CN110441240A - 光声气体传感器以及操作光声气体传感器的方法 - Google Patents

光声气体传感器以及操作光声气体传感器的方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种光声气体传感器。光声气体传感器包括被参考气体充满的密封壳体。此外，光声气体传感器包括设置在壳体内的麦克风系统。麦克风系统被配置为生成第一麦克风信号和第二麦克风信号，其中第一麦克风信号包括与参考气体的光声激励有关的第一信号分量，第二麦克风信号包括与光声激励有关的第二信号分量。光声气体传感器还包括电路，其被配置为：基于第一麦克风信号和第二麦克风信号，通过破坏性地叠加第一麦克风信号的、与光声气体传感器的机械振动有关的第三信号分量和第二麦克风信号的、与机械振动有关的第四信号分量，生成输出信号。

Description

光声气体传感器以及操作光声气体传感器的方法
技术领域
示例涉及光声气体传感器和操作光声气体传感器的方法。
背景技术
光声测量系统使用调制光源朝向被气体充满的测量路径发射红外光。光部分地被气体吸收，剩余的光进入测量单元。剩余的光被测量单元内的参考气体吸收，这导致参考气体升温和膨胀。由此生成的压力差通过设置在测量单元内的麦克风来测量。然而，传统的光声测量系统容易受到背景扰动、如振动或噪声的影响，这些背景扰动会对测量产生不利影响。
发明内容
因此，需要一种光声测量系统，其显示出对背景扰动的降低的敏感性。
这种需求可以通过所附权利要求的主题来满足。
一个示例涉及一种光声气体传感器。该光声气体传感器包括被参考气体充满的密封壳体。此外，光声气体传感器包括设置在壳体内的麦克风系统。麦克风系统被配置为生成第一麦克风信号以及第二麦克风信号，其中第一麦克风信号包括与参考气体的光声激励有关的第一信号分量，第二麦克风信号包括与光声激励有关的第二信号分量。光声气体传感器还包括电路，其被配置为：基于第一麦克风信号和第二麦克风信号，通过破坏性地叠加第一麦克风信号的、与光声气体传感器的机械振动有关的第三信号分量和第二麦克风信号的、与机械振动有关的第四信号分量，来生成输出信号。
一个示例涉及另一种光声气体传感器。该光声气体传感器包括被参考气体充满的密封壳体。此外，光声气体传感器包括设置在壳体内的第一膜和设置在壳体内的第二膜。第一膜包括被配置为接收来自参考气体的声波的第一主面以及与第一主面相对的第二主面。第二膜包括被配置为接收来自参考气体的声波的第三主面以及与第三主面相对的第四主面。第一膜和第二膜被定向，使得从第一主面指向第二主面的第一方向与从第三主面指向第四主面的第二方向相反。
又一实例涉及一种操作光声气体传感器的方法，该光声气体传感器包括设置在密封壳体内的麦克风系统。壳体被参考气体充满。该方法包括使用麦克风系统生成第一麦克风信号。第一麦克风信号包括与参考气体的光声激励有关的第一信号分量。此外，该方法包括使用麦克风系统生成第二麦克风信号。第二麦克风信号包括与光声激励有关的第二信号分量。此外，该方法包括：基于第一麦克风信号和第二麦克风信号，通过破坏性地叠加第一麦克风信号的、与光声气体传感器的机械振动有关的第三信号分量和第二麦克风信号的、与机械振动有关的第四信号分量，生成输出信号。
附图说明
以下将仅通过示例并且参考附图来描述装置和/或方法的一些示例，其中：
图1示出了光声气体传感器的第一示例；
图2a至图2c示出了多种情况下的麦克风系统；
图3示出了光声气体传感器的第二示例；
图4示出了光声气体传感器的第三示例；以及
图5示出了操作光声气体传感器的方法的示例的流程图。
具体实施方式
现在将参考示出一些示例的附图更完整地描述多种示例。在附图中，为了便于理解，线、层和/或区域的厚度可以被夸大。
因此，尽管其他示例能够进行各种修改和替代形式，但图中显示了其中一些特定示例并且随后将对它们进行详细描述。然而，这种详细描述并不将其他示例限于所描述的特定形式。其他示例可覆盖落入本公开范围内的所有修改、等效和替代。相同或相似的标号是指在附图的整个描述中相同或相似的元件，这些元件在提供相同或相似的功能的同时，可以在相互比较时相同或以修改形式来实施。
将理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”至另一元件时，元件可直接连接或耦合，或者经由一个或多个中间元件连接或耦合。如果使用“或”组合两个元件A和B，在没有以其他方式明确或隐含定义的情况下，将理解为公开所有可能的组合，即仅A、仅B以及A和B。相同组合的另一措词是“A和B中的至少一个”或“A和/或B”。这同样适用于两个以上元件的组合。
