CN101334356A

CN101334356A - 气体传感器

Info

Publication number: CN101334356A
Application number: CNA2008100958725A
Authority: CN
Inventors: M·A·默克利; U·F·博格利; L·J·布拉特尼卡; P·A·巴克曼; H·特拉赫塞尔
Original assignee: Mine Safety Appliances Co
Current assignee: Coal Mine Safety Equipment Co ltd; MSA Technology LLC
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2008-12-31
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: AU2001233093A1; US7242479B2; JP2004502924A; CN100422716C; US20060192966A1; JP4860084B2; EP2267431A2; EP1261855A1; CN1411552A; WO2001067072A1; CN101334356B; US7034943B1

Abstract

本发明主要涉及气体传感器。具体而言，本发明提供了一种光声检测器，它包括：用于测量进入光声检测器的分析气体的光声激发的测量系统，用于测量环境中压力波的影响的参考系统，和用于将参考系统的输出与测量系统的输出相组合以偏置环境中压力波所引起的噪声来产生光声检测器输出信号的电子系统。本发明还提供了一种光声传感器，它包括：测量单元、参考单元、以及在这两个单元之间耦合的压力梯度麦克风，压力梯度麦克风测量在测量单元和参考单元之间的压力差，以减小光声传感器输出信号中来自外部压力波的噪声。

Description

气体传感器

本申请是2001年1月29日提交的申请号为01806043.9，申请名称为《气体传感器》的申请的分案申请。

发明领域

本发明主要涉及气体传感器，具体地说，涉及用于提高光声检测器和其它气体传感器中信噪比的器件和方法。

发明背景

使用扩散型气体传感器用光声效应来检测所感兴趣气体种类的浓度水平是众所周知的。例如，美国专利No.4,740,086讲授了随着所感兴趣的气体种类扩散到光入射的感应腔室，当光机械和热激发该气体种类时，使用扩散型光声气体传感器将调幅光源的光能转换成声能。当气体吸收的光辐射产生大小正比于感应腔室内气体分子数量的压力波动时，产生强度对应于腔室内气体浓度水平的声波。这声/压力波可以采用诸如麦克风的声检测器来检测。

然而，扩散型光声传感器的输出信号容易受到来自户外的空气压力波动源(如风、振动和声音现象)的干扰而产生噪声的影响。为了能消除这类噪声，在试图允许气体能轻易地扩散到用于检测的感应腔室的同时，也能采用一些衰减外部所产生压力波动的装置。例如，常常在光声传感器的入口设置多孔部件，采用该部件可以使气体迅速扩散，并能衰减外部压力波动的效应。然而，必须平衡该衰减效应和响应时间的增加。就这点而言，引入减小噪声的声/压力衰减元件(或多个衰减元件)通常会导致对变化信号电平响应能力的相应损耗。美国工业协会(ISA)对可燃性气体检测器的指标要求气体浓度水平的测量稳定性达到在每秒5米(m/s)的风速条件下具有小于12秒的相应响应时间(满刻度显示的60％)。

于是，就非常希望能研究出能提高光声检测器以及其它气体传感器的信噪比的器件和方法，同时又能保持这类检测器所具有的令人满意的响应时间。

发明内容

一方面，本发明提供了为扩散型、非谐振性光声气体传感器(检测器)的使用而设计的声/压力阻尼元件(SDE)。该SDE能将外部的低频噪声减小到可接受的水平上，同时允许光声检测器(传感器)对变化的气体浓度水平保持适当的响应时间。

一般来说，光声检测器包括具有传感器系统的第一容积，用于光声检测。该第一容积通过开口部分与环境流体连接，使得气体分析物能够通过开口扩散到第一容积。光声检测器还包括第二容积(一个SDE容积)，它与第一容积相连接，使得压力能迅速在第一容积和第二容积之间均衡，且使得从第一容积到第二容积的分析气体的扩散受阻(或与从环境进入到第一容积的分析气体的扩散相比，减慢了扩散的速度)。

在现有的光声检测器中，当入射到感应腔室的光的光能被分析气体吸收，引起分析气体分子的机械激发，该分析气体分子产生强度正比于感应腔室中分析气体分子数量的空气压力波动，从而使光能转换成声能，产生强度对应于第一容积或感应腔室中分析气体浓度水平的声波。随后，由诸如麦克风的检测器来检测声波。

