專利名稱：具有自適應(yīng)操作頻率的光聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
實施例涉及ー種光聲傳感器。更特別地，實施例涉及ー種具有自適應(yīng)操作頻率的光聲傳感器。有關(guān)申請本申請要求了序號為61/479，221 (名稱為具有自適應(yīng)操作頻率的光聲傳感器，2011年4月26日提交的)美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，該申請通過引用被合并在這里。
背景技術(shù)：
在很多場所中發(fā)現(xiàn)了潛在的危險的空氣。這些危險空氣由于有毒氣體、易燃氣體混合物或氧氣的過量或不足的出現(xiàn)而存在。
已經(jīng)開發(fā)了很多類型的氣體檢測儀器來提供空氣中包含潛在危險成分的警告，或者發(fā)起補救措施。這些氣體檢測儀器的例子包括檢測煤礦中的易燃氣體、檢測油田和水處理廠中的硫化氫，檢測從煉鋼廠到臥室范圍的ー些地方的一氧化碳，以及檢測例如下水道的受限制的空間中的氧氣。在很多應(yīng)用中，有毒氣體檢測器的可靠性十分重要，尤其當這些儀器被用于保證人員的安全時。通常通過響應(yīng)測試氣體來定期檢查儀器來獲得可靠性，然而，校準測試氣體通常被提供在巨大的、體積大的和昂貴的氣瓶中。—些現(xiàn)有的氣體檢測儀器包括ー個或多個氣體傳感器，這些傳感器的功能是提供響應(yīng)于氣體濃度而變化的電信號。來自很多類型傳感器的輸出隨時間而變化，并且傳感器不能在沒有警告的情況下操作。大部分氣體傳感器提供了相對輸出信號，使得該輸出信號不是氣體濃度的絕對度量，而僅僅與氣體濃度成比例。在此情況下，在使用之前，氣體傳感器必須用已知的測試氣體來校準。校準也可作為確保傳感器正在工作的功能檢查而被需要。在很多應(yīng)用中，校準氣體傳感器時常是耗時、昂貴以及麻煩的。一些常規(guī)的傳感器可能遭受無法預測的基線漂移或量程漂移。如果傳感器不足夠敏感或不足夠快速，則可能發(fā)生不可接受的未檢測到的有毒分析物事件或高的誤警報率(FAR)。當樣氣暴露于一定頻率的輻射能量時，可基于樣氣分子要達到更高的分子振動和旋轉(zhuǎn)的相對級別的趨勢，來使用光聲傳感器檢測樣氣。這些更高的分子振動和旋轉(zhuǎn)的相對級別引起樣氣達到更高的溫度和壓力。當對輻射能量的振幅進行調(diào)制時，可用于吸收的能量中的所得到的波動產(chǎn)生對應(yīng)的溫度和壓カ波動?？墒褂妹舾袡z測器來產(chǎn)生表不樣氣的壓カ波動的電輸出信號?？煞治鲞@些對應(yīng)的電輸出信號以評估樣氣的性質(zhì)或?qū)傩浴Ｈ欢?，常?guī)的光聲傳感器具有對環(huán)境聲學噪聲源的敏感性，尤其當環(huán)境聲學噪聲源在傳感器操作頻率下存在吋?，F(xiàn)有的光聲傳感器的缺點之一在于，因為姆ー個環(huán)境都具有獨特的噪聲內(nèi)容，所以大多數(shù)現(xiàn)有的光聲傳感器通常不能容易地通過過濾來將聲學噪聲從期望的相關(guān)光聲信號中分離。因此，存在對ー種光聲傳感器的需求，當分析電輸出信號來評估樣氣的性質(zhì)或?qū)傩詴r，該光聲傳感器將聲學噪聲干擾最小化。


在附圖的圖中以示例的方式、而不是以限制的方式說明了一些實施例，其中圖I是根據(jù)一個示例實施例的說明了光聲傳感器的示圖，其中該光聲傳感器正收集氣室內(nèi)的壓カ波動，以用該氣室對樣氣確定由周圍環(huán)境內(nèi)噪聲所產(chǎn)生的壓カ波動的譜內(nèi)容。圖2不出了圖I中的光聲傳感器,其中該光聲傳感器正收集氣室內(nèi)的壓カ波動，以用氣室確定被輻射的氣體的壓カ波動的譜內(nèi)容。
圖3是說明了識別樣氣中存在的物質(zhì)方法的流程圖。