本文用于描述特定示例的术语无意限制其他实例。无论何时，使用诸如“一个”和“该”的单数形式以及仅使用单个元件，既不明显也不隐含地定义为强制性的，其他示例也可以使用多个元件来实现相同的功能。类似地，当功能随后被描述为使用多个元件实现时，其他示例可以使用单个元件或处理实体来实现相同的功能。将进一步理解，术语“包含”和/或“包含”在使用时指定所提特征、整数、步骤、操作、处理、动作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、处理、动作、元件、部件和/或它们的任何组成的存在或添加。
除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)均具有示例所属领域的一般含义。
图1示出了光声气体传感器100。光声气体传感器100包括密封的壳体110。壳体110包括壳主体111和壳体盖112。壳体盖112将壳体113中形成的腔113封闭。壳体110可由多种不同的材料制成。例如，壳主体111可由陶瓷或金属制成。例如，壳体盖112可由陶瓷、金属、半导体材料(例如，硅)、蓝宝石或玻璃制成。例如，壳体盖112可以是红外窗或显示出带通特性。壳体110被密封，即，壳体盖112附接至壳主体111，使得在腔113和壳体110周围的气体环境之间基本上不发生气体交换。要注意的是，由于存在常见的工艺波动或工艺公差，总是无法以完全气密的方式将壳体盖112固定至壳主体111。因此，本申请使用的术语“密封”还包括将壳体盖112加盖至壳主体111，其允许一定(非常低)的泄漏进入腔113或从腔113中流出。例如，壳体盖112可通过熔焊(例如，缝焊、电阻焊接或激光焊接)、钎焊(使用或不使用预成型焊料)或玻璃浆料键合来固定至壳主体111。
壳体被参考气体101充满。参考气体101被配置为至少部分地吸收具有一个或多个预定波长的光。换句话说，光与参考气体相互作用，并且将其至少一部分能源释放到参考气体101。例如，参考气体101可以是CO2、CO、H2O、CH4、O3、NH4、NOX或N2O。然而，也可以使用任何其他能够吸收具有一个或多个预定波长的光子的气体。经由壳体盖112进入腔113的光至少部分地被参考气体101在一个或多个预定波长处吸收，使得参考气体101升温并膨胀。体积恒定的腔113中的参考气体101升温引起腔113内的压力变化，这可以作为光声波102被感知。换句话说，参考气体101受光声激励。
光声波102(压力变化)通过设置在壳体110内的麦克风系统120测量。麦克风系统120被配置为生成第一麦克风信号121以及第二麦克风信号122，第一麦克风信号包括与参考气体101的光声激励有关的第一信号分量，包括第二麦克风信号与参考气体101的光声激励有关的第二信号分量。
麦克风系统120被配置为基于第一膜123相对于第一背板的相对移动生成第一麦克风信号121。此外，麦克风系统120被配置为基于第二膜125相对于第二背板的相对移动生成第二麦克风信号122。如图1所示，麦克风系统120例如可以包括：第一麦克风127，其包括第一膜123；以及第二麦克风128，其包括第二膜125。麦克风系统120也可以(尽管未示出)可替代地是在一个半导体片(例如，一个半导体芯片)中实现的(单个)麦克风，使得麦克风包括第一膜和第二膜。例如，麦克风系统120可以实现为MEMS(微电子机械系统)。例如，麦克风系统120可以以电子或光学形式被读取。例如，如果以电子形式读取，由于第一膜123的相对移动，第一麦克风信号121例如可基于第一膜123和第一背板之间的容量变化。当以光学形式读出时，第一麦克风信号121例如可以基于从第一膜123偏转的光束的强度变化。
第一膜123包括：第一主面123a，其被配置为接收来自参考气体101的声波(例如，光声波102或声波(acoustic wave)103)；以及与第一主面123a相对的第二主面123b。第二主面123b不受参考气体101的影响。因此，仅经由第一主面123a，来自参考气体101的光声波102和声波103被接收并传送到第一膜123。第二膜125包括：第三主面125a，其被配置为接收来自参考气体101的声波(例如，光声波102或声波103)；以及与第三主面125a相对的第四主面125b。第四主面125b不受参考气体101的影响。因此，仅经由第三主面125a，来自参考气体101的光声波102和声波103被接收和传送到第二膜125。第一膜123和第二膜125被定向，使得从第一主面123a指向第二主面123b的第一方向129a与从第三主面125a指向第四主面125b的第二方向129b相反。
由于参考气体101的光声激励仅由进入壳体110的光引起，因此第一麦克风信号121和第二麦克风信号122均指示从光传送到参考气体101的能量。然而，如振动或噪声的背景扰动会影响测量。例如，光声气体传感器100安装所在的设备(例如车辆)的振动或者强烈的背景噪声可引起光声气体传感器100的机械振动。光声气体传感器100的机械振动在壳体110内引起一个或多个附加声波103。另外，至少一个附加声波103被麦克风系统120的膜感测。因此，第一麦克风信号121和第二麦克风信号122不仅包括所期望的、与参考气体101的光声激励有关的第一和第二信号分量，而且还包括不期望的、与光声气体传感器110的机械振动有关的额外信号分量。例如，第一麦克风信号121可包括与光声气体传感器100的机械振动有关的第三信号分量，并且第二麦克风信号122可包括与光声气体传感器100的机械振动有关的第四信号分量。
