專利名稱：氣體傳感器的制作方法
氣體傳感器本申請(qǐng)是2001年1月29日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?1806043.9，申請(qǐng)名稱為《氣 體傳感器》的申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明主要涉及氣體傳感器，具體地說，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。發(fā)明背景使用擴(kuò)散型氣體傳感器用光聲效應(yīng)來檢測(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(ra/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。一般來說，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)。 該第一容積通過開口部分與環(huán)境流體連接，使得氣體分析物能夠通過開口擴(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)正比于通過多孔元件壓力損耗。通過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。圖9顯示了圖8的光聲檢測(cè)器的較佳實(shí)施例。發(fā)明的詳細(xì)描述圖1說明本發(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l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通過阻止空氣壓力波入射到 氣體入口 4的過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 通過進(jìn)一步阻止己通過第一燒結(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)—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)?其具有毛細(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盤片5進(jìn)入測(cè)量單元3的擴(kuò)散通道。縫隙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，使得分析氣體分子能以比分析氣體分子擴(kuò)散通過燒結(jié)盤片2a和2b和通過孔低得多的速率擴(kuò)散通過縫隙 6。SDE容積Vx吸收通過第一燒結(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)IO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?減，且不會(huì)反過來影響通過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，通過最好相對(duì)較長又相對(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 氣體分子通過壓力管道6'的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)慢于通過多孔部件/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)可以釆用以下討論的模型來解釋。外部壓力波首先滲 透過第一燒結(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AP。該壓力差通過壓力管道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隽緼P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llram，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之間的容積通過大約 50cm長以及內(nèi)直徑約為4隱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 ULTIMA⑧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 Corapany。在該實(shí)施例中，盤片5 是由約0.6ram厚的聚四氟乙烯薄膜制成，并具有約為lmm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. l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l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 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，釆用環(huán)境空氣(OXCH》， 1.33%CH4 (27XLEL —較低的煤氣爆炸限制)和5%CH4 (100%LEL)來校準(zhǔn)傳感 器。如圖5所示，無論是具有和不具有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)椋?與對(duì)應(yīng)的"常規(guī)"傳感器相比，增加了通過本研究中所用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)的傳感器是指沒有容積Vx和沒有第二燒結(jié) 盤片2b的傳感器，其中單元僅僅只通過第一燒結(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)放大和釆樣。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9HzFWHM (半 峰全寬)。當(dāng)使用背景/參考麥克風(fēng)9時(shí)，來自測(cè)量單元麥克風(fēng)IO和背景麥克 風(fēng)9的信號(hào)都單獨(dú)通過鎖定程序。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)間超過了 ISA的要求。然而， 通過減小燒結(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(T6。=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(^。=8.5秒)表示的常規(guī)結(jié)構(gòu)(即，沒有SDE的圖1的傳感器——也就是沒 有第二燒結(jié)盤片2b和沒有隔膜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 —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。一般來說，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IIO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)來自 外部壓力波動(dòng)的低頻噪聲在每個(gè)光聲單元120和參考單元110中相同時(shí)，就只 有來自光聲單元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，所有的氣體通過該盤片170 擴(kuò)散入光聲傳感器100。如圖9所示，光聲傳感器IOO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。 一般來說，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 波通過聲密封隔膜250。通過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 GORETEX⑧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來簡要地討論測(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，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外層多孔元件170。于是，例如在光聲傳感器100是新的或"沒有被阻塞"時(shí)，就能得到來自接收機(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變得越來越被使用光聲傳 感器IOO環(huán)境中的碎片阻塞時(shí)，通過的聲損耗會(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)超過閾值限制。如果己經(jīng)超過 了閾值限制，則電路210就觸發(fā)報(bào)警裝置(例如，視覺或音頻報(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)。雖然己經(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產(chǎn)生光聲檢測(cè)器輸出信號(hào)的電子系統(tǒng)。
2. 如權(quán)利要求1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。
3. 如權(quán)利要求2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。
4. 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)中來自外部壓力波的噪聲°
5. —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)正比于通過第一多孔元件的壓力損耗，通過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。
6. 如權(quán)利要求5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)整為通過第一多孔元件和 第二多孔元件之間的空間來傳輸壓力波。
全文摘要
本發(fā)明主要涉及氣體傳感器。具體而言，本發(fā)明提供了一種光聲檢測(cè)器，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產(chǎn)生光聲檢測(cè)器輸出信號(hào)的電子系統(tǒng)。本發(fā)明還提供了一種光聲傳感器，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)中來自外部壓力波的噪聲。
文檔編號(hào)C07K14/705GK101334356SQ20081009587
公開日2008年12月31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H·特拉赫塞爾, L·J·布拉特尼卡, M·A·默克利, P·A·巴克曼, U·F·博格利 申請(qǐng)人:礦井安全裝置公司