出傳感器室，所述傳感器室的尺寸適于在其中安裝紅外線源、麥 克風(fēng)、參考體以及上游和下游光學(xué)窗口，和電源室，所述電源室的尺寸適于在其中安裝電源。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的氣體傳感器，其中，所述氣體探測儀器 是氣體泄漏探測儀和氣體監(jiān)測儀中的一種。
22. —種用于感知至少一種預(yù)定氣體存在的氣體傳感器，所述氣體 傳感器包括紅外線源；麥克風(fēng)；與至少 一種要檢測的預(yù)定氣體實(shí)質(zhì)上類似的參考?xì)怏w； 在其中限定了參考腔的參考體，參考腔具有與麥克風(fēng)連接的壓力口 ； 與參考體連接并在靠近參考腔的位置限定出樣品腔的歧管，樣品腔具有用于接收和排放樣品氣體的入口和出口 ；設(shè)置在參考腔和樣品腔之間，并且設(shè)置在紅外線源和參考腔之間的 下游寬帶光學(xué)窗口 ，至少與預(yù)定氣體的吸收峰相對應(yīng)的紅外線波長可以 從所述下游寬帶光學(xué)窗口中通過，參考?xì)怏w被包含在下游光學(xué)窗口和麥 克風(fēng)之間的參考腔中；設(shè)置在紅外線源和樣品腔之間用以隔離紅外線源與樣品腔中的樣品 氣體的上游寬帶光學(xué)窗口；紅外線源，所述紅外線源被設(shè)置為引導(dǎo)紅外能量首先穿過上游窗口 ， 然后穿過樣品腔中的樣品氣體，然后穿過下游窗口并進(jìn)入?yún)⒖細(xì)怏w；第一印刷電路板，所述第一印刷電路板與紅外線源操作地連接，并 且包括用以與氣體檢測儀器配合的電接觸器，第二印刷電路板，所述第二印刷電路板與麥克風(fēng)操作地連接，并且 包括主動濾波電路以及與第 一 印刷電路板電連接的接觸器。
23. —種手持式氣體檢測器，包括電源；外殼，所述外殼限定出尺寸適于在其中安裝根據(jù)權(quán)利要求22所述的氣體傳感器的傳感器室；以及尺寸適于在其中安裝電源的電源室；電路板組件，所述電路板組件與電源操作地連接，并包括 與第 一 和第二印刷電路板操作連接的傳感器電路； 抽吸泵，所述抽吸泵與入口和出口中的至少一個(gè)流體地連接； 控制器，所述控制器用于激勵紅外線源、傳感器和泵中的至少一個(gè)；以及用于讀取儀器狀態(tài)的指示器；以及探測器，所述探測器限定出貫穿其中的、與入口流體地連接的內(nèi)腔。
全文摘要
一種用于感知?dú)怏w存在的氣體傳感器，包括紅外線源，麥克風(fēng)，與至少一種要檢測的氣體實(shí)質(zhì)上類似的參考?xì)怏w，在其中限定了參考腔的參考體，參考腔具有與麥克風(fēng)連接的壓力口，以及寬帶光學(xué)窗口，至少與預(yù)定氣體的吸收峰相對應(yīng)的紅外線波長可以從所述光學(xué)窗口中通過。光學(xué)窗口設(shè)置在紅外線源與參考腔之間。參考?xì)怏w被包含在光學(xué)窗口和麥克風(fēng)之間的參考腔中。該傳感器可以包括于一種手持式氣體檢測儀器中，該儀器具有電源、外殼、電路板組件，所述電路板組件包括傳感器電路、抽吸泵、激勵控制器以及狀態(tài)指示器。探測器限定出貫穿其中的內(nèi)腔，供應(yīng)樣品氣體。
文檔編號G01M3/04GK101303298SQ20081010068
公開日2008年11月12日 申請日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月7日
發(fā)明者丹尼斯·卡迪納爾 申請人:丹尼斯·卡迪納爾;科爾企業(yè)有限公司