光声气体传感器100还包括电路130，电路130被配置为：基于第一麦克风信号121和第二麦克风信号122，通过破坏性地叠加第一麦克风信号121的第三信号分量和第二麦克风信号122的第四信号分量，来生成输出信号131。即，第一麦克风信号121的第三信号分量和第二麦克风信号122的第四信号分量通过电路130组合，使得相比于第一麦克风信号121和第二麦克风信号122中的每一个信号，与光声气体传感器100的机械振动有关的信号分量至少在所得到的组合输出信号131中减少。换句话说，电路130组合第一麦克风信号121和第二麦克风信号122，使得第一麦克风信号121的第三信号分量至少部分地补偿第二麦克风信号122的第四信号分量的负效应，反之亦然。在一些示例中，破坏性地叠加第一麦克风信号121的第三信号分量和第二麦克风信号122的第四信号分量，这可以允许产生具有补偿的机械振动分量的输出信号131，即输出信号基本上没有与光声气体传感器100的机械振动有关的任何信号分量。
为了进一步解释上述振动补偿，图2a至图2c示出了不同情况下的麦克风系统120。
图2a示出了处于静止(中立)位置的麦克风系统120。第一麦克风127包括第一膜123和第一背板124，并且第二麦克风128包括第二膜125和第二背板126。第一膜123和第二膜125彼此相对，使得从第一膜123的第一主面123a指向第二主面123b的第一方向129a与从第二膜125的第三主面125a指向第四主面125b的第二方向129b相反。在图2a至图2c的实施例中，第一膜123和第二膜125被定向，使得第二主面123b和第四主面125b彼此相对，而第一主面123a和第三主面125a彼此背离。
在替代实施例中，麦克风123和125中的每一个都可以翻转，使得第一主面123a和第三主面125a彼此相对，而第二主面123b和第四主面125b彼此背离。因此，第一背板124和第二背板126可以彼此相对。
图2b示出了当周围的参考气体101被光声激励时、即当光声波102在壳体110的腔113内传播时的麦克风系统120。在图2b所示的情况下，光声气体传感器没有机械振动。由于膜123和125相对于背板124和126设置，因此这两个膜均相对于对应的背板执行(基本)相同的相对移动。如图2b所示，第一膜123远离第一背板124移动，同时第二膜125远离第二背板126移动。换句话说，第一膜123和第二膜125响应于参考气体101的光声激励在相反(反向)方向上移动。
图2c示出了在光声气体传感器100的机械振动期间的麦克风系统120。在图2c所示的情况下，参考气体101并不被光声激励。光声气体传感器100的机械振动可以理解为作用于麦克风系统120的机械冲击。由于存在第一和第二膜123和125的惯性以及周围参考气体101的惯性，光声气体传感器100的机械振动引起麦克风127和128的其余部分的移动，而并非第一和第二膜123和125的移动。
图2c示出了光声气体传感器100从左侧到右侧的振动移动210，即从左侧到右侧传播的冲击。由于麦克风系统120固定至光声气体传感器100的壳体110，因此麦克风127和128的其余部分从左侧移动到右侧，而第一膜123和第二膜125由于它们的惯性和周围参考气体101的惯性基本保持在其位置处。由于膜123和125相对于背板124和126设置，这两个膜均相对于对应的背板执行基本相反(反向)的相对移动。如图2c所示，第一膜123远离第一背板124移动，同时第二膜125朝向(接近)第二背板126移动。换句话说，第一膜123和第二膜125响应于光声气体传感器100的机械振动在相同方向上移动。
因此，光声气体传感器100的机械振动导致第一麦克风信号121的第三信号分量和第二麦克风信号122的第四信号分量的信号极性相反。即，当第三信号分量和第四信号分量中的一个加至其麦克风信号的剩余信号分量时，将第三信号分量和第四信号分量中的另一个从其麦克风信号的剩余信号分量中减去。例如，当第一麦克风信号121的第三信号分量显示出正斜率时，第二麦克风信号122的第四信号分量显示出负斜率，反之亦然。
返回参考图1，如果参考气体101被光声激励且同时光声气体传感器100正在机械振动，则由麦克风系统生成的麦克风信号121和122可以如下描述：
Mic1＝a1+a3 (1)
Mic2＝a2-a4 (2)
其中，Mic1表示第一麦克风信号121，Mic2表示第二麦克风信号122，a1表示第一麦克风信号121的第一信号分量，a3表示第一麦克风信号121的第三信号分量，a2表示第二麦克风信号122的第二信号分量，以及a4表示第二麦克风信号122的第四信号分量。
