專利名稱：光聲傳感器的制作方法
光聲傳感器
背景技術(shù)：
光聲傳感器可以用來基于樣本氣體的分子在暴露于某些頻率的輻射能時吸收能 量并達(dá)到較高水平的分子振動和旋轉(zhuǎn)、從而達(dá)到較高溫度和壓力的趨勢來檢測樣本氣 體。當(dāng)對輻射能進行調(diào)幅時，結(jié)果得到的可用于吸收的能量的波動產(chǎn)生相應(yīng)的溫度和壓 力波動?？梢允褂渺`敏檢測器來生產(chǎn)表示樣本氣體的壓力波動的電輸出，可以對該電輸 出進行分析以評估樣本氣體的性質(zhì)或?qū)傩?。然而，高效且?jīng)濟地控制光聲傳感器對樣本氣體的訪問(access)是具有挑戰(zhàn)性 的任務(wù)。


在附圖的圖中以示例的方式、而不是以限制的方式舉例說明某些實施例，在附 圖中圖1舉例說明根據(jù)示例性實施例的光聲傳感器；圖2舉例說明根據(jù)示例性實施例的控制如圖1所示的光聲傳感器的氣室的訪問的 控制信號；圖3舉例說明根據(jù)示例性實施例的測量周期期間的如圖1所示的光聲傳感器的電 輸出信號；以及圖4是舉例說明根據(jù)示例性實施例的通過使用如圖1所示的光聲傳感器來檢測樣 本氣體的方法的流程圖。
具體實施例方式在以下說明中，出于解釋的目的，闡述了許多特定細(xì)節(jié)以便提供示例性實施例 的透徹理解。然而，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說應(yīng)顯而易見的是可以在沒有這些特定細(xì) 節(jié)的情況下實施本申請的實施例。本文所述的各種實施例利用光聲氣體檢測來檢測和識別氣體樣本。光聲氣體檢 測的一個原理是基于通過由目標(biāo)氣體選擇性地吸收紅外輻射來測量在氣室或腔中產(chǎn)生的 壓力變化。測量包括采樣周期和檢測周期。在檢測期間，可以用例如調(diào)制窄帶紅外輻射 來照射氣室中的樣本氣體。然后，在對入射的紅外輻射進行調(diào)制時樣本氣體進行加熱和 冷卻。此類溫度波動又產(chǎn)生壓力波，該壓力波被例如擴音器的檢測器檢測。擴音器生成 電輸出信號，可以對該電輸出信號進行處理和分析以識別存在于樣本氣體中的物質(zhì)并評 估在氣室中收集的樣本氣體的性質(zhì)或?qū)傩裕鐫舛戎?。本申請的各種實施例提供一種光聲傳感器，其包括具有開口的氣室或腔；光 源，該光源產(chǎn)生輻射以輻射所述氣室內(nèi)的樣本氣體；檢測器，該檢測器檢測所述氣室內(nèi) 的樣本氣體以響應(yīng)于由所述輻射引起的被輻射樣本氣體的壓力波動所生成的聲信號而生 成輸出電信號；以及主動閥，該主動閥具有與所述氣室的所述開口對準(zhǔn)的揚聲器。所述揚聲器可以具有與喇叭類似或相同的結(jié)構(gòu)。例如，該揚聲器可以具有永磁
4體、音圈、和附著于該音圈的隔膜(或錐體)。該揚聲器可以用來通過施加控制信號來控 制氣室的訪問，所述控制信號可以是AC控制信號或DC控制信號。在一個示例性實施例中，使用AC控制信號來控制氣室的訪問。在采樣期間， AC控制信號向揚聲器施加高電壓以促使音圈反復(fù)地使隔膜脫離與氣室的開口的接觸，并 因此反復(fù)地打開氣室以從環(huán)境引入樣本氣體。而在檢測期間，AC控制信號向揚聲器施加 低電壓，因此，音圈的彈力促使隔膜不變地保持與氣室的開口接觸以密封氣室。在另一示例性實施例中，使用DC控制信號來控制對氣室的訪問。在采樣期間， DC控制信號向揚聲器施加偏壓以使音圈縮回到揚聲器中，促使所附著的隔膜與氣室的開 口脫離接觸，并因此打開氣室以從環(huán)境引入樣本氣體。而在檢測期間，DC控制信號不向 揚聲器施加偏壓，因此音圈的彈力推動隔膜與氣室的開口接觸以密封氣室。圖1是根據(jù)示例性實施例的光聲傳感器100的方框圖。光聲傳感器100可以包 括具有開口 104的氣室102 ；光源106，其產(chǎn)生輻射以輻射氣室102內(nèi)的樣本氣體；檢 測器108，其檢測氣室102內(nèi)的樣本氣體；以及主動閥，其具有與氣室102的開口 104對 準(zhǔn)的揚聲器110。