CN107917879A - 用于颗粒和气态种类的光吸收的光声测量的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
在一个实施例中，一种用于测量气体中的种类(例如PM的种类)的光声效应测量仪器采用一对差分声单元，其包括容纳包括种类的样品气体的样品单元，和容纳已从样品气体大体去除该种类的样品气体的已过滤版本的参考单元。激励光源向各声单元中的每一个提供幅度调制射束。多个麦克风的阵列被安装到各差分声单元中的每一个，并且测量由于光被相应声单元中的样品气体的吸收而在其中生成的声波以产生相应信号。麦克风通过膜来与声单元内部的样品气体隔离。前置放大器确定差分信号并且控制器基于差分信号来计算种类的浓度。
Description
关于联邦政府支持的研究的声明
本发明是在政府的支持下根据美国国家航空航天局(NASA)小企业创新研究(SBIR)合同号NNX13CL42P和NNX14CL90C完成的。政府具有本发明中的某些权利。
技术领域
本公开内容总体上涉及测量气体中的种类(species)，并且更具体地涉及用于使用光吸收的光声测量结果来测量气态或颗粒种类的浓度的方法和装置。
背景技术
颗粒物质(PM)指的是气体(例如空气)中悬浮的微观固体或液体物质。PM的一个种类是被产生为燃烧、工业过程或某些自然过程的副产物的大气PM(例如碳黑烟灰、大气气溶胶以及其他种类)。大气PM可以显著影响人类健康。例如，如果被吸入的话大气PM可能是有害的，除了别的健康问题之外还导致肺癌的增长率。同样地，大气PM可吸收大量的太阳能，促进全球气候变化。例如，碳黑烟灰在吸收太阳能方面是非常有效的，每单位质量吸收的能量是二氧化碳(CO2)的约一百万倍。
PM的另一类型是被合成用于制造业、生物医学、光学、电子学以及其他领域中的应用的商业纳米颗粒(例如陶瓷碳化硅纳米颗粒、聚合物胶束纳米颗粒、铂钴纳米颗粒以及其他种类)。当由非常小的颗粒形成时许多传统材料的性质会改变，这部分归因于使它们更具有反应性的表面积与重量的比的增加。反应性的此类增加已引起了对商业上期望的PM种类的生产的越来越多的兴趣。
对于大气和商业上生产的PM二者，常常存在对测量气体中PM种类的浓度的需要。一种常见测量技术利用光声(PA)效应。PA效应是一种根据光的吸收的声波生成的过程。PA效应背后的基本理论是通过在局部区域中生成热量并创建声波将来自被样品气体中PM的种类所吸收的光的辐射能量通过无辐射弛豫来释放。根据比尔-朗伯定律光吸收通常与种类的浓度成比例，这可以被表述为：
A＝σ(λ)Lc，
在这里A是吸收的量度，σ(λ)是与波长有关的吸收系数，L是路径长度，并且c是吸收种类的浓度。如果σ(λ)和L是已知的，则可通过测量吸收来确定PM的种类的浓度。
已经开发了许多PA效应测量仪器来尝试测量样品气体中PM的种类的浓度。然而，现有测量仪器普遍受到一些缺点的影响。第一，现有的仪器常常经历来自背景吸收、背景振动(即背景噪声)以及壁效应的高水平的干扰。通常，此类仪器采用使样品气体在其中受到光照的单个样品单元，以使得样品中的气态种类(例如二氧化氮(NO2))和PM的种类二者促成结果得到的声波。进一步地，从周围环境入射到样品单元上的背景振动被合并到声波中。同样，辐射能量在样品单元的壁上的效应进一步影响声波。
第二，现有的仪器通常具有比期望灵敏度更低的灵敏度，需要大量的样品气体，并且具有比期望响应时间更长的响应时间。许多因素促成了这些问题，包括使用具有有限灵敏度的单个麦克风来检测声波、以及使用具有显著射束发散性的光源需要更大尺寸的样品单元。