具體實施例方式以下的詳細描述包括參考形成該詳細描述的一部分的附圖。附圖以說明的方式示出了特定實施例，在該特定實施例中本發(fā)明可以被實踐。這些實施例，在這里也被稱作“示例”，被足夠詳細地描述以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明。在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以組合這些實施例，可以利用其它實施例，或者作出結(jié)構(gòu)和邏輯的改變。因此，以下詳細說明并不在限制性的意義上做出，并且本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求以及它們的等同物所限定。在本文件中，除非另外指示，使用術(shù)語“一 (a或an) ”來包括ー個或ー個以上，以及使用術(shù)語“或者”來指的是非排他性的“或者”。此外，應(yīng)當理解，在這里所采用的并且沒有另外定義的措詞或術(shù)語僅是出于說明而非限制的目的。進ー步地，本文件中所參考的所有出版物、專利和專利文件，都將它們的整體通過引用而在此合并，就像通過引用一個ー個単獨地合并一祥。如果出現(xiàn)了本文件和通過引用如此合并的那些文件之間的不一致的使用，合并的引用中的使用應(yīng)當被認為是對本文件的使用的補充；對于不能協(xié)調(diào)的不一致內(nèi)容，以本文件中的使用為支配。在這里描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。光聲氣體檢測的ー個原理是基于對在氣室或氣腔中產(chǎn)生的壓カ變化的測量，該壓カ變化通過由目標氣體選擇性地吸收紅外輻射產(chǎn)生。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)制的窄帶紅外輻射來照射氣室中的樣氣。然后，樣氣在入射紅外福射被調(diào)制時加熱和冷卻。這些溫度波動轉(zhuǎn)而產(chǎn)生壓力波，該壓カ波被檢測器(例如麥克風)所檢測。麥克風生成電輸出信號，可以對該電輸出信號進行處理和分析以識別存在于樣氣中的物質(zhì)，并評估在氣室中收集的樣氣的性質(zhì)或?qū)傩裕鐫舛戎?。本申請的各種實施例提供了ー種光聲傳感器，其包括具有開ロ的氣室或氣腔；光源，該光源產(chǎn)生福射以福射該氣室內(nèi)的樣氣；檢測器，該檢測器檢測該氣室內(nèi)的樣氣以響應(yīng)于由該輻射所引起的被輻射的樣氣的壓カ波動所生成的聲信號來生成輸出電信號；以及隔膜，該隔膜與氣室的開ロ對準。該隔膜允許樣氣進入氣室。
當光源未正在產(chǎn)生輻射時檢測器收集周圍環(huán)境內(nèi)的壓カ波動(即噪聲)，以確定周圍環(huán)境內(nèi)的壓カ波動的譜內(nèi)容?？刂破鲝臋z測器接收表示周圍環(huán)境內(nèi)的壓カ波動的譜內(nèi)容的信號?？刂破鲗⒂晒庠此a(chǎn)生的輻射的頻率調(diào)整到與周圍環(huán)境內(nèi)的壓カ波動的譜內(nèi)容沖突較小的頻率。通過在IR源不不活動的同時用麥克風測量聲學噪聲特征(signature),可以選擇使聲學噪聲干擾最小化的傳感器操作頻率?？梢酝ㄟ^在IR源禁用的情況下調(diào)整由鎖定裝置(lock-in)所使用的參考頻率來測量該聲學噪聲特征?？蛇x擇將噪聲內(nèi)容最小化的操作頻率。在一些實施例中，隔膜可以用具有與氣室的開ロ對準的揚聲器的活動閥來代替。
該揚聲器可具有與擴音器相似的或相同的結(jié)構(gòu)。例如，揚聲器可具有永磁體、音圈、和附著到音圈上的振動膜(或錐體)?？墒褂迷摀P聲器來通過施加控制信號來控制氣室的通路，該控制信號可以是AC控制信號或DC控制信號。圖I和圖2是根據(jù)不例性實施例的光聲傳感器100的方框圖。光聲傳感器100可以包括具有開ロ 104的氣室102 ;光源106，其產(chǎn)生輻射以輻射氣室102內(nèi)的樣氣；檢測器108，其檢測氣室102內(nèi)的樣氣；以及隔膜110，其與氣室102的開ロ 104對準以允許樣氣進入氣室102。當光源106未正在產(chǎn)生輻射時，檢測器108收集周圍環(huán)境內(nèi)的壓カ波動(即噪聲)，以確定周圍環(huán)境內(nèi)的噪聲N的壓カ波動的譜內(nèi)容。如圖I中所示，控制器120從檢測器108接收信號SI，該信號SI表示由周圍環(huán)境內(nèi)的噪聲N引起的壓カ波動的譜內(nèi)容。