CN217846054U - 气体检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种气体检测装置。所述装置包括基板以及设置在所述基板上的包覆体，所述包覆体与所述基板共同形成测试腔，所述测试腔用于容纳包含目标气体成分的待测气体。所述气体检测装置还包括控制器、第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用于感测所述待测气体产生的所述压力变化并生成对应的第一电信号，所述第二传感器用于感测参考对象产生的压力变化并生成对应的第二电信号，所述控制器用于根据所述第一电信号和所述第二电信号的差分确定所述目标气体成分的当前属性。本申请所公开的技术方案能够通过第一电信号与第二电信号的差分而去除环境噪声带来的干扰，从而提高检测的准确性和灵敏性。

Description

气体检测装置

技术领域

本申请涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种气体检测装置。

背景技术

光声光谱技术是以光声效应为基础的一种新型光谱分析检测技术，它是光谱技术与量热技术结合的产物。光声光谱技术在测量微量气体场合有着其特有的优势，即灵敏度高，可靠性好，并且应用范围较广，在家居系统，汽车行业以及环境监测等方面具有很大的需求。

在光声光谱分析中，发射具有特定波长的红外辐射，样品中待测气体会吸收具有特定波长的红外辐射，而其他气体并不会贡献吸收量，待测气体吸收光中的能量后被激发，导致周期性的加热与冷却，该周期与红外辐射的强度调制频率对应。加热和冷却过程会导致气体的膨胀与收缩，从而产生具有调制频率的声波信号，该声波信号的强弱与待测气体的浓度成对应关系，因此利用微音器检测该声波信号将其转换为电信号即可测量待测气体的浓度。在光声光谱分析中如何避免外部环境的噪声对测量精度的影响是检测中关键的部分，噪声对结果有着决定性的影响，噪声过大会将信号淹没，使得无法将有用信号和噪声区分开来。

实用新型内容

本申请实施例提供一种气体检测装置，以有效解决现有光声光谱气体分析中外部环境的噪声对测量带来干扰的问题。

根据本申请的一方面，本申请提供一种气体检测装置，所述气体检测装置包括基板以及设置在所述基板上的包覆体，所述包覆体与所述基板共同形成测试腔，所述测试腔用于容纳包含目标气体成分的待测气体；

所述气体检测装置还包括光发射器，所述光发射器位于所述测试腔内，用于发出调制光以触发所述待测气体产生压力变化；

其中，所述气体检测装置还包括控制器、第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用于感测所述待测气体产生的所述压力变化并生成对应的第一电信号，所述第二传感器用于感测参考对象产生的压力变化并生成对应的第二电信号，所述控制器用于根据所述第一电信号和所述第二电信号的差分确定所述目标气体成分的当前属性。

进一步地，所述参考对象是环境噪声，所述第一传感器位于所述测试腔内，并且所述第二传感器位于所述测试腔之外，用于感测所述环境噪声所产生的压力变化。

进一步地，所述气体检测装置还包括设置在所述基板上并且位于所述测试腔内的透明罩，用于容纳用作所述参考对象的预设的参考气体，所述第二传感器位于所述透明罩内，用于感测所述参考气体所产生的压力变化。

进一步地，所述光发射器所发出的调制光能够穿过所述透明罩以触发所述参考气体产生压力变化。

进一步地，所述第一传感器是第一MEMS麦克风，所述第二传感器是第二MEMS麦克风，所述第一MEMS麦克风用于感测以声波形式传递的所述待测气体产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化，所述第二MEMS麦克风用于感测所述环境噪声产生的压力变化。

进一步地，所述第一传感器是第一MEMS麦克风，所述第二传感器是第二MEMS麦克风，所述第一MEMS麦克风用于感测以声波形式传递的所述待测气体产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化，所述第二MEMS麦克风用于感测以声波形式传递的所述参考对象产生的压力变化以及所述环境噪声产生的压力变化。