第三，现有的仪器通常对样品气体的温度、成分和湿度敏感。进一步地，它们常常对与样品气体的流动相关联的压力变化效应敏感。此类仪器常常将它们的麦克风放置成与样品气体直接接触，这导致了干扰并限制响应速率。
因此，存在对可解决这些缺点中的一些或所有缺点的用于使用光吸收的测量结果来测量种类(例如PM的种类或备选地气相种类)的浓度的改进的装置和方法的需要。
发明内容
一种改进的光声效应测量仪器以及其配置和操作的方法被提供用于测量气体中的种类(例如PM的种类或备选地气相种类)。该仪器可采用一对差分声单元(包括用于包括种类的样品气体的测量的样品单元，和用于已从样品气体大体去除该种类的样品气体的已过滤版本的测量的参考单元)来确定差分信号。差分信号的使用允许来自背景吸收、背景振动和壁效应的干扰被抵消。该仪器还可采用每个都具有声单元的多个麦克风的阵列，在这里该阵列的麦克风的输出信号被组合。多个麦克风的阵列的使用考虑到改进的灵敏度。仍进一步地，可在声单元的内部和麦克风之间采用薄膜来使麦克风与其中的样品气体隔离。使麦克风隔离可降低它们对样品气体的温度、成分和湿度以及与样品气体的流动相关联的压力变化效应的灵敏度。
在一个具体示例实施例中，一种用于测量气体中的种类(例如PM的种类，诸如碳黑烟灰)的光声效应测量仪器具有一对差分声单元，其包括被配置成容纳包括种类的样品气体的样品单元，和被配置成容纳已从样品气体大体去除该种类的样品气体的已过滤版本的参考单元。各声单元中的每一个都包括一个声谐振器和两个声衰减器。激励光源(例如二极管泵浦固态(DPSS)激光器)向各声单元中的每一个都提供幅度调制射束。通过由函数发生器生成的波形来控制激励光源。一个或多个麦克风被安装到各声单元中的每一个，并且测量由于相应声单元中的光的吸收而在其中生成的声波，以产生相应信号。一个或多个麦克风可以是多个麦克风(例如安装在印刷电路板(PCB)上的微机电系统(MEMS)麦克风)的阵列，其输出信号被组合以形成用于声单元的信号。麦克风可被设置在各声单元中的每一个的声谐振器中的开口上。薄膜(例如镀铝聚脂膜)可被用来使麦克风与每个声单元内部的样品气体隔离。被调谐到声谐振器的声谐振频率的带通前置放大器根据针对各声单元中的每一个而产生的信号来确定差分信号。将该差分信号连同来自函数发生器的波形一起提供给锁定放大器，其从差分信号解调波形以产生已解调差分信号。控制器基于已解调差分信号来计算种类的浓度，然后其可被输出(例如输出到用户接口或被存储)。
应该理解，可实施不同于此发明内容中所讨论的那些的各种各样的附加特征和备选实施例。此发明内容仅仅意图作为针对接下来的进一步描述的向读者的简要介绍，并且不会指示或暗示本文中提到的示例覆盖本公开内容的所有方面，或者是本公开内容的必要或基本方面。
附图说明
下面的描述引用示例实施例的附图，其中：
图1是可被用来测量气体中的种类的浓度的示例PA效应测量仪器的框图；以及
图2是示例麦克风阵列PCB的示意性框图；以及
图3是用于图1的示例PA效应测量仪器的配置和操作的步骤的示例顺序的流程图。
具体实施方式
仪器概述
图1是可被用来测量气体中种类的浓度的示例PA效应测量仪器100的高级示意性框图。在下面更详细讨论的一个示例实施例中，种类是PM的种类，具体地是碳黑烟灰。然而，应该理解，PA效应测量仪器100可容易地适应于测量各种各样其他种类(包括其他大气PM和商业产生的PM)以及气相种类的浓度。
