CN106687798A - 光学气敏传感器 - Google Patents

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瓦普奈·苏什兰达·德什潘德
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真玛雅·拉吉夫·丹德卡
尤格什·欣德
萨林·库马尔·阿那卡特·欧依勒夫
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Abstract

本文中说明了一种传感头。传感头可以包括第一工件，第一工件可以包括具有外表面和内表面的本体。第一工件还可以包括在内表面处布置在本体中的光源腔。第一工件还可以包括在内表面处布置在本体中的光学装置腔。第一工件还可以包括在内表面处布置在本体中的椭球体腔，其中椭球体腔邻近于光学装置腔布置。第一工件还可以包括布置在邻近于形成椭球体腔的内表面的本体中的接收装置腔。第一工件还可以包括布置在本体中的至少一个通道。

Description

光学气敏传感器
相关申请的交叉参考
本申请在第35部美国法典第119节下要求于2014年9月3日提交的名称为“光学气敏传感器”的美国临时专利申请序列号62/045,222的优先权，该专利申请的全部内容在此通过参引结合到本文中。
技术领域
本文中说明的实施例大致涉及气敏传感器，并且更具体地涉及用于光学气敏传感器的系统、方法和装置。
背景技术
气体浓度的检测和测量对于了解和监控比如为环境监测、工业过程控制分析、燃烧过程、毒性可燃气体以及爆炸物的检测的各种各样的应用是重要的。例如，能够高灵敏度和高选择性的气敏传感器可被用于大气科学，用于检测和监控包括温室气体和臭氧的不同气体种类，并且可被用于呼吸诊断中，用于检测和监控一氧化氮、乙烷、氨和众多其他生物标志物。作为另一个示例，在燃气并网应用中，由生物过程产生的甲烷被测试杂质(例如硫化氢或H2S)以确定甲烷是否足够纯以与天然气直接混合。
发明内容
一般说来，在一个方面中，本公开涉及具有第一工件的传感头。第一工件可以包括具有外表面和内表面的本体和在内表面处布置在本体中的光源腔，其中，光源腔布置在本体的第一端部处并且构造成接收光源。第一工件还可以包括在内表面处布置在本体中的光学装置腔，其中光学装置腔邻近于光源腔布置并且构造成容纳光学装置。第一工件还可以包括在内表面处布置在本体中的椭球体腔，其中椭球体腔邻近于光学装置腔布置。第一工件还可以包括布置在邻近于形成椭球体腔的内表面的本体中的接收装置腔，其中，接收装置腔构造成容纳接收装置。第一工件还可以包括布置在本体中的至少一个通道，其中，至少一个通道具有布置在邻近于椭球体腔的内表面处的第一端部。
在另一个方面中，本公开可以大致涉及一种包括传感头的至少一个工件的光学气敏传感器。传感头的至少一个工件可以包括具有外表面和内表面的本体以及在内表面处布置在本体中的光源腔，其中，光源腔布置在本体的第一端部处。传感头的至少一个工件还可以包括在内表面处布置在本体中的光学装置腔，其中光学装置腔邻近于光源腔布置。传感头的至少一个工件还可以包括在内表面处布置在本体中的椭球体腔，在此椭球体腔邻近于光学装置腔布置，并且椭球体腔包括第一焦点和第二焦点。传感头的至少一个工件还可以包括布置在邻近于形成椭球体腔的内表面的本体中的接收装置腔。传感头的至少一个工件还可以包括布置在本体中的第一通道，其中，第一通道具有布置在形成椭球体腔的内表面处的第一端部。光学气敏传感器还可以包括布置在光源腔内的光源、布置在光学装置腔内的光学装置以及布置在接收装置腔内的接收装置。
从以下说明书和随附权利要求书中将更加清楚地理解这些以及其他方面、目的、特征和实施例。
附图说明
附图仅示出光学气敏传感器的示例实施例并且因此不被视为限制其范围，因为光学气敏传感器可以具有其他同样有效的实施例。附图中示出的元件和特征并不一定按比例，替代地重点在于清楚地说明示例实施例的原理。另外，一些尺寸或位置可被夸大以帮助直观表达这些原理。在附图中，附图标记指示相似或相应的元件，但并不一定指示相同元件。
图1示出根据一些示例实施例的传感头的一部分的俯视透视图。
图2示出根据一些示例实施例的另一个传感头的一部分的俯视透视图。
图3示出根据一些示例实施例的传感器的截面侧视图。
图4A和图4B示出根据一些示例实施例的光波在椭球体腔内的分配。
图5A和图5B示出根据一些示例实施例的声波在椭球体腔内的分配。
图6示出根据一些示例实施例的用于确定气体中的杂质水平的方法的流程图。
图7示出根据一些示例实施例的传感器子组件的截面侧视图。
图8示出根据一些示例实施例的另一个传感器子组件的截面侧视图。
图9示出根据一些示例实施例的又一个传感器子组件的截面侧视图。
图10示出根据一些示例实施例的仍然另一个传感器子组件的截面侧视图。
具体实施方式
本文中讨论的示例实施例涉及与光学气敏传感器相关的系统、设备和方法。光学气敏传感器可以具有多种结构并且使用多种技术。例如，石英增强光声光谱(QEPAS)传感器可以具有被引导穿过以其谐振频率振动的石英音叉(QTF)的叉尖之间的间隙的气体特定波长的光学辐射。光能被吸收并且通过气体释放，引起QTF的谐振频率的改变。QTF的谐振频率的变化量与气体分子的浓度成正比。如本文所说明的，QTF也可被称作音叉。
作为另一个例子，示例光学气敏传感器可以调制光(例如激光)波激发频率，使得测试气体产生具有对于QTF或其他接收装置匹配共振频率的频率的声波。随着气体浓度的提高，声波的幅值提高，这接着增大接收装置的振荡。一个或多个部件(例如锁相放大器)可被用于以基本仅谐振频率放大信号(例如声波)，这可以改善信噪比(SNR)比值。作为又一个示例，示例光学气敏传感器可以采用一个或多个扩音器。换句话说，本文中说明的示例实施例不限于用于比如关于接收装置的某项技术。
