CN108426837B - 光声气体分析仪 - Google Patents

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Abstract

一种光声气体分析仪可以包括：气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；辐射源，被配置为向所述气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，所述电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子；声波传感器，被配置为检测由辐射源向待分析气体中发射的电磁辐射生成的声波；以及控制单元，操作地连接到辐射源和声波传感器。控制单元可以被配置为：控制辐射源发射具有时变强度的电磁辐射，并且利用调制信号来调制强度变化的频率，调制信号取至少N个相互不同的值；从声波传感器接收指示由辐射源向待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；确定与相应的N个相互不同的频率相关联的至少N个相互不同的信号幅度，发射的电磁辐射的强度以相应的N个相互不同的频率变化；并且根据所确定的信号幅度来确定N种相互不同的气体类型的浓度。

Description

光声气体分析仪
技术领域
各种实施例总体上涉及光声气体分析仪，以及操作光声气体分析仪的方法。
背景技术
光声气体分析仪提供了分析气体的组成的简单方法。由于对例如由于污染而造成的环境空气的组成的分析变得越来越重要，所以期望提供一种能够以高效的方式分析气体的组成的、结构简单的光声气体分析仪。
发明内容
根据各种实施例，提供了一种光声气体分析仪。该光声气体分析仪可以包括：气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；辐射源，被配置为向气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子；声波传感器，被配置为检测由辐射源向待分析气体中发射的电磁辐射生成的声波；以及控制单元，操作地连接到辐射源和声波传感器。控制单元可以被配置为：控制辐射源发射具有时变强度的电磁辐射，并且利用调制信号来调制强度变化的频率，调制信号取至少N个相互不同的值；从声波传感器接收指示由辐射源向待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；确定与相应的N个相互不同的频率相关联的至少N个相互不同的信号幅度，发射的电磁辐射的强度以相应的N个相互不同的频率变化；以及根据所确定的信号幅度来确定N种相互不同的气体类型的浓度。
根据各种实施例，提供了一种操作光声气体分析仪的方法。光声气体分析仪可以包括：气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；辐射源，被配置为向气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子；声波传感器，被配置为检测由辐射源向待分析气体中发射的电磁辐射生成的声波；以及控制单元，操作地连接到辐射源和声波传感器。控制单元可以被配置为：控制辐射源发射具有时变强度的电磁辐射，并且利用调制信号来调制强度变化的频率，调制信号取至少N个相互不同的值；从声波传感器接收指示由辐射源向待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；确定与相应的N个相互不同的频率相关联的至少N个相互不同的信号幅度，发射的电磁辐射的强度以相应的N个相互不同的频率变化；以及根据所确定的信号幅度来确定N种相互不同的气体类型的浓度。该方法可以包括：控制辐射源向气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，并且利用调制信号来调制强度变化的频率，调制信号取至少N个相互不同的值；从声波传感器接收指示由辐射源向待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；确定与相应的N个相互不同的频率相关联的至少N个相互不同的信号幅度，发射的电磁辐射的强度以相应的N个相互不同的频率变化；以及根据所确定的信号幅度来确定N种相互不同的气体类型的浓度。
根据各种实施例，提供了一种光声气体分析仪。光声气体分析仪可以包括：气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；辐射源，被配置为向气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子，辐射源在N种相互不同的模式下可操作，每种模式由与其他N-1种模式的发射光谱不同的独特的发射光谱表征；声波传感器，被配置为检测由辐射源向待分析气体中发射的电磁辐射生成的声波；以及控制单元，操作地连接到辐射源和声波传感器。控制单元可以被配置为：在N种相互不同的模式下操作辐射源，辐射源在N种相互不同的模式下被相应地操作，以便发射具有时变强度的电磁辐射；在每种模式下从声波传感器接收指示由辐射源向待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；以及根据在每种模式下接收的信号来确定N种相互不同的气体类型的浓度。
根据各种实施例，提供了一种操作光声气体分析仪的方法。光声气体分析仪可以包括：气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；辐射源，被配置为向气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子，辐射源在N种相互不同的模式下可操作，每种模式由与其他N-1种模式的发射光谱不同的独特的发射光谱表征；声波传感器，被配置为检测由辐射源向待分析气体中发射的电磁辐射生成的声波；以及控制单元，操作地连接到辐射源和声波传感器。控制单元可以被配置为：在N种相互不同的模式下操作辐射源，在每种模式下辐射源被操作，以便发射具有时变强度的电磁辐射；在每种模式下从声波传感器接收指示由辐射源向待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；以及根据在每种模式下接收的信号来确定N种相互不同的气体类型的浓度。该方法可以包括：在N种相互不同的模式下操作辐射源，以便发射具有时变强度的电磁辐射；在每种模式下从声波传感器接收指示由辐射源向待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；以及根据在每种模式下接收的信号来确定N种相互不同的气体类型的浓度。
附图说明
在附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记总体上指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是总体上将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图来描述本发明的各种实施例，在附图中：