通过电路130基于麦克风信号121和122生成的输出信号131可以如下描述：
Out＝a1+a2+(a3-a4) (3)
Out表示输出信号131。
从表达式(3)可以看出，第一麦克风信号121的期望第一信号分量和第二麦克风信号122的期望第二信号分量相加，而第一麦克风信号121的不期望的第三信号分量和第二麦克风信号的不期望的第四信号彼此相减。换句话说，电路130被配置为通过建设性地叠加第一信号分量和第二信号分量以及破坏性地叠加第三信号分量和第四信号分量来生成输出信号131。因此，与麦克风信号121和122相比，可以增加输出信号131的信噪比(SNR)。
假设第一麦克风信号121的第一信号分量的绝对值和第二麦克风信号122的第二信号分量的绝对值相同，并且第一麦克风信号121的第三信号分量的绝对值和第二麦克风信号122的第四信号分量的绝对值相同，表达式(3)可改写为：
Out＝2·a1＝2·a2 (4)
即，电路130可以生成该输出信号131，其基本上没有任何与光声气体传感器100的机械振动有关的信号分量。例如，如果两个麦克风127和128显示出相同的声学性能，则可以通过电路130消除与光声气体传感器100的机械振动有关的信号分量。
基于输出信号131，可确定将被评估的气体104的浓度。气体104设置在光源140和壳体110之间。光源140向气体104发射光。未被气体104吸收的光比例经由壳体盖112进入壳体，并且光声地激励参考气体101。如上所述，麦克风信号121和122都表示从光传送到参考气体101的能量。因此，输出信号131也指示从光传送到参考气体101的能量。但是，与麦克风信号121和122相比，输出信号131的信噪比增加。考虑光源140的光发射的已知参数，可以根据已知(计算)方法基于输出信号131确定气体104的浓度。
因此，所提出的架构可允许提供一种振动补偿的光声气体传感器。
麦克风/膜可以紧密地设置在一起，以实现高度小型化并且能够在基本相同的位置处测量声波。为了实现这一点，根据一些实施例，第一膜123和第二膜125之间的距离可以小于第一膜123和第二膜125之一的最大直径的两倍。
麦克风系统120可选地包含额外的膜对。例如，麦克风系统120可被配置为基于第三膜(未示出)相对于第三背板(未示出)的相对移动生成第三麦克风信号，以及基于第四膜(未示出)相对于第四背板(未示出)的相对移动生成第四麦克风信号。第一至第四膜被定向，使得连接第一膜123和第二膜125中心的虚拟的第一直线显示出的空间定向与连接第三膜和第四膜中心的第二直线不同。例如，第一直线可垂直于第二直线。换句话说，不同的膜对可沿着不同的空间轴设置。
与第一膜123和第二膜125一样，第三膜包括被配置为接收来自参考气体101的声波的第五主面以及与第五主面相对的第六主面。因此，第四膜包括被配置为接收来自参考气体101的声波的第七主面以及与第七主面相对的第八主面。第三膜和第四膜被定向，使得从第五主面指向第六主面的第三方向与从第七主面指向第八主面的第四方向相反。
与第一麦克风信号121和第二麦克风信号122一样，第三麦克风信号和第四麦克风信号可用于在空间轴方向上减轻输出信号中与光声气体传感器100的机械振动有关的信号分量，其中第三和第四膜沿着空间轴设置。即，电路130可进一步被配置为通过破坏性地叠加第三麦克风信号的、与机械振动有关的第五信号分量和第四麦克风信号的、与机械振动有关的第六信号分量来生成输出信号131。
类似地，电路130可进一步被配置为通过建设性叠加第三麦克风信号的、与参考气体101的光声激励有关的第七信号分量和第四麦克风信号的、与参考气体101的光声激励有关的第八信号分量来生成输出信号131。
与第一膜123和第二膜125一样，另一些膜可设置在单独的麦克风中或者可以在一个半导体片中实施。
由于光声气体传感器100包括至少两个用于感测参考气体的光声激励的膜，因此光声气体传感器100不太会被故障影响。为此，电路130可进一步被配置为：基于第一麦克风信号121和第二麦克风信号122，确定第一麦克风信号121和第二麦克风信号122是否一致。例如，电路130可以将第一麦克风信号121和第二麦克风信号122相互比较和/或与(例如，来自测试测量、模拟或校准的)预定的预期信号进行比较。例如，如果麦克风信号121和122偏离预定阈值，则电路130可以将麦克风信号121和122与预定的预期信号进行比较。因此，如果确定第一麦克风信号121和第二麦克风信号122中的另一个与第一麦克风信号121和第二麦克风信号122中的一个不一致，则电路130可以仅基于第一麦克风信号121和第二麦克风信号122中的这一个信号来生成输出信号131。
即使其中一个麦克风信号有问题，光声气体传感器100仍然能够正确地工作，并经由输出信号131获取关于从入射光传送到参考气体101的能量信息，用于权衡输出信号131降低的SNR。
