CN102759508A - 具有自适应操作频率的光声传感器 - Google Patents

Abstract

一些实施例涉及光声传感器，该光声传感器包括具有开口的气室和收集所述气室内的压力波动以确定周围环境内压力波动的谱内容的检测器。该光声传感器进一步包括产生辐射以辐射所述气室内的样气的光源，以及从该检测器接收表示周围环境内压力波动的谱内容的信号的控制器。所述控制器将由光源所产生的辐射的频率调整到与周围环境内压力波动的谱内容的冲突较小的频率。该检测器响应于由被辐射的样气的压力波动所产生的声信号来产生输出电信号。

Description

具有自适应操作频率的光声传感器

技术领域

实施例涉及一种光声传感器。更特别地，实施例涉及一种具有自适应操作频率的光声传感器。

有关申请

本申请要求了序号为61/479,221(名称为具有自适应操作频率的光声传感器，2011年4月26日提交的)美国临时申请的优先权，该申请通过引用被合并在这里。

背景技术

在很多场所中发现了潜在的危险的空气。这些危险空气由于有毒气体、易燃气体混合物或氧气的过量或不足的出现而存在。

已经开发了很多类型的气体检测仪器来提供空气中包含潜在危险成分的警告，或者发起补救措施。这些气体检测仪器的例子包括检测煤矿中的易燃气体、检测油田和水处理厂中的硫化氢，检测从炼钢厂到卧室范围的一些地方的一氧化碳，以及检测例如下水道的受限制的空间中的氧气。

在很多应用中，有毒气体检测器的可靠性十分重要，尤其当这些仪器被用于保证人员的安全时。通常通过响应测试气体来定期检查仪器来获得可靠性，然而，校准测试气体通常被提供在巨大的、体积大的和昂贵的气瓶中。

一些现有的气体检测仪器包括一个或多个气体传感器，这些传感器的功能是提供响应于气体浓度而变化的电信号。来自很多类型传感器的输出随时间而变化，并且传感器不能在没有警告的情况下操作。

大部分气体传感器提供了相对输出信号，使得该输出信号不是气体浓度的绝对度量，而仅仅与气体浓度成比例。在此情况下，在使用之前，气体传感器必须用已知的测试气体来校准。

校准也可作为确保传感器正在工作的功能检查而被需要。在很多应用中，校准气体传感器时常是耗时、昂贵以及麻烦的。

一些常规的传感器可能遭受无法预测的基线漂移或量程漂移。如果传感器不足够敏感或不足够快速，则可能发生不可接受的未检测到的有毒分析物事件或高的误警报率(FAR)。

当样气暴露于一定频率的辐射能量时，可基于样气分子要达到更高的分子振动和旋转的相对级别的趋势，来使用光声传感器检测样气。这些更高的分子振动和旋转的相对级别引起样气达到更高的温度和压力。

当对辐射能量的振幅进行调制时，可用于吸收的能量中的所得到的波动产生对应的温度和压力波动。可使用敏感检测器来产生表示样气的压力波动的电输出信号。

可分析这些对应的电输出信号以评估样气的性质或属性。然而，常规的光声传感器具有对环境声学噪声源的敏感性，尤其当环境声学噪声源在传感器操作频率下存在时。

现有的光声传感器的缺点之一在于，因为每一个环境都具有独特的噪声内容，所以大多数现有的光声传感器通常不能容易地通过过滤来将声学噪声从期望的相关光声信号中分离。因此，存在对一种光声传感器的需求，当分析电输出信号来评估样气的性质或属性时，该光声传感器将声学噪声干扰最小化。

附图说明

在附图的图中以示例的方式、而不是以限制的方式说明了一些实施例，其中：

图1是根据一个示例实施例的说明了光声传感器的示图，其中该光声传感器正收集气室内的压力波动，以用该气室对样气确定由周围环境内噪声所产生的压力波动的谱内容。

图2示出了图1中的光声传感器，其中该光声传感器正收集气室内的压力波动，以用气室确定被辐射的气体的压力波动的谱内容。

图3是说明了识别样气中存在的物质方法的流程图。

具体实施方式

以下的详细描述包括参考形成该详细描述的一部分的附图。附图以说明的方式示出了特定实施例，在该特定实施例中本发明可以被实践。这些实施例，在这里也被称作“示例”，被足够详细地描述以使本领域技术人员能够实践本发明。在不背离本发明的范围的情况下，可以组合这些实施例，可以利用其它实施例，或者作出结构和逻辑的改变。因此，以下详细说明并不在限制性的意义上做出，并且本发明的范围由所附的权利要求以及它们的等同物所限定。

在本文件中，除非另外指示，使用术语“一(a或an)”来包括一个或一个以上，以及使用术语“或者”来指的是非排他性的“或者”。此外，应当理解，在这里所采用的并且没有另外定义的措词或术语仅是出于说明而非限制的目的。

