專利名稱：光聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開總地涉及傳感器技術(shù)，更具體地涉及一種光聲傳感器。
背景技術(shù)：
除非另有聲明，這一部分中所述的方法并非相對(duì)于該申請(qǐng)中權(quán)利要求是現(xiàn)有技術(shù)，并且并不承認(rèn)包括在這一部分中就是現(xiàn)有技術(shù)。在用于檢測(cè)一種或多種氣體的存在的多種應(yīng)用中使用氣體檢測(cè)裝置，氣體檢測(cè)裝置典型地構(gòu)成設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)對(duì)于人類或動(dòng)物可能有害的氣體的系統(tǒng)的一部分。例如，氣體檢測(cè)器通常用于監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w、毒氣、氧氣、CO2、揮發(fā)性有機(jī)化合物等的存在和/或濃度。這種氣體檢測(cè)裝置之一是光聲氣體傳感器。光聲氣體傳感器是通過聲裝置測(cè)量由氣體吸收的入射光的不同波長(zhǎng)的光學(xué)吸收。如果幅度調(diào)制光源被正在測(cè)試的氣體吸收，則所述氣體將被加熱和冷卻，產(chǎn)生了與光源的幅度和氣體的功率吸收系數(shù)成正比的聲能量。通過以這種方式測(cè)量不同波長(zhǎng)的光的吸收，產(chǎn)生了氣體的光學(xué)吸收譜，并且使用標(biāo)準(zhǔn)吸收光譜方法來識(shí)別所述氣體。與光學(xué)地測(cè)量光吸收并且具有有限靈敏度的其他光譜系統(tǒng)不同，光聲系統(tǒng)按照完全不同的方式測(cè)量由樣品吸收的光能量，并且可以具有高得多的靈敏度。一些光聲測(cè)量系統(tǒng)可用于以十億分之一(PPB)為單位測(cè)量，甚至進(jìn)入萬億分之一(PPT)的范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本公開的一個(gè)實(shí)施例總地涉及一種光聲傳感器。所述光聲傳感器可以包括:光調(diào)制器，配置為調(diào)制輸入光束，并且產(chǎn)生導(dǎo)引至樣品區(qū)域的調(diào)制光；聲傳感器的陣列，設(shè)置在所述樣品區(qū)域的周圍，所述聲傳感器陣列的每一個(gè)聲傳感器與所述樣品區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上等距，其中所述聲傳感器的每一個(gè)適用于響應(yīng)于在所述樣品區(qū)域中檢測(cè)到的聲能量來產(chǎn)生信號(hào)；以及控制器，耦合至所述聲傳感器，并且配置為基于由所述聲傳感器產(chǎn)生的信號(hào)來檢測(cè)在所述樣品區(qū)域中存在的一種或多種氣體。本公開的另一個(gè)實(shí)施例總地涉及一種檢測(cè)樣品中的一種或多種氣體的方法。所述方法可以包括:調(diào)制輸入光束以產(chǎn)生調(diào)制光；將調(diào)制光引導(dǎo)進(jìn)入包含所述樣品的區(qū)域中；從設(shè)置在所述區(qū)域周圍并且與所述區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上等距的多個(gè)聲傳感器收集聲信號(hào)；以及評(píng)估所收集的聲信號(hào)以檢測(cè)在所述樣品中存在的一種或多種氣體，其中所述聲信號(hào)由所述調(diào)制光與位于所述區(qū)域中的所述一種或多種氣體的至少一部分的相互作用產(chǎn)生。本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例總地涉及一種光聲傳感器，適用于檢測(cè)來自位于所述光聲傳感器的樣品區(qū)域中的樣品的一種或多種氣體。所述光聲傳感器可以包括:光柵，配置為將輸入光束分離為波長(zhǎng)分量;MEMS反射鏡陣列，配置為調(diào)制所述波長(zhǎng)分量以產(chǎn)生針對(duì)所述樣品區(qū)域的調(diào)制光分量；聲傳感器，設(shè)置在調(diào)制光分量通過的樣品區(qū)域附近，并且適用于響應(yīng)于在所述樣品區(qū)域中檢測(cè)的聲信號(hào)來產(chǎn)生電信號(hào)；以及控制器，耦合至所述聲傳感器，并且配置為基于由所述聲傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)來檢測(cè)在所述樣品區(qū)域中存在的所述一種或多種氣體的至少一部分。以上概述只是說明性的而不是意欲按照任何方式進(jìn)行限制。除了上述說明性的方面、實(shí)施例和特征之外，另外的方面、實(shí)施例和特征通過參考附圖和以下詳細(xì)描述將變得清楚明白。


根據(jù)結(jié)合附圖的以下描述和所述權(quán)利要求，本發(fā)明公開的前述和其他特征將變得更加清楚明白。這些附圖只是描述了根據(jù)本公開的幾個(gè)實(shí)施例，因此不應(yīng)該看作是限制其范圍.將通過使用附圖利用附加的特性和細(xì)節(jié)來描述本公開。在附圖中:圖1是光聲氣體傳感器的方框圖；圖2A是基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的光調(diào)制器的一種配置的不意圖；圖2B是基于MEMS的光調(diào)制器的另一配置的示意圖；圖2C是具有一個(gè)或多個(gè)窄帶光源(而非寬帶光源)的基于MEMS的光調(diào)制器的示意圖；圖2D是具有色散元件、MEMS反射鏡陣列、和調(diào)制窄帶光源陣列(而非寬帶光源)的窄帶光源的配置的示意圖；圖3是設(shè)置在樣品區(qū)域周圍的聲傳感器的一種配置的示意圖；圖4闡述了對(duì)光聲氣體檢測(cè)的方法加以概述的流程圖；以及圖5是說明了示例計(jì)算設(shè)備的方框圖，所述示例計(jì)算設(shè)備配置用于檢測(cè)樣品中的一種或多種氣體；所有附圖都根據(jù)本公開的至少一些實(shí)施例配置。
具體實(shí)施例方式以下詳細(xì)描述參考附圖，所述附圖形成了描述的一部分。在附圖中，除非上下文另有規(guī)定，類似的符號(hào)典型地表示類似的部件。在詳細(xì)描述、附圖和權(quán)利要求中描述的說明性實(shí)施例并非意味著限制。在不脫離這里所展現(xiàn)主題的精神和范圍的情況下，可以利用其他實(shí)施例并且可以進(jìn)行其他變化。應(yīng)該理解的是如這里一般性描述并且在附圖中說明的本公開的方面可以按照多種不同的配置進(jìn)行排列、替代、組合和設(shè)計(jì)，這里明確地考慮了這些內(nèi)容并將這些內(nèi)容作為本公開的一部分。本公開尤其涉及一種與氣體檢測(cè)裝置領(lǐng)域有關(guān)的方法、設(shè)備和系統(tǒng)，并且在一些示例中涉及空氣質(zhì)量微傳感器。本公開仔細(xì)考慮了傳統(tǒng)的光聲系統(tǒng)，并且認(rèn)識(shí)到這些系統(tǒng)依賴于昂貴的可調(diào)激光器和移動(dòng)光學(xué)部件，從而有很大的局限性，包括缺乏便攜性、對(duì)于外部噪聲和振動(dòng)的敏感、僅檢測(cè)有限數(shù)量的化合物的能力和/或笨重的尺寸。本公開闡述了如這里所述的光聲傳感器中的進(jìn)一步改善。本公開的一些實(shí)施例仔細(xì)考慮了用于光聲氣體檢測(cè)的設(shè)備，即對(duì)基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的光調(diào)制器和聲傳感器的環(huán)形陣列加以組合的光聲氣體傳感器?；贛EMS的光調(diào)制器可以提供靈活的波長(zhǎng)選擇性，所述靈活的波長(zhǎng)選擇性可以使得能夠檢測(cè)大量的化合物，并且聲傳感器的環(huán)形陣列可以測(cè)量光聲產(chǎn)生的聲信號(hào)，而不需要?dú)怏w傳感器的光聲單元的諧振增強(qiáng)。在一些實(shí)施例中，唯一的不相關(guān)確定性信號(hào)可以用于調(diào)制感興趣的每一個(gè)光波長(zhǎng)。在這些實(shí)施例中，可以使用先進(jìn)的信號(hào)處理，所述先進(jìn)的信號(hào)處理允許多個(gè)光學(xué)波長(zhǎng)的吸收譜的同時(shí)測(cè)量以及拒絕可能被聲傳感器的環(huán)形陣列檢測(cè)到的不想要的噪聲。在本公開的一些實(shí)施例中，描述了光聲氣體檢測(cè)的方法，其中將多個(gè)聲傳感器設(shè)置為光聲檢測(cè)器的樣品區(qū)域附近的陣列。陣列中的每一個(gè)聲傳感器可以相距樣品區(qū)域等距地設(shè)置?？梢詫拵Ч庠捶蛛x為一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)部件，其中每一個(gè)波長(zhǎng)部件可以被調(diào)制并且適用于照射氣體樣品。聲傳感器的陣列可以適用于通過將由每一個(gè)聲傳感器感測(cè)的聲信號(hào)相干地疊加來產(chǎn)生輸出信號(hào)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，可以通過唯一的不相關(guān)確定性調(diào)制信號(hào)來調(diào)制每一個(gè)波長(zhǎng)部件，并且可以使用調(diào)制信號(hào)作為哈達(dá)馬德變換(HFT)的基函數(shù)，例如利用快速HFT來數(shù)字化和處理聲傳感器的輸出。