CN108139319A - 消除噪声式检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测吸收已知波长的光的气体的光学气体检测器，其中，所述气体检测器包括：两个基本上相同的平行膜，所述两个基本上相同的平行膜在其间限定容纳待测气体的容积；以及调制的第一光源，其以选定的频率将所述已知波长的光发射到所述容积内，所述检测器适于检测所述膜之间的相对移动，并且所述移动具有与所述脉冲光源的比率或比率倍数相对应的频率，并且其中，所述容积具有至少一个开口，所述至少一个开口允许气体不受限制地流入或扩散入所述容积内。

Description

消除噪声式检测器

本发明涉及光学气体检测器，其用于检测吸收已知波长的光的气体。

吸收型气体传感器是众所周知的，其中光朝向检测器传送通过气体混合物，其中一定的气体吸收某些特征波长的光，并且如果透射光谱和检测光谱都是已知的，则可以知道气体浓度。然而，测量透射光的光谱是一个复杂的过程，并且也难以合并在紧凑的低成本设备中，诸如用于测量酒精含量的装置中。

已经研究出了一些替代性解决方案，其中可以利用气体中的某些波长的吸收，因为吸收导致气体中的温度升高或导致压力波动。Brüel和(US 4.818.882)发明的光声气体检测器已经被证明检测到含量非常低的气体。光声气体检测器的核心是Brüel和制造的非常好的电容式传声器。电容式传声器的低频灵敏度受到膜所需的预应力的限制。需要这个预应力来避免电容性力将膜拉入背板。本发明将通过即使用光学读出来改善这一点，使得膜制造得更柔软(应力更小)。此外，Brüel和电容式传声器具有全方向的响应。全方向(或非定向)传声器的响应一般被认为是三维的完美球体(参考https:// en.wikipedia.org/wiki/Microphone)。这意味着电容式传声器会从所有方向拾取噪声。如稍后解释的，本发明以几种方式对此进行改进。此外，由Brüel和发明的光声气体检测器需要使封闭的容积内的气体正常工作。这意味着气体传感器需要泵来将气体输送到封闭的容积中，并且需要阀来密封该容积。本发明不需要泵或阀。

在US2005/117155(US7245380)中描述了另一种光声检测方法，其中应用了脉冲光源。该发明最吸引人的特征之一是它不需要使用标准的光声方法中那样的泵或阀。脉冲光被流体吸收并在样品流体中产生声波，该声波可以被共振叉形晶体检测到，由此可以读出所得到的信号。吸收的能量积累在晶叉中，并且晶叉在共振频率下起到机械滤波器的作用。叉最好由适于在液体中使用但在气体中将具有有限的耦合效率的石英制成。脉冲率(pulserate)受叉的共振频率的限制，并且这需要对激励频率以及用于补偿共振频率的变化的方法进行很好的控制，共振频率的变化是由温度、叉的质量(即灰尘颗粒)变化或其他外部影响引起的。

因此，本发明的一个目的是提供一种紧凑且便宜的光声气体传感器，其具有对外部振动的低灵敏度，同时具有高灵敏度的气体检测。这是利用具有所附权利要求书中描述的特征的光学气体检测器获得的。

根据本发明的优选实施方案，气体检测器因此基于监测在其间限定容积的两个平行膜之间的距离。气体将被检测为从膜之间的容积向外传播的压力或速度波/脉冲，从而在相反的方向上推开膜。来自环境的振动和外部噪声将使膜沿相同方向移动，从而保持它们之间的距离，并且从而不会被检测器检测到。

电容式传声器由于封闭的后容积(back volume)而具有全方向响应，并会从全部三个方向拾取噪声。没有后容积的传声器(如基本的带状传声器)会以双向(也称为8字形)模式检测声音，因为带在两侧均开口。因此，单膜对来自侧面的声音不灵敏，并且在垂直于膜的方向上具有主要的灵敏度。在本发明中，使用两个单膜，并且它们对来自侧面的声音或振动仍不灵敏。垂直于膜的外部声音或振动将移动两个膜，并且由于我们测量两个膜之间的相对移动，所以来自外部源的贡献将显著减少，并且原则上被完全移除，如果来自外部源的波长比两个膜之间的距离长的话。膜之间的气体吸收所产生的信号将推开膜，并且不会被消除。

可以提供用于测量移动的若干不同装置，例如使用如WO2011/033028中所示的具有压电环的对称膜，所述压电环被电连接成在膜沿相同方向移动时移除信号。使用压阻式或电容式传感器方法可以得到类似的设计。

