共振声气体传感器制造技术

本发明专利技术公开了共振声气体传感器以及用于操作声气体传感器的方法，其通过使用动态阈值以识别共振峰值并优化对后续共振峰值的搜索来改善检测和减小功率消耗。共振声气体传感器可以使用一个或两个单独的换能器来产生电子信号，该电子信号被滤波并用于识别共振峰值，即使用电压值或阻抗值来识别共振峰值，并且使用共振峰值来确定所测量的气体混合物的组成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】共振声气体传感器
技术介绍
对爆炸性气体的检测是采矿、石油和天然气工业、以及由天然气供电的的商业、住宅和工业环境中的重要安全组成部分。如公共事业公司所供应的，天然气是通常>95％的甲烷，因此几乎所有的商业检测器都被设计成感测该化合物并测量其在空气中的浓度。特别令人关切的是5-15％的爆炸浓度范围。以这些传感器为基础的感测技术包括中红外光谱、热导率、厚膜半导体的电阻、来自催化氧化的热量、以及来自火焰离子化的电流。这些传感器中的每一个在以下方面具有限制：所覆盖的浓度范围、准确度、选择性、所需的功率、简易操作、校准、稳健性、寿命和/或成本。一些类型的声传感器已经用于天然气工业。这些传感器中的许多传感器基于高压气体在其离开小孔口时产生的噪声，并且尤其可用于市场的生产和传输区段，其中压力通常为200-1500psi。然而，向最终用户的天然气分配处于低得多的压力(低至0.25psi)，使得在背景噪声上将不可检测到泄漏的声音。另外，来自高压泄漏的噪声对于所发射的气体的种类是非选择性的。声传感器基于气体混合物组成对声波行为的影响来计算包括特定感兴趣气体的气体的组成。这可以通过测量声信号的渡越时间、或通过测量存在共振的频率来完成，该共振是由于基于声音行进通过的流体的组成而引起的声音速度改变。还期望由于分布式和远程感测系统的上升而最大化传感器的功率效率。在这些系统中，传感器可以被放置在一定位置处并仅由维护人员偶尔访问，并且位置可能很难接近电源。因此，传感器可能需要依靠电池电量来长期运行期，或者利用有限功率采集能力。提高这些传感器的功率效率增加了其可以被部署的时间量，或简化了将这些传感器并入远程感测环境或另外的有限功率环境中的装置的设计要求。
技术实现思路
本专利技术的系统实施方案是声传感器，其包括气体可渗透的测量室、沿着测量室定位或定位在测量室内的发射器和接收器、驱动振荡器以驱动发射器的微控制器、以及处理接收器的输出的积分峰值检测电路。积分峰检测电路对接收器的电压响应进行积分。使用动态阈值来确定何处存在对噪声较不敏感并同时保持灵敏度的峰值。在一些实施方案中，系统被构造成一旦检测到峰值就在频率空间中进行前跳，以便一旦已经确定第一峰值，就基于参照气体(诸如空气)中将期望共振峰值的位置来更有效地搜索后续的共振峰值。在一些实施方案中，单独的发射器和接收器可以被单个换能器替换，其复阻抗由模数转换器测量。本专利技术的方法包括测量接收器对频率的响应并且确定该响应是否指示共振峰值。如果响应不指示共振峰值，则使初始频率增加粗调量并且重复测量。如果响应指示共振峰值，则设置动态阈值并且捕获产生高于该阈值的响应的频率，其中共振峰值被确定为在产生高于阈值的结果的最低频率与最高频率之间的中点处。在一些实施方案中，该方法然后可以行进到通过基于空气中的共振频率峰值之间的距离使所确定的共振频率增加恒定值，并且使用该经增加的值作为用于该方法的后续迭代的初始频率来发现下一个共振峰值。附图说明图1是具有单独发射器和接收器的声气体传感器的图。图2是具有参照室以及测试室的声气体传感器的图。图3是具有一个换能器的声气体传感器的图。图4是用于特定气体的共振峰值以及用于根据这些峰值中的一个来确定共振频率的动态阈值的设置。图5是声气体传感器的电子器件的一部分的电路图。图6是用于操作声传感器以设置动态阈值并有效搜索后续共振峰值的方法的流程图。具体实施方式声气体传感器通常基于气体对通过该介质的声音速度的影响来测量气体的组成。可以校准传感器以测量混合物中的选定气体的浓度，例如空气中的甲烷的浓度。图1中描绘了特征在于单独换能器和接收器的声传感器的示例性实施方案。微控制器100驱动振荡器102以便在发射器104处产生特定频率。由发射器104产生的声波行进通过测量室106以到达输出电压信号的接收器108，该电压信号在110处被放大并通过带通滤波器进行滤波并且运行通过积分和峰值检测电路112。积分和峰值检测电路连接到模数转换器114，该模数转换器114检测积分和峰值检测电路112处的模拟信号并且将该模拟信号转换为向微控制器100提供的数字信号。微控制器100被构造成：识别用于驱动振荡器102的频率，以及向振荡器输出那些频率，以及解释从模数转换器114输入的数字信号，以及使用那些数字信号来确定用于驱动振荡器的频率，以及产生指示测量气体浓度的输出。微控制器100可以是利用存储器中的指令来编程以处理这些输入并提供这些输出的标准处理器。微控制器100可以是可商购获得的芯片，诸如微芯科技(Microchip)PIC16F1718-E/SO。