第二容积最好能大于第一容积，从而增加对外部压力波动的衰减。第一容积可以采用，例如，能限制分析气体通过的形状的管道，与第二容积相连接。与第一容积的开口相比，该管道例如可以是拉长和较小截面积的管道。

在实施例中，光声检测器包括具有传感系统的第一容积，用于光声检测。第一容积通过能使分析气体迅速扩散的多孔型元件(例如，烧结的盘片)与第二容积流体连接。第二容积通过能使分析气体迅速扩散的第二多孔型元件与环境流体连通。第二容积采用能使第三容积和第二容积之间的压力迅速均衡的方式与第三容积相连接，但如上所述从第二容积到第三容积的分析气体的扩散会受阻。

另一方面，本发明所提供的光声检测器包括：用于测量进入光声检测器的分析气体的光声激发的测量系统，用于测量在环境中压力波效应的参考系统，以及用于根据参考系统的输出来偏置测量系统的输出，以减小在光声检测器的输出信号中由环境压力波所引起的噪声的系统。例如，测量系统可以包括用于测量气体光声激发的第一麦克风；参考系统可以包括用于测量偏置信号的第二麦克风，该偏置信号是由电子系统来处理的，用于减小在光声传感器输出信号中由外部压力波所产生的效应。例如，参考系统可以设置在上述讨论的SDE容积内。第一麦克风也可以设置在光声单元内，而第二麦克风可以设置在参考单元内。光声单元和参考单元最好能相互匹配(例如，一般为相同的容积)。

另一方面，本发明所提供的光声检测器包括：测量单元、参考单元和在两个单元之间耦合的压力梯度麦克风。压力梯度麦克风测量在测量单元和参考单元之间的压力差，以减小在光声传感器输出信号中外部压力波所引起的噪声。

还有一方面，本发明提供了用于测量多孔元件的完整性的器件。该器件主要包括压力波源和用于测量发射机的压力波发送所引起的信号的传感器。该信号正比于通过多孔元件压力损耗。通过多孔元件的压力损耗也就是对多孔元件阻塞程度的测量。

又一方面，本发明提供了用于环境中分析物检测的传感器，该传感器包括设置在传感器入口处的多孔元件和用于测量上述多孔元件的完整性的系统。

在以下较佳实施例的详细讨论中，本发明的其它细节、目的及特点将会变得更加清晰。

附图说明

图1是本发明光声检测器在部分没有连接状态下的透视图。

图2是适用于图1光声检测器的压力耦合器的平面图。

图3是外部声/压力阻尼容积与感应容积或单元的压力耦合器的另一实施例的示意图。

图4显示了通过将外部声/压力阻尼容积耦合到感应容积以衰减外部产生压力波的效应。

图5说明了具有和不具有外部声/压力阻尼容积的光声单元的校正曲线的比较。

图6显示了装备了外部声/压力阻尼容积的传感器(空心圆)和未装备外部声/压力阻尼容积的传感器(实心圆)的响应时间的比较。

图7显示了没有外部声/压力阻尼容积的光声单元(i)，有外部声/压力阻尼容积的光声单元(ii)，以及有外部声/压力阻尼容积和背景/参考麦克风的光声单元(iii)的风噪声减小特性的比较。

图8显示了本发明光声检测器的另一实施例。

图9显示了图8的光声检测器的较佳实施例。

发明的详细描述

图1说明本发明的扩散、非谐振光声甲烷检测器的实施例。美国专利No.4,740,086披露了光声传感器/检测器操作和结构的一般原理，该专利作为本发明的参考。在图1的实施例中，光声检测器1的气体入口4处的开口最好用诸如第一金属烧结盘片2a的多孔材料来覆盖，该多孔材料允许所感兴趣气体种类的分子(即分析气体)扩散入光声检测器1的感应(或测量)单元3。正如在现有技术中所了解的一样，第一烧结盘片2通过阻止空气压力波入射到气体入口4的过程起到衰减外部压力波源的作用，同时对气体分子从入口4扩散入光声检测器1仅仅只有最小的阻力。在图1的实施例中，第二烧结盘片2b通过进一步阻止已通过第一烧结盘片2a的任何空气压力波的扩散起到衰减外部压力波源的作用。类似于烧结盘片2a，烧结盘片2b最好对扩散进入光声检测器1的测量单元3的气体分子只有很小的阻力。