进一步地，所述光发射器是红外发射器。

进一步地，所述目标气体成分的所述当前属性是所述目标气体成分的当前浓度。

进一步地，所述参考气体包含标准浓度的所述目标气体成分。

进一步地，所述测试腔是金属外壳。

进一步地，所述测试腔上设置有用于与外部环境交换气体的气体渗透孔。

进一步地，所述气体渗透孔上设置有气体渗透膜。

进一步地，所述基板上设置有与所述控制器电连接的电子元件。

本申请的优点在于，通过设置第一传感器感测因待测气体产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化而生成的第一电信号，设置第二传感器专门感测参考对象因压力变化而生成的第二电信号，第二电信号包括因环境噪声产生的信号，利用第一电信号与第二电信号的差分去除环境噪声带来的干扰，从而提高检测的准确性，以及提升对待测气体中目标气体成分浓度检测的灵敏性。通过以包含目标气体成分的参考气体作为参考对象，差分不仅可以去除环境噪声带来的干扰，还可以去除温度等外界原因带来的干扰，进一步提高检测的准确性。此外，通过金属外壳作为测试腔，减少调制光的外溢，避免调制光透过反射腔造成光线的损失，导致测量灵敏度差的问题。通过气体渗透膜隔离灰尘，避免外部环境中的灰尘进入测试腔内，同时保证气体可以进入测试腔内。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1A为本实用新型一个实施例气体检测装置的结构示意图；

图1B是图1A中实施例确定气体浓度的方法流程图；

图2A是本实用新型一个实施例气体检测装置的结构示意图；

图2B是图2A中实施例确定气体浓度的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请至少一实施例提供一种气体检测装置，该气体检测装置包括基板以及设置在所述基板上的包覆体，所述包覆体与所述基板共同形成测试腔，所述测试腔用于容纳包含目标气体成分的待测气体；

所述气体检测装置还包括光发射器，所述光发射器位于所述测试腔内，用于发出调制光以触发所述待测气体产生压力变化；

其中，所述气体检测装置还包括控制器、第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用于感测所述待测气体产生的所述压力变化并生成对应的第一电信号，所述第二传感器用于感测参考对象产生的压力变化并生成对应的第二电信号，所述控制器用于根据所述第一电信号和所述第二电信号的差分确定所述目标气体成分的当前属性。

通过设置第一传感器感测因待测气体产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化而生成的第一电信号，设置第二传感器专门感测参考对象因压力变化而生成的第二电信号，第二电信号包括因环境噪声产生的信号，利用差分第一电信号与第二电信号差分去除环境噪声带来的干扰，从而提高检测的准确性，提升对待测气体中目标气体成分浓度检测的准确性和灵敏性。同时通过以包含目标气体成分的参考气体作为参考对象，差分不仅可以去除环境噪声带来的干扰，还可以去除温度等外界原因带来的干扰，进一步提高检测的准确性。

请参阅图1A至图1B，其中图1A是本申请一个实施例气体检测装置的结构示意图，图1B是图1A中实施例确定气体浓度的方法流程图。

如图1A所示，气体检测装置10包括基板110以及设置在基板110上的包覆体，包覆体与基板110共同形成测试腔120，测试腔120用于容纳包含目标气体成分的待测气体。基板110是印刷电路板。

气体检测装置10还包括光发射器130，光发射器130位于测试腔120内，用于发出调制光以触发待测气体产生压力变化。其中，气体检测装置10还包括控制器140、第一传感器和第二传感器，第一传感器用于感测待测气体产生的压力变化并生成对应的第一电信号，第二传感器用于感测参考对象产生的压力变化并生成对应的第二电信号，控制器140用于根据第一电信号和第二电信号的差分确定目标气体成分的当前属性。

在本实施例中，参考对象是环境噪声，第一传感器位于测试腔120内，并且所述第二传感器位于测试腔120之外，用于感测环境噪声所产生的压力变化。通过以环境噪声作为参考对象，利用差分消除环境噪声，提高测量的准确性。