在這些實(shí)施例中，可以同時(shí)確定氣體樣品對(duì)多個(gè)光學(xué)波長(zhǎng)的吸收譜。圖1是根據(jù)本公開的至少一些實(shí)施例配置的光聲氣體傳感器100的方框圖。光聲氣體傳感器100可以包括寬帶光源110、基于MEMS的光調(diào)制器120、設(shè)置在樣品區(qū)域135周圍的聲傳感器131的環(huán)形陣列130以及微控制器140。在一些實(shí)施例中，光聲氣體傳感器100還可以包括適用于與用戶通信的網(wǎng)絡(luò)接口 150。寬帶光源110可以是寬帶紅外(IR)、可見或紫外(UV)光源，例如白熾燈、鹵素?zé)?、發(fā)光二極管(LED)或適用于向基于MEMS的光調(diào)制器120提供寬帶光源的其他光源。寬帶光源110可以配置為使用任意多種光學(xué)裝置(例如準(zhǔn)直透鏡、反射鏡等)將寬帶光111導(dǎo)引至基于MEMS的光調(diào)試器120。在一些示例中，基于MEMS的光調(diào)制器120可以包括衍射光柵和MEMS光調(diào)制器，每一個(gè)均在下面結(jié)合圖2A和2B詳細(xì)描述。在一些其他示例中，基于MEMS的光調(diào)制器120可以是任意其他的光調(diào)制器陣列，所述光調(diào)制器陣列可以配置為獨(dú)立地調(diào)制多個(gè)輸入光束的幅度。環(huán)形陣列130可以定位于樣品區(qū)域135周圍，并且與基于MEMS的光調(diào)制器120的光輸出112對(duì)準(zhǔn)，使得可以將光輸出112導(dǎo)引至樣品區(qū)域135。聲傳感器131可以是聲換能器或者一些其他類型的聲傳感器。樣品區(qū)域135是腔體，配置為包含由光聲氣體傳感器100進(jìn)行分析的所需氣體樣品。在一些實(shí)施例中，樣品區(qū)域135可以對(duì)周圍環(huán)境開放，以便于光聲氣體傳感器100的大氣操作。在一些其他實(shí)施例中，樣品區(qū)域135可以是閉合的采樣單元，例如聲單元，可以將樣品氣體抽吸到所述樣品單元中。微控制器140可以包括A/D轉(zhuǎn)換器14。微控制器140配置為向基于MEMS的光調(diào)制器120提供調(diào)制信號(hào)，并且還可以適用于對(duì)來自聲傳感器131的信號(hào)進(jìn)行接收、數(shù)字化和后處理。在一些示例中，A/D轉(zhuǎn)換器141可以在微控制器140的外部，而在一些其他示例中，A/D轉(zhuǎn)換器141可以在微控制器140的內(nèi)部。微控制器140可以是任意合適的處理器，包括但是不限于諸如微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)之類的通用處理器、或者諸如專用集成電路(ASIC)之類的專用處理器。光聲氣體傳感器100適用于以便于同時(shí)檢測(cè)一種或多種化合物的方式通過聲裝置測(cè)量氣體樣品的光吸收。在一些實(shí)施例中，光聲氣體傳感器100可以是“化學(xué)靈活的”，即可以將光聲氣體傳感器100重新編程以監(jiān)測(cè)不同的化合物，而不要求進(jìn)行硬件配置改變。另外在一些實(shí)施例中，由光聲氣體傳感器100正在測(cè)試的氣體樣品產(chǎn)生的光聲信號(hào)可以使用針對(duì)被吸收光的每一個(gè)波長(zhǎng)的唯一調(diào)制信號(hào)來產(chǎn)生，并且可以經(jīng)歷信號(hào)處理，所述信號(hào)處理使得能夠同時(shí)確定氣體樣品對(duì)于多個(gè)光波長(zhǎng)的吸收譜。下面結(jié)合圖2A和2B詳細(xì)描述這種調(diào)制信號(hào)和信號(hào)處理。當(dāng)光聲氣體傳感器100在操作時(shí)，寬帶光源110使用諸如會(huì)聚透鏡、反射鏡等之類的光學(xué)裝置將寬帶光111導(dǎo)引至基于MEMS的光調(diào)制器，使得寬帶光111按照要求進(jìn)入基于MEMS的光調(diào)制器120?；贛EMS的光調(diào)制器120適用于接收寬帶光111并且將其分離為多個(gè)波長(zhǎng)分量，并且可以選擇性地對(duì)寬帶光111的一個(gè)或多個(gè)所需波長(zhǎng)分量執(zhí)行二進(jìn)制幅度調(diào)制，即通/斷調(diào)制。依賴于光聲氣體傳感器100配置用于檢測(cè)的化合物的數(shù)量和類型，通過基于MEMS的光調(diào)制器120分離的寬帶光111的所需波長(zhǎng)分量的數(shù)量可以是是在幾十、幾百甚至幾千的量級(jí)。可以將寬帶光111分離為大量的波長(zhǎng)分量，因?yàn)榛贛EMS的光開關(guān)120可以包括:衍射光柵，配置為將寬帶光111在空間上分離為波長(zhǎng)分量，以及MEMS反射鏡陣列，配置為選擇性地執(zhí)行任意所需波長(zhǎng)分量的二進(jìn)制調(diào)制?；贛EMS的光調(diào)制器120可以輸出調(diào)制的光束112，然后所述調(diào)制的光束可以通過在樣品區(qū)域135中設(shè)置的氣體樣品。通過組成氣體樣品的一種或多種氣體吸收不同波長(zhǎng)的光，并且通過光聲效應(yīng)，可以通過氣體樣品產(chǎn)生聲波133。環(huán)形陣列130的聲傳感器131適用于感測(cè)聲波133并且將聲波133轉(zhuǎn)換為傳感器輸出132，所述傳感器輸出可以耦合至微控制器140進(jìn)行信號(hào)處理。環(huán)形陣列130可以配置為增強(qiáng)由聲傳感器131接收的聲波133的聲信號(hào)，并且使用相干疊加來減小聲傳感器131不想要的噪聲的聲信號(hào)。下面結(jié)合圖3更加詳細(xì)地描述了環(huán)形陣列130的配置和傳感器輸出132的相干疊加的使用。微控制器140可以設(shè)置為經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器141接收和數(shù)字化傳感器輸出132，并且也可以設(shè)置為執(zhí)行必要的數(shù)字信號(hào)處理以確定氣體樣品針對(duì)一個(gè)或多個(gè)所需波長(zhǎng)的吸收幅度。此外，微控制器140可以配置為向基于MEMS的光調(diào)制器120提供調(diào)制信號(hào)115，其中調(diào)制信號(hào)115可以是唯一的不相關(guān)確定性信號(hào)，所述信號(hào)配置為使得基于MEMS的光調(diào)制器120按照針對(duì)每一波長(zhǎng)分量唯一的模式執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)入射波長(zhǎng)分量的幅度的二進(jìn)制調(diào)制。在一個(gè)實(shí)施例中，微控制器140配置為通過串行或并行數(shù)字接口與基于MEMS的光開關(guān)120相接口。根據(jù)由樣品區(qū)域135中的氣體樣品吸收的波長(zhǎng)分量126的調(diào)制頻率來產(chǎn)生光聲產(chǎn)生的聲波133。因?yàn)樵诔暦秶鷥?nèi)(即在大于約20kHz的聲音頻率處)通常存在極小的環(huán)境噪聲，在一些實(shí)施例中，可以將施加至基于MEMS的光調(diào)制器120的調(diào)制信號(hào)115的頻率選擇為處于超聲范圍內(nèi)。按照這種方式，由聲波133產(chǎn)生的聲信號(hào)可以相對(duì)于由低頻調(diào)制信號(hào)115產(chǎn)生的聲波133的信噪比具有更優(yōu)的信噪比。在一些示例中，MEMS反射鏡可以在kHz范圍中操作，即可以將基于MEMS的光調(diào)制器120中的單獨(dú)MEMS反射鏡從二進(jìn)制“通”改變?yōu)槎M(jìn)制“斷”位置(反之亦然)的頻率可以小于千分之一秒。因此，基于MEMS的光調(diào)制器120可以按需要地調(diào)制超聲范圍中的波長(zhǎng)分量126。圖2A是根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的基于MEMS的光調(diào)制器120的一種配置的示意圖。如所示地，基于MEMS的光調(diào)制器120配置為從寬帶光源110(圖1所示)接收寬帶光111，并且適用于將光輸出112導(dǎo)引至樣品區(qū)域135(圖1所示)?；贛EMS的光調(diào)制器120可以包括色散元件121、MEMS反射鏡陣列122以及由準(zhǔn)直元件123加以表示的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)部件。便于基于MEMS的光調(diào)制器120的操作的附加光學(xué)部件可以包括準(zhǔn)直光器件、聚焦透鏡、反射鏡、光濾波器、針孔、偏振元件、阻光元件等等的一個(gè)或多個(gè)，為了清楚起見未示出。色散元件121可以是用于將寬帶光111分離成一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)分量126的現(xiàn)有技術(shù)中已知的任意光衍射光器件，例如衍射光柵、棱鏡、陣列波導(dǎo)光柵等等。MEMS反射鏡陣列122可以是多個(gè)MEMS微鏡的陣列，可以包括幾十、幾百甚至幾千個(gè)微鏡。每一個(gè)微鏡可以配置為沿兩個(gè)光路之一導(dǎo)引入射光，即波長(zhǎng)分量126之一。