如上所述，光声气体传感器100包括用于朝向气体104和壳体110发射光的光源140。例如，光源140可被配置为可控制发射适于光声激励参考气体101的光。光源140被配置为发射具有一个或多个预定波长的光。例如，光源140可以是选择发射器或宽带发射器(例如，黑体发射器或热发射器)。例如，光源140可以是发光二极管(LED)或激光发射器。例如，光可以包括红外光(波长从780nm到1mm)和/或可见光(波长从380nm到780nm)。光可以是周期性调制光(例如，电、机械或光学斩波光)。
在光声测量时间间隔期间，光源140被控制以发射光。在光声测量时间间隔外，可以控制光源不发光。然后，麦克风信号121和122可用于确定关于光声气体传感器100的机械振动的信息。例如，电路130可进一步被配置为：基于第一麦克风信号121和第二麦克风信号122，确定指示光声气体传感器100的机械振动的信息。例如，通过分析第一麦克风信号121和第二麦克风信号122，可以获得关于机械振动的至少一个频率以及对应振幅的信息。指示光声气体传感器100的机械振动的信息可由光声气体传感器100(例如，经由输出信号131或其他信号)输出。
此外，可通过用于调整光源140的传感器来使用指示光声气体传感器100的机械振动的信息。例如，如果光声气体传感器100的机械振动的至少一个频率在预定频率范围内，则电路130可进一步被配置为控制光源140以改变光的调制频率。预定频率范围可以包括一个或多个频率。例如，预定频率范围可以包括由光源140发射的光的当前调制频率。为了在测量参考气体101的光声激励的同时减少干扰，如果光声气体传感器100的机械振动的频率等于或接近光的调制频率，则电路130例如可以控制光源140以改变光的调制频率。
尽管在图1中将电路130示为在壳体110内，但电路130也可以替代地设置在壳体110外。
在下文中，参照图3和图4描述壳体内的第一和第二膜的替代设置。为了避免冗长重复，下面主要描述图3和图4中所示的光声气体传感器与光声气体传感器100的差异。要注意的是，上面对光声气体传感器100的元件的描述同样适用于图3和图4所示的光声气体传感器的对应部分。
图3示出了光声气体传感器300，其包括具有壳主体311和壳体盖312的密封壳体310。与壳主体111相反，壳主体311被构造为使得麦克风系统120的两个麦克风127和128可沿壳主体311的两个相对的水平部分设置。壳体盖312相应地进行了调整。因此，第一膜123沿垂直方向设置在第二膜125下方。第一膜123和第二膜125基本处于相同的水平位置。
从第一膜123的第一主面123a指向第二主面123b的第一方向129a再次与从第二膜125的第三主面125a指向第四主面125b的第二方向129b相反。然而，与图1和图2a-2c的实施例不同的是，第一膜123和第二膜125被设置为使得第一主面123a和第三主面125a彼此相对。
图4示出了另一光声气体传感器400。与光声气体传感器300相比，第一膜123的位置与第二膜125相比被水平移动。即，第一膜123在垂直方向上也设置在第二膜125下方，但第一膜123和第二膜125处于不同的水平位置。
从第一膜123的第一主面123a指向第二主面123b的第一方向129a再次与从第二膜125的第三主面125a指向第四主面125b的第二方向129b相反。因此，第一膜123和第二膜125彼此相对，或者麦克风127和128的背板彼此相对。
为了清楚，图4中没有示出电路130。
为了说明光声气体传感器的操作，图5示出了操作光声气体传感器的方法500的流程图，光声气体传感器具有设置在密封壳体内的麦克风系统。如上所述，壳体被参考气体充满。方法500包括使用麦克风系统生成502第一麦克风信号。第一麦克风信号包括与参考气体的光声激励有关的第一信号分量。此外，方法500包括使用麦克风系统生成504第二麦克风信号。第二麦克风信号包括与光声激励有关的第二信号分量。另外，方法500包括基于第一麦克风信号和第二麦克风信号，通过破坏性地叠加第一麦克风信号的、与光声气体传感器的机械振动有关的第三信号分量和第二麦克风信号的、与机械振动有关的第四信号分量，生成506输出信号。
结合所提出的概念或者上面描述的一个或多个实施例(例如，图1至图4)解释方法500的更多细节和方面。该方法可包括与所提出概念的一个或多个方面或者上述一个或多个示例相对应的一个或多个附加可选特征。
本文描述的示例可概括如下：
一些示例涉及一种光声气体传感器。该光声气体传感器包括被参考气体充满的密封壳体。此外，光声气体传感器包括设置在壳体内的麦克风系统。麦克风系统被配置为生成第一麦克风信号以及第二麦克风信号，其中第一麦克风信号包括与参考气体的光声激励有关的第一信号分量，包括与光声激励有关的第二信号分量。光声气体传感器还包括电路，其被配置为：基于第一麦克风信号和第二麦克风信号，通过破坏性地叠加第一麦克风信号的、与光声气体传感器的机械振动有关的第三信号分量和第二麦克风信号的、与机械振动有关的第四信号分量，来生成输出信号。