檢測器108可以是例如擴音器，其可以響應(yīng)于由來自光源106的輻射 引起的被輻射樣本氣體的壓力波動所生成的聲信號而生成電輸出信號OS。在一個實施例 中，提供擴音器108對樣本氣體的壓力變化的訪問，還提供密封以防止氣體不通過開口 104而進入氣室102或從氣室102逸出。在某些實施例中，光聲傳感器100還可以包括濾光器116，其位于光源106與氣 室102之間以過濾進入氣室的輻射。在某些實施例中，可以使用調(diào)制器118來調(diào)制在檢 測樣本氣體期間由光源106生成的輻射。在一個實施例中，濾光器116還提供密封以防 止氣體不通過開口 104而進入氣室102或從氣室102逸出。在某些實施例中，光聲傳感器100的揚聲器110可以包括永磁體(圖1未示出)、 圍繞所述永磁體的音圈112、和附著于音圈112的隔膜114。例如，揚聲器110可以相對 于氣室102對準(zhǔn)，使得在檢測期間，隔膜114的中央部分可以與氣室102的開口 104的邊 緣接觸，并因此可以密封氣室102。在某些實施例中，為了提高或改善密封效果，可以用例如輕油材料或軟質(zhì)橡膠 等材料的層涂敷面對氣室102的開口 104的揚聲器110的隔膜114的表面，以保證在檢測 期間隔膜114與氣室102的開口 104之間的緊密接觸。由于氣室102在檢測期間保持被 緊緊地密封，所以在檢測時噪聲的影響減小，因此，檢測的信噪比提高。圖2舉例說明根據(jù)示例性實施例的控制氣室102的訪問的具有高電壓電平Vcin和 低電壓電平Vcifr的控制信號CS。例如，可以向揚聲器110施加控制信號CS以控制氣室 102的訪問，使得在采樣期間，氣室102反復(fù)或一直打開，因此樣本氣體可以進入氣室 102，同時在檢測期間，氣室102 —直保持密封。控制信號CS可以是例如AC控制信號 或DC控制信號。在一個示例性實施例中，使用DC控制信號CS來控制氣室100的訪問。在采樣 期間，DC控制信號CS向揚聲器110的音圈112施加偏壓Vcin以使音圈112縮回到揚聲 器110中以使隔膜114脫離與氣室102的開口 104的接觸，并因此促使氣室110打開以允 許樣本氣體從環(huán)境進入氣室102。而在檢測期間，DC控制信號CS不向揚聲器110施加 偏壓Vcifp并且音圈112的彈力推動隔膜114與氣室102的開口 104接觸，并因此密封氣室 102。在另一示例性實施例中，使用AC控制信號CS來控制氣室100的訪問。在采樣 期間，將AC控制信號CS設(shè)置在Vcin以引起音圈112的振動，并因此以所選的工作頻率 反復(fù)地打開和關(guān)閉氣室102的開口 104以將新的樣本氣體引入氣室102中，所述振動促使 隔膜114(附著于音圈112)相對氣室102的開口 104進行往復(fù)運動。而在檢測期間，將 AC控制信號CS設(shè)置在Vcifp并且音圈112的彈力推動隔膜114與氣室102的開口 104接 觸，并因此密封氣室102。例如，AC控制信號CS可以具有例如小于IOHz的驅(qū)動頻率?？梢詫⒏裟?14 的工作頻率選擇為處于例如音下頻的水平，例如約0.1Hz。在一個實施例中，控制信號CS來自單獨的控制器件或控制器120，諸如集成電 路。在其它實施例中，基于計算機的算法可以從檢測器108或調(diào)制器118接收輸出信號 并根據(jù)此類輸入生成控制信號。在另一實施例中，控制信號CS來自調(diào)制器118。在另 一實施例中，控制信號CS是由擴音器108生成的電輸出信號OS的一部分。圖3舉例說明根據(jù)示例性實施例的測量周期期間的如圖1所示的光聲傳感器100 的電輸出信號OS。在測量周期內(nèi)，存在兩種狀態(tài)，即采樣狀態(tài)或檢測狀態(tài)。在檢測期間，擴音器108可以檢測氣室102內(nèi)的樣本氣體，并響應(yīng)于由輻射引起 的被輻射樣本氣體的壓力波動所生成的聲信號而生成輸出電信號Os。