當(dāng)命令將入射波長(zhǎng)分量126調(diào)制為二進(jìn)制“通”狀態(tài)時(shí)，微鏡將入射波長(zhǎng)分量126導(dǎo)引至準(zhǔn)直元件123。當(dāng)命令將入射波長(zhǎng)分量126調(diào)制為二進(jìn)制“斷”狀態(tài)時(shí)，微鏡將入射波長(zhǎng)分量126導(dǎo)引至光收集器(light dump)或其他光吸收器件。MEMS反射鏡陣列122的每一個(gè)微鏡可以通過微控制器140獨(dú)立地控制；因此MEMS反射鏡陣列122可以配置為獨(dú)立地調(diào)制多個(gè)入射束(例如波長(zhǎng)分量126)的光強(qiáng)度。準(zhǔn)直元件123可以包括一個(gè)或多個(gè)固定的光學(xué)元件，例如透鏡和/或反射鏡，定位用于對(duì)入射光進(jìn)行準(zhǔn)直以產(chǎn)生光輸出112，其中所述光輸出112可以是準(zhǔn)直的且波長(zhǎng)調(diào)制的光束。圖2B是根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的基于MEMS的光調(diào)制器129的另一種配置的示意圖。如所示地，基于MEMS的光調(diào)制器129與基于MEMS的光調(diào)制器120實(shí)質(zhì)上類似，不同之處在于基于MEMS的光調(diào)制器129包括第一 MEMS反射鏡陣列122A和第二MEMS反射鏡陣列122B。在這種實(shí)施例中，第一 MEMS反射鏡陣列122A和第二 MEMS反射鏡陣列122B每一個(gè)均可以從微處理器140(圖1所示)接收相同的調(diào)制信號(hào)115?；贛EMS的光調(diào)制器129配置為使得每一個(gè)波長(zhǎng)分量126的光強(qiáng)度可以經(jīng)歷通過第一 MEMS反射鏡陣列122A的二進(jìn)制調(diào)制以及由第二 MEMS反射鏡陣列122B的相同二進(jìn)制調(diào)制。按照這種方式，基于MEMS的光調(diào)制器129的雙MEMS反射鏡配置提供了更深的調(diào)制幅度，即針對(duì)每一個(gè)波長(zhǎng)分量126增強(qiáng)了二進(jìn)制“通”和“斷”狀態(tài)之間的光對(duì)比度。圖2C是根據(jù)這里公開的至少一些實(shí)施例的具有一個(gè)或多個(gè)窄帶光源195 (而非寬帶光源)的基于MEMS的光調(diào)制器190的配置的示意圖。窄帶光源195可以是一個(gè)或多個(gè)固定和/或可調(diào)激光器、二極管、濾波LED或其他窄帶光源。因?yàn)橐呀?jīng)將窄帶光196劃分為一個(gè)或多個(gè)離散的光帶，基于MEMS的光調(diào)制器190的正確操作不需要色散元件121。可以按照通過MEMS反射鏡陣列122調(diào)制波長(zhǎng)分量126的相同方式通過MEMS反射鏡陣列122調(diào)制窄帶光196，如下所述。在基于MEMS的光調(diào)制器190中，可以在窄帶光入射到MEMS反射鏡陣列122之前對(duì)窄帶光196進(jìn)行光組合。圖2D是根據(jù)這里公開的至少一些實(shí)施例的調(diào)制窄帶光源191的配置的示意圖，所述調(diào)制窄帶光源191具有調(diào)制窄帶光源的陣列197 (而非寬帶光源)、色散元件121和MEMS反射鏡陣列122。組成陣列197的窄帶光源可以包括一個(gè)或多個(gè)可調(diào)激光器、二極管、濾波LED或者可以在kHz或更高范圍的頻率處被如下所述調(diào)制的其他窄帶光源。例如，激光二極管可以配置為通過調(diào)制供應(yīng)給二極管的功率而被調(diào)制，LED可以配置為通過調(diào)制流過LED的電流而被調(diào)制，等等。調(diào)制窄帶光源191的操作與如下所述的基于MEMS的光調(diào)制器120的操作類似，不同之處在于:直接調(diào)制單獨(dú)的頻率分量，因此不要求MEMS反射鏡陣列122進(jìn)行調(diào)制。在操作時(shí)，基于MEMS的光調(diào)制器120適用于接收寬帶光111并且將寬帶光劃分為波長(zhǎng)分量126,將所述波長(zhǎng)分量126被導(dǎo)引至所不的MEMS反射鏡陣列122。MEMS反射鏡陣列122接收波長(zhǎng)分量126，并且基于從微控制器140導(dǎo)引至其的調(diào)制信號(hào)115選擇性地調(diào)制一個(gè)或多個(gè)所需的波長(zhǎng)分量。通過色散元件121將波長(zhǎng)分量126在空間上彼此分離，使得將波長(zhǎng)分量126的每一個(gè)導(dǎo)引至MEMS反射鏡陣列122的不同部分。因?yàn)镸EMS反射鏡陣列122中的每一個(gè)單獨(dú)反射鏡可以彼此獨(dú)立地操作，可以彼此獨(dú)立地調(diào)制波長(zhǎng)分量126的每一個(gè)。由MEMS反射鏡陣列122調(diào)制的具體波長(zhǎng)分量依賴于光聲氣體傳感器100配置用于檢測(cè)哪個(gè)具體化合物，因?yàn)槲兆V對(duì)于每一種化合物是不同的。因此，當(dāng)光聲氣體傳感器100配置為監(jiān)測(cè)相對(duì)較小數(shù)量的氣體和/或化合物時(shí)，可以要求幾個(gè)波長(zhǎng)分量的光吸收，以便對(duì)氣體和化合物的濃度加以量化。相反地，當(dāng)光聲氣體傳感器100配置為監(jiān)測(cè)大量的氣體和/或化合物時(shí)，需要確定的氣體的吸收譜的數(shù)量相應(yīng)地增加。在任一種情況下，然后可以通過準(zhǔn)直元件123將調(diào)制的波長(zhǎng)分量127進(jìn)行準(zhǔn)直并且導(dǎo)引至樣品區(qū)域135。在一些實(shí)施例中，可以選擇調(diào)制信號(hào)115以按照與傳統(tǒng)光聲傳感器實(shí)質(zhì)上類似的方式產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)所需波長(zhǎng)分量的調(diào)制，即可以產(chǎn)生針對(duì)單一波長(zhǎng)分量的“斷續(xù)(chopped) ”光束，并且所述“斷續(xù)”光束通過氣體樣品以經(jīng)由光聲效應(yīng)產(chǎn)生聲信號(hào)。在這些實(shí)施例中，可以單獨(dú)地測(cè)量通過光聲氣體傳感器100的吸收進(jìn)行光聲測(cè)試的光的每一個(gè)波長(zhǎng)。與依賴于一個(gè)或多個(gè)可調(diào)激光器的一些光聲傳感器不同，光聲氣體傳感器100是“波長(zhǎng)靈活的”，并且可以通過結(jié)合MEMS反射鏡陣列122使用色散元件121來單獨(dú)地產(chǎn)生和調(diào)制光的每一個(gè)所需波長(zhǎng)。具體地，色散元件121可以配置為在空間上分離組成寬帶光111的波長(zhǎng)分量，并且MEMS反射鏡陣列122可以適用于將感興趣的具體波長(zhǎng)分量導(dǎo)引至MEMS反射鏡陣列122，并且將所有其他波長(zhǎng)分量導(dǎo)引至光收集器或者其他光吸收器件。構(gòu)成感興趣的波長(zhǎng)分量的斷續(xù)光束然后可以通過氣體樣品，并且可以通過利用聲傳感器131測(cè)量聲波133來確定氣體樣品針對(duì)感興趣的具體波長(zhǎng)的光吸收。這種方法的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于代替可調(diào)激光器，可以使用不太復(fù)雜的光源，即寬帶可見、IR或UV光源。在一些實(shí)施例中，調(diào)制信號(hào)115可以選擇為按照以下方式調(diào)制一個(gè)或多個(gè)所需波長(zhǎng)分量的幅度，使得微控制器140能夠同時(shí)確定多個(gè)化合物的吸收譜。在這些實(shí)施例中，可以使用針對(duì)由正在監(jiān)測(cè)的氣體或化合物吸收的光的每一個(gè)波長(zhǎng)的唯一的不相關(guān)確定性調(diào)制信號(hào)來產(chǎn)生由氣體樣品產(chǎn)生的光聲信號(hào)。因此，調(diào)制信號(hào)115可以構(gòu)成多個(gè)不相關(guān)確定性調(diào)制信號(hào)，每一個(gè)感興趣的波長(zhǎng)分量126對(duì)應(yīng)于一個(gè)不相關(guān)確定性調(diào)制信號(hào),該方法與在現(xiàn)有技術(shù)的光聲傳感器中用于調(diào)制光的已知技術(shù)(例如簡(jiǎn)單的光脈沖、簡(jiǎn)單的二進(jìn)制通/斷鏈或者光源幅度的正弦調(diào)制)明顯不同?？梢詫⒚恳粋€(gè)不相關(guān)確定性調(diào)制信號(hào)施加至MEMS反射鏡陣列122的適當(dāng)?shù)姆瓷溏R以調(diào)制寬帶光111的相應(yīng)波長(zhǎng)分量。因此，參考圖1和2A，當(dāng)將調(diào)制的波長(zhǎng)分量127導(dǎo)引至樣品區(qū)域135以產(chǎn)生聲波133時(shí)，微控制器140可以經(jīng)由聲傳感器131接收聲信號(hào)，并且利用A/D轉(zhuǎn)換器141數(shù)字化聲信號(hào)。微控制器140然后可以通過使用基于不相關(guān)調(diào)制信號(hào)的相關(guān)分析來提取正在監(jiān)測(cè)的氣體的吸收譜，其中根據(jù)聲信號(hào)單獨(dú)地確定氣體樣品對(duì)每一個(gè)波長(zhǎng)分量的光吸收。