虽然本文中说明的示例实施例涉及光学气敏传感器，示例实施例还可以用于其他类型的传感器。另外，可被用于示例实施例的光学气敏传感器可以具有本文中未示出或说明的多种结构中的任一种。如本文所说明的，用户可以是与示例光学气敏传感器相互作用的任何人。用户的示例可以包括但不限于消费者、业务专家、气体工程师、管理者、顾问、承包商、操作人员以及制造商代表。
在一个或多个示例实施例中，用于光学气敏传感器的示例盖需要满足一些标准和/或要求。例如，国际电工委员会(IEC)设定的标准，比如应用于光学气敏传感器的IEC60079-28，示例盖必须在待使用的应用领域符合上述标准。设定可适用标准和规章的其他组织的示例包括但不限于美国电气制造协会(NEMA)、美国国家电气规程(NEC)、电气和电子工程师协会(IEEE)以及保险商实验室(UL)。
在一些例子中，本文中说明的示例实施例可被用于任何类型的危险环境，包括但不限于飞机库、钻井装置(用于油、气或水)、修井作业机(用于油或气)、精炼厂、化工厂、发电厂、矿山作业厂、废水处理设施以及炼钢厂。本文中说明的用于光学气敏传感器(或其部件)的盖可以物理地设置在腐蚀成分(例如气体)中和/或用于腐蚀成分中。另外或在可替代方案中，用于光学气敏传感器(或其部件)的示例盖可以承受极热、极冷、潮湿、湿气、尘埃以及可以引起用于光学气敏传感器的盖或其部分损耗的其他条件。
在一些示例实施例中，用于光学气敏传感器的盖，包括其任何部件和/或部分，由设计成保持长期使用寿命以及当在没有机械和/或其他类型的失效的情况下需要时所执行的一种或多种材料制成。这些材料的示例可以包括但不限于铝、不锈钢、玻璃纤维、玻璃、塑料、陶瓷和橡胶。
本文中说明的用于光学气敏传感器的示例盖的任何部件(例如进口管联接特征、接收通道)或其部分可以由单个工件制成(如通过模铸、注塑、压铸或挤出工艺)。另外或在可替代方案中，部件(或其部分)可以由彼此机械联接的多个工件制成。在该例子中，可以利用多种联接方法中的一种或多种使多个工件彼此机械联接，联接方法包括但不限于环氧树脂、焊接、紧固装置、压合装配、匹配螺纹和开槽装配。彼此机械联接的一个或多个工件可以以多种方式中的一种或多种彼此联接，包括但不限于固定、铰接、可拆卸、可滑动以及螺纹地。
本文中说明的部件和/或特征可以包括说明作为联接、紧固、固定、抵接或其他相似术语的元件。这些术语仅旨在区别部件或装置内的各个元件和/或特征，并且并非旨在限制特定元件和/或特征的性能或功能。例如，说明为“联接特征”的特征可以联接、紧固、固定、抵接和/或执行除仅联接之外的其他功能。
如本文中说明的联接特征(包括互补联接特征)可以允许光学气敏传感器的一个或多个部件(例如形成椭球体腔的壁)和/或部分变得直接或间接地机械和/或电气联接至光学气敏传感器的另一个部分。联接特征可以包括但不限于夹具、铰链的一部分、孔、凹入区域、突出部、槽、弹簧夹、舌片、止动器、螺纹接头和配对螺纹。示例光学气敏传感器的一个部分可以通过直接采用一个或多个联接特征联接至光学气敏传感器的另一个部分。另外，或在可替代方案中，示例光学气敏传感器的一部分可以利用与布置在光学气敏传感器的部件上的一个或多个联接特征相互作用的一个或多个独立装置联接至光学气敏传感器的另一个部分。这些装置的示例包括但不限于销、铰链、紧固装置(例如螺栓、螺钉、铆钉)和弹簧。
本文中说明的一个联接特征可以与本文中说明的一个或多个其他联接特征相同或不同。本文中说明的互补联接特征可以是与另一个联接特征直接或间接机械联接的联接特征。对于本文中示出和说明的任何附图，可以省略、增加、重复和/或替代部件中的一个或多个。因此，特定附图中示出的实施例不应该被视为限于该附图中示出的部件的特定布置。
本文的一个或多个附图中说明的任何部件可以适用于具有相同标记的任何其他(例如后续)附图。换句话说，对于不同(例如后续)附图的任何部件的说明可被认为与关于另一个(例如前述)附图说明的相应部件基本相同。对于本文附图中的部件的编号方案使得每个部件由三或四个数字表示，在此，附图之间的基本相似部件由具有相同的最后两个数字的附图标记表示。这样，与不同附图具有基本相似特征的附图可以依赖于与不同附图相关的基本相似特征的描述和/或附图标记。
以下将参照附图更多全面地说明光学气敏传感器的示例实施例，附图中示出示例光学气敏传感器。然而，光学气敏传感器可以实施为多种不同的形成并且不应该被解释为限于本文中所阐述的示例实施例。相反地，提供这些示例实施例使得本公开全面和完整，并且将向本领域技术人员表达光学气敏传感器的范围。类似地但非必然地，为了一致性各个附图中的同一元件(有时也称作部件)由相同附图标记表示。
比如为“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“内”、“外”、“端部”、“部分”、“第一”和“第二”的术语仅用于区别一个部件(或部件的部分或部件的状态)与另一个部件。这些术语并非旨在表示优先或特定取向。另外，给予本文中说明的各个部件的名称是对示例实施例的说明并且非旨在以任何方式进行限制。本领域技术人员将理解的是，在本文的一个实施例(例如在附图中)示出和/或说明的特征和/或部件可被用于另一个实施例中(例如用于任何其他附图中)，即便在这些其他实施例中未明确地示出和/或说明。
图1示出根据一些示例实施例的传感头101的顶部部分的俯视侧透视图和半透明视图。在该例子中传感头101的顶部部分是包括本体104的单个工件，本体104具有内表面105、与内表面105相对的外表面(视图中隐藏)和至少一个侧面107。传感头101的顶部部分可以具有多个形状和尺寸中的任一者。例如，图1中示出的传感头101的部分为圆柱形形状。传感头101的部分可以由多种适当的材料中的一种或多种制成，包括但不限于不锈钢和镍基合金。传感头101的部分的材料可以抵抗多种腐蚀性物质中的一种或多种，包括但不限于硫化氢(H2S)气体。