进一步地，本文件中所参考的所有出版物、专利和专利文件，都将它们的整体通过引用而在此合并，就像通过引用一个一个单独地合并一样。如果出现了本文件和通过引用如此合并的那些文件之间的不一致的使用，合并的引用中的使用应当被认为是对本文件的使用的补充；对于不能协调的不一致内容，以本文件中的使用为支配。

在这里描述的各种实施例利用光声气体检测来检测和识别气体样本。光声气体检测的一个原理是基于对在气室或气腔中产生的压力变化的测量，该压力变化通过由目标气体选择性地吸收红外辐射产生。

测量包括采样周期和检测周期。在检测期间，可以用例如调制的窄带红外辐射来照射气室中的样气。然后，样气在入射红外辐射被调制时加热和冷却。

这些温度波动转而产生压力波，该压力波被检测器(例如麦克风)所检测。麦克风生成电输出信号，可以对该电输出信号进行处理和分析以识别存在于样气中的物质，并评估在气室中收集的样气的性质或属性，例如浓度值。

本申请的各种实施例提供了一种光声传感器，其包括：具有开口的气室或气腔；光源，该光源产生辐射以辐射该气室内的样气；检测器，该检测器检测该气室内的样气以响应于由该辐射所引起的被辐射的样气的压力波动所生成的声信号来生成输出电信号；以及隔膜，该隔膜与气室的开口对准。该隔膜允许样气进入气室。

当光源未正在产生辐射时检测器收集周围环境内的压力波动(即噪声)，以确定周围环境内的压力波动的谱内容。控制器从检测器接收表示周围环境内的压力波动的谱内容的信号。控制器将由光源所产生的辐射的频率调整到与周围环境内的压力波动的谱内容冲突较小的频率。

通过在IR源不不活动的同时用麦克风测量声学噪声特征(signature)，可以选择使声学噪声干扰最小化的传感器操作频率。可以通过在IR源禁用的情况下调整由锁定装置(lock-in)所使用的参考频率来测量该声学噪声特征。可选择将噪声内容最小化的操作频率。

在一些实施例中，隔膜可以用具有与气室的开口对准的扬声器的活动阀来代替。该扬声器可具有与扩音器相似的或相同的结构。例如，扬声器可具有永磁体、音圈、和附着到音圈上的振动膜(或锥体)。可使用该扬声器来通过施加控制信号来控制气室的通路，该控制信号可以是AC控制信号或DC控制信号。

图1和图2是根据示例性实施例的光声传感器100的方框图。光声传感器100可以包括：具有开口104的气室102；光源106，其产生辐射以辐射气室102内的样气；检测器108，其检测气室102内的样气；以及隔膜110，其与气室102的开口104对准以允许样气进入气室102。当光源106未正在产生辐射时，检测器108收集周围环境内的压力波动(即噪声)，以确定周围环境内的噪声N的压力波动的谱内容。

如图1中所示，控制器120从检测器108接收信号S1，该信号S1表示由周围环境内的噪声N引起的压力波动的谱内容。如图2中所示，控制器120将由光源106所产生的辐射R的频率调整到与由周围环境内的噪声N引起的压力波动的谱内容冲突较小的频率。检测器108响应于由被辐射的样气的压力波动所产生的声信号来产生输出电信号S2。

检测器108可例如是麦克风，其可响应于由来自光源106的辐射所引起的被辐射的样气的压力波动所生成的声信号来生成电输出信号OS。在一个实施例中，麦克风108被提供以接入样气中的压力变化，还提供密封以防止气体除了通过开口104外进入气室102或从气室102中逸出。

在一些实施例中，光声传感器100可进一步包括滤光器116(或多个滤光器)，该滤光器116放置于光源106和气室102之间以过滤进入到气室中的辐射。在一些实施例中，可使用调制器来在检测样气期间对由光源106所产生的辐射R进行调制。在一个实施例中，滤光器116还提供密封以防止气体除了通过开口104外进入气室102或从气室102中逸出。

作为例子，在检测期间，红外光源106可被调制为在气室102中辐射样气，以引起气室102中的样气在入射的红外辐射R被调制时加热和冷却。这些温度波动转而产生压力波，该压力波被麦克风108所检测，并因此生成电输出信号OS。可对来自麦克风108的电输出信号OS进行处理和分析以评估在气室102中密封的样气的性质或属性。

作为例子，通过分析在气室102中密封的样气的所获得的谱，用户可识别存在于样气中的物质，并且确定在气室102内的样气中物质的浓度。通过使用本申请的光声传感器，可使用各种已知的技术来检测样气的性质或属性。应当注意的是可想到多个实施例，其中环境噪声的谱内容与由被辐射的样气所产生的压力波所生成的谱内容被同时收集和/或分析。