该PA效应测量仪器100包括容纳包括PM的样品气体流的进口105。该进口105被耦合至包括样品单元110和参考单元115的差分声单元。包括PM的样品气体被直接提供给样品单元110，而第一过滤器120从提供给参考单元130的样品气体大体去除PM。如本文中所使用的，“大体去除”指的是物质的至少95％的去除。在一个具体配置中，第一过滤器120去除PM的99.5％。
在通过泵125的测量之后从样品单元110和参考单元115排出样品气体。该参考单元115被直接耦合至泵125，而在样品单元110和泵125之间采用介于中间的过滤器130。
为了执行PM的种类的测量，激励光源135提供处于差分声单元110、115的谐振频率的幅度调制射束。该调制可通过产生控制光源135的电源155的波形(例如方波或正弦波)150的函数发生器140来执行。该波形还可被供应给锁定放大器175。
每个声单元110、115都包括一个声谐振器和两个声衰减器。多个麦克风的阵列145、150被安装在每个声单元110、115的声谐振器的中心中的开口上，以使得各麦克风的每一个都被定位在声模式的峰值附近。每个阵列145、150的麦克风可通过设置在开口上的薄膜(例如镀铝聚脂膜)与声谐振器内部的气体隔离。
来自光源135的幅度调制射束被指引到样品单元110中并且从光被可在其中的PM种类和任何其他种类(例如各种气态种类)的吸收来生成声波。声波是由第一麦克风阵列145的麦克风测量的，并且它们的低功率输出信号被(加性)组合以形成第一信号(被称为“信号A”)。调制射束然后被反射镜160、165指引到参考单元115中并且从光被可在其中的其他气态种类的吸收来生成声波。声波是由第二麦克风阵列150的麦克风测量的，并且它们的低功率输出信号被(加性)组合以形成第二信号(被称为“信号B”)。射束阱166被采用来在射束通过声单元110、115之后使该射束沉没。
由第一麦克风阵列145产生的信号A和由第二麦克风阵列150产生的信号B被提供给调谐到各声单元的声谐振器的声谐振频率的带通前置放大器170，其从这确定差分信号(即信号A-信号B)。假设过滤器120已从进入参考单元115的样品气体大体去除所有PM，差分信号大体上纯粹由于被PM的吸收。
差分信号被提供给也接收波形150(其用作已知载波波形)的锁定放大器175。该锁定放大器175从差分信号解调载波波形。已解调差分信号然后被提供给控制器180(例如计算机)，其基于比尔-朗伯定律计算PM的种类的浓度并且输出(例如在显示屏幕上的用户接口中示出或在电子存储设备中存储)PM的种类的浓度测量结果。
激励光源
在一个示例实施例中，光源135是提供非常小的射束发散性(例如在＜＝2.4mm以及优选地＜＝1.2mm的孔径处的射束直径)的DPSS激光器。该非常小的射束发散性可允许具有小横截面的声单元(例如样品单元110和参考单元115)、以及由此低样品体积的使用。已经发现，从声单元产生的信号与光源的强度和PM的种类的浓度成线性比例，但是与声单元的横截面成反比。例如，声单元内部的PA效应可以被计算为：
ΔP×V＝nRΔT＝I0cσl
在这里ΔP是压力变化，V是样品气体的体积，n是样品气体的摩尔数，R是理想气体常数，ΔT是归因于光吸收的温度变化，I0是激光器强度，c是PM的种类的浓度，σ是吸收横截面，并且l是声单元的长度。考虑到圆柱形声单元，归因于来自PM光吸收的加热效应的声压力变化被给出为：
如可以看到的，如果横截面被减小(如可通过使用具有小的射束发散性的DPSS激光器所允许的)，则可以实现增加的检测灵敏度。
进一步地，在一个示例实施例中，该函数发生器130使用石英晶体振荡器并且生成作为方波或正弦波晶体管-晶体管逻辑(TTL)输出的波形150。该函数发生器130可代替在一些传统PA效应测量仪器中找到的机械斩波器。