图1是光声气体分析仪的示意图；
图2是含有CO2和H2O的示例性气体的吸收光谱；
图3示出了图1的光声气体分析仪的响应；
图4是操作图1所示的光声气体分析仪的示例性方法的流程图；
图5是由图1所示的包括辐射源的光声气体分析仪获得的光谱，该辐射源被配置为被加热到600℃的黑体辐射器；
图6是与图5的光谱类似的光谱，区别是黑体辐射器被加热到1000℃；
图7是与基于在不同模式下操作黑体辐射器来确定气体组分的浓度的方法相关联的误差的图示；
图8是示出源自于CO2和H2O分子的特征峰值的光谱；
图9是与基于在不同模式下操作黑体辐射器来确定气体组分的浓度的修改后的方法相关联的误差的图示；以及
图10是操作图1所示的光声气体分析仪的备选的示例性方法的流程图。
具体实施方式
以下详细描述参考附图，附图以说明的方式示出了其中可以实践本发明的具体细节和实施例。
本文中使用词语“示例性”来表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施例或设计不一定被解释为比其他实施例或设计优选或有利。
图1是光声气体分析仪100的示意图。光声气体分析仪100可以包括气体腔室102和辐射源104，气体腔室102被配置为在其中接纳待分析气体，辐射源104被配置为向气体腔室102中发射具有时变强度的电磁辐射，该电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在气体腔室102中的气体中的浓度待确定的N种预定的相互不同的气体类型的气体分子。通过由辐射源104发射的电磁辐射与感兴趣的气体类型的气体分子的相互作用，生成指示气体腔室102中的感兴趣的气体类型的浓度的声波。如图1所示，光声气体分析仪100还可以包括声波传感器106，声波传感器106被配置为检测上述声波。下面，将概述光声气体分析仪100的工作原理。
在光声气体分析仪100中，辐射源104被配置为以时变方式向气体腔室102中发射电磁辐射，这表示电磁辐射的强度是时变的。由辐射源104发射的电磁辐射可以被适配为在如下气体类型的气体分子中引起特定的原子和/或分子跃迁，和/或激发上述气体分子的各种振动和/或旋转模式，上述气体类型在被接纳在气体腔室102中的气体中的浓度待确定。在这样激发的气体分子的随后的退激期间，生成热量，导致被接纳在气体腔室102中的气体局部膨胀，从而产生正压力脉冲。
以这种方式生成的过量的热量随后被消散到散热器，导致气体收缩，从而产生负压力脉冲。散热器可以由与光声气体分析仪100物理接触的支架来提供。
由于电磁辐射的强度随着时间而变化，所以感兴趣的气体分子以时变方式被激发。以这种方式，在被接纳在气体腔室102中的气体中生成时变的压力波动。因此，以这种方式生成了声波。
声波传感器106可以被定位在气体腔室102的内部。在这样配置的光声气体分析仪100中，传感器响应随着感兴趣的气体分子(即，浓度待确定的气体类型的气体分子)的浓度的增加而增加。这种类型的光声气体分析仪100在本说明书中被称为直接检测类型的光声气体分析仪100。
备选地，光声气体分析仪100可以被配置为差异检测类型的光声气体分析仪，这表示声波传感器106没有被定位在气体腔室102的内部，而是在参考气体腔室108中，参考气体腔室108通过窗口110与气体腔室102气密性地分离，窗口110对于由辐射源104发射的电磁辐射是透明的。在参考气体腔室108中，接纳有包括每种感兴趣的气体类型的气体分子的、具有明确限定的组成的参考气体。更具体地，在参考气体腔室108中，在气体腔室102中浓度待确定的气体类型具有明确限定的和已知的浓度。
在差异检测类型的光声气体分析仪100中，由辐射源104发射的电磁辐射穿过气体腔室102，并且选择性地与不同的感兴趣的气体类型的气体分子相互作用。借助于与感兴趣的分子的选择性相互作用，电磁辐射的强度根据气体腔室102中待分析的气体中的感兴趣的气体类型的浓度而衰减，这表示衰减随着感兴趣的气体类型的浓度的增加而增加。因此，电磁辐射的衰减指示感兴趣的气体类型的浓度。在穿过气体腔室102之后，电磁辐射穿过窗口110进入参考气体腔室108，并且选择性地激发参考气体中感兴趣的气体类型的气体分子。气体腔室102中的电磁辐射衰减得越多，参考气体腔室108中的电磁辐射的强度越低，并且声波传感器106的响应越低。因此，在差异检测类型的光声气体分析仪100中，声波传感器106的响应随着气体腔室102中感兴趣的气体类型的分子的浓度的增加而降低。
辐射源104可以被配置为发射在红外线和/或可见光和/或紫外线频率范围内的电磁辐射。红外光适合于激发分子振动模式。作为示例，具有在约4.170μm到约4.370μm和约14μm到约16μm的波长范围的红外光适合于激发CO2分子的振动模式。
辐射源104可以包括黑体辐射器、灰体辐射器、光电二极管和激光器中的至少一个。这样配置的辐射源104的信号和/或电源线105在图1中示出。
黑体辐射器被配置为根据普朗克定律发射电磁辐射，这表示其辐射光谱由其温度而不是由其形状或组成确定。辐射源104可以包括黑体辐射器，该黑体辐射器被配置为诸如膜之类的可电加热体。在操作中，可电加热体可以被电加热到高于450℃的温度。根据定义，处于热平衡的黑体辐射器的发射率ε＝1.0。被配置为根据普朗克定律以与黑体辐射器相比较低的发射率发射电磁辐射的辐射器被称为灰体辐射器。
声波传感器106可以包括或可以被配置为电容式声波传感器，该电容式声波传感器具有彼此间隔开并且在其间限定电容器的两个膜。其中一个膜可以是固定的，并且相应的另一个膜可以通过待检测声波而可移位。可移位的膜的位移可以指示待检测声波的特性，并且可以引起可以由合适的读出电路来检测的电容器的电容的变化，该读出电路提供指示待检测声波的特性(诸如声压)的电信号。
另外地或备选地，声波传感器106可以包括或可以被配置为压电声波传感器，该压电声波传感器具有能够通过待检测声波变形的压电薄膜。压电薄膜的变形可以在其中生成指示待检测声波的特性的电压。感应的电压可以由合适的读出电路读出，该读出电路提供指示待检测声波的特性(诸如声压)的电信号。
在图1中，声波传感器106的信号和/或电源线由附图标记107标注。
辐射源104以及声波传感器106可以通过相应的线路105'和107'连接到控制单元112，控制单元112包括或被配置为例如专用集成电路(ASIC)或微处理器，并且被适配为根据从声波传感器106接收的信号来确定气体腔室102中感兴趣的气体类型的浓度。
如图1所示，气体腔室102可以由气体腔室壁114界定。用作气体入口和/或出口的通孔116可以设置在气体腔室壁114中。通孔116可以至少暂时地或永久地打开。以这种方式，气体腔室102可以暂时或甚至永久地与光声气体分析仪100的外部118气流连通。通过扩散进行的气体腔室102与光声气体分析仪100的外部118之间的气体交换可以以如下方式提供，使得可以借助于光声气体分析仪100来监测环境空气的组成。