其他示例实施例涉及一种方法，该方法包括向气室的开口提供样气，并且确定周围环境内压力波动的谱内容。该方法进一步包括向控制器提供周围环境内压力波动的谱内容的数据。该方法进一步包括使用该控制器来指引光源以如下频率来发射辐射，该频率使压力波动与周围环境内压力波动的谱内容的冲突最小化，并且产生表示被辐射的样气的压力波动的输出信号。

图3中示出了另一个示例方法300。该方法300包括[310]向气室的开口提供样气，以及[320]产生表示样气的压力波动的输出信号的参考集，所述样气的压力波动由样气所位于的周围环境中的噪声引起。

方法300进一步包括[330]使用控制器来分析输出信号的参考集，并且确定由周围环境中的噪声引起的样气的压力波动的谱内容，以及[340]使用控制器来指引光源以如下频率来发射辐射，该频率使样气的压力波动与周围环境内的样气的压力波动的谱内容的冲突最小化。

方法300进一步包括[350]产生表示被辐射的样气的压力波动的输出信号的样本集，以及[360]使用控制器来分析输出信号的样本集，并确定被辐射的样气的压力波动的谱内容。

在一些实施例中，[310]向气室的开口提供样气包括使样气穿过隔膜。在另一些实施例中，[310]向气室的开口提供样气包括激活扬声器以暴露气室中的开口。

需要注意的是，[320]产生表示由样气所位于的周围环境中的噪声引起的样气的压力波动的输出信号的参考集可包括：用麦克风来检测压力波动。另外，[350]产生表示被辐射的样气的压力波动的输出信号可包括：用麦克风来检测被辐射的样气的压力波动。

该方法可进一步包括在光源发射辐射之后并且在辐射到达样本之前过滤该辐射。另外，[360]使用控制器来指引光源发射辐射可包括：使用光源来发射调制的窄带红外辐射。

该方法可进一步包括[370]分析被辐射的样气的压力波动的谱内容以识别存在于样气中的物质。在一些实施例中，[370]分析被辐射的样气的压力波动的谱内容以识别存在于样气中的物质可包括：确定存在于样气中的物质的浓度。

虽然在这里已经描述了本申请的原理，本领域技术人员要理解的是，该描述只是以示例方式作出的，而不作为对本申请的范围的限制。由此，意在由所附的权利要求来覆盖落入本申请的真实精神和范围内的所有本申请的修改。

Claims (10)

1.一种光声传感器，包括：

具有开口的气室；

检测器，收集所述气室内的压力波动以确定周围环境内压力波动的谱内容；

光源，产生辐射以辐射所述气室内的样气；以及

控制器，从所述检测器接收表示周围环境内压力波动的谱内容的信号，所述控制器将由所述光源所产生的辐射的频率调整到与周围环境内压力波动的谱内容的冲突较小的频率，其中所述检测器响应于由被辐射的样气的压力波动所产生的声信号来产生输出电信号。

2.权利要求1的光声传感器，进一步包括滤光器，所述滤光器放置于光源和气室之间以过滤辐射到气室中的辐射，其中所述滤光器提供密封以防止气体除了通过开口以外进入气室。

3.权利要求1的光声传感器，其中的检测器是麦克风，其中所述麦克风接合样气中的压力变化，并且提供密封以防止样气除了通过开口以外进入气室。

4.权利要求1的光声传感器，进一步包括隔膜，所述隔膜与气室的开口相对准以允许样气进入气室。

5.权利要求1的光声传感器，其中所述控制器操作光声传感器以在样气进入气室的采样周期和光源辐射气室内的样气的检测周期之间进行交替。

6.一种方法，包括：

向气室的开口提供样气；

产生表示样气的压力波动的输出信号的参考集，所述样气的压力波动由样气所位于的周围环境中的噪声引起；

使用控制器来分析输出信号的参考集，并且确定由周围环境内的噪声引起的样气的压力波动的谱内容；

使用控制器来指引光源以如下频率来发射辐射，该频率使样气的压力波动与在周围环境内的样气的压力波动的谱内容的冲突最小化；

产生表示被辐射的样气的压力波动的输出信号的样本集；以及

使用控制器来分析所述输出信号的样本集，并且确定被辐射的样气的压力波动的谱内容。

7.权利要求6的方法，其中向气室的开口提供样气包括使样气穿过隔膜。

8.权利要求6的方法，其中产生表示由样气所位于的周围环境中的噪声引起的样气的压力波动的输出信号参考集包括：用麦克风检测压力波动。

9.权利要求6的方法，产生表示被辐射样气的压力波动的输出信号包括：用麦克风检测被辐射的样气的压力波动。

10.权利要求6的方法，进一步包括分析被辐射的样气的压力波动的谱内容以识别存在于样气中的物质，其中分析被辐射的样气的压力波动的谱内容以识别存在于样气中的物质包括：确定存在于样气中的物质的浓度。

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