光声气体传感器制造技术

光声传感器包括用于光声检测的传感器系统、至少一个噪声消除压力传感器、和与该噪声消除压力传感器有效连接以主动消除环境中的噪声对传感器系统的作用的控制系统。另一光声传感器包括测量腔、光能源、光声压力传感器、和至少一个震动消除传感器（例如传声器或加速度计）。另一光声传感器包括测量腔、光能源、和光声压力传感器。测量腔在除与光源光学连通的窗口与测量腔相交的地方之外的基本上整个内表面上具有连续弧形的内表面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光声气体传感器相关申请本申请要求2006年11月6日提交的美国临时专利申请No. 60/857,042 的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术介绍
本专利技术一般涉及气体传感器，更具体地涉及光声气体传感器。提供以下信息以帮助读者理解以下公开的本专利技术和通常使用它的环 境。在本文中使用的术语不旨在被限制为任意特定的狭义解释，除非在此 文档中清楚地阐述。在本文中所陈述的参考文献可便于理解本专利技术或本发 明的背景。在本文中陈述的所有参考文献的公开内容通过引用结合。利用扩散气体传感器利用光声效应来检测感兴趣的气态物质的浓度水 平是公知的。例如，美国专利No. 4,740,086公开了当光随着感兴趣的气态 物质扩散进入光入射的感测室而机械激发和热激发感兴趣的气态物质时， 利用扩散光声气体传感器来将调幅光源的光能转换成声能。因为由气体吸 收的光辐射产生与位于感测室内的气体分子数量成比例的压力量值波动， 所以会产生强度对应于室内气体的浓度水平的声波。这些声音/压力波由诸 如传声器之类的声波检测器检测。光声气体传感器可具有机械阀，这些机械阀在开启时使样气进入，然 后关闭以捕集样气并阻挡外部噪声。阀门具有需要能量来操作和具有会磨 损的活动部件从而导致使用寿命有限(通常0.5至3年)的缺点。诸如在美 国专利No. 4,740,086中描述的气体扩散元件可用来同时允许气体扩散和衰 减外部噪声。但衰减程度和气体扩散的速率是一个折衷。较快的气体扩散 速率通常伴随着外部噪声衰减的减少。因此，利用扩散元件(相对于阀门) 的光声传感器更易受来自环境的通过扩散元件进入的外部噪声影响。扩散光声传感器的输出信号易受由来自诸如风之类的气压波动、震动、以及声学现象的外部源的干扰所产生的噪声影响。为了消除这些噪声，可 引入使外部产生的压力波衰减的某些手段，同时尝试使气体自由地扩散到 感测室中以便检测。例如，通常将气体相对容易通过其扩散、又使外部压 力波动效果衰减的多孔构件放置在光声传感器的入口处。然而，必须使该 衰减效应与相应的响应时间变长平衡。在该方面，引入一个或多个声/压衰 减元件来减小噪声通常会导致对变化的分析物浓度的响应的相应损失。美国仪表学会(ISA)的易燃气体检测器规范要求在最高达5米每秒(m/s) 的风速下具有小于12秒的相应响应时间(达满标值指示的60%)的气体浓 度水平测量稳定性。美国专利No. 7,034,943公开了为用于扩散、非谐振的光声气体传感器 (检测器)设计的声/压阻尼元件(SDE)。该SDE将外部的低频噪声减小 至可接受的水平，同时允许声光检测器(传感器)保持对变化的气体浓度 水平的适当响应时间。 一般而言，美国专利No. 7,043,943的光声检测器包 括第一腔，其具有用于在其中进行光声检测的传感器系统。第一腔通过开 口与环境流体连通以使气体分析物能通过开口扩散到第一腔中。美国专利 No. 7,043,943的光声检测器还包括与第一腔连接的第二腔(SDE腔)，以 使压力容易地在第一腔和第二腔之间相等，而且使分析物气体从第一腔到 第二腔的扩散被阻止(或相比于分析物气体从环境到第一腔的扩散被减 缓)。通常，第二腔(例如300 mL)显著大于第-一腔(例如lmL)以加强 外部压力波动的衰减。第一腔可例如通过通道连接至第二腔，该通道的形 状被设计成限制分析物气体通过它的扩散。该通道相比于到第一腔的开口 可例如细长且具有小截面积。SDE的缺点包括所需的气体容积大(尤其对 于爆炸性气体)、样气填充大SDE的时间、以及SDE的物理大小/体积。美国专利No. 