当允许气体扩散到测量单元3时，烧结的盘片2a和2b起着将进入的外部压力波封闭在其间的空间所确定的区域(Vb)中，其中，Vb与测量单元3确定的区域(Va)一起形成气体的扩散容积Vo(Va+Vb)，图3对此作了最好的显示。容积Vo最好保持着尽可能的小，以便于减小气体分析物扩散到测量单元3所需的时间量。在图1和图2的实施例中，盘片5最好用聚四氟乙烯或类似的材料制成，它占据烧结盘片2a和2b之间的空间，将烧结盘片2a和2b之间的容积与一般是由外壳20确定的SDE容积Vx(测量单元3的感应容积外部)相连接。不同于烧结盘片2a和2b的是，盘片5对压力波只具有很小的阻力，因为其具有毛细管缝隙6(对应于以下将要讨论的图3实施例中的压力管道6’)，形成了使外部声/压力波能进入SDE容积Vx的通道。位于盘片5中心的孔7作为分析气体分子通过盘片5进入测量单元3的扩散通道。缝隙6最好制成与输入孔7的面积相比具有相对较小的截面积且比较长，使得分析气体分子能以比分析气体分子扩散通过烧结盘片2a和2b和通过孔低得多的速率扩散通过缝隙6。

SDE容积Vx吸收通过第一烧结盘片2a进入的外部压力波的能量，以此减小由进入的压力波所引起的噪声信号的压力幅值。除了缝隙6与环境的流体连接之外，Vx最好能压力密封，以避免外部的压力波通过烧结盘片2a和2b以外的任何通道进入光声检测器1。与Vo相比，Vx最好能相对大些。在这点上，Vx相比于Vo越大，则由Vx吸收的进入压力波动的能量百分比就越大。较佳的是，Vx约是Vo的至少两倍。更佳的是，Vx约是Vo的至少五倍。最佳的是，Vx约是Vo的至少十倍。

在本发明的另一方面，Vx也提供了用于放置第二麦克风9的空间，以测量由入射的外部压力波能量所产生的噪声电平，允许产生一个测量补偿信号，该信号可以被连接主麦克风10(用于测量光声所产生的信号)所发出信号的常规信号处理电路8处理，以进一步减小或消除外部压力变化对光声检测器1所提供的整个输出信号的影响。

正如在一般光声传感器中，当入射到感应腔室3的光的光能被分析气体吸收，引起分析气体分子的机械激发，产生强度正比于感应单元3中气体分子数量的空气压力波动，从而使光能转换成声能，产生强度对应于分析气体浓度水平的声波。该声波可以被麦克风10检测到。例如参照图3，外部容积Vx到最好稍小些气体扩散容积Vo的耦合器起到了使声/压力衰减的作用，采用该方式，可以使入射到光声检测器的外部产生压力波被最好稍大些的容积Vx适当地衰减，且不会反过来影响通过Vo用于被检测器测量的感兴趣气体种类的扩散。正如以上所讨论的，通过最好相对较长又相对较细(即，相对较小的截面积)的压力管道6’将最好较大的容积Vx连接到较小的气体扩散容积(它部分由烧结盘片2a和2b确定)来实现以上结果。管道起到类似于毛细管的作用，使得气体分子通过压力管道6’的扩散速度远慢于通过多孔部件/烧结盘片2a和2b的速度，此时，压力管道6’对进入SDE容积Vx的外部压力波几乎没有任何阻力，在本发明的光声传感器实验中是以低频进行的。压力管道6’对声/压力波提供的低阻力使得容积Vx能接受和适当地衰减入射到气体扩散容积Vo的外部声/压力波能量，而没有不利地增加传感器的响应时间，因为对容积Vx的气体分子损耗数量由于通过压力管道6’的低扩散速率而减小。