因此，光声气体分析仪100可以用于监测环境空气的组成，例如用于确定CO2和/或有毒气体(诸如环境空气中的CO)的含量。环境空气中的甲烷和/或水分子(湿度)也可以以这种方式来检测。备选地或另外地，光声气体分析仪100可以被配置为和用作呼吸分析仪，以测量指示血糖水平的醇和/或丙酮的含量。
气体腔室102中感兴趣的气体分子的激发的高效率可以通过在气体腔室壁114上提供反射器120来实现。反射器120可以具有在红外线和/或可见光和/或紫外线频率范围内的至少20％、或至少50％、或甚至至少80％的反射率。
气体分析仪100还可以包括窗口122，该窗口122对于由辐射源104发射的电磁辐射是透明的，并且被定位在辐射源104与气体腔室102之间。如图1所示，窗口122可以将辐射源104与气体腔室102气密性地分离，并且可以将被接纳在气体腔室102中的气体与辐射源104热解耦。
窗口122可以包括或可以被配置为滤波器，该滤波器被适配为选择性地传输预定能量的电磁辐射。原则上，在这种气体分析仪中可以采用具有可调谐的传输特性的可调谐滤波器。在操作中，可以改变滤波器122的传输特性，以连续地激发不同的感兴趣的气体类型的气体分子。滤波器122可以包括或可以被配置为等离激元滤波器和/或法布里-珀罗干涉仪，诸如法布里-珀罗标准具。
然而，具有可调谐的传输特性的滤波器受到机械上的低鲁棒性以及非常小的传输窗口的影响，并且需要被主动且非常精确地控制。
因此，具有固定传输特性的滤波器是期望的。更具体地，被配置为传输由辐射源104发射的在如下能量范围内的电磁辐射的滤波器将克服可调谐滤波器的上述缺点，该能量范围包括气体腔室102中的所有感兴趣的气体类型的分子的激发能量。然而，应当注意，滤波器在根据本公开的光声气体分析仪100中是可选的，并且在辐射源104被配置为发射在明确限定的能量范围内的电磁辐射的情况下(诸如激光源)可以省略。
不管是否采用滤波器122，本公开的光声气体分析仪100的关键方面是，气体腔室102中感兴趣的N种相互不同的气体类型的分子被同时激发，并且由声波传感器106检测到的声波反映出由辐射源104发射的电磁辐射与N种相互不同的感兴趣的气体类型的分子的整体相互作用。下面将描述通过根据本公开的光声气体分析仪100来确定N种相互不同的气体类型的浓度的方式。
在下面的描述中，假定在被接纳在气体腔室102中的气体中可以包含N种预定的相互不同的气体类型，并且N种相互不同的气体类型在被接纳在气体腔室102中的气体中的相应浓度将要被确定。这里，N是整数。
如图1所示，控制单元112可以操作地连接到辐射源104和声波传感器106。控制单元112可以被配置为控制辐射源104发射具有时变的频率调制强度的电磁辐射。更具体地，控制单元112可以被配置为利用调制信号来调制强度变化的频率，调制信号取至少N个相互不同的值。这里，N与被接纳在气体腔室102中的气体中的浓度待确定的、感兴趣的相互不同的气体类型的数目相对应。
以这种方式，由辐射源104发射的电磁辐射的强度变化的频率f是时间t的函数：f＝f(t)。电磁辐射的强度变化的频率的时间依赖性由调制信号确定。
在示例性实施例中，调制信号可以至少部分严格单调增加和/或严格单调减小，这表示由辐射源104发射的电磁辐射的强度变化的频率可以暂时严格单调增加和/或暂时严格单调减小。这种调制信号可以至少部分被配置为正弦信号、三角信号或锯齿信号。
在示例性实施例中，调制信号可以至少部分线性增加和/或至少部分线性减小。这种调制信号可以被配置为例如三角信号或锯齿信号。
备选地，调制信号可以被配置为取至少N个相互不同的值的阶梯信号。
如上所述并且也如图1所示，控制单元112操作地连接到声波传感器106，并且可以接收由声波传感器106响应于检测到的声波来生成的信号。由于由辐射源104发射的电磁辐射的强度是时变的并且强度变化的频率被调制，所以由声波传感器106生成的信号也是时变的并且其频率根据调制信号被调制。
控制单元112可以被配置为确定从声波传感器106接收到的信号的N个相互不同的信号幅度(例如，局部最大值)以及它们的定时。由于在时间和频率之间存在明确的关系，因此与所确定的信号幅度相关联的相应频率可以从其相应的定时来确定。因此，所确定的N个相互不同的信号幅度可以被分配给电磁辐射的强度变化的对应频率。
由控制单元112采用的确定方案的基本原理基于：不同气体类型的分子对电磁辐射的频率调制强度的相互不同的响应。不同类型的分子中的分子的相互不同的响应是由于它们各自的热弛豫时间、碰撞弛豫时间和辐射寿命而导致的。不同类型的分子的相互不同的响应被反映在由控制单元112从声波传感器106接收的信号的幅度的特征频率依赖性中，这表示频率依赖性由存在于气体腔室102中的感兴趣的气体类型的浓度确定。
在调制信号随时间线性减小的情况下，由控制单元112从声波传感器106接收的信号幅度对频率的依赖性可以由以下方程式表示：
I(f)＝1-exp[(I1+…+IN)f] (1)
在表达式(1)中，I(f)表示声波传感器106的信号的幅度，并且I1到IN分别表示与N种相互不同的气体类型相关联并且指示N种相互不同的气体类型的浓度的信号分量或部分幅度。
在方程式(1)中，信号分量是未知的，并且将要被确定以便由此确定N个相互不同的气体类型的浓度C1到CN。
如前所述，控制单元112被配置为确定与N个相互不同的频率fn相关联的N个相互不同的信号幅度I(fn)。以这种方式，获得了一组N个相互不同的信号幅度I(f1)到I(fN)，其可以用来建立下面的方程组：
Figure BDA0001534113070000101
该方程组包括具有N个未知数的N个方程，N个未知数即指示N个感兴趣气体类型的浓度C1到CN的信号幅度I1到IN。因此，可以解析地求解该方程组，以确定相应信号幅度I1到IN。求解上述方程组的详细步骤是本领域技术人员已知的，并且因此在此省略。
由以上可知，很清楚，只有在调制信号取至少N个相互不同的值的情况下，才能从声波传感器信号中提取与N个相互不同的频率相关联的信号幅度，以便求解上述方程组(2-1)到(2-N)。
下面将参考图2和图3来描述由光声气体分析仪100对示例性气体的分析，示例性气体由作为浓度待确定的气体类型的CO2和H2O构成。
在图2中，描绘了示例性气体的吸收光谱。在光谱中，示出了源自于CO2或H2O的若干特征峰值。虚线框指示具有固定传输特性的滤波器(例如，图1所示的滤波器122)的传输范围。传输范围包括两种感兴趣的气体类型(即，CO2和H2O)的激发波长，这表示这种滤波器被配置为选择性地传输电磁辐射，该电磁辐射被配置为激发两种感兴趣的气体类型(即，CO2和H2O)的分子。因此，由声波传感器106检测到的声波源自于所传输的电磁辐射与两种气体类型的分子的相互作用。
在图3中示出了由声波传感器106响应于源自于CO2和H2O两者的声波而生成的时间相关信号S1(t)，以及针对仅由CO2构成的比较气体的比较时间相关传感器信号S2(t)。在两种情况下，辐射源104都被相同地操作，这表示发射的电磁辐射的强度以及强度的时间依赖性在两种情况下相同。更具体地，在两种情况下，强度变化的频率用相同的线性减小的调制信号来调制。从图3中可以清楚地看到，对于具有不同组成的不同气体，声波传感器106的响应是不同的。