优选地，使用干涉测量法(即采用WO 2003/046498中论述的测量***)来光学地测量膜之间的距离。根据优选实施方案，膜因此构成法布里-珀罗干涉仪中的镜子，其根据膜之间的距离改变共振。

将参考以举例方式示出本发明的附图来论述本发明。

图1示出了位于两个膜之间的气体样品。

图2示出了本发明的一个实施方案，其中气体传感器设置有共振器。

图3示出了带有光学读出器的传感器。

图4a、4b示出了本发明的优选实施方案，其提供膜之间的距离的光学测量。

如图1所示，气体检测器1基本上与被来自源3的脉冲光束8照射的气体容积2有关。当光被吸收时，气体容积膨胀并以力F推开两个膜4a、4b。如图所示，膜4a、4b之间的距离D随时间t变化，并且D的变化幅度将与样品中目标气体的浓度有关。气体容积2不位于封闭的容器中，而是基本上可自由移动或扩散到测量容积中，从而使得用于获得流的泵或其他装置不必要，但这取决于传感器的预期用途和操作。气体容积可以简单地由膜的位置限定，而不存在任何其他的壁或限制部分。

来自于气体激发的声音的非常简化的模型是声点源(acoustic point source)，其产生球面波。来自球面波的声压与传播距离r成比例地减小(参考文献“Elektroakustikk”，Jens Dammerud，第4版，2013，第100页)，并且声强度与r²成比例地减小。这意味着，如果从声点源到膜的内侧的距离是1mm，并且从点源到膜外侧的距离是10mm，则声压是外侧的声压的10倍，并且膜的移动主要是从内侧的直接路径。

如图1所示，气体样品中产生的声信号可以围绕膜4a、4b流动5，并且因此膜的脉冲频率和膜的尺寸可以被选择成避免负反馈，同时保持容积打开，以让气体流自由地流过所述容积。通过正确地选择膜的尺寸，外侧的压力可以具有与膜4a、4b之间的压力相反的相位，从而增加信号强度。通过产生20kHz的声脉冲，声音的波长为17mm。如果从容积到膜的背面的传播路径是17mm，则背面和正面是同相的，并且膜的移动减少，或者甚至被消除。然而，如果传播路径是17/2＝8.5mm，则膜的背面的声音是反相的，这可能增加膜移动的幅度，并且从而改善检测器的信号。因此，膜和气体容积的最佳尺寸可以根据气体中的声速而变化。然而，只要移动没有完全被消除，就会得到测量结果。

在图2中，检测器包括包围第一膜4a和第二膜4b的声共振器6，并且所述声共振器6当与光源的脉冲率匹配时，可以放大振动并因此放大信号。

在图3中示出了示意图，其中气体7被引入限定气体容积2的膜4a和4b之间的空间中，并且来自红外宽带源的光8照射气体容积2，该气体容积2吸收特征波长的光。使用干涉测量手段，即WO 2003/046498中描述的方法的改编版本，来测量膜4a和4b之间的距离。为了实现这种测量，膜具有至少部分地反射的表面，使得膜之间的腔构成法布里-珀罗腔，该腔具有取决于膜之间的距离的共振频率。一个(或更多个)窄带光源15(即二极管激光器)用于将监测光14传送通过膜4a和4b并且传送到一个或多个检测器16上。替代性配置是读出从膜反射的信号。光源15和检测器16(包括用于聚焦或准直光的任何光学装置)通常被放置成距离膜超过0.1mm，优选若干毫米，以避免会产生噪声的任何形式的挤压膜效应。为了获得尽可能灵敏的传感器，膜中的应力应尽可能低，通常在5和50MPa之间。

图4a和图4b示出了照射两个膜4a、4b之间的气体流7的光源。图4a从一侧示出了根据本发明的气体检测器，而图4b示出了从上方看的气体检测器。源可以是在相当宽的波长范围内发射光的宽带IR源10。光被透镜11准直，并且被传送通过法布里珀罗干涉仪12，以便选择待检测的气体的特征波长中的至少一个。第二透镜13用于将光聚焦在气体样品2处。根据工作波长和待检测的气体，可以在不同的实施方案中提供该光源单元，并且透镜可以既是折射型的又是衍射型的。对于CO测量，可以在源处使用如WO2006/110041和WO2006/110042中描述的滤波器。对于其他气体，可以在源处使用WO2011/033028中描述的滤波器。