差分声单元
在一个示例实施例中，该差分声单元(即样品单元110和参考单元115)是两个完全相同的组件，具有相同的尺寸和材料成分。该组件每个都包含其频率响应与光源135的调制频率相同的声谐振器以及一对声衰减器。在一个具体配置中，每个声谐振器都是具有9.5mm的外径(OD)和3mm的内径(ID)的由304不锈钢制成的10cm长的圆柱体，并且每个声衰减器都是具有76mm的OD和51mm的内径的由6061铝合金制成的圆柱形1/4波(5cm)声衰减器。
差分声单元的使用允许来自背景吸收、背景振动和壁效应的干扰被抵消。例如，可在被供应给样品单元110的样品气体中的任何其他气态种类(例如NO2)将通过过滤器120并且也被供应给参考单元120，并且由此对两个声单元110、115中声波有贡献。当该差被在耦合至样品单元110的第一麦克风阵列145和耦合至参考单元150的第二麦克风阵列150之间的带通前置放大器170确定时，通过背景吸收的贡献将消除。同样，假如声单元110、115被定位成彼此靠近，则来自周围环境的任何背景振动将对两个声单元110、115中的声波有基本上相等的贡献。因此，当该差被带通前置放大器170确定时，由背景振动的贡献将消除。类似地，假如声单元110、115是完全相同的，则当该差由带通前置放大器170确定时从壁效应对声波的任何贡献将消除。
进一步地，在一个示例实施例中，被用来检测每个声单元110、115中的声波的麦克风的阵列145、150是安装在PCB上的基于硅隔膜的MEMS麦克风、连同低噪声前置放大器和带通滤波器的阵列。图2是示例麦克风阵列PCB 200的示意性框图。在该示例中，麦克风阵列PCB包括4个MEMS麦克风210-240，然而应该理解不同数目的麦克风可被安装在PCB上。MEMS麦克风的尺寸可与声谐振器的ID相比较。在一个具体配置中，每个MEMS麦克风可以是约3.8mm长和2.7mm宽。MEMS麦克风210-240可经由在固定电压处提供直流电(DC)输出的电压调节器250来供电。来自MEMS麦克风210-240的输出可被供应给也安装在PCB 200上的低噪声前置放大器260，其将来自各麦克风的低功率信号组合，并将组合信号放大若干个数量级。然后可将经过放大的信号供应给带通滤波器，其对不同于声谐振器的声谐振频率的频率进行滤波(例如在一个具体配置中具有40分贝(db)的降噪)。
与信号麦克风配置相比，麦克风阵列的使用允许改进的灵敏度。通过组合来自各麦克风中的每一个的低功率信号，有意义的声信号分量超过声噪声。例如，总信号可被表示为N×s，在这里N是麦克风的数目并且s是来自信号麦克风的声信号。同样，总声噪声与N的平方根成比例。因此，对于4个麦克风的示例阵列而言，组合信号的信噪比可被改进达至少2倍。可通过进一步增加麦克风的数目来实现更大的信噪比改进。
进一步地，将麦克风安装在同一PCB上提供另外的优点。考虑到麦克风的小尺寸，它们将难以直接安装在声单元上。PCB提供用于将麦克风固定在每个声单元的声谐振器的中心处的便捷手段。进一步地，将所有麦克风连同低噪声放大器一起安装在PCB上降低将由这些部件的分离引起的电子噪声。