还如图3所示，信号幅度I(即，信号的局部最大值)随着时间t而减小。如前所述，由于强度变化的频率由线性减小的调制信号来调制，因此在频率f和时间t之间存在形式为f＝-kt的线性关系。在这个表达式中，k是常数因子。因此，时间相关信号S1(t)可以被转换成频率相关信号S1(f)，根据频率相关信号S1(f)可以确定频率相关幅度I(f)。由于示例性气体包含两种气体类型，因此为了求解上述方程式(1)以获得分别源自于H2O和CO2的两个未知信号分量IH2O和ICO2，必须确定与两个相互不同的频率f1和f2相关联的两个相互不同的信号幅度I(f1)和I(f2)。更具体地，可以基于方程式(1)来建立具有两个未知数的两个方程的方程组：
I(f1)＝1-exp[(IH2O+ICO2)f1] (3-1)
I(f2)＝1-exp[(IH2O+ICO2)f2] (3-2)
根据这个方程组，可以解析地确定信号分量IH2O和ICO2。这些信号幅度指示CO2和H2O的相应浓度，即与其成比例。比例因子可以通过分别使用具有已知浓度的CO2和H2O的气体进行校准来确定。
在图4中，示出了操作光声气体分析仪100的示例性方法200的流程图。方法200可以包括：
控制辐射源104以时变的强度向气体腔室102中发射电磁辐射，并且利用调制信号来调制强度变化的频率，调制信号取至少N个相互不同的值(202)；
从声波传感器106接收指示由辐射源104发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号(204)；
确定与相应的N个相互不同的频率f1到fN相关联的至少N个相互不同的信号幅度I(f1)到I(fN)(206)，发射的电磁辐射的强度以N个相互不同的频率f1到fN变化；以及
根据所确定的信号幅度I(f1)到I(fN)来确定N个相互不同的气体类型的浓度(208)。
在备选实施例中，辐射源104可以在N种相互不同的模式下可操作，每个模式由与其他N-1种模式的发射光谱不同的独特的发射光谱表征。在这样的情况下，控制单元112可以被配置为以N个相互不同的模式来操作辐射源104，在N个相互不同的模式下，辐射源104被分别操作以便发射具有时变强度的电磁辐射。控制单元112可以被配置为在每种模式下从声波传感器106接收指示由辐射源104发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号，并且根据在每种模式下接收到的信号来确定N种相互不同的气体类型的浓度。
在示例性实施例中，这种辐射源104可以包括或可以被配置为黑体辐射器或灰体辐射器。在下文中，将仅参考黑体辐射器。在黑体辐射器的情况下，控制单元112可以被配置为在N种模式下将黑体辐射器间歇性地加热到分别与N种模式相关联的预定温度，N个预定温度相互不同。以这种方式，可以确保辐射源104在每种模式下发射与其他N-1种模式下的光谱不同的特性和独特光谱。通过将黑体辐射器间歇性地加热到相应的预定温度，可以发射具有时变强度的电磁辐射。
在示例性实施例中，黑体辐射器104可以用方波加热信号加热。这样，黑体辐射器104在明确限定的时间段期间保持在明确限定的温度。
由黑体辐射器104发射的光谱包括每种气体类型的分子的激发能量，这表示通过由黑体辐射器104发射的电磁辐射，激发了每种感兴趣的气体类型的分子。这又表示声波传感器106检测由所有感兴趣的气体类型的分子生成的声波，即由声波传感器106生成的信号反映出由黑体辐射器104发射的电磁辐射与所有感兴趣的气体类型的分子的整体相互作用。
控制单元112可以被配置为在每种模式下从声波传感器106接收如下信号，该信号指示由黑体辐射器104发射的电磁辐射生成的检测到的声波。
由于由声波传感器106生成的信号反映出由黑体辐射器104发射的电磁辐射与感兴趣的气体类型的分子的整体相互作用，所以由控制单元在第i模式下接收的信号幅度I(Ti)是分别与N种相互不同的气体类型相关联的N个信号分量或部分幅度I1(Ti)到IN(Ti)的和，第i模式与黑体辐射器104的预定温度Ti相关联。这表示信号幅度I(Ti)可以由以下关系来表示：
I(Ti)＝I1(Ti)+…+IN(Ti) (4)
部分幅度I1(Ti)到IN(Ti)取决于N个相互不同的感兴趣的气体类型的相应浓度C1到CN。因此，通过在N种相互不同的模式下操作黑体辐射器104，可以建立方程组：
Figure BDA0001534113070000141
这里，T1到TN表示分别与操作黑体辐射器104的N种模式相关联的N个相互不同的温度。
上述方程组(5-1)到(5-N)中的部分幅度I1(Ti)到IN(Ti)取决于待确定的相应浓度C1到CN。然而，为了得到上述方程组的解析解，必须精确地知道若干参数，特别是由黑体辐射器104以如下能量发射的光子的数目，该能量与每种感兴趣的气体类型的分子的激发能量相对应。然而，光子的数目不能高精度地确定。因此，不能通过解析地求解方程组(5-1)到(5-N)来高精度地确定浓度C1到CN。
上述方程组(5-1)到(5-N)的备选解可以通过以下方式来提供：用相互不同的气体类型的浓度C1到CN与普朗克光谱P1(Ti)到PN(Ti)的值的乘积分别近似部分幅度I1(Ti)到IN(Ti)，该普朗克光谱P1(Ti)到PN(Ti)是在由黑体辐射器104在温度Ti在第i模式下发射的N个相互不同的气体类型的分子的激发能量处的。以这种方式，上面的方程组(5-1)到(5-N)可以写为：
Figure BDA0001534113070000142
可以计算在N个相互不同的温度处的普朗克光谱的值。在示例性实施例中，这些值可以从相应的归一化的普朗克光谱来计算，归一化的普朗克光谱的最大值被归一化为1。因此，上述修改后的方程式组(6-1)到(6-N)是具有N个未知数的N个方程的方程组，N个未知数是N个相互不同的气体类型的浓度。因此，可以从上述修改后的方程组来解析地确定浓度C1到CN。在示例性实施例中，如此获得的浓度C1到CN可以随后被归一化，以给出总浓度1。
图5和图6示出了在黑体辐射器104的两种不同操作模式下从示例性气体获得的光谱，该示例性气体含有H2O和CO2作为其组分。在这两种示例性的模式下，黑体辐射器104已经分别被间歇性地加热到600℃和1000℃。由于普朗克光谱的依赖于温度的形状，由黑体辐射器104以H2O和CO2分子的相应激发能量发射的强度之比随着发射温度的变化而变化。这用源自于H2O和CO2分子的峰值的不同高度来指示。在图5和图6中，峰值的左侧和右侧的竖直线指示光学滤波器(例如，图1所示的光学滤波器122)的传输窗口，该光学滤波器用于选择性传输由黑体辐射器104发射的电磁辐射。传输窗口传输从约2μm到约5μm的波长范围。
在图5和图6中，相应的普朗克光谱具有被归一化为1的最大值。针对对应的黑体温度600℃和1000℃，在图5和图6中给出了在H2O分子和CO2分子的激发能量处的由此归一化的普朗克光谱的值P1和P2。
在图7中，该方法的预期误差被示出为CO2和H2O浓度的函数。从图中可以清楚地看出，预期误差随着CO2浓度的增加而增加，并且随着H2O浓度的增加而减小。在低H2O浓度处，误差预期约为35％。