在本实施例中，第一传感器是第一MEMS麦克风150，第二传感器是第二MEMS麦克风160，第一MEMS麦克风150用于感测以声波形式传递的待测气体产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化，第二MEMS麦克风160用于感测环境噪声产生的压力变化。通过待测气体中的目标气体成分分子吸收调制光的能量，通过待测气体中的目标气体成分分子与固定调制频率的光发生选择性吸收，该气体分子吸收光子能量后能级跃迁至高能态，又经非辐射跃迁回到低能态，此时释放的热量会使周围气体温度升高，膨胀产生压力变化，温度的周期性变化导致气压周期性变化，产生声波，第一MEMS麦克风150接收该声波信号，并将其转换为电信号。

在本实施例中，控制器140还用于经由通信链路控制光发射器130发射调制光，并且光发射器130是红外发射器。通过红外发射器发出的红外光具备穿透能力强、抗干扰能力强的优点。

在本实施例中，目标气体成分的当前属性是目标气体成分的当前浓度。目标气体成分的当前浓度与第一电信号的强弱相对应，通过计算第一电信号，即可得到第一电信号对应的气体浓度值。

在本实施例中，测试腔120是金属外壳。通过金属外壳作为测试腔120，减少调制光的外溢，避免调制光透过反射腔造成光线的损失，导致测量灵敏度差的问题。

进一步的实施例中，测试腔120上设置有用于与外部环境交换气体的气体渗透孔1201。通过气体渗透孔1201使测试腔120与外部环境进行气体交换与流动，保证测试腔120内待测气体的成分以及各成分的浓度与外部环境气体的成分以及各成分的浓度相似。

进一步的实施例中，气体渗透孔1201上设置有气体渗透膜1202。通过气体渗透膜1202隔离灰尘，避免外部环境中的灰尘进入测试腔120内，同时保证气体可以进入测试腔120内，本申请的气体渗透膜1202为具有纳米孔的聚四氟乙烯。

在本实施例中，基板110上还设置有与所述控制器140电连接的电子元件170，所述电子元件170用于协同所述控制器140完成预设的控制功能。需要说明的是，电子元件170包括电阻、电容，通过电子元件170协同控制器140对光发射器130发射光的强度进行调制，使光射器发射具备目标气体可以吸收的波长范围的光，同时发射的光具有特定的强度调制频率。

如图1B所示，光发射器130发射调制光照射测试腔120，待测气体中的目标气体成分吸收调制光后周期性膨胀与收缩，产生周期性压力变化。

第一MEMS麦克风150感测到以声波形式传递的待测气体产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化，并生成第一电信号V1，第一电信号V1包括待测气体的调制信号以及环境噪声信号；第二MEMS麦克风160感测到环境噪声产生的压力变化，并生成第二电信号V2，第二电信号V2是环境噪声信号。

控制器140根据第一电信号V1和第二电信号V2的差分得到差分电压，根据差分电压计算确定目标气体的浓度。

通过第一传感器、第二传感器、测试腔形成单腔双麦克风检测系统，设置第一传感器感测因待测气体产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化而生成的第一电信号，设置第二传感器专门感测参考对象因压力变化而生成的第二电信号，第二电信号因环境噪声产生，利用第一电信号与第二电信号的差分去除环境噪声带来的干扰，从而提高检测的准确性，以及提升对待测气体中目标气体成分浓度检测的准确性和灵敏性。

请参阅图2A至图2B，其中图2A是本申请一个实施例气体检测装置的结构示意图，图2B是图2A中实施例确定气体浓度的方法流程图。

如图2A所示，气体检测装置20包括基板210以及设置在基板210上的包覆体，包覆体与所述基板210共同形成测试腔220，测试腔220用于容纳包含目标气体成分的待测气体；基板210是印刷电路板。

气体检测装置20还包括光发射器230，光发射器230位于所述测试腔220内，用于发出调制光以触发待测气体产生压力变化。

其中，气体检测装置20还包括控制器240、第一传感器和第二传感器，第一传感器用于感测待测气体产生的压力变化并生成对应的第一电信号，第二传感器用于感测参考对象产生的压力变化并生成对应的第二电信号，控制器240用于根据所述第一电信号和第二电信号的差分确定目标气体成分的当前属性。