另外，在一个示例实施例中，每个阵列145、150的麦克风通过覆盖麦克风被安装到其上的声单元的声谐振器中的开口的薄膜来与声单元内部的气体隔离。在一个具体配置中，该薄膜是被插入在麦克风和样品气体之间的0.0005mm厚的镀铝聚脂膜。通过使麦克风与样品气体隔离，由样品气体的温度、成分和湿度中的变化引起的对检测到的声波的影响被降低。进一步地，薄膜防止样品单元110中的样品气体中的PM种类累积在麦克风内部，随着时间的推移这可使它们的性能显著变坏。进一步地，使麦克风与样品气体隔离降低了由与气体流相关联的压力变化效应引起的声测量中的干扰。在麦克风被直接暴露到样品气体的传统配置中，声单元内部的快速气体流可引起声测量中的强干扰，有效限制可被采用的流速以及因此限制仪器的响应时间。利用薄膜使麦克风与样品气体隔离显著降低它们对流速的响应，允许使用增大的流速(例如每分钟1公升)，并且由此实现更快速的响应时间。
相敏数据处理
在一个示例实施例中，从第一麦克风阵列145和第二麦克风阵列150接收信号的带通滤波器170是电压测量使能的数据获取设备的一部分。该数据获取设备可从第一麦克风阵列145和第二麦克风阵列150接收信号来作为模拟电压信号，并且将它们直接转换成差分数字信号。在一个具体配置中，该数据获取设备具有±10伏特(V)和24位分辨率的动态范围，从而允许低至5μV的信号的记录。
在一个示例实施例中，接收差分信号的锁定放大器175被配置成实施相敏检测。在该相敏检测中，波形150是从差分信号解调的。在一个具体配置中，锁定放大器175是具有10Hz到45KHz的工作频率的锁定放大器模块，在这里该工作频率由外部信号输入来确定。
配置和操作的方法
图3是用于图1的示例PA效应测量仪器的配置和操作的步骤300的示例顺序的流程图。在步骤310处，光源135(例如DPSS激光器)和反射镜160、165被对准以使得射束通过差分声单元(即样品单元110和参考单元115)的声谐振器。在步骤320处，该PA效应测量仪器100被操作用于“预热”时段(例如1小时)以允许光源135和麦克风的阵列145、150实现操作稳定性。在步骤330处，仪器110“被调零”。零点可由当不具有PM的样品气体被提供给进口105时产生的差分信号来限定，并且射束被传到声单元110、115中。在步骤340处，利用供应给进口105的样品气体中的吸收标准的具体浓度来校准信号响应的线性度。在步骤350处，该仪器执行对PM的种类的测量。
作为步骤350的一部分，执行许多子步骤。更详细地探讨这些，在子步骤351处，执行对声单元110、115中生成的声波的测量，以产生用于样品单元的第一信号和用于参考单元的第二信号。在子步骤352处，该第一信号和第二信号被带通滤波到各差分声单元的声谐振器的谐振频率，并且在子步骤353处，根据第一信号和第二信号来计算差分信号。在子步骤354处，该差分信号被解调以去除载波波形。
在步骤360处，由控制器来处理结果得到的数据(即已解调差分信号)来基于比尔-朗伯定律计算PM的种类的浓度。在步骤370处，通过被示出在显示屏幕上的用户接口中或被存储在电子存储设备中来输出结果。在可代替测量步骤350而被定期执行的步骤380(例如每30分钟一次)处，仪器100的零点被重新检查并且仪器“被重新调零”以计及任何背景变化。
结束语
总的来说，上面的描述详述了用于使用PA效应来测量种类(例如PM的种类)的浓度的改进的装置和方法。应该理解，可对上面描述的那些做出各种适配和修改以适合于测量任务的各种需求。例如，尽管上文讨论到可由多个麦克风的阵列来测量声波，但是应该理解可备选地使用能够测量压力脉冲的其他类型的检测器。
进一步地，可与其他装置或步骤隔离或在各种子组合中使用装置的不同方面或各种方法步骤。例如，可在仅包括单个声单元的仪器中使用多个麦克风(或检测器)的阵列。同样，薄膜(例如镀铝聚脂膜)可被用在仅包括单个麦克风(或检测器)的仪器中。进一步地，可对该技术做出许多具体添加。例如，尽管上文描述(例如被安装到PCB的)麦克风的单个阵列可被用在每个声单元上，但是应该理解在备选实施例中，可使用麦克风(或检测器)的多个阵列(例如每个都被安装到不同PCB)。该阵列可以是围绕每个声单元的声谐振器(例如圆柱声谐振器)的主轴放射状布置的，以使得所有设备可适合于声模式的峰值附近的区域。各种各样的其他备选也是可能的。一般来说，应该理解上述描述意图仅通过示例的方式来进行。