換句話說，對(duì)于氣體樣品吸收的每一個(gè)調(diào)制波長(zhǎng)分量127，相關(guān)分析可以用于將輸出(聲波133)與施加至每一個(gè)光波長(zhǎng)的輸入調(diào)制信號(hào)相關(guān),其中相關(guān)的幅度(或者量值)表不產(chǎn)生聲波133的每一個(gè)調(diào)制波長(zhǎng)分量127的吸收量。在一些實(shí)施例中，快速哈達(dá)馬德變換(FHT)、快速傅里葉變換(FFT)等可以應(yīng)用于數(shù)字化的聲信號(hào)以執(zhí)行這種相關(guān)分析。在這些實(shí)施例中，微控制器140使用調(diào)制信號(hào)115作為相關(guān)分析的基函數(shù)，使得FHT、FFT等的不同輸出是在感興趣波長(zhǎng)處系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，其中將這種情況下的“系統(tǒng)”定義為光聲氣體傳感器100。因此，每一個(gè)FHT (或者FFT或者其他分析方法)的相關(guān)幅度表示在感興趣的波長(zhǎng)處由氣體樣品吸收的光的量。微控制器140通過向數(shù)字化的聲信號(hào)施加FHT(或者FFT或者其他分析方法)以產(chǎn)生在由具體調(diào)制信號(hào)115調(diào)制的光的波長(zhǎng)處的脈沖響應(yīng)，來執(zhí)行針對(duì)施加至基于MEMS的光調(diào)制器120的每一個(gè)調(diào)制信號(hào)115的這種相關(guān)分析。在這種實(shí)施例中，相關(guān)分析方法(FHT、FFT等)使用具體的調(diào)制信號(hào)115作為其基函數(shù)。得到的脈沖響應(yīng)的每一個(gè)與樣品氣體在具體光波長(zhǎng)處的光吸收系數(shù)成正比，微處理器140可以使用所述脈沖響應(yīng)來構(gòu)建針對(duì)正在監(jiān)測(cè)的任意氣體的所需吸收譜。應(yīng)該注意的是這種脈沖響應(yīng)的相對(duì)峰值幅度而不是這種脈沖響應(yīng)的絕對(duì)值可以最適用于確定吸收譜，因?yàn)楸壤?shù)至少部分地依賴于所使用的特定傳感器和光源，并且并非總是易于確定的。在一些實(shí)施例中，施加至感興趣的波長(zhǎng)分量126并且用作相關(guān)分析的基函數(shù)的唯一的確定性不相關(guān)調(diào)制信號(hào)115可以基于偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS)。因?yàn)镻RBS序列的不同成員實(shí)質(zhì)上是不相關(guān)的，可以通過使用PRBS來簡(jiǎn)化施加至每一個(gè)波長(zhǎng)的每一個(gè)確定性不相關(guān)調(diào)制信號(hào)115的選擇。在一個(gè)實(shí)施例中，用于施加至波長(zhǎng)分量126的每一個(gè)調(diào)制信號(hào)115的具體PRBS可以是最大長(zhǎng)度序列(MLS)。用于這種實(shí)施例的基于MLS的信號(hào)有利特點(diǎn)是基于MLS的信號(hào)具有正交性質(zhì)，即基于MLS的信號(hào)的自相關(guān)性是近似理想的單位脈沖，而基于MLS的信號(hào)的互相關(guān)是O。因此，MLS調(diào)制的傳感器信號(hào)(即傳感器輸出132)的相關(guān)是測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于激勵(lì)信號(hào)的脈沖響應(yīng)。具體地，MLS調(diào)制的調(diào)制信號(hào)115的正交性表示了所述脈沖響應(yīng)(即使用調(diào)制 信號(hào)115之一作為基函數(shù)的單一 FHT、FFT等的輸出)是在已經(jīng)調(diào)制的具體光波長(zhǎng)處的系統(tǒng)響應(yīng)的量度。脈沖響應(yīng)的幅度(表示脈沖響應(yīng)系統(tǒng)中的總能量)與在具體波長(zhǎng)處吸收的光的量成正比。這提供了在每一個(gè)感興趣的波長(zhǎng)處吸收的光的量，因此微處理器140然后可以容易地針對(duì)正在監(jiān)測(cè)的任意氣體構(gòu)建所需吸收譜。因此，在光聲氣體傳感器100中使用基于MLS的信號(hào)來調(diào)制波長(zhǎng)分量126使得微處理器140能夠有效地同時(shí)提取和分離由氣體樣品對(duì)于每一個(gè)波長(zhǎng)的光吸收，使得能夠監(jiān)測(cè)多種氣體。例如，微處理器和其他電子裝置可以適用于向調(diào)制信號(hào)115提供在IOOkHz量級(jí)的調(diào)制速率，這意味著可以在近似10秒中完成具有22°信號(hào)長(zhǎng)度的單獨(dú)測(cè)量(即22°/100kHz ^ 10秒)，其中每一個(gè)測(cè)量對(duì)大量的(例如幾十、幾百或者甚至幾千)氣體和化合物的濃度加以量化。因此，光聲氣體傳感器100可以連續(xù)地監(jiān)測(cè)大量氣體和化合物。對(duì)于實(shí)現(xiàn)高靈敏度的光聲傳感器，要求聲噪聲的估計(jì)。一些光聲傳感器依賴于密封聲單元的使用，所述密封聲單元也配置為聲諧振器。本公開的實(shí)施例可以經(jīng)由多個(gè)確定性不相關(guān)信號(hào)的施加和上述信號(hào)處理方法、并且還通過聲傳感器的環(huán)形陣列的使用來減小外部聲噪聲的影響。因?yàn)镻RBS和MLS信號(hào)是確定性(即可重復(fù)的)，可以通過按照某種方式同時(shí)對(duì)多個(gè)測(cè)量序列進(jìn)行平均來有效地去除疊加到聲波133并且合并到傳感器輸出132中的外部噪聲。在一個(gè)實(shí)施例中，在相關(guān)分析之前對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行平均化。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以對(duì)所有信號(hào)執(zhí)行相關(guān)分析然后進(jìn)行平均。此外，可以通過配置根據(jù)本公開實(shí)施例的多個(gè)聲傳感器來最小化疊加至聲波133的外部噪聲的量。圖3是根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的設(shè)置在樣品區(qū)域周圍的聲傳感器的一種配置的示意圖。如所示地，環(huán)形陣列130可以包括安裝并且設(shè)置在樣品區(qū)域135周圍的多個(gè)聲傳感器131。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是盡管環(huán)形陣列130的內(nèi)部體積可以包含樣品氣體，將樣品區(qū)域135定義為包含調(diào)制光束(例如調(diào)制光束112)通過的那部分樣品氣體。將聲傳感器131安裝到環(huán)形陣列130 (或者與其整體地形成)，使得將每一個(gè)聲傳感器與樣品區(qū)域135實(shí)質(zhì)上等距地設(shè)置。此外，聲傳感器131的輸出134通過電子電路136直接疊加以組合到傳感器輸出132中。對(duì)輸出134(例如電壓輸出、電流輸出、可變電容、可變電感等)進(jìn)行組合的方式依賴于使用的具體聲傳感器。在一些實(shí)施例中，聲傳感器131可以是電壓輸出麥克風(fēng)，所述電壓輸出麥克風(fēng)與模擬求和電路138結(jié)合以產(chǎn)生傳感器輸出132。在一些替代實(shí)施例中，可以將來自每一個(gè)聲傳感器131的輸出信號(hào)經(jīng)由數(shù)字電路中的束形成算法或者通過微控制器140數(shù)字地分離然后進(jìn)行組合。在其他實(shí)施例中，聲傳感器131可以在它們的組件中合并A/D轉(zhuǎn)換器，在這種情況下經(jīng)由數(shù)字電路中的束形成算法或者通過微控制器140對(duì)數(shù)字化的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合。在一些實(shí)施例中，環(huán)形陣列130可以包括成對(duì)的聲傳感器131，每一個(gè)傳感器與樣品區(qū)域135成直線地并且實(shí)質(zhì)上等距地設(shè)置。在圖3中示出了這一實(shí)施例。在其他實(shí)施例中，環(huán)形陣列130包括沒有設(shè)置為彼此直接相對(duì)地配對(duì)的聲傳感器131。在其他實(shí)施例中，環(huán)形陣列130可以包括單一的圓柱形狀的聲傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，只要聲傳感器131每一個(gè)均與樣品區(qū)域135實(shí)質(zhì)上等距，可以將環(huán)形陣列130的輸出針對(duì)樣品區(qū)域135內(nèi)部的聲音源最大化，并且可以針對(duì)源自其他地方的聲音源(即不想要的聲噪聲)顯著地減小環(huán)形陣列130的輸出。因此，如果將調(diào)制光束112導(dǎo)引通過樣品區(qū)域135，可以提高光聲信號(hào)輸出并且降低聲噪聲的輸出(即增加的信噪比(S/N))。