在一些示例实施例中，多个腔在内表面105处布置在本体104中。例如，光源腔110可以由光源腔壁111、光源腔壁113和布置在其之间的挡圈112形成。光源腔110可以具有寄存多个光源中的一个或多个的形状和尺寸(如以下关于图3所示和所述的)。光源腔110可以沿着内表面105布置在任何位置处。例如，如图1所示，光源腔110可以布置在传感头101的顶部部分的一端处(例如，靠近侧面107)。
作为另一个示例，光学装置腔120可以由光学装置腔壁121和挡圈122形成。光学装置腔120可以具有寄存多个光学装置中的一个或多个的形状和尺寸(如以下关于图3所示和所述的)。光学装置腔120可以沿着内表面105布置在任何位置处。例如，如图1所示，光学装置腔120可以邻近光源腔110布置，使得光学装置腔壁121与光源腔壁113邻接。
作为又一个示例，椭球体腔130(有时在本文中更简单地称为腔130)可以由椭球体腔壁131形成。椭球体腔130可以具有足以接收和反射多次从光源发射并且使所反射的光与布置在椭球体腔130中的气体混合的光。椭球体腔130可以沿着内表面105布置在任何位置处。例如，如图1所示，椭球体腔130可以邻近于光学装置腔120布置，使得椭球体壁131与挡圈122邻接。气体可以通过布置在传感头101的顶部部分的本体104中的一个或多个通道173布置在椭球体腔130中。在该例子中，具有仅一个通道173，通道173具有位于外表面处的第一端部171、位于椭球体腔壁131处的第二端部170和布置在第一端部171与第二端部170之间的通道壁172。第一端部171也可以位于侧面107处。通道173可以是线性、曲线、倾斜的和/或具有一个或多个任何其他形状。
作为仍然的另一个示例，接收装置腔140可以由音叉腔壁141和挡圈142形成。接收装置腔140可以具有寄存多个音叉中的一个或多个的形状和尺寸(如以下关于图3所示和所述的)。接收装置腔140可以沿着内表面105布置在任何位置处。例如，如图1所示，接收装置腔140可以邻近于椭球体腔130布置，使得挡圈142与椭球体腔壁131邻接。另外，接收装置腔140可以布置在传感头101的顶部部分的另一个端部(例如靠近侧面107)。在这种情况下，接收装置腔140可以相对于光源腔110位于传感头101的顶部部分的相对端部处。
在一些示例实施例中，光源腔110、光学装置腔120、椭球体腔130和接收装置腔140可以彼此基本线性地对准并且具有沿着每个腔的长度延伸的公共轴线。在一些示例实施例中，具有传感头的多个部分。例如，可以具有两个对称工件的传感头，其中一个工件是图1所示的传感头101的顶部部分。在该例子中，当两个工件联结在一起时，各个腔变得封闭并且墙变得基本连续。
图2示出根据一些示例实施例的传感头202的一部分的侧俯视透视图。参照图1和图2，图2的传感头202的底部部分除如下所述之外与图1的传感头101的顶部部分相同。图2的传感头202的底部部分包括多个联接特征206(在该例子中为孔)，联接特征206允许传感头202的底部部分直接或间接地联接至传感头的另一个对称构造部分，比如传感头101的顶部部分。另外，在该例子中，图2的传感头202的底部部分不包括任何通道，比如图1的通道173。
图3示出根据一些示例实施例的传感器子组件300的截面俯视图。换一种方式，图3示出传感器子组件300的传感头301的顶部部分的俯视图，其中光源315布置在光源腔(在视图中被光源315遮挡)中，光学装置325布置在光学装置腔(在视图中被光学装置325遮挡)中，以及接收装置345(在该例子中为音叉345)布置在接收装置腔340(在视图中被音叉345遮挡)中。
参照图1-3，光源315可以采用产生导向光学装置325的光317的任何类型的照明技术(例如发光二极管、激光二极管(也称为半导体激光器))。光源315可以具有符合光源腔310的一个或多个型线的形状和尺寸。由光源315产生和发射的光317可以根据多个因素中的一个或多个具有任何适当的波长，多个因素包括但不限于被测试的气体、温度以及光学装置325的特性。光源315可以联接至动力源360(例如驱动器)，动力源360可以向光源315提供动力和/或控制信号。光源315可以包括多个部件中的一个或多个，包括但不限于光元件(例如二极管、灯泡)和电路板。
在一些示例实施例中，光学装置325是能够接收来自光源315的光317并且处理光317以产生被传输到椭球体腔330内的特定位置的光327的任何类型的装置。光学装置325可以具有抵接壁121和挡圈122的一些或全部的外表面326，挡圈122在传感头301的部分中形成光学装置腔320。光学装置325可以具有符合光学装置腔320的一个或多个型线的任何形状(例如球体、半球体、锥体)和尺寸。
光学装置325可以由包括但不限于二氧化硅和玻璃的一种或多种适当的材料制成。在任何情况下，光学装置325耐受腐蚀性物质，比如H2S气体。为了使光学装置325将光327传输至椭球体腔330内的特定位置(在该例子中为焦点333)，必须平衡多个因素。这些因素可以包括但不限于光学装置325的定向、光学装置325的材料、光学装置325相对于椭球体腔330和光源315的位置以及光317的波长。在一些示例实施例中，密封件(例如垫片、o形环、硅树脂)可被用于提供防止椭球体腔330中的潜在腐蚀性物质进入光学装置腔320或光源腔310内的屏障。
椭球体腔330具有在光学和声学上反射的一个或多个壁331。如果椭球体腔330由一个工件以上的传感头301形成，则工件高精度机械加工以使得多个工件在椭球体腔330内交会的接头相对于椭球体腔330的壁331的其余部分提供光学和声学反射均匀性的很小至完全没有的实质的降低。在一些示例实施例中，椭球体腔330具有沿着椭球体腔330的长轴339定位的两个焦点(在这种情况下，焦点333和焦点338)。在一些例子中，如图3所示，椭球体腔330的长轴339可以沿着光学腔320、光源腔310和/或接收装置腔340的基本中心延伸。