Claims (30)
1.一种用于测量气体中的种类的光声效应测量仪器，包括：
一对差分声单元，其包括：
样品单元，其被配置成容纳包括种类的样品气体，以及
参考单元，其被配置成容纳已从样品气体大体去除该种类的样品气体的已过滤版本；
激励光源，其被配置成向各差分声单元中的每一个提供幅度调制射束；
一个或多个麦克风，其被安装到各差分声单元中的每一个，并且被配置成测量由于光被相应声单元中的样品气体的吸收而在其中生成的声波并产生相应信号，该一个或多个麦克风与声单元内部的样品气体隔离；
前置放大器，其被配置成根据为各差分声单元中的每一个产生的信号来确定差分信号；以及
控制器，其被配置成基于差分信号来计算种类的浓度。
2.根据权利要求1所述的光声效应测量仪器，其中该种类是颗粒物质(PM)的种类。
3.根据权利要求1所述的光声效应测量仪器，进一步包括：
函数发生器，其被配置成生成控制激励光源的波形；以及
锁定放大器，其被配置成接收来自前置放大器的差分信号和来自函数发生器的波形，以及从差分信号解调波形以产生已解调差分信号，
其中该控制器被耦合至锁定放大器并被配置成基于已解调差分信号来计算种类的浓度。
4.根据权利要求1所述的光声效应测量仪器，其中各差分声单元的每一个都包括一个声谐振器和一对声衰减器，以及
该前置放大器是被调谐到差分声单元的声谐振器的声谐振频率的带通前置放大器。
5.根据权利要求1所述的光声效应测量仪器，其中该激励光源是二极管泵浦固态(DPSS)激光器。
6.根据权利要求1所述的光声效应测量仪器，其中安装到各差分声单元中的每一个的一个或多个麦克风是其输出信号被组合以形成用于差分声单元的信号的多个麦克风的阵列。
7.根据权利要求6所述的光声效应测量仪器，其中多个麦克风的阵列是安装在印刷电路板(PCB)上的多个基于隔膜的微机电系统(MEMS)麦克风的阵列。
8.根据权利要求1所述的光声效应测量仪器，其中该一个或多个麦克风被安装在差分声单元中的每一个中的开口上并且通过设置在该开口上的膜来与声单元内部的样品气体隔离。
9.根据权利要求1所述的光声效应测量仪器，其中该膜是镀铝聚脂膜。
10.根据权利要求1所述的光声效应测量仪器，其中该种类是碳黑烟灰。
11.一种用于测量气体中的种类的光声效应测量仪器，包括：
声单元，其被配置成容纳包括种类的样品气体；
激励光源，其被配置成向声单元提供幅度调制射束；
被安装到声单元的多个麦克风的阵列，每个麦克风都被配置成测量由于光被声单元中的样品气体的吸收而在其中生成的声波，其中来自该阵列的多个麦克风的输出信号被组合以产生组合信号；以及
控制器，其被配置成基于组合信号来计算种类的浓度。
12.根据权利要求11所述的光声效应测量仪器，其中该种类是颗粒物质(PM)的种类。
13.根据权利要求11所述的光声效应测量仪器，其中多个麦克风的阵列是安装在印刷电路板(PCB)上的多个基于隔膜的微机电系统(MEMS)麦克风的阵列。
14.根据权利要求11所述的光声效应测量仪器，其中该多个麦克风的阵列被安装在声单元中的开口上并且通过设置在该开口上的膜来与声单元内部的样品气体隔离。
15.根据权利要求11所述的光声效应测量仪器，进一步包括：
函数发生器，其被配置成生成控制激励光源的波形；以及