光聲信號(hào)輸出的提高是由于每一個(gè)聲傳感器131產(chǎn)生的信號(hào)的相干疊加。因?yàn)槊恳粋€(gè)聲傳感器131與聲音源是等距的,發(fā)生了聲傳感器131的輸出信號(hào)的相干疊加，這意味著來自樣品區(qū)域135中的任意聲源的信號(hào)在每一個(gè)聲傳感器131中是相干的(即同相的)。對(duì)于N個(gè)傳感器，聲傳感器131的輸出的相干疊加提供了定位于樣品區(qū)域135中的聲源的輸出信號(hào)功率的N2增加，因此對(duì)于N = 8，即使不將環(huán)形陣列130配置為聲諧振器，也可以提供幾乎20dB的增益。由此，根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例設(shè)置的環(huán)形陣列可以顯著地減小任意光聲氣體傳感器中的聲噪聲的影響。可以通過配置具有多個(gè)環(huán)形陣列130的光聲氣體傳感器100來進(jìn)一步增加環(huán)形陣列130的有益效果，每一個(gè)環(huán)形陣列均包括多個(gè)聲傳感器131。圖4闡述了對(duì)根據(jù)本公開的至少一些實(shí)施例的光聲氣體檢測(cè)方法400加以概述的流程圖。為了便于描述，按照與圖1中的光聲氣體傳感器100實(shí)質(zhì)上類似的方式描述了方法400。然而，光聲傳感器的其他配置也可以執(zhí)行方法400。方法400可以包括由模塊401、402、403、404、405和/或406描述的一個(gè)或多個(gè)功能、操作或動(dòng)作。在一些實(shí)施方式中，可以基于所需結(jié)果將針對(duì)方法400所述模塊的各種特征組合成更少的模塊、劃分為附加的模塊或者取消。針對(duì)方法400的處理可以開始于模塊401。針對(duì)方法400的處理可以開始于模塊401“激活光源”。模塊401之后可以接著是模塊402“將光分離為波長(zhǎng)分量”。模塊402之后可以接著是模塊403“調(diào)制波長(zhǎng)分量”。模塊403之后可以接著是模塊404 “照射氣體樣品”。模塊404之后可以接著是模塊405 “檢測(cè)聲信號(hào)”。模塊405之后可以接著是模塊406 “相干地疊加聲信號(hào)”。模塊406之后可以接著是模塊407 “確定吸收譜”。在模塊401 “激活光源”，通過微控制器140激活寬帶光源110，并且將寬帶光111導(dǎo)引至基于MEMS的光調(diào)制器120。在模塊402 “將光分離為波長(zhǎng)分量”，可以將寬帶光111分離為一個(gè)或多個(gè)組成波長(zhǎng)分量126。在至少一些實(shí)施例中，衍射光柵用于分離寬帶光源。
在模塊403 “調(diào)制波長(zhǎng)分量”，可以將一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)分量126進(jìn)行二進(jìn)制幅度調(diào)制以產(chǎn)生調(diào)制的波長(zhǎng)分量127。在至少一些實(shí)施例中，由微控制器140控制的MEMS反射鏡陣列122可以用于執(zhí)行單獨(dú)的波長(zhǎng)分量126的調(diào)制。在至少一些實(shí)施例中，調(diào)制的波長(zhǎng)分量126可以選擇為與由光聲氣體傳感器100監(jiān)測(cè)的一種或多種氣體吸收的光的頻率一致。在一個(gè)實(shí)施例中，針對(duì)每一個(gè)待調(diào)制的波長(zhǎng)分量126的調(diào)制信號(hào)115可以相對(duì)于施加至每一個(gè)其他波長(zhǎng)分量126的調(diào)制信號(hào)是唯一的。在這種實(shí)施例中，所述調(diào)制信號(hào)115可以是基于PRBS的調(diào)制信號(hào)，例如基于MLS的調(diào)制信號(hào)。在模塊404 “照射氣體樣品”，可以通過在模塊403產(chǎn)生的調(diào)制波長(zhǎng)分量127的一個(gè)或多個(gè)在樣品區(qū)域中照射氣體樣品，使得可以通過光聲效應(yīng)產(chǎn)生樣品區(qū)域135中的聲信號(hào)，即聲波133。在模塊405 “檢測(cè)聲信號(hào)”,聲傳感器131可以檢測(cè)在樣品區(qū)域135中產(chǎn)生的聲波133。在模塊406 “相干地疊加聲信號(hào)”，聲傳感器131的環(huán)形陣列130可以通過使用電子求和裝置136將由每一個(gè)聲傳感器131感測(cè)的聲信號(hào)相干地疊加來產(chǎn)生傳感器輸出132。求和處理可以是數(shù)字求和處理或者模擬求和處理。在模塊407“確定吸收譜”，微處理器140可以適用于基于求和的傳感器輸出132來確定合適的吸收譜。如結(jié)合圖2A、2B如上所述，微控制器140估計(jì)求和信號(hào)的數(shù)字化版本，并且基于不相關(guān)調(diào)制信號(hào)115通過使用相關(guān)分析來提取針對(duì)正在監(jiān)測(cè)的氣體的吸收譜。在調(diào)制信號(hào)115是基于PRBS或者基于MLS的調(diào)制信號(hào)的實(shí)施例中，微處理器140可以(在一些示例中)使用調(diào)制信號(hào)115作為FHT的基函數(shù)，利用FHT數(shù)字化和處理傳感器輸出132。計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以包括一組或多組可執(zhí)行指令，用于執(zhí)行如上所述并且如圖4所述的方法400?？梢詫⒂?jì)算機(jī)程序產(chǎn)品記錄在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)410或者另一種類似的可記錄介質(zhì)412上。圖5是說明了根據(jù)本公開的至少一些實(shí)施例配置的示例計(jì)算設(shè)備500的方框圖，所述示例計(jì)算設(shè)備配置用于檢測(cè)樣品中的一種或多種氣體。在非?；镜呐渲?02中，計(jì)算設(shè)備500典型地可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器504和系統(tǒng)存儲(chǔ)器506。存儲(chǔ)器總線508可以用于在處理器504和系統(tǒng)存儲(chǔ)器506之間通信。根據(jù)所期望的配置，處理器504可以是任意類型的，包括但不限于微處理器(μ P)、微控制器(μ C)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或其任意組合。處理器504可以包括一級(jí)或多級(jí)緩存(例如，一級(jí)高速緩存510和二級(jí)高速緩存512)、處理器核514、以及寄存器516。示例處理器核514可以包括算術(shù)邏輯單元(ALU)、浮點(diǎn)單元(FPU)、數(shù)字信號(hào)處理核(DSP核)或其任意組合。示例存儲(chǔ)器控制器518也可以與處理器504 —起使用，或者在一些實(shí)施方式中，存儲(chǔ)器控制器518可以是處理器504的內(nèi)部部件。根據(jù)所期望的配置，系統(tǒng)存儲(chǔ)器506可以是任意類型的，包括但不限于易失性存儲(chǔ)器(如RAM)、非易失性存儲(chǔ)器(如ROM、閃存等)或其任意組合。系統(tǒng)存儲(chǔ)器506可以包括操作系統(tǒng)520、一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序522和程序數(shù)據(jù)524。應(yīng)用程序522可以包括光聲氣體檢測(cè)算法526，所述算法配置為執(zhí)行如相對(duì)于圖4的方法400所述的功能。程序數(shù)據(jù)524可以包括用于如這里所述的光聲氣體檢測(cè)算法526的操作的信號(hào)數(shù)據(jù)528。在一些示例實(shí)施例中，應(yīng)用程序522可以設(shè)置為在操作系統(tǒng)520上以程序數(shù)據(jù)524進(jìn)行操作。這里所描述的基本配置502在圖5中由虛線內(nèi)的部件來圖示。計(jì)算設(shè)備500可以具有額外特征或功能以及額外接口，以有助于基本配置502與任意所需設(shè)備和接口之間進(jìn)行通信。例如，總線/接口控制器530可以有助于基本配置502與一個(gè)或多數(shù)量據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備532之間經(jīng)由存儲(chǔ)接口總線534進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備532可以是可拆除存儲(chǔ)設(shè)備536、不可拆除存儲(chǔ)設(shè)備538或其組合?？刹鸪鎯?chǔ)設(shè)備和不可拆除存儲(chǔ)設(shè)備的示例包括磁盤設(shè)備(如軟盤驅(qū)動(dòng)器和硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD))、光盤驅(qū)動(dòng)器(如緊致盤(CD)驅(qū)動(dòng)器或數(shù)字通用盤(DVD)驅(qū)動(dòng)器)、固態(tài)驅(qū)動(dòng)器(SSD)以及磁帶驅(qū)動(dòng)器，這僅僅是極多例子中的一小部分。