在一些示例实施例中，从光学装置325传输的光327导向椭球体腔330内的焦点333。在这种情况下，光(光波)通过焦点333并且至少一次从壁331反射以会聚在椭球体腔330内的焦点338。来自光327的光波如何从焦点333传播至椭球体腔330内的焦点338的示例以下示出在图4A和图4B。
在一些示例实施例中也布置在椭球体腔330内的是气体。气体可以包括能够组合以形成一种或多种化合物(例如甲烷)的一个或多个元素(例如碳、氢)。在一些例子中，气体也可以具有利用示例实施例进行存在状态和量的检测的杂质(例如H2S)。如上所述，气体可以通过布置在传感头301的本体304中的一个或多个通道(例如通道172)喷射到椭球体腔330内，通过第二端部370(也称作气体进入端口370)进入椭球体腔330。当气体分子与从椭球体腔330中的壁331反射的光波(来源于光327)相互作用时，气体分子变得被激发。
通道的每个第二端部370可以布置在形成椭球体腔330的壁331上的任一点处。例如，如图3所示，当从侧视图中观察椭球体腔330时，通道372的第二端部370可以在壁331上定位在焦点333与焦点338之间的点处。在这种情况下，通过第二端部370发出的气体可以更多容易地与椭球体腔330内的反射光波相互作用。
如下所述，当接收装置345是音叉时，音叉的布置在接收装置腔340中的柄部347可以定位成使得焦点338布置在柄部347之间。当通过椭球体腔330中的光波激发气体分子时，声波的与气体分子相关的振幅提高。当这些声波达到焦点338时，其具有基本匹配柄部347振动的频率的频率。具体地，声波振幅越大，柄部347共振的振荡越强，柄部347的振荡的这种增强可以被捕获以确定测试气体的含量。
在一些示例实施例中，音叉345是以一种或多种频率任何类型的装置。音叉345可以具有一个或多个部件。例如，在该例子中，音叉345具有多个(例如两个、三个、四个)柄部347以及柄部347由其延伸的基部346。柄部347可以至少部分柔性，以便能够改变柄部347的形状。当柄部347的形状改变时，柄部可以以不同的频率振动。音叉345(包括其部件中的任一者，比如柄部347)可以由包括但不限于石英的任何适当的材料制成。在任何例子中，音叉345可以耐受腐蚀性物质，比如H2S气体。
音叉345的柄部347可以在椭球体腔330内以多种适当的方式中的任一种定向。例如，柄部347可以基本平行于椭球体腔330的包括焦点333和焦点338的长轴339。在一些示例实施例中，密封件(例如垫片、o形环、硅树脂)(未示出)可被用于提供防止椭球体腔330中的潜在腐蚀性物质进入接收装置腔340内的屏障。
在一些示例实施例中，音叉345的柄部347可以基于除椭球体腔330内的激发气体分子以外的因素振动。例如，驱动器365可以联接至音叉345。在该例子中，驱动器365可以向音叉345提供振动频率，使得柄部347以一定的频率振动。该频率可以基本类似于由在椭球体腔330内被激发的纯净形式(无任何杂质)的气体引起的频率。可替代地，音叉345的柄部347可以以由驱动器365确定的共振频率振动。
为了测量音叉345的柄部347振动的频率，可以使用一个或多个测量装置。例如，如图3所示，接收器368可以联接至音叉345。在这种情况下，接收器368可以确定音叉345的振动频率。因此，当柄部347的振动频率改变时，所测量的变化可以与通过通道喷射到椭球体腔330内的气体中的杂质直接相关。可替代地，当柄部347以共振频率振动时，接收器368可以测量音叉345的柄部347的振荡。
在一些示例实施例中，驱动器365和/或接收器368可以以多种方式中的一种或多种联接至音叉345。例如，如图3所示，适配器367可以机械地联接至音叉345的基部346，一个或多个电导体366可以联接在适配器367与驱动器和/或接收器368之间。在一些可替代实施例中，无线技术可被用于将驱动器365和/或接收器368联接至音叉345。
图4A和图4B示出根据一些示例实施例的光波427在椭球体腔430内的分配。具体地，图4A示出开始从焦点433传播至焦点438的光波427，图4B示出在焦点433与焦点438之间完全反射的光波427。参照图1-图4B，图4A和图4B的椭球体腔430和壁431与图3的椭球体腔330和壁331基本相同。光波427来源于由光学装置325发射并且穿过焦点433的光327。如能够看到的，光波427从壁431反射并且集中于焦点433和焦点438。
如上所述，音叉345的柄部347可以基于来源于驱动器365的信号而振动。另外或在可替代方案中，音叉345的柄部347包围焦点338，并且当气体由椭球体腔430内的光波427激发时，可以变化柄部347的振动频率。在任何情况下，当音叉345的柄部347振动时，柄部347发射声波528，如图5A和5B所示。可替代地，与气体相关的声波528可以具有基本匹配音叉345的柄部347的共振频率的频率。在该例子中，当声波528的振幅增大时，以共振频率共振的柄部347的振荡也增强。图5A示出开始从焦点538传播至焦点533焦点声波528，图5B示出在焦点533与焦点538之间完全反射的声波528。
参照图1-图5B，图5A和图5B的椭球体腔530和壁531与图3的椭球体腔330和壁331基本相同。声波528来源于音叉345的包围焦点538的柄部347的振动。如能够看到的，声波528从壁531反射并且集中于焦点533和焦点538。接收器368或相似声学测量装置可被用于测量声波528，并且因此确定喷射到椭球体腔530内的气体中的杂质的量。