容积Vx的衰减效应可以采用以下讨论的模型来解释。外部压力波首先渗透过第一烧结盘片2a，且引起烧结盘片2a和2b之间的小容积Vb内的压力增量ΔP。该压力差通过压力管道6’得到均衡。压力差的均衡对应于烧结盘片之间的空气进入到Vx的绝热膨胀。最终被麦克风10检测到的测量单元中的压力增量为初始压力增量ΔP乘上系数Vo/(Vx+Vo)。正如以上所讨论的，Vo是金属烧结盘片2a和2b之间的容积Vb和光声检测器的感应单元3的容积Va的和。因此，与容积Vo相耦合的外部容积Vx越大，则系数Vo/(Vx+Vo)越小。

上述模型使增加的外部产生压力波衰减与增加的外部容积Vx相关，正如图4所示。图4说明了随着SDE容积Vx的增加6Hz的外部声波衰减的例子。为了便于实验，在这些研究中，光声传感器都设计成如图3所示的，使得容积Vx能够更容易变化。在图4的研究中，光声检测器包括两个相同的烧结盘片2a和2b，这两个盘片约为0.062英寸厚且相互间隔约为11mm，将他们胶合在内直径约为24mm的圆形金属环上。在烧结盘片2a和2b之间的容积通过大约50cm长以及内直径约为4mm的管子与可变外部容积Vx相耦合。随后，传感器受到喇叭所产生的6Hz的声波的辐射。随着SDE容积Vx的增加，所检测到的噪声幅度减小了Vo/(Vx+Vo)的系数。通过增加大约200ml的外部容积，所观测到的噪声幅度可从它的初始值减小了约为10的系数(见图4)。

在本发明研究中所使用的光声检测器1的一个实施例中，SDE容积Vx是与ULTIMA

型气体传感器的外壳结合在一起的，该传感器出品于Pittsburgh，Pennsylvania的Mine Safety Appliances Company。在该实施例中，盘片5是由约0.6mm厚的聚四氟乙烯薄膜制成，并具有约为1mm宽的缝隙6。烧结盘片2a的厚度约为0.062英寸，烧结盘片2b的厚度约为0.02英寸。每个烧结的盘片2a和2b都具有约为0.1微米的气孔尺寸(直径)。Panasonic(松下)麦克风型号WM-034可用于主麦克风10和第二麦克风9。ALBA灯(型号7328)可以幅度为5伏、频率为8Hz的方波脉冲工作，以产生照射光声检测器1的调幅光信号。正如在本领域工作的人士所熟悉的那样，光声检测器1的部分或全部元件都可以各种方式相互嵌套。例如，烧结的盘片2a和2b可以透气隔膜来取代。使Vx与Vo相连接的另一种压力管道6’或缝隙6可以是气体密封的柔性隔膜，它可透过声/压力波但能防止或阻止气体分子的扩散。

在该光声传感器的其他几项研究中，对具有和不具有SDE容积Vx的安装/连接的情况进行了光声传感器的测试。在这些研究中，采用环境空气(0％CH₄)，1.33％CH₄(27％LEL-较低的煤气爆炸限制)和5％CH₄(100％LEL)来校准传感器。如图5所示，无论是具有和不具有SDE容积Vx，都可以获得在所施加的气体浓度和引起的信号输出(在图5的研究中是电压)之间良好的线性关系。当安装了容积Vx之后，可以认为在5％甲烷条件下的输出信号是减小的，因为，与对应的“常规”传感器相比，增加了通过本研究中所用0.02英寸厚的第二烧结盘片2b的信号压力损耗(常规的传感器是指没有容积Vx和没有第二烧结盘片2b的传感器，其中单元仅仅只通过第一烧结盘片2a与大气环境隔离)。在常规传感器中的烧结盘片2a的厚度为0.062英寸，这与本发明传感器中的盘片2b的厚度相同。

在这些研究中，麦克风信号是采用计算机的模数(A/D)转换卡以4096Hz的速率进行预放大和采样。随后，采用锁定程序相对于8Hz的参考频率校准信号幅度和相位。所实施的锁定算法检测参考频率和(衰减的)奇次较高谐波上的频率分量。为了表征锁定算法，将具有恒定峰峰值为50mV和递增频率的正弦波信号施加到麦克风预放大器。在基频为8Hz时，检测的带宽为9Hz FWHM(半峰全宽)。当使用背景/参考麦克风9时，来自测量单元麦克风10和背景麦克风9的信号都单独通过锁定程序。测量背景麦克风9的最终浓度值，随后从测量单元麦克风10的浓度值中减去它。图7说明了减去麦克风9的输出后产生的附加噪声的减小。