示例計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)可以包括以任意信息存儲(chǔ)方法或技術(shù)實(shí)現(xiàn)的易失性和非易失性、可拆除和不可拆除介質(zhì)，如計(jì)算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊或其他數(shù)據(jù)。系統(tǒng)存儲(chǔ)器506、可拆除存儲(chǔ)設(shè)備536和不可拆除存儲(chǔ)設(shè)備538均是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)的示例。計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)包括但不限于RAM、ROM、EEPR0M、閃存或其他存儲(chǔ)器技術(shù)，CD-ROM、數(shù)字多功能盤(DVD)或其他光存儲(chǔ)設(shè)備，磁盒、磁帶、磁盤存儲(chǔ)設(shè)備或其他磁存儲(chǔ)設(shè)備，或可以用于存儲(chǔ)所需信息并可以由計(jì)算設(shè)備500訪問的任意其他介質(zhì)。任何這種計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)可以是設(shè)備500的一部分。計(jì)算設(shè)備500還可以包括接口總線540，以有助于各種接口設(shè)備(例如，輸出設(shè)備542、外圍接口 544和通信設(shè)備546)經(jīng)由總線/接口控制器530與基本配置502進(jìn)行通信。示例輸出設(shè)備542包括圖形處理單元548和音頻處理單元550，其可被配置為經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)A/V端口 552與多種外部設(shè)備(如顯示器或揚(yáng)聲器)進(jìn)行通信。示例外圍接口 544包括串行接口控制器554或并行接口控制器556，它們可被配置為經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)I/O端口 558與外部設(shè)備(如輸入設(shè)備(例如，鍵盤、鼠標(biāo)、筆、語音輸入設(shè)備、觸摸輸入設(shè)備等))或其他外圍設(shè)備(例如，打印機(jī)、掃描儀等)進(jìn)行通信。示例通信設(shè)備546包括網(wǎng)絡(luò)控制器560，其可以被設(shè)置為經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)通信端口 564與一個(gè)或多個(gè)其他計(jì)算設(shè)備562通過網(wǎng)絡(luò)通信鏈路進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)通信鏈路可以是通信介質(zhì)的一個(gè)示例。通信介質(zhì)典型地可以由調(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào)(如載波或其他傳輸機(jī)制)中的計(jì)算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊或其他數(shù)據(jù)來體現(xiàn)，并可以包括任意信息傳送介質(zhì)?！罢{(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào)”可以是通過設(shè)置或改變一個(gè)或多個(gè)特性而在該信號(hào)中實(shí)現(xiàn)信息編碼的信號(hào)。例如，但并非限制性地，通信介質(zhì)可以包括有線介質(zhì)(如有線網(wǎng)絡(luò)或直接布線連接)、以及無線介質(zhì)(例如聲、射頻(RF)、微波、紅外(IR)和其他無線介質(zhì))。這里所使用的術(shù)語計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以包括存儲(chǔ)介質(zhì)和通信介質(zhì)。計(jì)算設(shè)備500可以實(shí)現(xiàn)為諸如蜂窩電話、個(gè)人數(shù)字助手(PDA)、個(gè)人媒體播放設(shè)備、無線網(wǎng)頁瀏覽設(shè)備、個(gè)人頭戴式設(shè)備、專用設(shè)備之類的小形狀因子便攜(或移動(dòng)電子設(shè)備)或包括上述功能任一個(gè)在內(nèi)的混合設(shè)備的一部分。計(jì)算設(shè)備500也可以實(shí)現(xiàn)為包括膝上型計(jì)算機(jī)和非膝上型計(jì)算機(jī)配置兩者在內(nèi)的個(gè)人計(jì)算機(jī)。總之，本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可以提供一種便攜且自包含的光聲傳感器，能夠在大氣中操作并且具有高靈敏度。使用MEMS光系統(tǒng)和板載微計(jì)算機(jī)，通過減小的尺寸促進(jìn)了便攜性，并且消除了典型的光聲系統(tǒng)中的氣體采樣和管道輸運(yùn)。此外，根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例設(shè)置的光聲傳感器可以具有在百萬分之一(PPM)或者甚至PPB級(jí)別的靈敏度，同時(shí)提供比傳統(tǒng)光聲檢測(cè)器更高的數(shù)據(jù)收集速度，甚至是當(dāng)監(jiān)測(cè)大量氣體時(shí)也是如此。另外，由于基于MEMS反射鏡的光調(diào)制器的“波長(zhǎng)靈活”性質(zhì)，根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例設(shè)置的光聲傳感器也可以易于重新編程以監(jiān)測(cè)不同的氣體和化合物，無需硬件變化。因此，根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的光聲傳感器提供了現(xiàn)有小型化的近紅外和光學(xué)MEMS光譜儀的便攜性和選擇性，并且便于大氣中的操作。此外，這里描述的光聲傳感器可以適用于測(cè)量固體和/或液體表面的光吸收。在這些實(shí)施例中，可以將來自基于MEMS的光調(diào)制器的波長(zhǎng)調(diào)制輸出劃分為兩個(gè)束，將兩個(gè)束之一導(dǎo)引至固體或液體的表面。第二組傳感器將測(cè)量從固體/液體表面重新輻射的聲信號(hào)?？諝鈧鞲衅鬏敵龊凸腆w/液體傳感器輸出之間的比較將固體/液體的吸收與固體/液體前面緊鄰的空氣相隔離。在系統(tǒng)方案的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方式之間存在一些小差別；硬件或軟件的使用一般(但并非總是，因?yàn)樵谔囟ㄇ闆r下硬件和軟件之間的選擇可能變得很重要)是一種體現(xiàn)成本與效率之間權(quán)衡的設(shè)計(jì)選擇。可以各種手段(例如，硬件、軟件和/或固件)來實(shí)施這里所描述的工藝和/或系統(tǒng)和/或其他技術(shù)，并且優(yōu)選的工藝將隨著所述工藝和/或系統(tǒng)和/或其他技術(shù)所應(yīng)用的環(huán)境而改變。例如，如果實(shí)現(xiàn)方確定速度和準(zhǔn)確性是最重要的，則實(shí)現(xiàn)方可以選擇主要為硬件和/或固件配置的手段；如果靈活性是最重要的，則實(shí)現(xiàn)方可以選擇主要是軟件的實(shí)施方式；或者，同樣也是可選地，實(shí)現(xiàn)方可以選擇硬件、軟件和/或固件的特定組合。以上的詳細(xì)描述通過使用方框圖、流程圖和/或示例，已經(jīng)闡述了設(shè)備和/或工藝的眾多實(shí)施例。在這種方框圖、流程圖和/或示例包含一個(gè)或多個(gè)功能和/或操作的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，這種方框圖、流程圖或示例中的每一功能和/或操作可以通過各種硬件、軟件、固件或?qū)嵸|(zhì)上它們的任意組合來單獨(dú)和/或共同實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，本公開所述主題的若干部分可以通過專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、或其他集成格式來實(shí)現(xiàn)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，這里所公開的實(shí)施例的一些方面在整體上或部分地可以等同地實(shí)現(xiàn)在集成電路中，實(shí)現(xiàn)為在一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)程序(例如，實(shí)現(xiàn)為在一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一個(gè)或多個(gè)程序)，實(shí)現(xiàn)為在一個(gè)或多個(gè)處理器上運(yùn)行的一個(gè)或多個(gè)程序(例如，實(shí)現(xiàn)為在一個(gè)或多個(gè)微處理器上運(yùn)行的一個(gè)或多個(gè)程序)，實(shí)現(xiàn)為固件，或者實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)為上述方式的任意組合，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本公開，將具備設(shè)計(jì)電路和/或?qū)懭胲浖?