这个误差是由于一些H2O激发能量与CO2的激发能量相一致的缘故。这在图8所示的光谱中被指示出。因此，在H2O浓度低的情况下，CO2分子模拟较高的H2O浓度，从而导致图7所示的误差。
在通过校准气体组分的非交叠峰值的高度来交叠峰值的情况下，上述方法的这个缺点可以被克服。在上述具有CO2和H2O作为其组分的气体中，可以校准主CO2峰值的高度，其进而提供关于与H2O峰值交叠的CO2峰值的高度的信息。以这种方式，可以减少与确定H2O浓度相关联的误差。如此减小的误差在图9中被示出为CO2和H2O浓度的函数。如图9所示，以这种方式可以获得小于2％的误差。
通过每种气体类型以多于一个的激发能量来评估相应的光谱，可以进一步降低误差。
在图10中，示出了说明操作光声气体分析仪100的上述备选方法300的流程图。方法300可以包括：
在N种相互不同的模式下操作黑体辐射器104，其中黑体辐射器104被间歇性地加热到相应的预定温度，以便发射具有时变强度的电磁辐射，与N种模式相关联的预定温度相互不同(302)；
在每种模式下从声波传感器106接收指示由黑体辐射器104发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号(304)；以及
根据在每种模式下接收到的信号来确定N种相互不同的气体类型的浓度(306)。
在下文中，将描述根据本公开的各种示例。
示例1是一种光声气体分析仪。所述光声气体分析仪可以包括：气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；辐射源，被配置为向所述气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，所述电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子；声波传感器，被配置为检测由所述辐射源发射的电磁辐射生成的声波；以及控制单元，操作地连接到所述辐射源和所述声波传感器。所述控制单元可以被配置为：控制所述辐射源发射具有时变强度的电磁辐射，并且利用调制信号来调制所述强度变化的频率，所述调制信号取至少N个相互不同的值；从所述声波传感器接收指示由所述辐射源发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；确定与相应的N个相互不同的频率相关联的至少N个相互不同的信号幅度，所述发射的电磁辐射的强度以所述相应的N个相互不同的频率变化；以及根据所确定的信号幅度来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度。
在示例2中，根据示例1所述的主题可以可选地进一步包括：所述调制信号至少部分严格单调增加和/或至少部分严格单调减小。
在示例3中，根据示例2所述的主题可以可选地进一步包括：所述调制信号至少部分是正弦信号、三角信号或锯齿信号。
在示例4中，根据示例1至3中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：所述调制信号至少部分是阶梯信号。
在示例5中，根据示例1至4中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：所述控制单元被配置为基于以下形式的解析表达式确定所述N种相互不同的气体类型的浓度：
I(f)＝1-exp[(I1+I2+…+IN)f]，
其中f是所述电磁辐射的强度变化的频率，I是来自所述声波传感器的信号的幅度，并且I1到IN是与所述N种相互不同的气体类型相关联并且指示所述N种相互不同的气体类型的浓度的信号分量。
在示例6中，根据示例1至5中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：滤波器，所述滤波器被配置为选择性地传输由所述辐射源向所述气体腔室中发射的预定能量范围的电磁辐射。所述预定能量范围包括在所述气体腔室中的浓度待确定的N种气体类型中的每种气体类型的分子的激发能量。
在示例7中，根据示例6所述的主题可以可选地进一步包括：所述滤波器具有固定的传输特性。
在示例8中，根据示例1至7中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：所述声波传感器被定位在所述气体腔室的内部或者通过透声的壁与所述气体腔室分离。
在示例9中，根据示例1至7中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：所述声波传感器被定位在参考气体腔室的内部，所述参考气体腔室通过窗口与所述气体腔室气密性分离，所述窗口对于由所述辐射源发射的电磁辐射是透明的。
在示例10中，根据示例1至9中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：所述辐射源被配置为或包括选自以下中的至少一项：光电二极管、激光器、黑体辐射器和灰体辐射器。
在示例11中，根据权利要求10所述的主题可以可选地进一步包括：所述辐射源被配置为或包括被配置为可电加热本体的黑体辐射器或灰体辐射器。
在示例12中，根据示例1至11中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：所述气体腔室由反射器来界定，所述反射器被配置为反射由所述辐射源发射的电磁辐射。
在示例13中，根据示例12所述的主题可以可选地进一步包括：所述反射器具有在红外线和/或可见光和/或紫外线频率范围内的至少20％、或至少50％、或至少80％的反射率。
示例14是一种移动设备，包括根据示例1至13中任一项所述的光声气体分析仪。
在示例15中，根据示例14所述的移动设备可以被配置为移动电话。
示例16是一种操作光声气体分析仪的方法，所述光声气体分析仪包括：气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；辐射源，被配置为向所述气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，所述电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子；声波传感器，被配置为检测由所述辐射源发射的电磁辐射生成的声波；以及控制单元，操作地连接到所述辐射源和所述声波传感器。所述控制单元可以被配置为：控制所述辐射源发射具有时变强度的电磁辐射，并且利用调制信号来调制所述强度变化的频率，所述调制信号取至少N个相互不同的值；从所述声波传感器接收指示由所述辐射源发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；确定与相应的N个相互不同的频率相关联的至少N个相互不同的信号幅度，所述发射的电磁辐射的强度以所述相应的N个相互不同的频率变化；以及根据所确定的信号幅度来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度。所述方法可以包括：控制所述辐射源向所述气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，并且利用调制信号来调制所述强度变化的频率，调制信号取至少N个相互不同的值；从所述声波传感器接收指示由所述辐射源发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；确定与相应的N个相互不同的频率相关联的至少N个相互不同的信号幅度，所述发射的电磁辐射的强度以所述相应的N个相互不同的频率变化；以及根据所确定的信号幅度来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度。