在图4的研究中所使用的实验系统的响应时间超过了ISA的要求。然而，通过减小烧结盘片之间的距离以及减小烧结盘片的厚度，就能在保持噪声衰减效果的同时获得明显较短的响应时间。在图1所示实施例的光声传感器的几项研究中，例如，将内部烧结盘片2b的厚度减小到约0.02英寸且将盘片2a和2b之间的距离也减小。图6演示了图1的光声传感器1的响应时间(T₆₀＝11.5秒；由图6中的空心圆表示)，它符合ISA的要求，只是略大于图6中实心圆(T₆₀＝8.5秒)表示的常规结构(即，没有SDE的图1的传感器--也就是没有第二烧结盘片2b和没有隔膜5)。该响应时间是将传感器入口置于含有5％甲烷气体浓度(满刻度)的容积中测定的。甲烷的较低易爆极限或LEL为5％。另一方面，图7演示了SDE的噪声衰减效果。在图1实施例中的噪声水平在风速5m/s(满足ISA的要求)时保持低于10％，而在没有SDE的设置中噪声水平在风速为2.6m/s时就已经超过了100％的满刻度指示。当除了SDE效果还使用背景麦克风9的数据时，直至风速达到14m/s时，输出信号的噪声水平仍能减小到10％满刻度以下(见图7)。

正如以上所讨论的，背景麦克风9可以单独使用或和SDE容积Vx一同使用，以减小本发明光声传感器输出信号中的噪声水平。图8说明了本发明另一实施例，在该实施例中，在参考单元110中实现直接测量由进入的外部压力波引起的光声传感器100输出信号中噪声的概念。在图8的实施例中，光声检测器100包括了最好能确定上述SDE容积Vx的外壳105。光声(PA)单元120和参考(Ref)单元110也最好能在外壳105中。

一般来说，光声信号只能由一个光声单元120输出。光声单元120和参考单元110最好尽可能以相似的或良好匹配的方式来制造。例如，每个光声单元120和参考单元110最好能具有相同的容积。每个光声单元120和参考单元110也最好能具有相同的内部元件。例如，每个光声单元120和参考单元110最好都能安装上述的辐射源和麦克风。正如以上所讨论的，通过利用参考单元110的输出信号作为光声单元120输出信号的偏置，这样就基本上减小了光声检测器100输出信号中由外部进入压力波所引起的噪声。

每个光声单元120和参考单元110最好能与压力梯度麦克风130相耦合。麦克风130的输出正比于光声单元120和参考单元110之间的压力差。当来自外部压力波动的低频噪声在每个光声单元120和参考单元110中相同时，就只有来自光声单元120的光声信号。只对光声单元120和参考单元110之间的压力差进行测量能基本上减小或消除在输出信号中由外部压力波动所引起的噪声。使用光声单元120和参考单元110各自开口处的参考测量、多孔元件122和112提供的特定噪声抑制，可以采用比常规光声传感器更大的多孔材料来设计，以获得更快的响应。

在使用类似于图8所示参考单元结构的几项研究中，可以确定在相对低频的噪声水平下所得的噪声减小效果是良好的，但随着频率的增加效果下降。在这点上，采用参考单元110所获得的噪声减小结果能补偿呈现低通特性的SDE容积Vx所获得的结果。

在这点上，光声检测器110也可以包括SDE容积Vx。每个光电单元120和参考单元110都通过例如管道140与容积Vx流体连接，管道140与容积Vx的开口150流体连接。正如以上所讨论的，在光声单元120的入口处最好能设置烧结盘片122，而在参考单元110的入口处最好能设置烧结盘片112。同样，在外壳105的入口处最好能设置另一烧结盘片170，所有的气体通过该盘片170扩散入光声传感器100。