電輸出信號OS可 以用來分析氣室102內(nèi)部的樣本氣體的屬性(例如，濃度)。例如，在檢測期間，可以調(diào)制紅外光源106以輻射氣室102中的樣本氣體而促 使氣室102內(nèi)的樣本氣體在入射的紅外輻射被調(diào)制時進行加熱和冷卻。這些溫度波動又 生成可以由擴音器108來檢測的壓力波，并因此生成電輸出信號OS。可以對來自擴音 器108的電輸出信號OS進行處理和分析以評估密封在氣室102中的樣本氣體的性質(zhì)或?qū)?性。例如，通過分析獲得的密封在氣室102中的樣本氣體的頻譜，用戶可以識別存在于 樣本氣體中的物質(zhì)，并確定氣室102內(nèi)的樣本氣體的物質(zhì)的濃度。通過使用本申請的光 聲傳感器，可以使用各種已知技術(shù)來檢測樣本氣體的性質(zhì)或?qū)傩?。如圖2所示，可以用控制信號來控制例如測量周期內(nèi)的采樣狀態(tài)和檢測狀態(tài)。 當(dāng)揚聲器110打開氣室102時，發(fā)生采樣狀態(tài)。這時，樣本氣體進入氣室102。當(dāng)揚聲 器密封氣室102時，發(fā)生檢測狀態(tài)?？梢允┘佣虝貉舆t以排除在揚聲器關(guān)閉氣室102時 會發(fā)生的壓力瞬變。在此延遲之后，將對來自擴音器108的電輸出信號OS進行采樣和處 理以導(dǎo)出當(dāng)前氣體濃度。將從光源驅(qū)動信號導(dǎo)出各種狀態(tài)時間。例如，用8Hz光源驅(qū)動 頻率，采樣狀態(tài)將是約1秒或8個光源循環(huán)(cycle)，并且檢測狀態(tài)將是約9秒或72個燈 循環(huán)?？梢詫@些時間進行調(diào)整以產(chǎn)生期望的靈敏度和響應(yīng)?？梢栽诿總€檢測狀態(tài)結(jié)束 時檢測樣本氣體的新濃度值。在某些實施例中，可以使用控制器120來控制調(diào)制器118、光源106、主動閥和 檢測器108的操作以便以針對各種實施例所述的方式操作。圖4是舉例說明根據(jù)實施例的通過使用如圖1所示的光聲傳感器來檢測樣本氣體 的方法400的流程圖。在方框410處，向氣室102的開口 104提供樣本氣體。在方框420處，控制揚聲器110的揚聲器隔膜114以選擇性地打開和關(guān)閉氣室102 的開口 104。在方框430處，輻射氣室102中的樣本氣體。在方框440處，生成表示被輻射氣體樣本的壓力波動的輸出信號。在某些實施例中，由施加于被附著于揚聲器隔膜114的揚聲器音圈112的AC控 制信號來控制揚聲器110。AC控制信號可以例如以小于IOHz的頻率打開和關(guān)閉氣室102 的開口 104。在某些實施例中，以機械方式使揚聲器隔膜114偏置以在未向音圈施加控制信 號時關(guān)閉氣室開口。雖然在本文中已描述了本申請的原理，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解的是本說明 僅僅是以示例的方式作出的且并不作為本申請的范圍的限制。因此，隨附權(quán)利要求意圖 涵蓋落入本申請的主旨精神和范圍內(nèi)的本申請的所有修改。
權(quán)利要求
1.一種光聲傳感器，包括氣室，其具有開口 ；光源，其產(chǎn)生輻射以輻射所述氣室內(nèi)的樣本氣體；檢測器，其檢測所述氣室內(nèi)的樣本氣體，并響應(yīng)于由所述輻射引起的被輻射樣本氣 體的壓力波動所生成的聲信號而生成輸出電信號；以及主動閥，其具有與所述氣室的所述開口對準(zhǔn)的揚聲器，所述揚聲器具有音圈和附著 于所述音圈的隔膜以控制對所述氣室的訪問。
2.權(quán)利要求1的光聲傳感器，其中，在采樣期間，控制信號向揚聲器施加偏壓以使所 述隔膜脫離與所述氣室的所述開口的接觸以打開所述氣室，并且在檢測期間，所述控制 電信號不向所述揚聲器施加偏壓以使所述隔膜保持與所述氣室的所述開口接觸而密封所 述氣室。
3.權(quán)利要求1的光聲傳感器，還包括位于所述光源與所述氣室之間以過濾輻射到所述 氣室中的輻射的濾光器。
