CN102016547B - 光声传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请的各种实施例提供一种光声传感器(100)，其包括：气室(102)，其具有开口(104)；光源(106)，其产生辐射以辐射所述气室内的样本气体；检测器(108)，其检测所述气室内的样本气体，并响应于由所述辐射引起的被辐射样本气体的压力波动所生成的声信号而生成输出电信号；以及主动阀(110)，其具有与所述气室的所述开口对准的扬声器。所述扬声器具有音圈(112)和附着于该音圈的隔膜(114)。可对所述扬声器施加控制信号(CS)以控制所述气室的访问。在采样期间，所述控制信号促使所述扬声器的所述音圈反复地或一直脱离所述隔膜与所述气室的所述开口的接触以允许样本气体进入所述气室。而在检测期间，所述音圈的所述弹力促使与气室的开口紧密接触的隔膜密封所述气室。

Description

光声传感器
背景技术
光声传感器可以用来基于样本气体的分子在暴露于某些频率的辐射能时吸收能量并达到较高水平的分子振动和旋转、从而达到较高温度和压力的趋势来检测样本气体。当对辐射能进行调幅时，结果得到的可用于吸收的能量的波动产生相应的温度和压力波动。可以使用灵敏检测器来生产表示样本气体的压力波动的电输出，可以对该电输出进行分析以评估样本气体的性质或属性。
然而，高效且经济地控制光声传感器对样本气体的访问(access)是具有挑战性的任务。
附图说明
在附图的图中以示例的方式、而不是以限制的方式举例说明某些实施例，在附图中：
图1举例说明根据示例性实施例的光声传感器；
图2举例说明根据示例性实施例的控制如图1所示的光声传感器的气室的访问的控制信号；
图3举例说明根据示例性实施例的测量周期期间的如图1所示的光声传感器的电输出信号；以及
图4是举例说明根据示例性实施例的通过使用如图1所示的光声传感器来检测样本气体的方法的流程图。
具体实施方式
在以下说明中，出于解释的目的，阐述了许多特定细节以便提供示例性实施例的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员来说应显而易见的是可以在没有这些特定细节的情况下实施本申请的实施例。
本文所述的各种实施例利用光声气体检测来检测和识别气体样本。光声气体检测的一个原理是基于通过由目标气体选择性地吸收红外辐射来测量在气室或腔中产生的压力变化。测量包括采样周期和检测周期。在检测期间，可以用例如调制窄带红外辐射来照射气室中的样本气体。然后，在对入射的红外辐射进行调制时样本气体进行加热和冷却。此类温度波动又产生压力波，该压力波被例如扩音器的检测器检测。扩音器生成电输出信号，可以对该电输出信号进行处理和分析以识别存在于样本气体中的物质并评估在气室中收集的样本气体的性质或属性，例如浓度值。
本申请的各种实施例提供一种光声传感器，其包括：具有开口的气室或腔；光源，该光源产生辐射以辐射所述气室内的样本气体；检测器，该检测器检测所述气室内的样本气体以响应于由所述辐射引起的被辐射样本气体的压力波动所生成的声信号而生成输出电信号；以及主动阀，该主动阀具有与所述气室的所述开口对准的扬声器。
所述扬声器可以具有与喇叭类似或相同的结构。例如，该扬声器可以具有永磁体、音圈、和附着于该音圈的隔膜(或锥体)。该扬声器可以用来通过施加控制信号来控制气室的访问，所述控制信号可以是AC控制信号或DC控制信号。
在一个示例性实施例中，使用AC控制信号来控制气室的访问。在采样期间，AC控制信号向扬声器施加高电压以促使音圈反复地使隔膜脱离与气室的开口的接触，并因此反复地打开气室以从环境引入样本气体。而在检测期间，AC控制信号向扬声器施加低电压，因此，音圈的弹力促使隔膜不变地保持与气室的开口接触以密封气室。
在另一示例性实施例中，使用DC控制信号来控制对气室的访问。在采样期间，DC控制信号向扬声器施加偏压以使音圈缩回到扬声器中，促使所附着的隔膜与气室的开口脱离接触，并因此打开气室以从环境引入样本气体。而在检测期间，DC控制信号不向扬声器施加偏压，因此音圈的弹力推动隔膜与气室的开口接触以密封气室。