如圖2中所示，控制器120將由光源106所產(chǎn)生的輻射R的頻率調(diào)整到與由周圍環(huán)境內(nèi)的噪聲N引起的壓カ波動的譜內(nèi)容沖突較小的頻率。檢測器108響應(yīng)于由被福射的樣氣的壓カ波動所產(chǎn)生的聲信號來產(chǎn)生輸出電信號S2。檢測器108可例如是麥克風，其可響應(yīng)于由來自光源106的輻射所引起的被輻射的樣氣的壓カ波動所生成的聲信號來生成電輸出信號OS。在一個實施例中，麥克風108被提供以接入樣氣中的壓カ變化，還提供密封以防止氣體除了通過開ロ 104外進入氣室102或從氣室102中逸出。在一些實施例中，光聲傳感器100可進ー步包括濾光器116 (或多個濾光器)，該濾光器116放置于光源106和氣室102之間以過濾進入到氣室中的輻射。在一些實施例中，可使用調(diào)制器來在檢測樣氣期間對由光源106所產(chǎn)生的輻射R進行調(diào)制。在一個實施例中，濾光器116還提供密封以防止氣體除了通過開ロ 104外進入氣室102或從氣室102中逸出。作為例子，在檢測期間，紅外光源106可被調(diào)制為在氣室102中輻射樣氣，以引起氣室102中的樣氣在入射的紅外輻射R被調(diào)制時加熱和冷卻。這些溫度波動轉(zhuǎn)而產(chǎn)生壓力波，該壓カ波被麥克風108所檢測，并因此生成電輸出信號OS?？蓪碜喳溈孙L108的電輸出信號OS進行處理和分析以評估在氣室102中密封的樣氣的性質(zhì)或?qū)傩?。作為例子，通過分析在氣室102中密封的樣氣的所獲得的譜，用戶可識別存在于樣氣中的物質(zhì)，并且確定在氣室102內(nèi)的樣氣中物質(zhì)的濃度。通過使用本申請的光聲傳感器，可使用各種已知的技術(shù)來檢測樣氣的性質(zhì)或?qū)傩?。?yīng)當注意的是可想到多個實施例，其中環(huán)境噪聲的譜內(nèi)容與由被輻射的樣氣所產(chǎn)生的壓カ波所生成的譜內(nèi)容被同時收集和/或分析。
其他示例實施例涉及ー種方法，該方法包括向氣室的開ロ提供樣氣，并且確定周圍環(huán)境內(nèi)壓カ波動的譜內(nèi)容。該方法進ー步包括向控制器提供周圍環(huán)境內(nèi)壓カ波動的譜內(nèi)容的數(shù)據(jù)。該方法進ー步包括使用該控制器來指引光源以如下頻率來發(fā)射輻射，該頻率使壓カ波動與周圍環(huán)境內(nèi)壓カ波動的譜內(nèi)容的沖突最小化，并且產(chǎn)生表示被輻射的樣氣的壓力波動的輸出信號。圖3中示出了另ー個示例方法300。該方法300包括[310]向氣室的開ロ提供樣氣，以及[320]產(chǎn)生表不樣氣的壓カ波動的輸出信號的參考集,所述樣氣的壓カ波動由樣氣所位于的周圍環(huán)境中的噪聲引起。方法300進ー步包括[330]使用控制器來分析輸出信號的參考集，并且確定由周圍環(huán)境中的噪聲引起的樣氣的壓カ波動的譜內(nèi)容，以及[340]使用控制器來指引光源以如下頻率來發(fā)射輻射，該頻率使樣氣的壓カ波動與周圍環(huán)境內(nèi)的樣氣的壓カ波動的譜內(nèi)容的沖突最小化。
方法300進ー步包括[350]產(chǎn)生表示被輻射的樣氣的壓カ波動的輸出信號的樣本 集，以及[360]使用控制器來分析輸出信號的樣本集，并確定被輻射的樣氣的壓カ波動的譜內(nèi)容。在一些實施例中，[310]向氣室的開ロ提供樣氣包括使樣氣穿過隔膜。在另ー些實施例中，[310]向氣室的開ロ提供樣氣包括激活揚聲器以暴露氣室中的開ロ。需要注意的是，[320]產(chǎn)生表示由樣氣所位于的周圍環(huán)境中的噪聲引起的樣氣的壓カ波動的輸出信號的參考集可包括用麥克風來檢測壓力波動。另外，[350]產(chǎn)生表示被福射的樣氣的壓カ波動的輸出信號可包括用麥克風來檢測被福射的樣氣的壓カ波動。該方法可進ー步包括在光源發(fā)射輻射之后并且在輻射到達樣本之前過濾該輻射。另外，[360]使用控制器來指引光源發(fā)射輻射可包括使用光源來發(fā)射調(diào)制的窄帶紅外輻射。該方法可進ー步包括[370]分析被輻射的樣氣的壓カ波動的譜內(nèi)容以識別存在于樣氣中的物質(zhì)。在一些實施例中，[370]分析被輻射的樣氣的壓カ波動的譜內(nèi)容以識別存在于樣氣中的物質(zhì)可包括確定存在于樣氣中的物質(zhì)的濃度。雖然在這里已經(jīng)描述了本申請的原理，本領(lǐng)域技術(shù)人員要理解的是，該描述只是以示例方式作出的，而不作為對本申請的范圍的限制。由此，意在由所附的權(quán)利要求來覆蓋落入本申請的真實精神和范圍內(nèi)的所有本申請的修改。
