[发明专利]电气测量线路、气体检测器及用于测量气体浓度的方法

说明书

电气测量线路具有反馈电气支路(2)以与谐振器(1)形成振荡器(10)，并且还具有测量支路(4)，由所述反馈电气支路(2)提供的输入供应至测量支路(4)。测量支路包括可调移相器(41)，使得从测量支路施加至谐振器的附加激励力(F_pa)可被调整成相对于从反馈电气支路施加至所述谐振器的激励力(F_x)处于相位正交。这样的电气测量线路尤其适于形成光声效应气体检测器。

本发明涉及电气测量线路、气体检测器及用于测量气体浓度的方法。具体地，本发明涉及气体检测器以及利用光声效应测量气体浓度的方法。

光声效应是基于气体吸收电磁辐射(其可例如通过激光引起)并且使能量消散由此以热量的形式被吸收的能力。当电磁辐射的吸收是间歇性的和周期性的时，热量发射引起声波，该声波的强度代表气体浓度。

已知可通过使用机电谐振器来检测声波的强度，其中，该机电谐振器对这样声波敏感并且布置于气体中的电磁辐射的路径附近。通常用于该目的的机电谐振器有：例如，布置成用于在其尖叉(tine)中的至少一个上以接收声波的石英音叉。如专利US 7,245,380中所描述的那样，通过外部调制信号以机电谐振器的振荡谐振频率对电磁辐射的功率进行调制，或者另外地，通过外部调制信号以谐振器的振荡谐振频率的一半对电磁辐射的波长进行调制。因为由此在其谐振振荡模式之一中引起的谐振器的激励，所以通过谐振器的振荡的振幅来检测声波的强度具有高的灵敏度。最后，通过使用来自谐振器的响应信号与电磁辐射的外部调制信号之间的同步检测来测量谐振器的振荡振幅。图5示出从现有技术得知的这样的气体检测器的架构。其包括开环架构，该开环架构在输入部处馈入有外部调制信号，且该开环架构依次包括：标记为“MOD”的调制器51；用于引起定向成朝向气体的电磁辐射束FX的激光单元52；以及标记为“RESON”的机电谐振器1，其中机电谐振器1对声波敏感并且产生代表该声波的强度的响应信号。标记为“同步检测器”的同步检测器30同时接收外部调制信号和响应信号，并且生成连续的测量信号，该测量信号的振幅代表吸收来自束FX的辐射的气体的浓度。

但是，为了利用该原理测量气体的浓度，需要用于测量的目标获取时间大于在谐振器中设定的用于振荡所需要的时间，其中，后者的时间等于Q/f_r，其中Q和f_r分别是谐振器的品质因数和振荡谐振频率。因此，为了获得高的检测灵敏度，谐振器选择成具有高的品质因数Q以及低的振荡谐振频率值fr。因此，用于测量的获取时间是长的。此外，假设谐振器的激励不遵从其振荡谐振频率，因为其根据诸如环境压力和温度的外部条件改变，所以需要在改变外部调制信号的频率的情况下针对一次测量重复几次获取，直到它符合谐振器的振荡谐振频率。因此，测量时间以所执行的获取的次数进行翻倍，从而导致针对单次测量的总长度可能大约为几十秒或者更多。这样的长度可能不符合实际需求，尤其是在环境压力和温度可能迅速变化的情况下，或者是在应用需要迅速检测(例如用于检测有毒气体的存在)的情况下，或者在检测器被循环地用于几种不同气体的情况下。

此外，还知晓通过使用包括在振荡器中的机电谐振器(例如振荡束)来测量磁场。以这种方式，谐振器的激励频率遵从振荡器的谐振频率。谐振器还受到由待测量的磁场与在该谐振器中流动的电流的相互作用而引起的洛伦兹力。通过施加固定的相移和可能的放大，从谐振器的激励信号获得该电流。这种用于磁场测量的原理在Li,M.,Sonmezoglu,S.和Horsley,D.的文章“Extended bandwidth Lorentz force magnetometer based onquadrature frequency modulation”，Journal of Microelectromechanical Systems,2015,24(2),第333–342页中进行了描述。之后，从由洛伦兹力引起的振荡器的谐振频率的偏移量推导磁场的值。假设谐振频率的这种偏移量紧接于施加磁场之后出现，则与先前通过同步检测来测量振荡振幅的情况相比，测量的持续时间极大地减少。但是，这样的磁力计的测量电气线路不适于在待测量参数与在附加激励力中产生未知值的相移的谐振器之间进行相互作用，其中该相移由非零值的待测量参数造成并且施加至谐振器。