如图9所示，光声传感器100最好再提供一个测试系统(例如，包括系统电路210)，以测试最外层多孔元件(即，烧结盘片170)的完整性。在这方面，烧结盘片170直接与环境条件接触，时常会被碎片或污染物阻塞，从而妨碍气体扩散到光声传感器100。一般来说，测试系统最好包括声/压力波的发射机/源220，如喇叭；以及传感器/接收机230，如用于检测由源220产生的声/压力波的麦克风。源220最好能设置在外层多孔元件170和压力/声密封隔膜250之间所产生的通道240的一侧。在图8的实施例中，声密封隔膜250也确定/限制了管道140，正如以上所讨论的。声密封隔膜250最好能对源220产生的压力波提供比外层多孔元件170更大的声阻力，以防止源220所用频率的声波通过声密封隔膜250。通过使用比外层多孔元件170的孔径更小孔径尺寸的隔膜就可以获得该结果。为了能保持快响应时间，多孔隔膜250要尽可能的薄。在另一实施例中，使用了GORETEX隔膜具有约0.2微米的孔径尺寸，厚度约0.5mm以及直径约32mm。在该实施例中，外层多孔元件170的孔径尺寸约5微米。

参照图8来简要地讨论测试系统的操作。这时，在测试外层多孔元件170的完整性或条件的过程中，声/压力波信号由发射机220发送。压力/声密封隔膜250最好能基本上防止发射机220信号频率的声/压力波通过，因此有利于向通道相对端的接收机230发送声波。然而，最好能选择发射机220的信号频率，使得它至少能部分通过外层多孔元件170。于是，例如在光声传感器100是新的或“没有被阻塞”时，就能得到来自接收机230的基本测试输出信号，该信号对应于发射机220的某一幅度和频率的信号。接收机230的输出信号将反映出通过多孔元件170的某些声损耗。该测试程序最好能在光声传感器100的工作寿命中周期性地重复。随着外层多孔元件170变得越来越被使用光声传感器100环境中的碎片阻塞时，通过的声损耗会减少，且接收机230将接受到相对更大的信号。最好设定接收机输出信号的阈值限制(对应于完全阻塞的多孔元件170)，使得电路210能够测试是否已经超过阈值限制。如果已经超过了阈值限制，则电路210就触发报警装置(例如，视觉或音频报警)，以便于例如更换外层多孔隔膜170。业内的专业人士应该理解到：这一类测试系统的使用并不限于光声传感器，也可同样应用于任何包括电化学或催化传感器的传感器系统中的多孔元件的使用(例如，金属烧结盘片或多孔隔膜)。

虽然已经结合上述例子详细讨论了本发明，但应该理解到：该详细的讨论也仅仅只是为了讨论的目的，业内专业人士可以不脱离以下权利要求所限定的本发明的核心精神的范围作出各种变化。

Claims

1.一种光声检测器，其特征在于，它包括：用于测量进入光声检测器的分析气体的光声激发的测量系统，用于测量环境中压力波的影响的参考系统，和用于将参考系统的输出与测量系统的输出相组合以偏置环境中压力波所引起的噪声来产生光声检测器输出信号的电子系统。

2.如权利要求1所述的光声检测器，其特征在于：测量系统包括用于测量分析气体的光声激发的第一麦克风，以及参考系统包括用于产生偏置信号的第二麦克风，偏置信号被电子系统处理后，用于减小外部产生压力波对光声传感器输出信号的影响。

3.如权利要求2所述的光声检测器，其特征在于：第一麦克风设置在光声单元中，以及，第二麦克风设置在参考单元中，光声单元和参考单元一般具有相同的容积。

4.一种光声传感器，其特征在于，它包括：测量单元、参考单元、以及在这两个单元之间耦合的压力梯度麦克风，压力梯度麦克风测量在测量单元和参考单元之间的压力差，以减小光声传感器输出信号中来自外部压力波的噪声。

5.一种用于检测环境中分析物的传感器，其特征在于，该传感器包括：覆盖在传感器入口处的第一多孔元件和用于测试第一多孔元件完整性的器件，该器件包括压力波源和用于测量由源的压力波传输所引起的信号的传感器，该信号正比于通过第一多孔元件的压力损耗，通过第一多孔元件的压力损耗是第一多孔元件阻塞程度的测量值。

6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，进一步包括：第二多孔元件，它设置在第一多孔元件和传感器的测量单元之间，第二多孔元件一般具有比第一多孔元件的气孔尺寸更小的气孔尺寸，将源调整为通过第一多孔元件和第二多孔元件之间的空间来传输压力波。