權(quán)利要求
1.一種光聲傳感器，包括 具有開口的氣室； 檢測器，收集所述氣室內(nèi)的壓力波動以確定周圍環(huán)境內(nèi)壓力波動的譜內(nèi)容； 光源，產(chǎn)生輻射以輻射所述氣室內(nèi)的樣氣；以及 控制器，從所述檢測器接收表示周圍環(huán)境內(nèi)壓力波動的譜內(nèi)容的信號，所述控制器將由所述光源所產(chǎn)生的輻射的頻率調(diào)整到與周圍環(huán)境內(nèi)壓力波動的譜內(nèi)容的沖突較小的頻率，其中所述檢測器響應(yīng)于由被輻射的樣氣的壓力波動所產(chǎn)生的聲信號來產(chǎn)生輸出電信號。
2.權(quán)利要求I的光聲傳感器，進一步包括濾光器，所述濾光器放置于光源和氣室之間以過濾輻射到氣室中的輻射，其中所述濾光器提供密封以防止氣體除了通過開口以外進入氣室。
3.權(quán)利要求I的光聲傳感器，其中的檢測器是麥克風，其中所述麥克風接合樣氣中的壓力變化，并且提供密封以防止樣氣除了通過開口以外進入氣室。
4.權(quán)利要求I的光聲傳感器，進一步包括隔膜，所述隔膜與氣室的開口相對準以允許樣氣進入氣室。
5.權(quán)利要求I的光聲傳感器，其中所述控制器操作光聲傳感器以在樣氣進入氣室的采樣周期和光源輻射氣室內(nèi)的樣氣的檢測周期之間進行交替。
6.一種方法，包括 向氣室的開口提供樣氣； 產(chǎn)生表示樣氣的壓力波動的輸出信號的參考集，所述樣氣的壓力波動由樣氣所位于的周圍環(huán)境中的卩栄聲引起； 使用控制器來分析輸出信號的參考集，并且確定由周圍環(huán)境內(nèi)的噪聲引起的樣氣的壓力波動的譜內(nèi)容； 使用控制器來指引光源以如下頻率來發(fā)射輻射，該頻率使樣氣的壓力波動與在周圍環(huán)境內(nèi)的樣氣的壓力波動的譜內(nèi)容的沖突最小化； 產(chǎn)生表示被輻射的樣氣的壓力波動的輸出信號的樣本集；以及 使用控制器來分析所述輸出信號的樣本集，并且確定被輻射的樣氣的壓力波動的譜內(nèi)容。
7.權(quán)利要求6的方法，其中向氣室的開口提供樣氣包括使樣氣穿過隔膜。
8.權(quán)利要求6的方法，其中產(chǎn)生表示由樣氣所位于的周圍環(huán)境中的噪聲引起的樣氣的壓力波動的輸出信號參考集包括用麥克風檢測壓力波動。
9.權(quán)利要求6的方法,產(chǎn)生表不被福射樣氣的壓力波動的輸出信號包括用麥克風檢測被輻射的樣氣的壓力波動。
10.權(quán)利要求6的方法，進一步包括分析被輻射的樣氣的壓力波動的譜內(nèi)容以識別存在于樣氣中的物質(zhì)，其中分析被輻射的樣氣的壓力波動的譜內(nèi)容以識別存在于樣氣中的物質(zhì)包括確定存在于樣氣中的物質(zhì)的濃度。
全文摘要
一些實施例涉及光聲傳感器，該光聲傳感器包括具有開口的氣室和收集所述氣室內(nèi)的壓力波動以確定周圍環(huán)境內(nèi)壓力波動的譜內(nèi)容的檢測器。該光聲傳感器進一步包括產(chǎn)生輻射以輻射所述氣室內(nèi)的樣氣的光源，以及從該檢測器接收表示周圍環(huán)境內(nèi)壓力波動的譜內(nèi)容的信號的控制器。所述控制器將由光源所產(chǎn)生的輻射的頻率調(diào)整到與周圍環(huán)境內(nèi)壓力波動的譜內(nèi)容的沖突較小的頻率。該檢測器響應(yīng)于由被輻射的樣氣的壓力波動所產(chǎn)生的聲信號來產(chǎn)生輸出電信號。
文檔編號G01N21/17GK102759508SQ201210208280
公開日2012年10月31日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者T·M·雷扎徹克 申請人:霍尼韋爾國際公司