锁定放大器，其被配置成接收组合信号并且从组合信号解调波形以产生已解调信号，以及
其中该控制器被耦合至锁定放大器并被配置成基于已解调信号来计算种类的浓度。
16.根据权利要求11所述的光声效应测量仪器，其中该激励光源是二极管泵浦固态(DPSS)激光器。
17.一种用于测量气体中的种类的光声效应测量仪器，包括：
被配置成容纳包括种类的样品气体的声单元，该声单元包括具有开口的声谐振器；
安装在开口上的膜；
被配置成向声单元提供幅度调制射束的激励光源；
一个或多个检测器，其被安装到膜上并且被配置成测量由于光被声单元中的样品气体的吸收而在其中生成的声波并产生信号；
控制器，其被配置成基于该信号来计算种类的浓度，
其中该膜使一个或多个检测器与声单元内部的样品气体隔离。
18.根据权利要求17所述的光声效应测量仪器，其中该种类是颗粒物质(PM)的种类。
19.根据权利要求17所述的光声效应测量仪器，其中该一个或多个检测器是一个或多个麦克风。
20.根据权利要求19所述的光声效应测量仪器，其中该一个或多个麦克风是其输出信号被组合以形成用于声单元的信号的多个麦克风的阵列。
21.根据权利要求20所述的光声效应测量仪器，其中该多个麦克风的阵列是安装在印刷电路板(PCB)上的多个基于隔膜的微机电系统(MEMS)麦克风的阵列。
22.根据权利要求17所述的光声效应测量仪器，进一步包括：
函数发生器，其被配置成生成控制激励光源的波形；以及
锁定放大器，其被配置成接收组合信号并且从组合信号解调波形以产生已解调信号，
其中该控制器被耦合至锁定放大器并被配置成基于已解调信号来计算种类的浓度。
23.根据权利要求17所述的光声效应测量仪器，其中该激励光源是二极管泵浦固态(DPSS)激光器。
24.一种用于气体中的种类的光声测量的方法，包括：
测量在暴露于来自激励光源的射束的一对差分声单元中生成的声波，该对差分声单元包括：
样品单元，其含有包括种类的样品气体，以及
参考单元，其含有已从样品气体大体去除该种类的样品气体的已过滤版本，
该测量由与声单元内部的样品气体隔离的一个或多个检测器来执行，该声单元产生用于样品单元的第一信号和用于参考单元的第二信号；
根据第一信号和第二信号来确定差分信号；
基于差分信号来计算种类的浓度；以及
输出种类的浓度。
25.根据权利要求24所述的方法，其中该种类是颗粒物质(PM)的种类。
26.根据权利要求24所述的方法，其中来自激励光源的射束是基于波形幅度调制的，并且该方法进一步包括：
从差分信号解调波形以产生已解调差分信号，以及
其中该计算基于已解调差分信号来计算种类的浓度。
27.根据权利要求24所述的方法，其中各差分声单元中的每一个都包括一个声谐振器和一对声衰减器，并且该方法进一步包括：
将第一信号和第二信号带通滤波到差分声单元的声谐振器的谐振频率。
28.根据权利要求24所述的方法，其中该一个或多个检测器是安装到各差分声单元中的每一个的多个麦克风的阵列，并且该方法进一步包括：
将来自多个麦克风的每个阵列的麦克风的输出信号组合以分别产生第一信号和第二信号。
29.根据权利要求28所述的方法，其中该多个麦克风的每个阵列是安装在印刷电路板(PCB)上的多个基于隔膜的微机电系统(MEMS)麦克风的阵列。
30.根据权利要求24所述的方法，其中该一个或多个检测器被安装在各差分声单元中的每一个中的开口上，并且该一个或多个检测器通过设置在开口上的膜来与声单元内部的样品气体隔离。
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