图6示出根据一些示例实施例的用于利用音叉确定气体中的杂质水平的方法的流程图600。参照图1-6，在图6的流程图600的步骤602中，气体在椭球体腔330的两个焦点333与338之间喷射到椭球体腔330内。在步骤604中，接收装置345(在该例子中为音叉345)布置在椭球体腔330内。可替代地，接收装置345可以布置在椭球体腔330外部的一些位置处，以下关于图8-10论述其示例。具体地，音叉345的多个柄部347布置在椭球体腔330内并且振动。柄部347可以围绕椭球体腔330的两个焦点的第一焦点338布置。柄部347可以以等同于纯净形式的气体的第一速率振动。柄部347可以由驱动器365以第一速率振动。可替代地，音叉345的柄部347可以以由驱动器365确定的共振频率振动。本领域技术人员将理解的是其他接收装置(例如以下所述的扩音器)可被用于替代音叉。
在步骤606中，来自光源315的光317可被引导通过光学特征325。光学特征325可以邻近于椭球体腔330定位。光317可以通过光学特征325作为光327被导向椭球体腔330内的两个焦点的第二焦点333。从焦点333开始，光427可以通过形成椭球体腔330的至少一个壁331从第二焦点333反射至两个焦点的第一焦点338。光427可以激发椭球体腔330内的气体。在一些示例实施例中，光源315和光学特征325可以组合成单个部件。
在步骤608中，进行音叉345的测量。例如，可以测量音叉345的柄部347的振动的第二速率。第二速率可以基于气体的杂质水平。振动的第二速率可以通过由光427激发的气体驱动。振动的第二速率可以是通过比如为接收器368的测量装置测量的声波528。作为另一个示例，当柄部347以共振频率振动时，音叉345的柄部347的振荡可以通过接收器368测量。示例实施例可被用于增大声波528的振幅，使得接收装置345能够关于测试气体的含量做出更加准确和有效的测量。
图7示出根据一些示例实施例的传感器子组件700的截面侧视图。图7的传感器子组件700包括气敏传感器测量组件703、光源715、光学装置725和接收装置745(在该例子中为音叉745)。气敏传感器测量组件703可以包括传感头701的顶部部分和传感头702的底部部分，在此传感头701的顶部部分和传感头702的底部部分彼此联接，使得椭球体腔730、光源腔710、光学装置腔720和接收装置腔740是整体并且基本连续。
参照图1-7，传感头702的底部部分与图2的传感头202的底部部分基本类似。另外，图7的传感头701的顶部部分除如下所述之外与图1的传感头101的顶部部分基本相似。具体地，图7的传感头701的顶部部分具有两个通道(通道773和通道778)，而非单个通道。通道778基本类似于通道773。例如，通道778具有位于外表面处的第一端部776、位于椭球体腔壁731处的第二端部775以及布置在第一端部776与第二端部775之间通道壁777。此外，图7的光源715、光学装置725和音叉745与如上关于图3所述的光源315、光学装置325和音叉345基本相似。
在一些示例实施例中，如图7所示，盖780可以布置在传感头701的顶部部分的顶部上。盖780以及传感头701的顶部部分和传感头702的底部部分，包括其任何部分，可以由耐受腐蚀和可以由测试气体、已测试气体和/或气敏传感器测量组件703暴露的环境所引起的其他有害影响的一种或多种材料制成。盖780的目的可以包括控制被输送至本文中说明的示例椭球体腔(例如椭球体腔330)内的测试气体的量、速率和/或其他流动特性。盖780可以具有多种结构中的任一种。图7中示出盖780的结构的示例。以下图9和图10示出盖的其他示例。
盖780相对于传感头的椭球体腔730和其他部件(例如光学特征725、光源715)的形状和尺寸的这些结构可被调整以提供多个有益效果。例如，盖780的特定结构可以允许更容易地调整测试气体喷射到椭球体腔730内的位置和多少。作为另一个示例，盖780的特定结构可以帮助以一定的更加精确的频率产生接收装置745(比如音叉745的柄部747)的共振。频率的这种确定性可以增大声波的振幅，这接着可以允许通过接收装置745进行更加精确的测量。
在一些示例实施例中，气敏传感器测量组件703构造成执行待测试气体(本文中也称作测试气体)的任何测量。这样，气敏传感器测量系统703可以构造成接收测试气体并且去除已被测试的任何气体(也称作测试气体)。为了出现这种情况，盖780联接至传感头701的顶部部分，由此使得盖780向传感头701的顶部部分传送测试气体，并且还接收来自传感头701的顶部部分的已测试气体(已被测试的测试气体)。
在一些示例实施例中，盖780、传感头701的顶部部分和传感头702的底部部分由单个工件形成。可替代地，盖780、传感头701的顶部部分和/或传感头702的底部部分可以是联接至其他工件中的一个或多个的独立工件。盖780可以包括形成腔的至少一个壁。例如，盖780在这种情况下具有形成腔的顶壁781、侧壁782和底壁785。腔可以完全封闭、基本封闭或部分封闭。例如，如果不存在盖780的底壁785，则盖780的腔将部分地封闭。
在一些示例实施例中，盖780的腔具有多个(例如两个、三个、四个)部分。例如，在该例子中，腔被分成第一腔部分758和第二腔部分759。当盖780的腔具有多个腔部分时，每个腔部分可以与盖780的腔的其他腔部分虚拟地或物理地分离。例如，在该例子中，第一腔部分758和第二腔部分759通过隔板788彼此物理分离。在该例子中，隔板788可以具有或包括多个特性中的一个或多个。这些特性的例子可以包括但不限于固体结构、多孔材料、非多孔材料、网眼和孔口(比如孔口789)。