4.權(quán)利要求1的光聲傳感器，其中，面對所述氣室的所述開口的所述隔膜的表面被涂 敷輕油或橡膠層。
5.權(quán)利要求1的光聲傳感器，其中，所述檢測器是擴音器。
6.權(quán)利要求1的光聲傳感器，還包括調(diào)制由所述光源產(chǎn)生的輻射的調(diào)制器。
7.權(quán)利要求6的光聲傳感器，其中，所述調(diào)制器生成控制所述主動閥的控制信號。
8.權(quán)利要求1的光聲傳感器，還包括控制器件，其生成控制所述主動閥的控制信號。
9.權(quán)利要求1的光聲傳感器，其中，控制所述主動閥的控制信號包括由所述檢測器生 成的輸出電信號的一部分。
10.—種光聲傳感器，包括氣室，其具有開口 ；光源，其產(chǎn)生輻射以輻射所述氣室內(nèi)的樣本氣體；檢測器，其檢測所述氣室內(nèi)的樣本氣體，并響應(yīng)于由所述輻射引起的被輻射樣本氣 體的壓力波動所生成的聲信號而生成輸出電信號；主動閥，其具有與所述氣室的所述開口對準(zhǔn)的揚聲器，所述揚聲器具有音圈和附著 于所述音圈的隔膜；以及用于生成AC控制信號以控制對所述氣室的訪問的裝置，其中，在采樣期間，所述 AC控制信號被設(shè)置為開以產(chǎn)生所述隔膜的振動以便以所選的工作頻率反復(fù)地打開和關(guān)閉 所述氣室的所述開口以將新的樣本氣體引入所述氣室中，并且在檢測期間，所述AC控制 信號被設(shè)置為關(guān)以關(guān)閉所述氣室的所述開口。
11.權(quán)利要求10的光聲傳感器，還包括位于所述光源與所述氣室之間以過濾到所述氣 室中的輻射的濾光器。
12.權(quán)利要求10的光聲傳感器，其中，所述AC控制信號可應(yīng)用于所述揚聲器的所述 音圈以控制所述氣室的訪問。
13.權(quán)利要求10的光聲傳感器，其中，所述AC控制信號具有驅(qū)動頻率。
14.權(quán)利要求10的光聲傳感器，所述隔膜的工作頻率被設(shè)置在音下頻的水平。
15.權(quán)利要求10的光聲傳感器，其中，面對所述氣室的所述開口的所述隔膜的表面被涂敷輕油或橡膠層。
16.權(quán)利要求10的光聲傳感器，其中，所述檢測器是擴音器。
17.—種方法，包括向氣室的開口提供樣本氣體；控制揚聲器隔膜以選擇性地打開和關(guān)閉所述氣室的所述開口 ； 輻射所述氣室中的樣本氣體；以及 生成表示被輻射氣體樣本的壓力波動的輸出信號。
18.權(quán)利要求17的方法，其中，由施加于被附著于所述揚聲器隔膜的音圈的AC控制 信號來控制所述揚聲器隔膜。
19.權(quán)利要求18的方法，其中，所述AC控制信號以一定的頻率打開和關(guān)閉所述氣室 的所述開口。
20.權(quán)利要求19的方法，其中，以機械方式使所述揚聲器隔膜偏置以在未向所述音圈 施加控制信號時關(guān)閉所述氣室開口。
全文摘要
本申請的各種實施例提供一種光聲傳感器(100)，其包括氣室(102)，其具有開口(104)；光源(106)，其產(chǎn)生輻射以輻射所述氣室內(nèi)的樣本氣體；檢測器(108)，其檢測所述氣室內(nèi)的樣本氣體，并響應(yīng)于由所述輻射引起的被輻射樣本氣體的壓力波動所生成的聲信號而生成輸出電信號；以及主動閥(110)，其具有與所述氣室的所述開口對準(zhǔn)的揚聲器。所述揚聲器具有音圈(112)和附著于該音圈的隔膜(114)。可對所述揚聲器施加控制信號(CS)以控制所述氣室的訪問。在采樣期間，所述控制信號促使所述揚聲器的所述音圈反復(fù)地或一直脫離所述隔膜與所述氣室的所述開口的接觸以允許樣本氣體進入所述氣室。而在檢測期間，所述音圈的所述彈力促使與氣室的開口緊密接觸的隔膜密封所述氣室。
文檔編號G01N21/11GK102016547SQ200980114235
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日
發(fā)明者T·M·雷扎徹克 申請人:霍尼韋爾國際公司