将光聚焦在气体容积处的第二透镜13的焦距可以被选择成至少在膜之间的方向上限定窄锥体，使得膜可以尽可能彼此靠近而不阻挡光。通过聚焦光8，测量的容积2也被限制在焦点区域中，类似于如上所述的声点源。从图4b中可以看出，聚焦的光束不会传播通过靠近气体样品容积2的任何窗口或其他材料，这是有利的，因为不会发生可能影响样品中的情况的额外的吸收，但是最重要的是，不使用窗口避免了声信号的产生，声信号的产生通常是光声光谱测定中的主要限制。当没有气体存在时，去除窗口允许零信号，而窗口的使用通常给出需要减去的基线信号，并且该基线信号将随着时间而变化，并且因此是传感器精度的限制。

光源的调制可以通过打开和关闭光源来进行，但是这可能会影响发射的光谱。另一种替代方案是以选定比率(rate)阻挡光束，例如利用旋转轮(spinning wheel)或LCD。根据优选实施方案，可以使用法布里-珀罗仪对特征波长来回扫描，使得吸收在一定的比率下出现，这取决于光何时具有正确波长。典型地，如果源以频率f进行波长调制，则信号可以在1f、2f或3f处被解调，并且在一些情况下，高次谐波被用于解调。

为了避免声波从被测气体容积传播到膜的背面，调制频率必须相对较高。如果法布里-珀罗干涉仪以例如10kHz的速率被扫描，则声频率将是20kHz，这意味着17mm的声波长。图4a、图4b所示的例子是基于1mm×0.2mm的源，其将光传送通过具有3mm直径的F-P滤波器并且进一步在膜之间传送，并且所述例子使用透镜13将来自源的光聚焦在膜之间。取决于源的尺寸，膜之间的距离通常可以在0.3mm和5mm之间。膜的尺寸通常可以在1和25mm之间，并且膜的厚度通常可以在10和1000nm之间。膜直径为5mm和厚度为100nm的氮化硅膜获得了良好的结果。

对于使用电容式传声器或驻极体传声器的任何***来说，膜厚度仅为100nm是很大的优势，因为它们通常具有3000nm或更大的膜厚度。这意味着，仅由于膜的重量，本发明对于外部振动的灵敏度将是原来的1/30。另外，在测量两个膜之间相对距离方面有优势。

由法布里-珀罗形成的响应曲线将取决于膜的反射，而低反射会产生余弦状的响应。无论如何，监测响应曲线上的灵敏度高的位置处的膜移动是重要的。我们可以把此位置称为传感器工作点。工作点可以通过调整两个膜之间的距离来获得。这可以通过使用静电致动器、压电致动器或热致动器来完成。替代地，可以将用于监测膜之间的相对位移的源的波长调整成匹配工作点。

获得合理的工作点的第三种方式是通过使用WO2014/202753中描述的膜中的多个凹部。对于膜之间的距离每增加半波长，由法布里-珀罗产生的干涉信号通常会重复自身。对于低反射膜，法布里-珀罗信号可以近似为余弦波形。如果仅使用两个膜之间的干涉，则工作点可能在余弦曲线的顶部或底部，并且灵敏度将非常低。改善这一点的好方法是引入第二区域，在第二区域中，膜之间的距离存在90°异相(或者90°+/-n×180°，n＝0,1,2,3...)。当膜之间的距离改变时，我们现在将有正弦曲线和余弦曲线两者，并且我们能够计算正确的距离变化。第二区域可以利用膜中的凹部形成。从实际的观点来看，由于移动方向变化的模糊性，有时可能难以计算只有90°相移的正确距离。如果我们再使用一个凹部并产生具有0°、120°和240°相移(或n×120°+m×360°，n＝0,1,2，m＝0,1,2,3,...)的干涉信号的三个区域，则可以以更高的置信度来计算信号的正确幅度。在一些情况下，甚至多于两个凹部可能是有利的。在WO2014/202753中讨论了细节，该文献通过引用并入本文。

本发明特别适合小型化的气体传感器***。小于几立方厘米的传感器可以很容易地制作，而可调整式源和噪声消除光声检测方法的结合使得这种传感器非常适合于多种不同的应用，包括用于酒精锁(alco-lock)的传感器、证据酒精传感器、制冷器气体、麻醉气体等。

因此，本发明的优选实施方案涉及光学气体检测器，其用于检测吸收至少一个已知波长的光的气体。气体检测器包括两个基本上相同的平行膜，这两个膜在它们之间限定包含待测气体的容积，并且所述气体检测器还包括调制的第一光源，其以选定的频率将所述已知波长的光发射到所述容积中。

