用于进行石英增强的光声光谱测量的方法和气体传感器技术

本发明专利技术涉及基于石英增强的光声学的气体传感器，主要用于价格非常低廉的应用。根本的思想是用在音叉上产生的壁噪音替代一般用于激光强度测量的光电二极管。这消除了光电二极管的成本。入射在音叉上的激光束产生的壁噪音与激光束的强度成比例。根据待测气体，可以通过仅使用一个音叉或将第二音叉优选设置在第一音叉后面，将壁噪音信号从气体浓度信号中分离出来。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于对气体进行石英增强的光声光谱测量的方法，所述 石英增强的光声光谱测量使用被配置成将有至少一个波长的激光束引入该气 体内而使得该气体内的至少一个分子被激发产生声信号的光源，在谐振声检 测器中积聚该声信号，并且通过至少一个作为谐振声检观U器的音叉产生与气 体浓度相关的谐振吸收信号。本专利技术进一步涉及一种光声气体检测器，所 述光声气体检测器通过用来提供与气体的存在或浓度有关的信号的恰当的处 理元件来进行石英增强的光声光谱测量。
技术介绍
这样的方法和气,测器在美国专利申请US 2005/0117155 Al中已经公 开，该专利申请作为参考被引入到本专利技术中。一般来讲，对于光声气体传感器有三个基本概念。 非谐振光声气体传感器这个概念使用近似闭合的气体吸收池和更经常的热光源来测量中红外波 段的气体。斩波频率由热光源限制为不超过100 150Hz。气体吸收池的体积 是无关的，并且可以被最小化；限制在于扩音器等中死体积(dead volume) 的贡献。谐振光声气体传感器对于这个概念，光源在气体吸收池的谐振频率时被斩波。在厘米范围内 的气体吸收池的千赫兹范围要求将激光作为光源，并且气体吸收池在谐振波 节的地方可以是敞开的(扩音器放在波腹处)。由于较高的斩波频率，这个概 念的优势是对周围环境噪声很高的抑制(周围环境的贡献减少了 1/f)。这个 概念柳艮制在于用于快速应用的传播时间(通常10 30秒)。石英增强的光声气体传感器如美国专利US 2005/0117155 Al公开的，这个概念用谐振扩音器代替了 谐振气体吸收池，并且用宽波段体积空间代替宽波段扩音器。该吸收体积空间完全不被封闭以致于由气体吸收产生的声波非常弱。这被谐振扩音器的特 别高的品质因数所弥补。典型的方法是使用石英手表的石英音叉作为谐振扩音器(谐振频率32768Hz)，且使用石英音叉的音叉臂间的空间作为吸收体积 空间。在这个装置中，激光束仅简单地聚焦在石英音叉的音叉臂之间，并且 后者起扩音器的作用。除了极高的传播速率和最小的尺寸(音叉大约10毫米 长，3毫米宽)夕卜，这样的装置还因为石英音叉是石英表的基本元件并且是大 批量生产的原因而非常便宜。音叉的谐振模式能极大地抑律幌音。气体吸收的声波引发了对称的震动 模式，而任何外部的噪音引发了反对称的震动模式。由于两种模式具有很小 的频率差异以及都具有高的品质因数，因此反对称的贡献不会被信号电子元 件拾取。在光声测量装置中，具有选定波长的斩波光束被引入气体吸收池或体积 空间内，在那里，目标气体对该光束的吸收产生了声波。该声波被扩音器拾 取，该扩音器的信号与气体吸收池内的气体浓度基本上成比例。由于扩音器的信号同时也与气体吸收池内的光强基本上成比例，因此作 为参考信号而使用第二检测装置(通常是红外检测器或光电二极管)随着时 间来监控光源的强度。在所有的光声气体检测器设计中，光束将最终撞击气体吸收池的结构。 入射到该结构上的光的部分吸收在该结构内产生声波，该第二声波也以与气 体浓度信号相同的频率被扩音器拾取。这所谓的'壁噪音'因此对扩音器产生了不希望的的抵消贡献，并且当 光源是激光束时该贡献尤其重要。在过去的几年里，为了限制壁噪音对气体 浓度测量的贡献，已经进行了大量的设计努力。美国专利US 5-A-5159411公开了一种4吏用光声光谱检测气体的方法和设 备，其描述了对在包含有第二气体的气体混合物中的第一气体进行检测的过 程，该第二气体的吸收光谱干扰第一气体的吸收光谱，在第三气体存在下进 行光声测量，该第三气体与第一或第二气体结合显示了动力冷却。在测量中， 通过使有恒定重复频率的脉动激光来影响气体混合物，在这里，激光的频率 逐渐地变化。该测量包含至少一个对作为激光频率函数的光声信号的相进行 的检测。该设备不使用声检测器(更不用说音叉)来测量激光强度，或者更确切地说是与激光强度成比例的壁噪音。
技术实现思路