图1是根据示例性实施例的光声传感器100的方框图。光声传感器100可以包括：具有开口104的气室102；光源106，其产生辐射以辐射气室102内的样本气体；检测器108，其检测气室102内的样本气体；以及主动阀，其具有与气室102的开口104对准的扬声器110。检测器108可以是例如扩音器，其可以响应于由来自光源106的辐射引起的被辐射样本气体的压力波动所生成的声信号而生成电输出信号OS。在一个实施例中，提供扩音器108对样本气体的压力变化的访问，还提供密封以防止气体不通过开口104而进入气室102或从气室102逸出。
在某些实施例中，光声传感器100还可以包括滤光器116，其位于光源106与气室102之间以过滤进入气室的辐射。在某些实施例中，可以使用调制器118来调制在检测样本气体期间由光源106生成的辐射。在一个实施例中，滤光器116还提供密封以防止气体不通过开口104而进入气室102或从气室102逸出。
在某些实施例中，光声传感器100的扬声器110可以包括永磁体(图1未示出)、围绕所述永磁体的音圈112、和附着于音圈112的隔膜114。例如，扬声器110可以相对于气室102对准，使得在检测期间，隔膜114的中央部分可以与气室102的开口104的边缘接触，并因此可以密封气室102。
在某些实施例中，为了提高或改善密封效果，可以用例如轻油材料或软质橡胶等材料的层涂敷面对气室102的开口104的扬声器110的隔膜114的表面，以保证在检测期间隔膜114与气室102的开口104之间的紧密接触。由于气室102在检测期间保持被紧紧地密封，所以在检测时噪声的影响减小，因此，检测的信噪比提高。
图2举例说明根据示例性实施例的控制气室102的访问的具有高电压电平VOn和低电压电平VOff的控制信号CS。例如，可以向扬声器110施加控制信号CS以控制气室102的访问，使得在采样期间，气室102反复或一直打开，因此样本气体可以进入气室102，同时在检测期间，气室102一直保持密封。控制信号CS可以是例如AC控制信号或DC控制信号。
在一个示例性实施例中，使用DC控制信号CS来控制气室100的访问。在采样期间，DC控制信号CS向扬声器110的音圈112施加偏压VOn以使音圈112缩回到扬声器110中以使隔膜114脱离与气室102的开口104的接触，并因此促使气室110打开以允许样本气体从环境进入气室102。而在检测期间，DC控制信号CS不向扬声器110施加偏压VOff，并且音圈112的弹力推动隔膜114与气室102的开口104接触，并因此密封气室102。
在另一示例性实施例中，使用AC控制信号CS来控制气室100的访问。在采样期间，将AC控制信号CS设置在VOn以引起音圈112的振动，并因此以所选的工作频率反复地打开和关闭气室102的开口104以将新的样本气体引入气室102中，所述振动促使隔膜114(附着于音圈112)相对气室102的开口104进行往复运动。而在检测期间，将AC控制信号CS设置在VOff，并且音圈112的弹力推动隔膜114与气室102的开口104接触，并因此密封气室102。
例如，AC控制信号CS可以具有例如小于10Hz的驱动频率。可以将隔膜114的工作频率选择为处于例如音下频的水平，例如约0.1Hz。
在一个实施例中，控制信号CS来自单独的控制器件或控制器120，诸如集成电路。在其它实施例中，基于计算机的算法可以从检测器108或调制器118接收输出信号并根据此类输入生成控制信号。在另一实施例中，控制信号CS来自调制器118。在另一实施例中，控制信号CS是由扩音器108生成的电输出信号OS的一部分。
图3举例说明根据示例性实施例的测量周期期间的如图1所示的光声传感器100的电输出信号OS。在测量周期内，存在两种状态，即采样状态或检测状态。
在检测期间，扩音器108可以检测气室102内的样本气体，并响应于由辐射引起的被辐射样本气体的压力波动所生成的声信号而生成输出电信号OS。电输出信号OS可以用来分析气室102内部的样本气体的属性(例如，浓度)。