在本实施例中，气体检测装置20还包括设置在基板210上并且位于测试腔220内的透明罩280，用于容纳用作参考对象的预设的参考气体，第二传感器位于透明罩280内，用于感测参考气体所产生的压力变化。需要说明的是，参考气体的气体成分与待测气体的气体成分相同，参考气体与待测气体包括含目标气体成分以及其他气体成分，例如，目标气体成分可以是二氧化碳，其他气体成分可以是氮气。还需要说明的是，参考气体中各气体成分的浓度与待测气体中各气体成分的浓度不相同。

在本实施例中，光发射器230所发出的调制光能够穿过透明罩280以触发参考气体产生压力变化。

在本实施例中，第一传感器是第一MEMS麦克风250，第二传感器是第二MEMS麦克风260，第一MEMS麦克风250用于感测以声波形式传递的待测气体产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化，第二MEMS麦克风260用于感测以声波形式传递的参考对象产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化。通过待测气体中的目标气体成分吸收调制光的能量，通过待测气体中的目标成分分子与固定调制频率的光发生选择性吸收，该气体分子吸收光子能量后能级跃迁至高能态，又经非辐射跃迁回到低能态，此时释放的热量会使周围气体温度升高，膨胀产生压力变化，温度的周期性变化导致气压周期性变化，产生声波，第一MEMS麦克风250接收该声波信号，并将其转换为电信号。

在本实施例中，控制器240还用于经由通信链路控制光发射器230发射调制光，并且光发射器230是红外发射器。通过红外发射器发出的红外光具备穿透能力强、抗干扰能力强的优点。

在本实施例中，目标气体成分的当前属性是目标气体成分的当前浓度。目标气体成分的当前浓度与第一电信号的强弱相对应，通过计算第一电信号，即可得到第一电信号对应的气体浓度值。

在本实施例中，参考气体包含标准浓度的目标气体成分。需要说明的是，标准浓度是已知的浓度。通过包含标准浓度的目标气体成分作为参考对象，利用差分不仅可以消除环境噪声，还可以消除由温度等原因导致的干扰，因为测试腔以及透明罩内的目标气体成分的光声信号均受到相同的外部干扰，例如温度带来的干扰，所以可以进一步提高测量的准确性。

在本实施例中，测试腔220是金属外壳。通过金属外壳作为测试腔220，减少调制光的外溢，避免调制光透过反射腔造成光线的损失，导致测量灵敏度差的问题。

进一步的实施例中，测试腔220上设置有用于与外部环境交换气体的气体渗透孔2201。通过气体渗透孔2201使测试腔220与外部环境进行气体交换与流动，保证测试腔220内待测气体的成分以及各成分的浓度与外部环境气体的成分以及各成分的浓度相似。

进一步的实施例中，气体渗透孔2201上设置有气体渗透膜2202。通过气体渗透膜2202隔离灰尘，避免外部环境中的灰尘进入测试腔220内，同时保证气体可以进入测试腔220内，本申请的气体渗透膜2202为具有纳米孔的聚四氟乙烯。

在本实施例中，基板210上还设置有与控制器240电连接的电子元件270，电子元件270用于协同控制器240完成预设的控制功能。需要说明的是，电子元件270包括电阻、电容，通过电子元件270协同控制器240对光发射器230发射光的强度进行调制，使光射器发射具备目标气体可以吸收的波长范围的光，同时发射的光具有特定的强度调制频率。

如图2B所示，在无外部噪音的条件下，光发射器230发射调制光照射测试腔220，参考气体中标准浓度的目标气体成分吸收调制光后被激发产生压力变化，第二MEMS麦克风260感测到环境噪声产生的压力变化，得到标准浓度的目标气体成分吸收调制光后产生的参考电信号V3，参考电信号V3是参考气体的调制信号。

在有外部噪音的条件下，光发射器230以同样的频率发射调制光照射测试腔220，待测气体中的目标气体成分以及参考气体中标准浓度的目标气体成分吸收调制光后被激发产生压力变化；第一MEMS麦克风250感测到以声波形式传递的待测气体产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化，并生成第一电信号V1，第一电信号V1包括待测气体的调制信号以及环境噪声信号；第二MEMS麦克风260感测以声波形式传递的参考对象产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化，并生成第二电信号V2，第二电信号V2参考气体的调制信号以及环境噪声信号。