在一些示例中，麦克风系统被设置为使得光声气体传感器的机械振动导致第三信号分量和第四信号分量的信号极性相反。
根据一些示例，电路被配置为通过建设性地叠加第一信号分量和第二信号分量来生成输出信号。
在一些示例中，麦克风系统被配置为基于第一膜相对于第一背板的相对移动来生成第一麦克风信号。此外，麦克风系统被配置为基于第二膜相对于第二背板的相对移动来生成第二麦克风信号。
根据一些示例，第一膜和第二膜彼此相对，或者第一背板和第二背板彼此相对。
在一些示例中，麦克风系统包括第一麦克风和第二麦克风，其中第一麦克风包括第一膜，第二麦克风包括第二膜。可替代地，麦克风系统是在一个半导体片中实施的麦克风，并且包括第一膜和第二膜。
根据一些示例，第一膜和第二膜之间的距离小于第一膜和第二膜中之一的直径的两倍。
在一些示例中，麦克风系统进一步被配置为基于第三膜相对于第三背板的相对移动生成第三麦克风信号。此外，所述麦克风系统被配置为基于第四膜相对于第四背板的相对移动生成第四麦克风信号。第一至第四膜被定向，使得连接第一膜和第二膜的中心的虚拟的第一直线显示出的空间定向与连接第三膜和第四膜的中心的第二直线不同。
根据一些示例，第一直线垂直于第二直线。
在一些示例中，电路被配置为：通过破坏性地叠加第三麦克风信号的、与机械振动有关的第五信号分量和第四麦克风信号的、与机械振动有关的第六信号分量，来生成输出信号。
根据一些示例，电路进一步被配置为：基于第一麦克风信号和第二麦克风信号，确定第一麦克风信号和第二麦克风信号是否一致。此外，电路被配置为：如果确定第一麦克风信号和第二麦克风信号中的另一个信号与第一麦克风信号和第二麦克风信号中的一个信号不一致，则仅基于第一麦克风信号和第二麦克风信号中的这一个信号生成输出信号。
在一些示例中，光声气体传感器还包括光源，光源被配置为可控地发射适于光声激励参考气体的光。当光源被控制为不发光时，电路进一步被配置为：基于第一麦克风信号和第二麦克风信号，确定指示光声气体传感器的机械振动的信息。
根据一些示例，指示光声气体传感器的机械振动的信息包括关于机械振动的至少一个频率的信息。
在一些示例中，电路进一步被配置为：如果机械振动的至少一个频率在预定频率范围内，则控制光源以改变光的调制频率。
还有一些示例涉及一种操作光声气体传感器的方法，光声气体传感器包括设置在密封壳体内的麦克风系统。壳体被参考气体充满。该方法包括使用麦克风系统生成第一麦克风信号。第一麦克风信号包括与参考气体的光声激励有关的第一信号分量。此外，该方法包括使用麦克风系统生成第二麦克风信号。第二麦克风信号包括与光声激励有关的第二信号分量。此外，该方法包括：基于第一麦克风信号和第二麦克风信号，通过破坏性地叠加第一麦克风信号的、与光声气体传感器的机械振动有关的第三信号分量和第二麦克风信号的、与机械振动有关的第四信号分量，生成输出信号。
一些示例涉及另一种光声气体传感器。光声气体传感器包括被参考气体充满的密封壳体。此外，光声气体传感器包括设置在壳体内的第一膜和设置在壳体内的第二膜。第一膜包括被配置为接收来自参考气体的声波的第一主面以及与第一主面相对的第二主面。第二膜包括被配置为接收来自参考气体的声波的第三主面以及与第三主面相对的第四主面。第一膜和第二膜被定向，使得从第一主面指向第二主面的第一方向与从第三主面指向第四主面的第二方向相反。
根据一些示例，第一膜和第二膜之间的距离小于第一膜和第二膜之一的直径的两倍。
在一些示例中，光声气体传感器还包括设置在壳体内的第三膜和设置在壳体内的第四膜。第一至第四膜被定向，使得连接第一膜和第二膜的中心的虚拟的第一直线显示出的空间定向与连接第三膜和第四膜的中心的第二直线不同。
根据一些实例，第三膜包括被配置为接收来自参考气体的声波的第五主面以及与第五主面相对的第六主面。第四膜包括被配置为接收来自参考气体的声波的第七主面以及与第七主面相对的第八主面。第三膜和第四膜被定向，使得从第五主面指向第六主面的第三方向与从第七主面指向第八主面的第四方向相反。
所提议的光声气体传感器和所提议的操作光声气体传感器的方法可提供对如振动、噪声、环境温度的改变、湿度或大气压的背景扰动的抗扰性。例如，通过将两个麦克风紧密地设置在一起，可以实现高度的小型化，同时保持两个麦克风相同的声学性能以捕捉和消除机械振动。因此，与传统传感器相比，所提议的光声气体传感器可允许更小的形状系数。所提议的传感器包括密封的声室腔和两个用于噪声消除的麦克风，该传感器可以提供对环境的高抗扰度。小型密封声腔例如由陶瓷或金属材料制成并且包括例如红外窗或带通滤波器，该声腔可衰减声学背景噪声。堆叠式麦克风感测主动光声信号，并且可以消除机械振动效应。将两个麦克风叠加在单个封装件中可以解决由声音和振动激励引起的问题。因此，可以提供对机械振动具有高抗扰度的光声气体传感器。此外，为系统提供两个麦克风，可提高安全性，因为即使其中一个麦克风停止工作，也可以提供基本功能。