例如，在检测期间，可以调制红外光源106以辐射气室102中的样本气体而促使气室102内的样本气体在入射的红外辐射被调制时进行加热和冷却。这些温度波动又生成可以由扩音器108来检测的压力波，并因此生成电输出信号OS。可以对来自扩音器108的电输出信号OS进行处理和分析以评估密封在气室102中的样本气体的性质或属性。例如，通过分析获得的密封在气室102中的样本气体的频谱，用户可以识别存在于样本气体中的物质，并确定气室102内的样本气体的物质的浓度。通过使用本申请的光声传感器，可以使用各种已知技术来检测样本气体的性质或属性。
如图2所示，可以用控制信号来控制例如测量周期内的采样状态和检测状态。当扬声器110打开气室102时，发生采样状态。这时，样本气体进入气室102。当扬声器密封气室102时，发生检测状态。可以施加短暂延迟以排除在扬声器关闭气室102时会发生的压力瞬变。在此延迟之后，将对来自扩音器108的电输出信号OS进行采样和处理以导出当前气体浓度。将从光源驱动信号导出各种状态时间。例如，用8Hz光源驱动频率，采样状态将是约1秒或8个光源循环(cycle)，并且检测状态将是约9秒或72个灯循环。可以对这些时间进行调整以产生期望的灵敏度和响应。可以在每个检测状态结束时检测样本气体的新浓度值。
在某些实施例中，可以使用控制器120来控制调制器118、光源106、主动阀和检测器108的操作以便以针对各种实施例所述的方式操作。
图4是举例说明根据实施例的通过使用如图1所示的光声传感器来检测样本气体的方法400的流程图。
在方框410处，向气室102的开口104提供样本气体。
在方框420处，控制扬声器110的扬声器隔膜114以选择性地打开和关闭气室102的开口104。
在方框430处，辐射气室102中的样本气体。
在方框440处，生成表示被辐射气体样本的压力波动的输出信号。
在某些实施例中，由施加于被附着于扬声器隔膜114的扬声器音圈112的AC控制信号来控制扬声器110。AC控制信号可以例如以小于10Hz的频率打开和关闭气室102的开口104。
在某些实施例中，以机械方式使扬声器隔膜114偏置以在未向音圈施加控制信号时关闭气室开口。
虽然在本文中已描述了本申请的原理，但本领域的技术人员应理解的是本说明仅仅是以示例的方式作出的且并不作为本申请的范围的限制。因此，随附权利要求意图涵盖落入本申请的主旨精神和范围内的本申请的所有修改。

Claims (8)

1.一种光声传感器，包括：
气室，其具有开口；
光源，其产生辐射以辐射所述气室内的样本气体；
检测器，其检测所述气室内的样本气体，并响应于由所述辐射引起的被辐射样本气体的由温度波动生成的压力波动所生成的声信号而生成输出电信号；
主动阀，其具有与所述气室的所述开口对准的扬声器，所述扬声器具有音圈和附着于所述音圈的隔膜以控制对所述气室的访问；以及
调制器，其调制由所述光源产生的辐射并生成控制所述主动阀的控制信号。
2.权利要求1的光声传感器，其中，在采样期间，控制信号向扬声器施加偏压以使所述隔膜脱离与所述气室的所述开口的接触以打开所述气室，并且在检测期间，所述控制信号不向所述扬声器施加偏压以使所述隔膜保持与所述气室的所述开口接触而密封所述气室。
3.权利要求1的光声传感器，还包括位于所述光源与所述气室之间以过滤辐射到所述气室中的辐射的滤光器。
4.权利要求1的光声传感器，其中，面对所述气室的所述开口的所述隔膜的表面被涂敷轻油或橡胶层。
5.权利要求1的光声传感器，其中，所述检测器是扩音器。
6.一种用于检测样本气体的方法，包括：
向气室的开口提供样本气体；
由AC控制信号控制扬声器隔膜以选择性地打开和关闭所述气室的所述开口；
辐射所述气室中的样本气体；以及
由检测器生成表示被辐射样本气体的由温度波动生成的压力波动的输出电信号，
其中AC控制信号包括由检测器生成的输出电信号的一部分。
7.权利要求6的方法，其中，由施加于被附着于所述扬声器隔膜的音圈的AC控制信号来控制所述扬声器隔膜。
8.权利要求7的方法，其中，所述AC控制信号以一定的频率打开和关闭所述气室的所述开口。
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