当盖780的腔的部分通过隔板788彼此物理分离时，隔板788可以基本隔离一个部分(例如腔部分758)与另一个部分(例如腔部分759)。隔板788在盖780的腔中的位置可以是暂时或永久性的。隔板788可以帮助分离测试气体与已测试气体。隔板788还可以帮助减小和/或控制测试气体的流速和/或紊流，这接着可以控制发送至传感头的腔730的测试气体流。隔板788还可以帮助调节盖780的腔内的多个参数中的一个或多个(例如压力)。如果盖780的腔具有多个部分，腔的一个部分的形状和尺寸可以与腔的其他部分的形状和尺寸相同或不同。例如，在该例子中，腔部分758可以与腔部分759具有基本相同的形状和尺寸。
在一些示例实施例中，盖780联接至传感头701的顶部部分。可替代地，盖780可以联接至传感头的某个另外的部分。如果盖780和传感头是独立工件，则盖780可以利用多个联接特征中的一个或多个联接至传感头701的顶部部分。例如，联接特征可以是横贯盖780的厚度并且朝向盖780的外圆周基本等间距布置的一个或多个孔。在该例子中，每个联接特征可以容纳用于将盖780联接至传感头701的顶部部分的紧固装置(例如螺栓)。
联接特征的特性(例如形状、尺寸、结构)可被构造成对应于传感头701的顶部部分的联接特征的相关特性。在该例子中，盖780可以以一个或多个一定的定向联接至传感头701的顶部部分。盖780可以包括容纳联接特征的一个或多个特征。例如，可以具有其中可以布置联接特征的凹入区域。每个联接特征可以至少部分地布置在盖780的壁(例如顶壁781、底壁785)中的至少一个中。
在一些示例实施例中，盖780通过进口管751接收来自源头(例如气敏传感器装置的进口集管)的测试气体。在该例子中，进口管751联接至盖780的某个部分。例如，盖780可以包括联接至进口管751的进口管联接特征。进口管联接特征可以包括多个联接特征中的一个或多个。例如，进口管联接特征可以包括布置在进口管751的远端处的螺纹接头。在该例子中，螺纹接头联接至进口管751。
进口管751的近端可以布置在盖780的壁(例如顶壁781、侧壁782、底壁785)内，使得测试气体可被输送至盖780的腔或其部分(例如腔部分758、腔部分759)。换一种方式，进口管联接特征的管751可以布置在盖780的壁(在该例子中为顶壁781)中，使得通过管751的近端发射的测试气体被输送至腔的一部分(在该例子中为腔部分759)。在该例子中，管751的近端可以沿着壁(例如顶壁781)的内表面布置，使得管751与腔的该部分邻接。
为了将来自盖780的测试气体输送至传感头701的顶部部分，至少一个通道(例如通道778、通道773)可以在传感头701的盖780与顶部部分之间延伸。每个通道可以至少部分地布置在盖780的壁(例如底壁785)中。此外，通道可以邻近于腔的部分(例如腔部分159)定位。在一些示例实施例中，通道778与腔的和进口管751相同的部分(在该例子中为腔部分759)邻接。例如，在该例子中，通道778和进口管751各自沿着盖780的壁(或在该例子中为不同的壁)在不同位置处邻近于腔部分159定位。
在一些示例实施例中，通道778将来自盖780的测试气体输送至传感头701的顶部部分。例如，在该例子中，通道778布置在传感头701的邻近于椭球体腔730的顶部部分中。在一些示例中，通道778(或其部分)可以包括隔板，如同如上关于盖780的腔所述的隔板788一样，以在测试气体流动至椭球体腔730时帮助控制测试气体的流动。一旦测试气体通过通道778分配到椭球体腔730内，则如上关于图1-6所述地在椭球体腔730内测试测试气体。
为了完成涉及测试气体的环流处理，一旦在椭球体腔730中测试测试气体，则从椭球体腔730去除所产生的气体(称作已测试气体)。为了通过盖780从椭球体腔730接收已测试气体，一个或多个通道(在该例子中为通道773)可以布置在传感头701的顶部部分处的椭球体腔730与盖780的腔部分758之间。一旦测试气体被从椭球体腔730通过通道773发送至腔部分758，可以从盖780的腔部分758去除测试气体。
例如，如图7所示，盖780可以包括联接邻近于腔部分758的壁782的出口管756。出口管756可以包括多个联接特征中的一个或多个。例如，出口管756可以包括布置在出口管756的远端处的螺纹接头。在该例子中，螺纹接头联接盖780的壁782。出口管756的近端可以布置在盖780的壁(例如顶壁781、侧壁782、底壁785)内，以便可以从盖780的腔或其部分(例如腔部分758、腔部分759)去除测试气体。换一种方式，出口管756可以布置在盖780的壁(在该例子中为侧壁781)中，使得已测试气体可以通过出口管756的远从腔的一部分(在该例子中为腔部分758)接收。在该例子中，管756的近端可以联接至气敏传感器装置的另一个部分(例如出口集管)。
通道773可以至少部分地布置在盖780的壁(例如底壁785)中。此外，通道773可以邻近于盖780腔的部分(例如腔部分758)定位。在一些示例实施例中，通道773与腔的和出口管756相同的部分邻接。例如，在该例子中，通道773和出口管756各自沿着盖780的壁(或在该例子中为不同的壁)在不同位置处邻近于腔部分758定位。在一些示例实施例中，通道773(或其部分)可以包括隔板，如同如上关于盖780的腔所述的隔板788一样，以在已测试气体从椭球体腔730流动至盖780的腔部分758时帮助控制已测试气体的流动。
在一些示例实施例中，盖780的腔的一部分可以包括引导气体(例如测试气体、已测试气体)流过腔的该部分的一个或多个特征。这些特征的示例可以包括但不限于壁和挡板的型线内表面。例如，腔部分759可以包括引导从进口管751通过腔部分759流动至通道778的测试气体的挡板。在任何情况下，从进口管751流入腔部分759内的测试气体的部分(例如3％)被导向通道778，而从进口管751流入腔部分759内的测试气体的其余部分(例如97％)被引导通过孔口789。