因此本专利技术的一个目的是提出一种在减少了壁噪音对气体浓度测量的贡献的情况下针对光声光谱(PAS)的方法和气体检测器。这个问题是通过所要求的本专利技术来解决的。详细地，该问题是通过本发 明的方法和通过本专利技术的气体检测器来解决的。根据本专利技术，该方法包含产生与通过气体的激光束的强度成比例的谐振 强度信号，并且从吸收信号和强度信号中提供输出信号，所述输出信号与光 的强度无关，所述光的强度与气体的存在或浓度相关。壁噪音与光源的强度基本上成比例，并且可因此被用作上面提到的参考 信号。就激光二极管光声气体传感器来讲，使用壁噪音作为强度参考可以因 此去掉参考光电二极管，这有助于实现更低的成本和更小的设备尺寸。根本的思想是用在音叉上产生的壁噪音替代一般用于激光强度测量的光 电二极管。如果机械调整没有随着时间而变化，则由入射在音叉上的激光束 产生的壁噪音与激光束的强度成比例。这种解决方法针对的是基于带有激光 二极管的石英增强光声学的气体传感器，特别是应用到低成本是至关重要的 地方(例如自动化应用、消费者应用)。通过代替用于激光强度的光电二极管， 光电二极管的成本可以消除或减少。依靠要被检测的气体，有两种可能将壁噪音信号从气体浓度信号中分离出来根据在光声光谱中的测量原理，光在特定的谐振声或调制频率下被脉 动或调制以产生一系列声波或光声信号。因此，安装为与环境声交流的声检 测器能够检测由于吸收分子浓度或信号的光激发而产生的变化。因为所吸收 的能量与吸收分子的浓度成比例，因此声信号可以用于浓度测量。因此，为 了检测光声壁噪音，必需提供信号，该信号中的气体贡献尽可能少。因此， 激光束有必要主要入射在用于测量壁噪音的音叉上。这能通过轻微地解谐光 源以使没有气体能被检测来实现。这种解决方法仅对有尖锐吸收线的待检测 气体，例如二氧化碳，是可行的。例如，对没有尖锐吸收线的烃来讲，不可 能解谐激光源从而使得没有气体被检测到。因此，必需使用第二音叉从气体 浓度信号中分离出壁噪音信号，两信号以锁相的关系都有相同的频率。这里， 第一音叉让激光束聚焦在它的音叉臂之间并拾取气体浓度，并且第二音叉优 选放在第一音叉后面，以致激光束主要产生壁噪音而产生极少或不产生气体 浓度信号。第二音叉将会增加成本，该成本远小于光电二极管的成本。众所周知，为了在一个气体传感器内检测超过一种气体，可能使用超过 一个音叉。因此，需要相应数量的用于检测壁噪音的第二音叉。进一步，将 用于检测壁噪音的第二音叉放在第一音叉前面基本上是可能的，但是，这会 导致强度的损失。因此将第二音叉安排在第一音叉的后面是优选的解决方案。在一个优选实施例中，为了克服由于制造造成的音叉间较小的谐振频率 差异，测量周期首先是调整到第一音叉的谐振频率来测量气体浓度，且优选 接下来调整到第二音叉的谐振频率来测量激光强度并提供参考信号。参考频 率可以通过检测谐振扩音器的最高声信号来得到。根据另外一个实施例，光学窗布置在至少一个音叉和至少第二音叉之间， 这避免了气体贡献信号成为第二音叉的参考信号的一部分。根据另一个优选实施例，使用另一个方法来确保第一音叉拾取最大气体 浓度信号和最小的壁噪音贡献，以及确保第二音叉拾取最小气体浓度信号和 最大的壁噪音。这里，激光束在短焦距上聚焦在位于第一音叉的音叉臂之间 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来对气体进行石英增强的光声光谱测量的方法，包括　提供光源（１），所述光源被配置成将具有至少一个波长的激光束（２）引入该气体内以致在该气体内的至少一个分子被激发产生声信号，　在谐振声检测器（３）中积聚声信号；　通过至少一个作为谐振声检测器的音叉（３）产生谐振吸收信号（Ｓ↓［Ａ］），该谐振吸收信号与气体浓度有关，　其特征为，　另外产生谐振强度信号（Ｓ↓［Ｉ］），该谐振强度信号与通过气体的激光束（２）的强度成比例，　提供输出信号（Ｓ↓［ＧＣ］），该输出信号来自所述的吸收信号（Ｓ↓［Ａ］）和所述的谐振强度信号（Ｓ↓［Ｉ］）并且和光的强度无关，与气体的存在或浓度有关，　通过使光在所述的至少一个音叉（３）的音叉臂间（８）通过，产生所述的谐振吸收信号（Ｓ↓［Ａ］），以及　由所述的至少一个音叉（３）通过解谐光源（１）使光主要入射在所述至少一个音叉（３）的音叉臂（８）上，来产生所述的谐振强度信号（Ｓ↓［Ｉ］）；或　由至少一个另外的音叉（６）产生所述的谐振强度信号（Ｓ↓［Ｉ］），所述至少一个另外的音叉与现在作为第一音叉的所述至少一个音叉（３）串联地布置并且优选布置在所述至少一个音叉（３）的后面，使得光主要入射在所述至少一个第二音叉（６）的音叉臂（８）上。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：B威林，M科利，A塞弗特，
申请(专利权)人：IR微系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]