所提议的光声气体传感器可以克服在如汽车、HVAC(Heating,Ventilation andAir Conditioning暖通空调)或基于电机的通风系统的应用中机械振动对气体传感器的影响。
所提及和描述的方面和特征以及一个或多个先前详细的示例和附图也可以与一个或多个其他示例组合，以替换其他示例的类似特征或者向其他示例附加地引入特征。
说明书和附图仅说明了本公开的原理。此外，本文引用的所有示例主要是为了仅用于说明性目的，以帮助读者理解本公开的原理以及发明人为促进本领域而贡献的概念。本文引用本公开的原理、方面和示例的所有陈述以及其具体示例用于包括其等效物。
例如，框图可以示出实施本公开的原理的高级电路图。类似地，流程图、流程表、状态转换图、伪代码等可表示各种处理、操作或步骤，例如，这些处理、操作或步骤可基本在计算机可读介质中表示并且由计算机或处理器执行，无论是否明显示出这种计算机或处理器。说明书或权利要求书中公开的方法可通过具有执行这些方法的每一对应动作的装置的设备来实现。
应当理解，除非另有明确或暗示的说明，例如由于技术原因，说明书或权利要求中公开的多个动作、处理、操作、步骤或功能的公开不得解释为特定顺序。因此，多个动作或功能的公开不会将它们限于特定顺序，除非这些动作或功能因技术原因不能互换。此外，在一些示例中，单个动作、功能、处理、操作或步骤可分别包括或可分为多个子动作、子功能、子处理、子操作或子步骤。这种子动作可包括在该单独动作的公开中或作为其部分，除非被排除在外。
此外，以下权利要求被纳入详细描述，其中每个权利要求可以作为独立示例单独存在。虽然每项权利要求可以独立作为独立示例，但应当注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中提及与一项或多项其他权利要求的特定组合，但其他示例也可以包括该从属权利要求与彼此从属或独立权利要求的主题的组合。除非规定不打算使用特定组合，否则本文明确提出这种组合。此外，还将一项权利要求的特征包括至任何其他独立权利要求，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。

Claims (20)

1.一种光声气体传感器(100)，包括：
密封的壳体(110)，被参考气体(101)充满；
麦克风系统(120)，设置在所述壳体(110)内，其中，所述麦克风系统(120)被配置为生成第一麦克风信号(121)和第二麦克风信号(122)，所述第一麦克风信号包括与所述参考气体(101)的光声激励有关的第一信号分量，所述第二麦克风信号包括与所述光声激励有关的第二信号分量；以及
电路(130)，被配置为：基于所述第一麦克风信号(121)和所述第二麦克风信号(122)，通过破坏性地叠加所述第一麦克风信号(121)的、与所述光声气体传感器的机械振动有关的第三信号分量和所述第二麦克风信号(122)的、与所述机械振动有关的第四信号分量，来生成输出信号(131)。
2.根据权利要求1所述的光声气体传感器，其中，所述麦克风系统(120)被设置为：使得所述光声气体传感器的所述机械振动导致所述第三信号分量和所述第四信号分量的信号极性相反。
3.根据权利要求1或2所述的光声气体传感器，其中，所述电路(130)被配置为：通过建设性地叠加所述第一信号分量和所述第二信号分量来生成所述输出信号(131)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光声气体传感器，其中，所述麦克风系统(120)被配置为：
基于第一膜(124)相对于第一背板(124)的相对移动来生成所述第一麦克风信号(121)；以及
基于第二膜(125)相对于第二背板(126)的相对移动来生成所述第二麦克风信号(122)。
5.根据权利要求4所述的光声气体传感器，其中，所述第一膜(123)和所述第二膜(125)彼此相对，或者所述第一背板(124)和所述第二背板(126)彼此相对。
6.根据权利要求4或5所述的光声气体传感器，其中，所述麦克风系统(120)包括第一麦克风(127)和第二麦克风(128)，所述第一麦克风包括所述第一膜(123)，所述第二麦克风包括所述第二膜(125)。
7.根据权利要求4或5所述的光声气体传感器，其中，所述麦克风系统(120)是在一个半导体片中实施的麦克风，并且所述麦克风系统包括所述第一膜(123)和所述第二膜(125)。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的光声气体传感器，其中，所述第一膜(123)和所述第二膜(125)之间的距离小于所述第一膜(123)和所述第二膜(125)之一的直径的两倍。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的光声气体传感器，其中，所述麦克风系统(120)进一步被配置为：
基于第三膜相对于第三背板的相对移动生成第三麦克风信号；以及