图8示出根据一些示例实施例的另一个传感器子组件800的截面侧视图。图8的传感器子组件800与图7的传感器子组件700除如下所述之外基本相同。具体地，虽然接收装置845仍然是音叉845，但是音叉845(包括音叉845的柄部847)不布置在椭球体腔830内。替代地，音叉845的整体布置在邻近于椭球体腔830定位的接收装置腔840中。换句话说，接收装置腔840开口到形成椭球体腔830的内表面831内。此外，与图7中从右向左流动相比，气体在图8中从左向右流动。椭球体腔830的尺寸可被选择成使其以一定的共振频率(例如音叉845的共振频率)获得声共振。在该例子中，声波828可以由于共振而被放大，这提高了气敏传感器的性能。
另外，图8的传感器子组件800与图7的传感器子组件700的不同在于接收装置腔840相对于椭球体腔830的定向和位置已经改变。具体地，如图8所示，接收装置腔840沿着椭球体腔830的底部布置，而非如图7所示沿着右侧布置。图8的传感器子组件800与图7的传感器子组件700之间的又一个区别在于在图8中具有组合图7的光源715和光学装置725的单个光学装置815。类似地，在图8中仅具有光学装置联接特征820，而不是图7的光源联接特征710和光学装置联接特征720。
联接至光学装置联接特征820的光学装置825可以是利用任何类型的光学和/或其他技术(例如光纤)的一个或多个部件(例如透镜、光源)的组件。例如，光学装置825可以是激光二极管组件或光纤光源。如果光学装置825包括透镜，则透镜可以是具有在腔830中的某点(例如焦点838)处的焦点的普拉诺凸透镜。光学装置825可以直接或间接地联接至光学装置联接特征820。例如，光学装置825可以包括或可以联接至超小型版本A(SMA)的连接器，连接器接着联接至光学装置联接特征820。
如果光学装置825包括光源，则光源可以产生直接或间接(例如通过透镜)导向光学装置825的腔830的光。由光源产生和发射的光可以根据多个因素中的一个或多个具有任何适当的波长，多个因素包括但不限于被测试的气体、温度以及光学装置825的透镜的特性。光学装置825的光源可以联接至动力源(例如驱动器)，动力源可以向光学装置825的光源和/或其他部件提供动力和/或控制信号。
光源可以包括多个部件中的一个或多个，包括但不限于光元件(例如发光二极管、灯泡)和电路板。如果光学装置825包括透镜，则透镜能够接收光(例如来自光源)并且处理光以产生被传输到腔830内的特定位置的光。光学装置825可以具有符合光学装置联接特征820的一个或多个型线的任何形状(例如球体、半球体、锥体)和尺寸。
光学装置825可以由包括但不限于二氧化硅和玻璃的一种或多种适当的材料制成。在任何情况下，光学装置825耐受腐蚀性物质，比如H2S气体。为了将光传输到腔830内的特定位置的光学装置825，必须平衡多个因素。这些因素可以包括但不限于光学装置825的定向、光学装置825的材料、光学装置825相对于接收装置345的位置以及光的波长。在一些示例实施例中，密封件(例如垫片、o形环、硅树脂)可被用于提供防止腔830中的潜在腐蚀性物质进入光学装置联接特征820内的屏障。
在该例子中，光学装置825的远端基本延伸至椭球体腔830内的焦点833。此外，由于接收装置845未至少部分地布置在椭球体腔830中，测试气体(声波828)的由光波827激发的一部分必须穿过光学装置联接特征820。在该例子中，光学装置联接特征820的至少一部分可被构造成类似如上所述的通道(例如通道873、通道878)。
图9示出根据一些示例实施例的又一个传感器子组件900的截面侧视图。图9的传感器子组件900与图8的传感器子组件800除如下所述之外基本相同。具体地，图9的传感器子组件900的盖980仅具有单个腔959，这意味着盖980不具有隔板(例如隔板888)或孔口(例如孔口889)，如图8所示。此外，在盖980的腔959与椭球体腔930之间仅具有一个通道978。因此，测试气体通过通道978沿仅一个方向从盖980的腔959流动至椭球体腔930。
由于椭球体腔930中的测试气体可以流动的仅有的另一选项是通过接收装置腔940。因此，接收装置腔940的至少一部分可被构造成类似通道(例如通道978)，如上所述。如同图8的传感器子组件800，接收装置945(在该例子中为音叉945)布置在接收装置腔940内，使得音叉945没有布置在椭球体腔930内的部分。
图10示出根据一些示例实施例的仍然另一个传感器子组件1000的截面侧视图。图10的传感器子组件1000与图8的传感器子组件800除如下所述之外基本相同。具体地，图10的传感器子组件1000的接收装置1045是扩音器1045而非音叉。图10示出扩音器1045可以相对于椭球体腔1030布置的多个位置和定位。
传感器子组件1000可以具有单个扩音器1045或多个扩音器1045。扩音器1045可以相对于椭球体腔1030定位在任何位置处。例如，扩音器1045可以紧靠形成椭球体腔1030的内表面1031。可替代地，扩音器1045可以至少部分地布置在椭球体腔1030内。作为又一个可替代方案，扩音器1045可以与形成椭球体腔1030的内表面1031集成。作为仍然另一个可替代方案，可以从椭球体腔1030完全移除扩音器1045一定距离。
此外，扩音器可以沿着椭球体腔1030定位在任一点处。例如，扩音器可以邻近和/或导向焦点(例如焦点1033、1038)定位，如图10所示的左侧实施例和右侧实施例。作为另一个示例，扩音器可以接近椭球体腔1030的中心定位和/或导向，如图10中显示的中间实施例所示。
扩音器1045布置其中的接收装置腔1040可以与如上所述的接收装置腔基本相似。例如，接收装置腔1040的一部分可被至少部分地构造为使椭球体腔1030中的测试气体和/或已测试气体的至少一部分能够流动通过的通道。虽然图8-10中示出的全部接收装置布置在传感头的底部部分中，但是一个或多个接收装置(以及还由此一个或多个接收装置腔)可以布置在传感头的顶部部分中。