在示例17中，根据示例16所述的方法可以可选地进一步包括：所述调制信号至少部分严格单调增加和/或至少部分严格单调减小。
在示例18中，根据示例17所述的主题可以可选地进一步包括：所述调制信号至少部分是正弦信号、三角信号或锯齿信号。
在示例19中，根据示例16至18中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：所述调制信号至少部分是阶梯信号。
在示例20中，根据示例16至19中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：确定所述N种相互不同的气体类型的浓度基于以下形式的解析表达式来执行：
I(f)＝1-exp[(I1+I2+…+IN)f]，
其中f是所述电磁辐射的强度变化的频率，I是来自所述声波传感器的信号的幅度，并且I1到IN是源自于所述N种相互不同的气体类型并且指示所述N种相互不同的气体类型的浓度的信号分量。
示例21是一种光声气体分析仪。所述光声气体分析仪可以包括：气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；辐射源，被配置为向所述气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，所述电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子，所述辐射源在N种相互不同的模式下可操作，每种模式由与其他N-1种模式的发射光谱不同的独特的发射光谱表征；声波传感器，被配置为检测由所述辐射源向所述待分析气体中发射的电磁辐射生成的声波；以及控制单元，操作地连接到所述辐射源和所述声波传感器。所述控制单元可以被配置为：在所述N种相互不同的模式下操作所述辐射源，所述辐射源在所述N种相互不同的模式下被相应地操作，以便发射具有时变强度的电磁辐射；在每种模式下从所述声波传感器接收指示由所述辐射源向所述待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；以及根据在每种模式下接收的信号来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度。
在示例22中，根据示例21所述的主题可以可选地进一步包括：所述辐射源被配置为黑体辐射器或灰体辐射器。所述控制单元被配置为在每种模式下将所述黑体辐射器或所述灰体辐射器间歇性地加热到与相应模式相关联的预定温度，以便发射具有时变强度的电磁辐射，与所述N种相互不同的模式相关联的所述N个预定温度相互不同。
在示例23中，根据示例22所述的主题可以可选地进一步包括：所述控制单元被配置为在所述N种相互不同的气体类型中的每种气体类型的分子的激发能量处，计算由所述黑体辐射器或所述灰体辐射器在所述N种模式下发射的普朗克光谱的值。
在示例24中，根据示例23所述的主题可以可选地进一步包括：所述控制单元被配置为基于以下形式的表达式确定所述N种相互不同的气体类型的浓度：P1(Ti)C1+…+PN(Ti)CN＝I(Ti)，其中P1(Ti)到PN(Ti)是在所述N种相互不同的气体类型的分子的激发能量处的普朗克光谱的值，所述普朗克光谱是由所述黑体辐射器或所述灰体辐射器在所述N种相互不同的模式中的第i模式下在温度Ti发射的，I(Ti)是由所述声波传感器在所述第i模式下检测到的积分信号，并且C1到CN是所述N种相互不同的气体类型的浓度。
在示例25中，根据示例21至24中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：滤波器，所述滤波器被配置为将由所述辐射源发射的预定能量范围的电磁辐射选择性地传输到所述气体腔室中。所述预定能量范围可以包括在所述气体腔室中的浓度待确定的N种气体类型中的每种的分子的激发能量。
在示例26中，根据示例25所述的主题可以备选地进一步包括：所述滤波器具有固定的传输特性。
在示例27中，根据示例21至26中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：所述声波传感器被定位在所述气体腔室的内部或者通过透声的壁与所述气体腔室分离。
在示例28中，根据示例21至26中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：所述声波传感器被定位在参考气体腔室的内部，所述参考气体腔室通过窗口与所述气体腔室气密性分离，所述窗口对于由所述辐射源发射的电磁辐射是透明的。
在示例29中，根据示例21至28中任一项所述的主题可以可选地进一步包括：所述气体腔室由被配置为反射由所述辐射源发射的电磁辐射的反射器来界定。
在示例30中，根据示例29所述的主题可以可选地进一步包括：所述反射器具有在红外线和/或可见光和/或紫外线频率范围内的至少20％、或至少50％、或至少80％的反射率。
示例31是一种移动设备，包括根据示例21至30中任一项所述的光声气体分析仪。
在示例32中，根据示例31所述的移动设备可以可选地被配置为移动电话。
示例33是一种操作光声气体分析仪的方法。所述光声气体分析仪可以包括：气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；辐射源，被配置为向所述气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，所述电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子，所述辐射源在N种相互不同的模式下可操作，每种模式由与其他N-1种模式的发射光谱不同的独特的发射光谱表征；声波传感器，被配置为检测由所述辐射源向所述待分析气体中发射的电磁辐射生成的声波；以及控制单元，操作地连接到所述辐射源和所述声波传感器。所述控制单元可以被配置为：在N种相互不同的模式下操作所述辐射源，所述辐射源在N种相互不同的模式下被操作，以便发射具有时变强度的电磁辐射；在每种模式下从所述声波传感器接收指示由所述辐射源向所述待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；以及根据在每种模式下接收的信号来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度。所述方法可以包括：在所述N种相互不同的模式下操作所述辐射源，以发射具有时变强度的电磁辐射；在每种模式下从所述声波传感器接收指示由所述辐射源向所述待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；以及根据在每种模式下接收的信号来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度。