或固件代碼的能力。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本公開所述主題的機(jī)制能夠作為多種形式的程序產(chǎn)品進(jìn)行分發(fā)，并且無論實(shí)際用來執(zhí)行分發(fā)的信號(hào)承載介質(zhì)的具體類型如何，本公開所述主題的示例性實(shí)施例均適用。信號(hào)承載介質(zhì)的示例包括但不限于:可記錄型介質(zhì)，如軟盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)、緊致盤(CD)、數(shù)字通用盤(DVD)、數(shù)字磁帶、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器等；以及傳輸型介質(zhì)，如數(shù)字和/或模擬通信介質(zhì)(例如，光纖光纜、波導(dǎo)、有線通信鏈路、無線通信鏈路等)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，上文詳細(xì)描述了設(shè)備和/或工藝，此后使用工程實(shí)踐來將所描述的設(shè)備和/或工藝集成到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中是本領(lǐng)域的常用手段。也即，這里所述的設(shè)備和/或工藝的至少一部分可以通過合理數(shù)量的試驗(yàn)而被集成到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，典型的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一般包括以下各項(xiàng)中的一項(xiàng)或多項(xiàng):系統(tǒng)單元外殼；視頻顯示設(shè)備；存儲(chǔ)器，如易失性和非易失性存儲(chǔ)器；處理器，如微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器；計(jì)算實(shí)體，如操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、圖形用戶接口、以及應(yīng)用程序；一個(gè)或多個(gè)交互設(shè)備，如觸摸板或屏幕；和/或控制系統(tǒng)，包括反饋環(huán)和控制電動(dòng)機(jī)(例如，用于感測(cè)位置和/或速度的反饋；用于移動(dòng)和/或調(diào)整分量和/或數(shù)量的控制電動(dòng)機(jī))。典型的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以利用任意合適的商用部件(如數(shù)據(jù)計(jì)算/通信和/或網(wǎng)絡(luò)計(jì)算/通信系統(tǒng)中常用的部件)予以實(shí)現(xiàn)。本公開所述的主題有時(shí)說明不同部件包含在不同的其他部件內(nèi)或者不同部件與不同的其他部件相連。應(yīng)當(dāng)理解，這樣描述的架構(gòu)只是示例，事實(shí)上可以實(shí)現(xiàn)許多能夠?qū)崿F(xiàn)相同功能的其他架構(gòu)。在概念上，有效地“關(guān)聯(lián)”用以實(shí)現(xiàn)相同功能的部件的任意設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)所需功能。因此，這里組合實(shí)現(xiàn)具體功能的任意兩個(gè)部件可以被視為彼此“關(guān)聯(lián)”從而實(shí)現(xiàn)所需功能，而無論架構(gòu)或中間部件如何。同樣，任意兩個(gè)如此關(guān)聯(lián)的部件也可以看作是彼此“可操作地連接”或“可操作地耦合”以實(shí)現(xiàn)所需功能，且能夠如此關(guān)聯(lián)的任意兩個(gè)部件也可以被視為彼此“能可操作地耦合”以實(shí)現(xiàn)所需功能。能可操作地耦合的具體示例包括但不限于物理上可配對(duì)和/或物理上交互的部件，和/或無線交互和/或可無線交互的部件，和/或邏輯交互和/或可邏輯交互的部件。至于本文中任何關(guān)于多數(shù)和/或單數(shù)術(shù)語的使用，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以從多數(shù)形式轉(zhuǎn)換為單數(shù)形式，和/或從單數(shù)形式轉(zhuǎn)換為多數(shù)形式，以適合具體環(huán)境和應(yīng)用。為清楚起見，在此明確聲明單數(shù)形式/多數(shù)形式可互換。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，一般而言，所使用的術(shù)語，特別是所附權(quán)利要求中(例如，在所附權(quán)利要求的主體部分中)使用的術(shù)語，一般地應(yīng)理解為“開放”術(shù)語(例如，術(shù)語“包括”應(yīng)解釋為“包括但不限于”，術(shù)語“具有”應(yīng)解釋為“至少具有”等)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)理解，如果意在所引入的權(quán)利要求中標(biāo)明具體數(shù)目，則這種意圖將在該權(quán)利要求中明確指出，而在沒有這種明確標(biāo)明的情況下，則不存在這種意圖。例如，為幫助理解，所附權(quán)利要求可能使用了引導(dǎo)短語“至少一個(gè)”和“一個(gè)或多個(gè)”來引入權(quán)利要求中的特征。然而，這種短語的使用不應(yīng)被解釋為暗示著由不定冠詞引入的權(quán)利要求特征將包含該特征的任意特定權(quán)利要求限制為僅包含一個(gè)該特征的實(shí)施例，即便是該權(quán)利要求既包括引導(dǎo)短語“一個(gè)或多個(gè)”或“至少一個(gè)”又包括不定冠詞(例如，不定冠詞應(yīng)當(dāng)被解釋為意指“至少一個(gè)”或“一個(gè)或多個(gè)”)；在使用定冠詞來引入權(quán)利要求中的特征時(shí)，同樣如此。另外，即使明確指出了所引入權(quán)利要求特征的具體數(shù)目，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，這種列舉應(yīng)解釋為意指至少是所列數(shù)目(例如，不存在其他修飾語的短語“兩個(gè)特征”意指至少兩個(gè)該特征，或者兩個(gè)或更多該特征)。另外，在使用類似于“A、B和C等中至少一個(gè)”這樣的表述的情況下，一般來說應(yīng)該按照本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解該表述的含義來予以解釋(例如，“具有
A、B和C中至少一個(gè)的系統(tǒng)”應(yīng)包括但不限于單獨(dú)具有A、單獨(dú)具有B、單獨(dú)具有C、具有A和
B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系統(tǒng)等)。在使用類似于“A、B或C等中至少一個(gè)”這樣的表述的情況下，一般來說應(yīng)該按照本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解該表述的含義來予以解釋(例如，“具有A、B或C中至少一個(gè)的系統(tǒng)”應(yīng)包括但不限于單獨(dú)具有A、單獨(dú)具有B、單獨(dú)具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系統(tǒng)等)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)理解，實(shí)質(zhì)上任意表示兩個(gè)或更多可選項(xiàng)目的轉(zhuǎn)折連詞和/或短語，無論是在說明書、權(quán)利要求書還是附圖中，都應(yīng)被理解為給出了包括這些項(xiàng)目之一、這些項(xiàng)目任一方、或兩個(gè)項(xiàng)目的可能性。例如，短語“A或B”應(yīng)當(dāng)被理解為包括“A”或“B”、或“A和B”的可能性。盡管已經(jīng)在此公開了多個(gè)方案和實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白其他方案和實(shí)施例。這里所公開的多個(gè)方案和實(shí)施例是出于說明性的目的，而不是限制性的，本公開的真實(shí)范圍和精神由所附權(quán)利要求表征。
權(quán)利要求