7,106,445公开了一种利用扩散的光声气体传感器，它具 有感测腔和包含声压传感器的声压传感器腔，以使感测腔和声压传感器之 间的流体连通限制分析物气体通过其的流动但不限制光声信号通过其的传 输。美国专利No. 7，106，445的方法和装置提供了控制分析物气体在扩散光 声气体传感器内的扩散以例如相比于具有大SDE的传感器改善该传感器的 响应时间。美国专利No. 6，006，585公开了一种光声气体传感器，其包括传感器主 体、光源、具有气体可渗透膜的测量室、测量传声器、以及光源与测量室 之间的光学测量过滤器。该传感器还包括与测量室分离的参比室。该参比 室与测量室在容积和形状上大致相同。参比室和测量室各自包括气体入口。 参比室具有屏蔽要检测气体的光声信号的参比传声器。在该方面，参比室 基本上没有具有要检测气体的吸收波长的经强度调制的光辐射。通过来自 测量和参比传声器的信号相减获得指示气体浓度的测量信号。作为相减的 结果，由震动或气压波动引起的干扰信号据称被消除(前者通过使用未接 收来自要测量的气体的光声信号的参比传声器，而后者依靠与参比传声器 空间分离的参比室)。参见列1行49到列2行7。如以上简略讨论地，光声传感器还可对它们工作环境中的震动能量敏 感。例如，美国专利No. 4,818,882公开了使用两个相对的传声器来降低对 震动的灵敏度。传声器的方向被转为相对并围绕测量室中所包含气体的重 心对称地定位。两个相对的传声器的信号相加以减少震动对传感器输出的 影响。来自空气和膜的震动信号的同时补偿需要一样的传声器。虽然光声传感器领域己实现了进步，但仍然期望开发经改进的光声气 体传感器、用于光声气体传感器的装置和制造光声气体传感器的方法。
技术实现思路
一般而言，本专利技术提供一种用于测量环境中的分析物气体的光声传感 器。在一个方面中，光声传感器包括用于光声检测的传感器系统、至少一 个噪声消除压力传感器、和与噪声消除压力传感器有效连接以主动消除环 境中的噪声对传感器系统的作用的控制系统。传感器系统通常包括测量腔、 光能源、和光声压力传感器。在数个优选实施例中，噪声消除压力传感器是第一传声器，而光声压 力传感器是第二传声器。噪声消除压力传感器(例如传声器)可与初始腔 声学连通，该初始腔与测量腔连通。光声传感器还可包括测量腔与初始腔 之间的阻挡件(barrier)。该阻挡件可包括阀门。测量腔与初始腔之间的阻挡 件可替换地包括用于使压力波衰减同时允许分析物气体分子通过它扩散的第一扩散元件。光声传感器还可包括在初始腔和光声气体传感器的入口之 间定位的第二扩散元件。第二扩散元件用于使压力波衰减同时允许分析物 气体分子通过它扩散。第一扩散元件和第二扩散元件例如可以是烧结金属 元件。光声传感器还可包括用来以与噪声消除压力传感器的输出信号大致反 相的信号驱动的扬声器。在数个实施例中，仅在光声传感器的工作频率附 近的频率范围上驱动扬声器。初始腔的容积可以例如不大于测量腔的十倍。初始腔的容积还可不大 于测量腔的五倍。在数个实施例中，初始腔的容积不大于测量腔。光声传感器还可包括不与测量腔或环境声学连通的至少一个震动消除 传感器(例如，传声器或加速度计)。光声传声器和震动消除传感器可例 如被安装在公共表面上。在另一方面中，本专利技术提供包括测量腔、光能源、光声传声器、和至 少一个震动消除传感器(例如传声器或加速度计)的光声传感器。该震动 消除传感器不与测量腔或环境声学连通。在数个实施例中，光声传感器是 第一传声器，而噪声消除传感器是第二传声器。光声传声器和震动消除传 声器可例如被定位成在大致同一平面上或在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量环境中的分析物气体的光声传感器，所述光声传感器包括用于光声检测的传感器系统、至少一个噪声消除压力传感器、和与所述噪声消除压力传感器有效连接以主动消除所述环境中的噪声对所述传感器系统的作用的控制系统。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RE乌伯，
申请(专利权)人：矿井安全装置公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]