在示例34中，根据示例33所述的主题可以可选地进一步包括：所述辐射源被配置为黑体辐射器或灰体辐射器。所述控制单元被配置为在每种模式下将所述黑体辐射器或所述灰体辐射器间歇性地加热到与相应模式相关联的预定温度，以便发射具有时变强度的电磁辐射，与所述N种相互不同的模式相关联的所述N个预定温度相互不同。所述方法还可以包括：在每种模式下将所述黑体辐射器或所述灰体辐射器间歇性地加热到与相应模式相关联的预定温度，以发射具有时变强度的电磁辐射。
在示例35中，根据示例34所述的主题可以可选地进一步包括：在所述N种相互不同的气体类型中的每种气体类型的分子的激发能量处，计算由所述黑体辐射器或所述灰体辐射器在所述N种模式下发射的普朗克光谱的值。
在示例36中，根据示例35所述的主题可以可选地进一步包括：确定所述N种相互不同的气体类型的浓度基于以下形式的表达式来执行：P1(Ti)C1+…+PN(Ti)CN＝I(Ti)，其中P1(Ti)到PN(Ti)是在所述N种相互不同的气体类型的分子的激发能量处的普朗克光谱的值，所述普朗克光谱是由所述黑体辐射器或所述灰体辐射器在所述N种相互不同的模式中的第i模式下在温度Ti发射的，I(Ti)是由所述声波传感器在所述第i模式下检测到的积分信号，并且C1到CN是所述N种相互不同的气体类型的浓度。
虽然已经参考具体实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，可以对其进行形式和细节上的各种改变，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。因此，本发明的范围由所附权利要求书指出，并且因此落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变旨在被涵盖。

Claims (25)

1.一种光声气体分析仪，包括：
气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；
辐射源，被配置为向所述气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，所述电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在所述气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子；
声波传感器，被配置为检测由所述辐射源向所述待分析气体中发射的所述电磁辐射生成的声波；以及
控制单元，操作地连接到所述辐射源和所述声波传感器，其中所述控制单元被配置为：
控制所述辐射源发射具有时变强度的电磁辐射，其中所述时变强度发生变化的频率是基于调制信号的，所述调制信号取至少N个相互不同的值，并且其中所述时变强度发生变化的频率是时间的函数；
从所述声波传感器接收指示由所述辐射源向所述待分析气体中发射的所述电磁辐射生成的检测到的声波的信号；
确定与相应的N个相互不同的频率相关联的至少N个相互不同的信号幅度，所述发射的电磁辐射的所述时变强度以所述相应的N个相互不同的频率变化；以及
根据所确定的信号幅度来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度。
2.根据权利要求1所述的光声气体分析仪，
其中所述调制信号至少部分严格单调增加和/或至少部分严格单调减小。
3.根据权利要求2所述的光声气体分析仪，
其中所述调制信号至少部分是正弦信号、三角信号或锯齿信号。
4.根据权利要求1所述的光声气体分析仪，
其中所述调制信号至少部分是阶梯信号。
5.根据权利要求1所述的光声气体分析仪，
其中所述控制单元被配置为基于以下形式的解析表达式确定所述N种相互不同的气体类型的浓度：
I(f)＝1-exp[(I1+I2+…+IN)f]，
其中f是所述电磁辐射的强度变化的频率，I是来自所述声波传感器的信号的幅度，并且I1到IN是与所述N种相互不同的气体类型相关联并且指示所述N种相互不同的气体类型的浓度的信号分量。
6.根据权利要求1所述的光声气体分析仪，
还包括滤波器，所述滤波器被配置为选择性地传输由所述辐射源向所述气体腔室中发射的预定能量范围的电磁辐射，其中所述预定能量范围包括在所述气体腔室中的浓度待确定的所述N种气体类型中的每种气体类型的分子的激发能量。
7.根据权利要求6所述的光声气体分析仪，
其中所述滤波器具有固定的传输特性。
8.根据权利要求1所述的光声气体分析仪，
其中所述声波传感器被定位在所述气体腔室的内部或者通过透声的壁与所述气体腔室分离。
9.根据权利要求1所述的光声气体分析仪，
其中所述声波传感器被定位在参考气体腔室的内部，所述参考气体腔室通过窗口与所述气体腔室气密性地分离，所述窗口对于由所述辐射源发射的电磁辐射是透明的。
10.根据权利要求1所述的光声气体分析仪，
其中所述辐射源被配置为或包括选自以下中的至少一项：光电二极管、激光器、黑体辐射器和灰体辐射器。
11.根据权利要求10所述的光声气体分析仪，
其中所述辐射源被配置为或包括被配置为可电加热本体的黑体辐射器或灰体辐射器。
12.根据权利要求1所述的光声气体分析仪，
其中所述气体腔室由反射器来界定，所述反射器被配置为反射由所述辐射源发射的电磁辐射。
13.一种操作光声气体分析仪的方法，其中所述光声气体分析仪包括：
气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；
辐射源，被配置为向所述气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，所述电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子；
声波传感器，被配置为检测由所述辐射源向所述待分析气体中发射的所述电磁辐射生成的声波；以及
控制单元，操作地连接到所述辐射源和所述声波传感器，其中所述控制单元被配置为：
控制所述辐射源发射具有时变强度的电磁辐射，其中所述时变强度发生变化的频率是基于调制信号的，所述调制信号取至少N个相互不同的值，并且其中所述时变强度发生变化的频率是时间的函数；
从所述声波传感器接收指示由所述辐射源向所述待分析气体中发射的所述电磁辐射生成的检测到的声波的信号；
确定与相应的N个相互不同的频率相关联的至少N个相互不同的信号幅度，所述发射的电磁辐射的所述时变强度以所述相应的N个相互不同的频率变化；以及
根据所确定的信号幅度来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度，
其中所述方法包括：
控制所述辐射源向所述气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，其中所述时变强度发生变化的所述频率利用所述调制信号来调制；