1.一種光聲傳感器，包括: 光調(diào)制器，配置為調(diào)制輸入光束，并且產(chǎn)生被導(dǎo)引至樣品區(qū)域的調(diào)制光； 聲傳感器的陣列，設(shè)置在所述樣品區(qū)域的周圍，所述聲傳感器陣列的每一個(gè)聲傳感器與所述樣品區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上等距，其中每一個(gè)聲傳感器適用于響應(yīng)于在所述樣品區(qū)域中檢測(cè)到的聲能量來產(chǎn)生信號(hào)；以及 控制器，耦合至所述聲傳感器，并且配置為基于由所述聲傳感器產(chǎn)生的信號(hào)來檢測(cè)在所述樣品區(qū)域中存在的一種或多種氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲傳感器，其中所述聲傳感器的陣列在所述樣品區(qū)域周圍環(huán)形地設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲傳感器，其中所述控制器耦合至所述光調(diào)制器，并且適用于控制所述輸入光束的調(diào)制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲傳感器，其中所述光調(diào)制器包括色散元件，所述色散元件配置為將輸入光束分離為波長(zhǎng)分量，并且還配置為不均勻地調(diào)制所述波長(zhǎng)分量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲傳感器，其中所述光調(diào)制器包括光柵，所述光柵配置為將輸入光束分離為波長(zhǎng)分量，并且還配置為不均勻地調(diào)制所述波長(zhǎng)分量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲傳感器，其中所述光調(diào)制器包括MEMS反射鏡陣列，所述MEMS反射鏡陣列適用于調(diào)制輸入光束。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲傳感器，其中所述光調(diào)制器包括:第一MEMS反射鏡陣列，適用于調(diào)制所述輸入光束的第一波長(zhǎng)分量；以及第二 MEMS反射鏡陣列，適用于調(diào)制所述輸入光束的相同波長(zhǎng)分量 。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲傳感器，其中所述光調(diào)制器包括一個(gè)或多個(gè)窄帶光源以及MEMS反射鏡陣列，所述MEMS反射鏡陣列用于調(diào)制來自所述一個(gè)或多個(gè)窄帶光源的窄帶光，以產(chǎn)生被導(dǎo)引至所述樣品區(qū)域的調(diào)制光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲傳感器，其中所述光調(diào)制器包括調(diào)制窄帶光源的陣列，所述已調(diào)制窄帶光源產(chǎn)生被導(dǎo)引至所述樣品區(qū)域的調(diào)制光。
10.一種檢測(cè)樣品中的一種或多種氣體的方法，所述方法包括: 調(diào)制輸入光束以產(chǎn)生調(diào)制光； 將調(diào)制光導(dǎo)引至包含所述樣品的區(qū)域中； 從設(shè)置在所述區(qū)域周圍并且與所述區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上等距的多個(gè)聲傳感器收集聲信號(hào)；以及 評(píng)估所收集的聲信號(hào)以檢測(cè)在所述樣品中存在的一種或多種氣體，其中所述聲信號(hào)由所述調(diào)制光與位于所述區(qū)域中的一種或多種氣體的至少一部分的相互作用產(chǎn)生。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括對(duì)所述聲信號(hào)數(shù)字化，其中在所述樣品中檢測(cè)到的所述一種或多種氣體是通過評(píng)估數(shù)字化的聲信號(hào)而檢測(cè)到的。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中調(diào)制所述輸入光束包括: 將所述輸入光束分離為波長(zhǎng)分量；以及 不均勻地調(diào)制所述波長(zhǎng)分量的每一個(gè)以產(chǎn)生所述調(diào)制光。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中調(diào)制所述輸入光束包括:根據(jù)正在被檢測(cè)的所述一種或多種氣體的波長(zhǎng)吸收譜來調(diào)制所述輸入光束。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中調(diào)制所述輸入光束包括:使用第一確定性調(diào)制信號(hào)來調(diào)制所述輸入光束的第一波長(zhǎng)分量，并且使用第二確定性調(diào)制信號(hào)來調(diào)制所述輸入光束的第二波長(zhǎng)分量，其中所述第一確定性調(diào)制信號(hào)和所述第二確定性調(diào)制信號(hào)彼此不相關(guān)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括:在調(diào)制之后且在調(diào)制光到達(dá)所述區(qū)域之前對(duì)所述調(diào)制光進(jìn)行準(zhǔn)直。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中將所述調(diào)制光的第一波長(zhǎng)分量導(dǎo)引至所述區(qū)域中，并且不將所述調(diào)制光的第二波長(zhǎng)分量導(dǎo)引至所述區(qū)域中。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中通過光聲傳感器執(zhí)行調(diào)制、導(dǎo)引、收集和/或檢測(cè)的一種或多種。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其中從一個(gè)或多個(gè)窄帶光源產(chǎn)生所述輸入光束,并且利用MEMS反射鏡陣列調(diào)制所述輸入光束。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中通過調(diào)制窄帶光源的陣列來產(chǎn)生所述調(diào)制光。
20.—種光聲傳感器,適用于從位于所述光聲傳感器的樣品區(qū)域中的樣品檢測(cè)一種或多種氣體，所述光聲傳感器包括: 光柵，配置為將輸入光束分離為波長(zhǎng)分量； MEMS反射鏡陣列，配置為調(diào)制所述波長(zhǎng)分量以產(chǎn)生針對(duì)所述樣品區(qū)域的調(diào)制光分量； 聲傳感器，設(shè)置在調(diào)制光分量通過的樣品區(qū)域附近，并且適用于響應(yīng)于在所述樣品區(qū)域中檢測(cè)到的聲信號(hào)來產(chǎn)生電信號(hào)；以及 控制器，耦合至所述聲傳感器，并且配置為基于由所述聲傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)來檢測(cè)在所述樣品區(qū)域中存在的一種或多種氣體的至少一部分。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的光聲傳感器，所述MEMS反射鏡陣列包括第一MEMS反射鏡陣列和第二MEMS反射鏡陣列，其中所述第一MEMS反射鏡陣列配置為調(diào)制第一組波長(zhǎng)分量，并且其中所述第二 MEMS反射鏡陣列配置為調(diào)制第二組波長(zhǎng)分量。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的光聲傳感器，其中所述控制器適用于向所述MEMS反射鏡陣列提供唯一的不相關(guān)確定性調(diào)制信號(hào)以調(diào)制所述波長(zhǎng)分量的每一個(gè)，并且其中所述控制器配置為通過對(duì)已經(jīng)數(shù)字化的由所述聲傳感器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理來檢測(cè)所述氣體。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的光聲傳感器，其中所述唯一的調(diào)制信號(hào)包括基于最大長(zhǎng)度序列的調(diào)制信號(hào)。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的光聲傳感器，其中所述輸入光束從寬帶可見光源、IR光源和UV光源之一產(chǎn)生。
全文摘要
總地描述了一種光聲氣體傳感器、系統(tǒng)和方法。在一些示例中，光聲氣體傳感器包括光柵和操作為波長(zhǎng)選擇光調(diào)制器的MEMS反射鏡陣列的組合，以及布置在氣體樣品區(qū)域周圍的環(huán)形聲傳感器陣列。所述基于MEMS的光調(diào)制器可以適用于提供靈活的波長(zhǎng)選擇性，使得可以檢測(cè)到大量的化合物。所述聲傳感器的環(huán)形陣列可以適用于測(cè)量光聲產(chǎn)生的聲信號(hào)，而不需要?dú)怏w傳感器的光聲單元的諧振增強(qiáng)。在一些示例中，唯一的不相關(guān)確定性信號(hào)可以用于調(diào)制感興趣的每一個(gè)波長(zhǎng)。可以使用允許多個(gè)光波長(zhǎng)的吸收譜的同時(shí)測(cè)量并且拒絕不想要的聲噪聲的信號(hào)處理。
文檔編號(hào)G01J3/12GK103180698SQ201080069829
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者拉爾夫·穆尓雷森 申請(qǐng)人:英派爾科技開發(fā)有限公司