检测器适于以所述脉冲光源的频率或频率倍数检测所述膜之间的相关移动，以检测由气体容积2中的脉冲光的吸收引起的移动。这样，导致膜在同一方向上移动的任何外部噪声不会干扰测量结果。

此外，允许气体不受限制地流入或扩散出检测器，使得诸如温度变化的外部影响不会引起容积中的压力变化，并因此不会引起膜之间的相对移动。

可以通过监测所述两个膜之间的距离来检测移动，例如通过沿基本垂直于所述膜的方向传送监测光。如果所述膜是部分反射的并且所述膜中的至少一个对所述传送的光是部分透明的，则获得了法布里-珀罗干涉仪并且通过监测来自所述法布里-珀罗干涉仪的透射或反射强度，可以测量距离D的变化。

同样可以将多个凹部合并到膜中，凹部的深度被优化成给出相关的相变。通过监测由凹部产生的信号，可以校正信号的幅度。

替代地，通过来自监测***的反馈来调整膜之间的距离，以获得合理的工作点，或者通过来自监测***的反馈来调整监测光的波长，以获得合理的工作点。

根据本发明的另一个实施方案，脉冲光通过膜内或膜之间的开口(例如由气流使用的同一开口)传送到气体容积中。标准光声传感器具有窗口，不管选择的材料如何，所述窗口都会对声信号作出贡献。因此，根据本发明的优选实施方案，不使用光学窗口来将气体封闭在所述容积内，从而避免了由于窗口上的吸收而产生任何信号。

光源可以包括用于选择波长和/或执行波长调制的可调整的法布里-珀罗滤波器，或者可以使用可调整的激光器来选择波长和/或执行波长调制。

作为光学测量的替代方案，可以使用压阻的、压电的或电容的装置来监测膜之间的相对移动或距离。

光脉冲的脉冲率和膜的尺寸被选择成使得所产生的振动的波长(取决于气体的声速和光束的脉冲率)小于膜的直径的一半，以避免消除膜的移动。此外，气体容积的总尺寸优选小于4cm³以允许短的响应。

Claims (12)

1.一种光学气体检测器，用于检测吸收已知波长的光的气体，其中，所述气体检测器包括：两个基本上相同的平行膜，所述膜在其间限定容纳待测气体的容积；以及调制光源，其以选定的调制频率将所述已知波长的光发射到所述容积内，所述检测器适于检测由气体中的光吸收引起的所述膜之间的相对移动，并且所述移动具有与所述调制光源的比率或比率倍数相对应的频率，并且其中，所述容积具有至少一个开口，所述至少一个开口允许气体不受限制地流入或扩散入所述容积内。

2.根据权利要求1所述的气体检测器，其中，通过使用适于监测所述两个膜之间的距离的装置来提供移动检测。

3.根据权利要求2所述的气体检测器，其中，通过下述方式来光学地监测所述距离：通过在基本上垂直于所述膜的方向上传送监测光，所述膜是部分反射的，并且所述膜中的至少一个对所述传送的光是部分透明的，由此提供法布里-珀罗干涉仪，并且通过监测来自所述法布里-珀罗干涉仪的传送或反射强度。

4.根据权利要求3所述的气体检测器，其中，多个凹部被合并到至少一个膜中，所述凹部的深度被优化成在传送和反射的光中给出选定的相位变化，以便提供对所述膜之间的距离的监测到的变化的修正。

5.根据权利要求3所述的气体检测器，其中，通过来自监测装置的反馈来调整用于监测所述膜之间的所述距离的所述装置，以获得合理的工作点。

6.根据权利要求3所述的气体检测器，其中，通过来自监测器距离测量结果的反馈来调整监测的光的波长，以获得合理的工作点。

7.根据权利要求1所述的气体检测器，其中，不使用光学窗口来将气体封闭在所述容积内，从而避免由所述窗口上的吸收产生的任何信号。

8.根据权利要求1所述的气体检测器，其中，可调整的法布里-珀罗滤波器被用于选择波长和/或执行波长的调制。

9.根据权利要求1所述的气体检测器，其中，可调整的激光器被用于选择波长和/或执行波长的调制。

10.根据权利要求1所述的气体检测器，其中，使用压阻装置、压电装置或电容装置来监测所述移动。

11.根据权利要求1所述的气体检测器，其中，所述膜的调制率和尺寸被选择成使得气体中产生的振动的波长小于所述膜的直径的一半，所述振动的波长取决于气体的声速。

12.根据权利要求1所述的气体检测器，其中，所述容积的总尺寸小于4cm³。