从所述声波传感器接收指示由所述辐射源向所述待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；
确定与相应的N个相互不同的频率相关联的至少N个相互不同的信号幅度，所述发射的电磁辐射的所述时变强度以所述相应的N个相互不同的频率变化；以及
根据所确定的信号幅度来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度。
14.根据权利要求13所述的方法，
其中所述调制信号至少部分严格单调增加和/或至少部分严格单调减小。
15.根据权利要求14所述的方法，
其中所述调制信号至少部分是正弦信号、三角信号或锯齿信号。
16.根据权利要求13所述的方法，
其中所述调制信号至少部分是阶梯信号。
17.根据权利要求13所述的方法，
其中确定所述N种相互不同的气体类型的浓度基于以下形式的解析表达式来执行：
I(f)＝1-exp[(I1+I2+…+IN)f]，
其中f是所述电磁辐射的强度变化的频率，I是来自所述声波传感器的信号的幅度，并且I1到IN是源自于所述N种相互不同的气体类型并且指示所述N种相互不同的气体类型的浓度的信号分量。
18.一种光声气体分析仪，包括：
气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；
辐射源，被配置为向所述气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，所述电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在所述气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子，其中所述辐射源在N种相互不同的模式下可操作，每种模式由与其他N-1种模式的发射光谱不同的独特的发射光谱表征；
声波传感器，被配置为检测由所述辐射源向所述待分析气体中发射的电磁辐射生成的声波；以及
控制单元，操作地连接到所述辐射源和所述声波传感器，其中所述控制单元被配置为：
在所述N种相互不同的模式下操作所述辐射源，所述辐射源在所述N种相互不同的模式下被相应地操作，以便发射具有时变强度的电磁辐射，其中所述时变强度发生变化的频率是基于调制信号的并且是时间的函数；
在每种模式下从所述声波传感器接收指示由所述辐射源向所述待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；以及
根据在每种模式下接收的信号来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度。
19.根据权利要求18所述的光声气体分析仪，
其中所述辐射源被配置为黑体辐射器或灰体辐射器，其中所述控制单元被配置为在每种模式下将所述黑体辐射器或所述灰体辐射器间歇性地加热到与相应模式相关联的预定温度，以便发射具有时变强度的电磁辐射，与所述N种相互不同的模式相关联的所述N个预定温度相互不同。
20.根据权利要求19所述的光声气体分析仪，
其中所述控制单元被配置为：在所述N种相互不同的气体类型中的每种气体类型的分子的激发能量处，计算由所述黑体辐射器或所述灰体辐射器在所述N种模式下发射的普朗克光谱的值。
21.根据权利要求20所述的光声气体分析仪，
其中所述控制单元被配置为基于以下形式的表达式来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度：
P1(Ti)C1+…+PN(Ti)CN＝I(Ti)，
其中P1(Ti)到PN(Ti)是在所述N种相互不同的气体类型的分子的激发能量处的普朗克光谱的值，所述普朗克光谱是由所述黑体辐射器或所述灰体辐射器在所述N种相互不同的模式中的第i模式下在温度Ti发射的，I(Ti)是由所述声波传感器在所述第i模式下检测到的积分信号，并且C1到CN是所述N种相互不同的气体类型的浓度。
22.一种操作光声气体分析仪的方法，其中所述光声气体分析仪包括：
气体腔室，被配置为将待分析气体接纳在其中；
辐射源，被配置为向所述气体腔室中发射具有时变强度的电磁辐射，从而生成声波，所述电磁辐射被适配为选择性地激发在被接纳在所述气体腔室中的气体中的浓度待确定的N种相互不同的气体类型的气体分子，其中所述辐射源在N种相互不同的模式下可操作，每种模式由与其他N-1种模式的发射光谱不同的独特的发射光谱表征；
声波传感器，被配置为检测由所述辐射源向所述待分析气体中发射的电磁辐射生成的声波；以及
控制单元，操作地连接到所述辐射源和所述声波传感器，其中所述控制单元被配置为：
在所述N种相互不同的模式下操作所述辐射源，其中在每种模式下所述辐射源被操作，以便发射具有时变强度的电磁辐射；其中所述时变强度发生变化的频率是基于调制信号的，所述调制信号取至少N个相互不同的值，并且其中所述时变强度发生变化的频率是时间的函数；
在每种模式下从所述声波传感器接收指示由所述辐射源向所述待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；
确定在每种模式下接收的与相应的N个相互不同的频率相关联的至少N个相互不同的信号，所述发射的电磁辐射的所述时变强度在所述相应的N个相互不同的频率处发生变化；以及
根据在每种模式下接收的信号来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度，
其中所述方法包括：
在所述N种相互不同的模式下操作所述辐射源，以便发射具有时变强度的电磁辐射；在每种模式下从所述声波传感器接收指示由所述辐射源向所述待分析气体中发射的电磁辐射生成的检测到的声波的信号；以及
根据在每种模式下接收的信号来确定所述N种相互不同的气体类型的浓度。
23.根据权利要求22所述的方法，
其中所述辐射源被配置为黑体辐射器或灰体辐射器，其中所述控制单元被配置为在每种模式下将所述黑体辐射器或所述灰体辐射器间歇性地加热到与相应模式相关联的预定温度，以便发射具有时变强度的电磁辐射，与所述N种相互不同的模式相关联的所述N个预定温度相互不同，其中所述方法包括：
在每种模式下将所述黑体辐射器或所述灰体辐射器间歇性地加热到与相应模式相关联的预定温度，以便发射具有时变强度的电磁辐射。
24.根据权利要求23所述的方法，
还包括：在所述N种相互不同的气体类型中的每种气体类型的分子的激发能量处，计算由所述黑体辐射器或所述灰体辐射器在所述N种模式下发射的普朗克光谱的值。
25.根据权利要求24所述的方法，
其中确定所述N种相互不同的气体类型的浓度基于以下形式的表达式来执行：
P1(Ti)C1+…+PN(Ti)CN＝I(Ti)，
其中P1(Ti)到PN(Ti)是在所述N种相互不同的气体类型的分子的激发能量处的普朗克光谱的值，所述普朗克光谱是由所述黑体辐射器或所述灰体辐射器在所述N种相互不同的模式中的第i模式下在温度Ti发射的，I(Ti)是由所述声波传感器在所述第i模式下检测到的积分信号，并且C1到CN是所述N种相互不同的气体类型的浓度。
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