基于第四膜相对于第四背板的相对移动生成第四麦克风信号，
其中，所述第一膜至所述第四膜被定向，使得连接所述第一膜(123)和所述第二膜(125)的中心的虚拟的第一直线显示出的空间定向与连接所述第三膜和所述第四膜的中心的第二直线不同。
10.根据权利要求9所述的光声气体传感器，其中，所述第一直线垂直于所述第二直线。
11.根据权利要求9或10所述的光声气体传感器，其中，所述电路(130)被配置为：通过破坏性地叠加所述第三麦克风信号的、与所述机械振动有关的第五信号分量和所述第四麦克风信号的、与所述机械振动有关的第六信号分量，来生成所述输出信号(131)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光声气体传感器，其中，所述电路(130)进一步被配置为：
基于所述第一麦克风信号(121)和所述第二麦克风信号(122)，确定所述第一麦克风信号(121)和所述第二麦克风信号(122)是否一致；以及
如果确定所述第一麦克风信号(121)和所述第二麦克风信号(122)中的另一个信号与所述第一麦克风信号(121)和所述第二麦克风信号(122)中的一个信号不一致，则仅基于所述第一麦克风信号(121)和所述第二麦克风信号(122)中的所述一个信号生成所述输出信号(131)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光声气体传感器，其中，所述光声气体传感器还包括光源(140)，所述光源被配置为可控地发射适于光声激励所述参考气体(101)的光，并且其中，当所述光源(140)被控制为不发光时，所述电路(130)进一步被配置为：基于所述第一麦克风信号(121)和所述第二麦克风信号(122)，确定指示所述光声气体传感器的所述机械振动的信息。
14.根据权利要求13所述的光声气体传感器，其中，指示所述光声气体传感器的所述机械振动的所述信息包括关于所述机械振动的至少一个频率的信息。
15.根据权利要求14所述的光声气体传感器，其中，所述电路(130)进一步被配置为：如果所述机械振动的所述至少一个频率在预定频率范围内，则控制所述光源(140)以改变所述光的调制频率。
16.一种操作光声气体传感器的方法(500)，所述光声气体传感器包括设置在密封的壳体内的麦克风系统，其中所述壳体被参考气体充满，所述方法包括：
使用所述麦克风系统生成(502)第一麦克风信号，其中，所述第一麦克风信号包括与所述参考气体的光声激励有关的第一信号分量；
使用所述麦克风系统生成(504)第二麦克风信号，其中，所述第二麦克风信号包括与所述光声激励有关的第二信号分量；以及
基于所述第一麦克风信号和所述第二麦克风信号，通过破坏性地叠加所述第一麦克风信号的、与所述光声气体传感器的机械振动有关的第三信号分量和所述第二麦克风信号的、与所述机械振动有关的第四信号分量，生成(506)输出信号。
17.一种光声气体传感器，包括：
密封的壳体(110)，被参考气体(101)充满；
第一膜(123)，设置在所述壳体(110)内；以及
第二膜(125)，设置在所述壳体(110)内，
其中，所述第一膜(123)包括被配置为接收来自所述参考气体(101)的声波的第一主面(123a)以及与所述第一主面(123a)相对的第二主面(123b)，
其中，所述第二膜(125)包括被配置为接收来自所述参考气体(101)的声波的第三主面(125a)以及与所述第三主面(125a)相对的第四主面(125b)，
其中，所述第一膜(123)和所述第二膜(125)被定向，使得从所述第一主面(123a)指向所述第二主面(123b)的第一方向(129a)与从所述第三主面(125a)指向所述第四主面(125b)的第二方向(129b)相反。
18.根据权利要求17所述的光声气体传感器，其中，所述第一膜(123)和所述第二膜(125)之间的距离小于所述第一膜(123)和所述第二膜(125)之一的直径的两倍。
19.根据权利要求17或18所述的光声气体传感器，还包括：
第三膜，设置在所述壳体(110)内；以及
第四膜，设置在所述壳体(110)内，
其中，所述第一膜至所述第四膜被定向，使得连接所述第一膜(123)和所述第二膜(125)的中心的虚拟的第一直线显示出的空间定向与连接所述第三膜和所述第四膜的中心的第二直线不同。
20.根据权利要求19所述的光声气体传感器，其中，所述第三膜包括被配置为接收来自所述参考气体(101)的声波的第五主面以及与所述第五主面相对的第六主面，其中，所述第四膜包括被配置为接收来自所述参考气体(101)的声波的第七主面以及与所述第七主面相对的第八主面，其中，所述第三膜和所述第四膜被定向，使得从所述第五主面指向所述第六主面的第三方向与从所述第七主面指向所述第八主面的第四方向相反。
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