[发明专利]气体传感器

说明书

本申请是2001年1月29日提交的申请号为01806043.9，申请名称为《气体传感器》的申请的分案申请。

发明领域

本发明主要涉及气体传感器，具体地说，涉及用于提高光声检测器和其它气体传感器中信噪比的器件和方法。

发明背景

使用扩散型气体传感器用光声效应来检测所感兴趣气体种类的浓度水平是众所周知的。例如，美国专利No.4,740,086讲授了随着所感兴趣的气体种类扩散到光入射的感应腔室，当光机械和热激发该气体种类时，使用扩散型光声气体传感器将调幅光源的光能转换成声能。当气体吸收的光辐射产生大小正比于感应腔室内气体分子数量的压力波动时，产生强度对应于腔室内气体浓度水平的声波。这声/压力波可以采用诸如麦克风的声检测器来检测。

然而，扩散型光声传感器的输出信号容易受到来自户外的空气压力波动源(如风、振动和声音现象)的干扰而产生噪声的影响。为了能消除这类噪声，在试图允许气体能轻易地扩散到用于检测的感应腔室的同时，也能采用一些衰减外部所产生压力波动的装置。例如，常常在光声传感器的入口设置多孔部件，采用该部件可以使气体迅速扩散，并能衰减外部压力波动的效应。然而，必须平衡该衰减效应和响应时间的增加。就这点而言，引入减小噪声的声/压力衰减元件(或多个衰减元件)通常会导致对变化信号电平响应能力的相应损耗。美国工业协会(ISA)对可燃性气体检测器的指标要求气体浓度水平的测量稳定性达到在每秒5米(m/s)的风速条件下具有小于12秒的相应响应时间(满刻度显示的60％)。

于是，就非常希望能研究出能提高光声检测器以及其它气体传感器的信噪比的器件和方法，同时又能保持这类检测器所具有的令人满意的响应时间。

发明内容

一方面，本发明提供了为扩散型、非谐振性光声气体传感器(检测器)的使用而设计的声/压力阻尼元件(SDE)。该SDE能将外部的低频噪声减小到可接受的水平上，同时允许光声检测器(传感器)对变化的气体浓度水平保持适当的响应时间。

一般来说，光声检测器包括具有传感器系统的第一容积，用于光声检测。该第一容积通过开口部分与环境流体连接，使得气体分析物能够通过开口扩散到第一容积。光声检测器还包括第二容积(一个SDE容积)，它与第一容积相连接，使得压力能迅速在第一容积和第二容积之间均衡，且使得从第一容积到第二容积的分析气体的扩散受阻(或与从环境进入到第一容积的分析气体的扩散相比，减慢了扩散的速度)。

在现有的光声检测器中，当入射到感应腔室的光的光能被分析气体吸收，引起分析气体分子的机械激发，该分析气体分子产生强度正比于感应腔室中分析气体分子数量的空气压力波动，从而使光能转换成声能，产生强度对应于第一容积或感应腔室中分析气体浓度水平的声波。随后，由诸如麦克风的检测器来检测声波。

第二容积最好能大于第一容积，从而增加对外部压力波动的衰减。第一容积可以采用，例如，能限制分析气体通过的形状的管道，与第二容积相连接。与第一容积的开口相比，该管道例如可以是拉长和较小截面积的管道。

在实施例中，光声检测器包括具有传感系统的第一容积，用于光声检测。第一容积通过能使分析气体迅速扩散的多孔型元件(例如，烧结的盘片)与第二容积流体连接。第二容积通过能使分析气体迅速扩散的第二多孔型元件与环境流体连通。第二容积采用能使第三容积和第二容积之间的压力迅速均衡的方式与第三容积相连接，但如上所述从第二容积到第三容积的分析气体的扩散会受阻。

另一方面，本发明所提供的光声检测器包括：用于测量进入光声检测器的分析气体的光声激发的测量系统，用于测量在环境中压力波效应的参考系统，以及用于根据参考系统的输出来偏置测量系统的输出，以减小在光声检测器的输出信号中由环境压力波所引起的噪声的系统。例如，测量系统可以包括用于测量气体光声激发的第一麦克风；参考系统可以包括用于测量偏置信号的第二麦克风，该偏置信号是由电子系统来处理的，用于减小在光声传感器输出信号中由外部压力波所产生的效应。例如，参考系统可以设置在上述讨论的SDE容积内。第一麦克风也可以设置在光声单元内，而第二麦克风可以设置在参考单元内。光声单元和参考单元最好能相互匹配(例如，一般为相同的容积)。

另一方面，本发明所提供的光声检测器包括：测量单元、参考单元和在两个单元之间耦合的压力梯度麦克风。压力梯度麦克风测量在测量单元和参考单元之间的压力差，以减小在光声传感器输出信号中外部压力波所引起的噪声。