控制器240用于根据第一电信号V1和第二电信号V2的差分得到差分电压，因为参考电信号V3是已知值，对应的参考气体中的目标气体成分的浓度也是已知值，即标准浓度，以参考电信号V3为参考，根据差分电压、参考电信号V3计算确定目标气体的浓度。

通过第一传感器、第二传感器、测试腔、透明罩形成双腔双麦克风检测系统，设置第一传感器感测因待测气体产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化而生成的第一电信号，设置第二传感器专门感测参考对象因压力变化而生成的第二电信号，第二电信号中包含因环境噪声产生的部分，利用第一电信号与第二电信号的差分去除环境噪声带来的干扰，从而提高检测的准确性，以及提升对待测气体中目标气体成分浓度检测的准确性和灵敏性。同时通过以包含目标气体成分的参考气体作为参考对象，差分不仅可以去除环境噪声带来的干扰，还可以去除温度等外界原因带来的干扰，进一步提高检测的准确性。

在本申请的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。

可以理解的是，在本申请的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。以上对本申请实施例所提供的气体检测装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (13)

1.一种气体检测装置，其特征在于，包括：

基板(110、210)以及设置在所述基板(110、210)上的包覆体，所述包覆体与所述基板(110、210)共同形成测试腔(120、220)，所述测试腔(120、220)用于容纳包含目标气体成分的待测气体；

光发射器(130、230)，所述光发射器(130、230)位于所述测试腔(120、220)内，用于发出调制光以触发所述待测气体产生压力变化；

控制器(140、240)、第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用于感测所述待测气体产生的所述压力变化并生成对应的第一电信号，所述第二传感器用于感测参考对象产生的压力变化并生成对应的第二电信号，所述控制器(140、240)用于根据所述第一电信号和所述第二电信号的差分确定所述目标气体成分的当前属性。

2.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述参考对象是环境噪声，所述第一传感器位于所述测试腔(120、220)内，并且所述第二传感器位于所述测试腔(120、220)之外，用于感测所述环境噪声所产生的压力变化。

3.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，包括设置在所述基板(110、210)上并且位于所述测试腔(120、220)内的透明罩(280)，用于容纳用作所述参考对象的预设的参考气体，所述第二传感器位于所述透明罩(280)内，用于感测所述参考气体所产生的压力变化。

4.根据权利要求3所述的气体检测装置，其特征在于，所述光发射器(130、230)所发出的调制光能够穿过所述透明罩(280)以触发所述参考气体产生压力变化。

5.根据权利要求2所述的气体检测装置，其特征在于，所述第一传感器是第一MEMS麦克风(150)，所述第二传感器是第二MEMS麦克风(160)，所述第一MEMS麦克风(150)用于感测以声波形式传递的所述待测气体产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化，所述第二MEMS麦克风(160)用于感测所述环境噪声产生的压力变化。

6.根据权利要求4所述的气体检测装置，其特征在于，所述第一传感器是第一MEMS麦克风(250)，所述第二传感器是第二MEMS麦克风(260)，所述第一MEMS麦克风(250)用于感测以声波形式传递的所述待测气体产生的压力变化以及环境噪声产生的压力变化，所述第二MEMS麦克风(260)用于感测以声波形式传递的所述参考对象产生的压力变化以及所述环境噪声产生的压力变化。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的气体检测装置，其特征在于，所述光发射器(130、230)是红外发射器。

8.根据权利要求7所述的气体检测装置，其特征在于，所述目标气体成分的所述当前属性是所述目标气体成分的当前浓度。

9.根据权利要求3所述的气体检测装置，其特征在于，所述参考气体包含标准浓度的所述目标气体成分。

10.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述测试腔(120、220)是金属外壳。

11.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述测试腔(120、220)上设置有用于与外部环境交换气体的气体渗透孔(1201、2201)。

12.根据权利要求11所述的气体检测装置，其特征在于，所述气体渗透孔(1201、2201)上设置有气体渗透膜(1202、2202)。

13.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述基板(110、210)上设置有与所述控制器(140、240)电连接的电子元件(170、270)。

Images