示例实施例提供多个有益效果。这些有益效果的例子包括但不限于符合一个或多个可适用标准(例如IP65、IEC 60079-28、区域1或区域2一致性)、易于保持和替代部件以及气体中杂质的更加准确和快速的检测和测量。
尽管参照示例实施例对本文中的实施例进行了说明，但是本领域技术人员应当理解的是各种改进完全落入本公开的范围和精神之内。本领域技术人员将理解的是，本文中说明的示例实施例不限于任何具体论述的应用以及本文中说明的实施例是说明性的而非限制性的。从对示例实施例的说明来看，其中所示的元件的等同物自身呈现于本领域技术人员，利用本公开构造其他实施例的方式将自身呈现于本领域专业人员。因此，本文不限于示例实施例的范围。

Claims (20)

1.一种传感头，包括：
第一工件，所述第一工件包括：
本体，所述本体具有外表面和内表面；
光源腔，所述光源腔在所述内表面处布置在所述本体中，其中，所述光源腔布置在所述本体的第一端部处并且构造成容纳光源；
光学装置腔，所述光学装置腔在所述内表面处布置在所述本体中，其中，所述光学装置腔邻近于所述光源腔布置并且构造成容纳光学装置；
椭球体腔，所述椭球体腔在所述内表面处布置在所述本体中，其中，所述椭球体腔邻近于所述光学装置腔布置；
接收装置腔，所述接收装置腔邻近于形成所述椭球体腔的内表面布置在所述本体中，其中，所述接收装置腔构造成容纳接收装置；以及
至少一个通道，所述至少一个通道布置在所述本体中，其中，所述至少一个通道具有布置在邻近于所述椭球体腔的内表面处的第一端部。
2.根据权利要求1所述的传感头，其中，形成所述椭球体腔的所述内表面在光学和声学上反射。
3.根据权利要求2所述的传感头，还包括：
第二工件，所述第二工件联接至所述第一工件，其中，所述第二工件与所述第一工件基本对称，以及其中，在所述第一工件与所述第二工件之间，光学和声学上的反射特性在形成椭球体腔的内表面上基本一致。
4.根据权利要求1所述的传感头，其中，所述至少一个通道包括构造成接收测试气体并且将所述测试气体输送至所述椭球体腔的第一通道。
5.根据权利要求4所述的传感头，其中，所述至少一个通道包括构造成接收来自所述椭球体腔的已测试气体的至少一部分的第二通道。
6.根据权利要求4所述的传感头，其中，所述测试气体从所述椭球体腔流动通过所述接收装置腔。
7.一种光学气敏传感器，包括：
传感头的至少一个工件，其中，所述至少一个工件包括：
本体，所述本体具有外表面和内表面；
光源腔，所述光源腔在所述内表面处布置在所述本体中，其中，所述光源腔布置在所述本体的第一端部处；
光学装置腔，所述光学装置腔在所述内表面处布置在所述本体中，其中，所述光学装置腔邻近于所述光源腔布置；
椭球体腔，所述椭球体腔在所述内表面处布置在所述本体中，其中，所述椭球体腔邻近于所述光学装置腔布置，以及其中，所述椭球体腔包括第一焦点和第二焦点；
接收装置腔，所述接收装置腔邻近于形成所述椭球体腔的内表面布置在所述本体中；以及
第一通道，所述第一通道布置在所述本体中，其中，所述第一通道具有布置在形成所述椭球体腔的内表面处的第一端部；
光源，所述光源布置在所述光源腔内；
光学装置，所述光学装置布置在所述光学装置腔内；以及
接收装置，所述接收装置布置在所述接收装置腔内。
8.根据权利要求7所述的光学气敏传感器，其中，所述接收装置包括音叉，其中，所述音叉包括将所述第二焦点包围在所述椭球体腔内的多个柄部。
9.根据权利要求8所述的光学气敏传感器，还包括：
联接至所述光源的动力源，其中，所述动力源向所述光源提供动力和控制信号。
10.根据权利要求8所述的光学气敏传感器，还包括：
联接至所述音叉的驱动器，其中，所述驱动器使得所述音叉的柄部以共振频率振动。
11.根据权利要求8所述的光学气敏传感器，还包括：
联接至所述音叉的接收器，其中，所述接收器确定所述音叉的柄部的振荡幅度，其中，所述柄部的所述振荡幅度由与通过所述第一通道喷射到所述椭球体腔内的气体相关的声波的振幅引起。
12.根据权利要求8所述的光学气敏传感器，其中，所述多个柄部平行于包括所述第一焦点和所述第二焦点的轴线。
13.根据权利要求8所述的光学气敏传感器，其中，所述接收装置腔在所述第一焦点与所述第二焦点之间的位置处定位在邻近于所述椭球体腔的内表面处，以及其中，所述接收装置腔接收来自所述椭球体腔的已测试气体。
14.根据权利要求13所述的光学气敏传感器，其中，所述接收装置包括音叉，其中，所述音叉布置在所述接收装置内和所述椭球体腔的外部。
15.根据权利要求7所述的光学气敏传感器，还包括布置在所述本体中的第二通道，其中，所述第二通道的第二端部定位在邻近于所述椭球体腔的内表面处并且与所述第二焦点基本对准，以及其中，所述第二通道接收来自所述椭球体腔的已测试气体。
16.根据权利要求15所述的光学气敏传感器，其中，所述接收装置包括至少一个扩音器，其中，所述至少一个扩音器布置在所述接收装置腔内并且抵接形成所述椭球体腔的内表面。
17.根据权利要求16所述的光学气敏传感器，其中，所述至少一个扩音器导向所述椭球体腔内的位于所述第一焦点与所述第二焦点之间并且包括所述第一焦点和所述第二焦点在内的点。
18.根据权利要求7所述的光学气敏传感器，其中，所述光学装置在所述椭球体腔内的所述第一焦点处发射由所述光源接收的光。
19.根据权利要求7所述的光学气敏传感器，其中，所述接收装置腔邻近于所述本体的第二端部处的所述椭球体腔布置，其中，所述第二端部与所述第一端部相对。
20.根据权利要求7所述的光学气敏传感器，其中，所述光源产生具有多个波长中的一个波长的光，其中，所述一个波长基于通过所述第一通道喷射到所述椭球体腔内的气体。
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