微控制器100驱动振荡器102，该振荡器102可以是例如数控振荡器或电压频率发生器。振荡器102生成其频率基于从微控制器100接收的输入值的波(在一些实施方案中为方波)。这些波用于驱动发射器104。微控制器100还接收来自模数转换器114的输入，并且使用该输入来确定共振频率和选择用于驱动振荡器102的频率以及计算测量气体的浓度。由微控制器100输出的共振频率可以基于存储在存储器中的值来确定，或者可以基于根据是否存在共振峰值而增加的先前值或存储值、或指示频率是否接近共振峰值的值之间的关系。微控制器可以通过一个或多个共振峰值的频率或连续共振峰值的频率差异以及任选地来自环境传感器或来自密封参照室的数据来确定测量气体的浓度，以便将测量室106中观察到的共振行为与参照气体组成(诸如空气)的预期或测量的共振行为进行比较。由振荡器102生成的波驱动发射器104(该发射器104是声换能器)以进行振动，从而产生处于供应频率的声波。发射器104位于测量室106上、其中或其附近，从而引导来自发射器104的声波在室106内行进。测量室106是待测量的气体混合物可以进入的气体可渗透室。在一些实施方案中，发射器104和接收器106位于测量室106的相对端部处。在一些实施方案中，测量室为圆筒，并且该圆筒所具有的长度大于任一端部的直径。在其他实施方案中，测量室可以具有矩形或椭圆形截面，并且室长度可以小于截面的长度或宽度。该室优选由刚性材料(诸如PVC或尼龙)制成。通过孔、狭缝或允许气体进入室的其他开口，可以使测量室是气体可渗透的。在一些实施方案中，测量室中的开口是一个或多个纵向狭缝，其沿着室长度延伸以确保对室内的声音共振的一致影响。在一些实施方案中，狭缝是狭窄的，以确保狭缝表面积仅为室内部表面积的10％或更小。这些狭缝可以由膜材料覆盖，该膜材料是气体多孔的，但防止固体或液体进入室中。示例性膜材料是EPTFE。测量室可以附接到容纳电子器件的外壳，使得当包含该传感器的单元被安装或放置成用作远程传感器或作为包括该传感器的手持式装置的一部分时，测量室是自由浮动的。对于安装传感器的示例而言，这可使用粘合剂或外壳的机械特征结构(诸如钩、狭槽、突片、或用于螺钉或螺栓的孔)来完成。室中的声音由接收器108测量，该接收器108为声换能器。室中的声波致使接收器108产生电压，该电压然后穿过放大器和带通滤波器110。来自放大器和带通滤波器110的输出进入积分和峰值检测电路112，该积分和峰值检测电路112被构造成对所提供的频率的响应进行积分并且将该积分值与动态阈值进行比较。在一个实施方案中，积分峰值检测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种声气体传感器，包括：微控制器，发射器，气体可渗透的测量室，接收器，带通滤波器，积分峰值检测电路，和模数转换器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.01 US 62/289,5371.一种声气体传感器，包括：微控制器，发射器，气体可渗透的测量室，接收器，带通滤波器，积分峰值检测电路，和模数转换器。2.根据权利要求1所述的声气体传感器，还包括数控振荡器。3.根据权利要求2所述的声气体传感器，其中所述微控制器被构造成在每个峰值检测周期之后基于空气中的共振峰值之间的距离，使由所述数控振荡器提供的初始频率增加常量。4.根据权利要求1所述的声气体传感器，还包括：第二发射器，第二接收器，和密封的参照室。5.根据权利要求4所述的声气体传感器，其中所述第二接收器与所述第一接收器连接到同一带通滤波器。6.根据权利要求1所述的声气体传感器，其中所述积分峰值检测电路包括：运算放大器，非反相输入端连接到所述带通滤波器第一二极管，所述第一二极管位于所述运算放大器的反相输入端与所述运算放大器的输出端之间，第二二极管，所述第二二极管位于所述运算放大器的所述输出端与所述模数转换器之间，和电容器、电阻器和晶体管，所述电容器、所述电阻器和所述晶体管彼此并联在所述第二二极管、所述模数转换器和接地之间。7.根据权利要求6所述的声气体传感器，其中所述晶体管是MOSFET。8.根据权利要求1所述的声气体传感器，还包括温度传感器。9.一种声气体传感器，包括：微控制器，换能器，频率发生器，模数转换器，所述模数转换器测量跨所述换能器的复阻抗，和气体可渗透的测量室。10.根据权利要求9所述的声气体传感器，其中所述频率发生器为数控振荡器。11.根据权利要求9所述的声气体传感器，其中所述微控制器被构造成在每个峰值检测周期之后基于空气中的共振峰值之间的距离，...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬·J·威利特，埃里克·A·阿霍，埃里克·J·阿尔菲特，本杰明·P·黑普纳，理查德·L·吕兰德，本杰明·K·斯泰因，丹尼尔·A·坦普尔，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US