專利名稱：基于光聲檢測(cè)的氣體傳感器的制作方法
基于光聲檢測(cè)的氣體傳感器相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考本申請(qǐng)要求2009年9月30日提交的題為“基于光聲檢測(cè)的氣體傳感器(GasSensor Based On Photoacoustic Detection) ”的美國(guó)非臨時(shí)專利申請(qǐng)第 12/570，606號(hào)的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，本文以該申請(qǐng)的內(nèi)容為依據(jù)并將其全文結(jié)合于此。背景本發(fā)明一般涉及氣體傳感器，具體涉及利用光聲檢測(cè)技術(shù)測(cè)定一種或多種目標(biāo)氣體濃度的方法和裝置。
對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)工藝控制和醫(yī)學(xué)診斷之類的各種應(yīng)用來(lái)說(shuō)，對(duì)痕量氣體和化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)和定量正在變得越來(lái)越重要。目前，很多基于中紅外范圍內(nèi)的分子吸收的超靈敏檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)Φ蜐舛鹊幕瘜W(xué)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，但是大多數(shù)方法僅僅用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。這些方法或者是過(guò)于笨重，無(wú)法攜帶在野外使用，或者過(guò)于昂貴，無(wú)法廣泛應(yīng)用。另外，這些方法通?；趶?fù)雜而精密的光學(xué)裝置，這些光學(xué)裝置需要高度精確的對(duì)準(zhǔn)，而且對(duì)振動(dòng)和溫度變化非常敏感。例如，對(duì)于光學(xué)分光光度法，當(dāng)使用足夠的光電二極管檢測(cè)足夠長(zhǎng)光程中分子的累積吸收造成的激光功率損失的時(shí)候，所述光學(xué)分光光度法能夠?qū)崿F(xiàn)很高的靈敏度和選擇性。但是，為了抑制噪聲，所述光電二極管必須在液氮中進(jìn)行冷卻。因此，此種設(shè)備僅限于在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用，因此不適合用于實(shí)際的野外用途。光聲檢測(cè)法使用聲學(xué)檢測(cè)器代替光學(xué)分光光度法中使用的光電二極管或者檢測(cè)器，從而可以成為光學(xué)分光光度法的一種替代。在光聲檢測(cè)中，光吸收性分子的激發(fā)能量通過(guò)非彈性碰撞基本轉(zhuǎn)化為周?chē)肿拥膭?dòng)能。由此造成吸收性氣體內(nèi)的局部壓力升高。如果對(duì)激發(fā)源進(jìn)行調(diào)制，則會(huì)產(chǎn)生聲波，可以用聲學(xué)檢測(cè)器(通常是擴(kuò)音器)檢測(cè)該聲波。因?yàn)椋盏哪芰康牧颗c吸收性分子的濃度成正比，因此可以利用聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行精確的濃度測(cè)量。光聲檢測(cè)所利用的樣品體積遠(yuǎn)小于光學(xué)分光光度法，同時(shí)能夠獲得相近的檢測(cè)極限。但是，相對(duì)于吸收性氣體產(chǎn)生的信號(hào)，使用擴(kuò)音器對(duì)氣體吸收產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行的光聲檢測(cè)會(huì)檢測(cè)到不希望出現(xiàn)的量的環(huán)境噪聲。這很大程度上是由于擴(kuò)音器的寬帶響應(yīng)造成的。光聲檢測(cè)中擴(kuò)音器的替代用品包括在電子工業(yè)中可以很廣泛獲得的音叉。但是，包括音叉的精密方法需要使得高度會(huì)聚的激光束通過(guò)音叉的叉尖。換句話說(shuō)，這些方法需要激光束在音叉的兩個(gè)叉尖形成的狹縫的中間對(duì)齊。這種構(gòu)造使得人們很難使用多個(gè)音叉進(jìn)行性能改進(jìn)或者同時(shí)進(jìn)行多種氣體的檢測(cè)，這是因?yàn)楣馐某叽鐣?huì)在很短的距離內(nèi)顯著變化，一個(gè)或多個(gè)音叉可能會(huì)部分阻擋光束，造成不利的干擾。因此，如果要在光路中使用多個(gè)音叉，則需要使用更復(fù)雜的構(gòu)造，導(dǎo)致更長(zhǎng)的光程和更嚴(yán)格的光學(xué)容限。由此可能造成裝置的性能顯著變差，成本和尺寸可能會(huì)顯著增大和提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式包括用來(lái)檢測(cè)至少一種目標(biāo)氣體的濃度的光聲氣體檢測(cè)器。所述氣體檢測(cè)器包括激光源和沿著縱軸延伸的諧振器。所述諧振器包括第一端部、第二端部以及位于所述第一端部和第二端部之間的內(nèi)部空腔。所述內(nèi)部空腔沿著縱軸延伸，在第一端部和第二端部之間限定縱向開(kāi)口。所述內(nèi)部空腔適合用來(lái)使得來(lái)自激光源的激光束通過(guò)所述縱向開(kāi)口。所述氣體檢測(cè)器還包括沿著所述諧振器的縱向長(zhǎng)度設(shè)置的至少一個(gè)音叉。所述音叉包括第一叉尖和第二叉尖。所述縱軸不與所述第一叉尖和第二叉尖之間的區(qū)域交叉。另一個(gè)實(shí)施方式包括一種利用光聲檢測(cè)來(lái)測(cè)定至少一種目標(biāo)氣體的濃度的方法。所述方法包括將光束從激光源射入諧振器的內(nèi)部空腔。所述諧振器和內(nèi)部空腔沿著縱軸延伸，所述內(nèi)部空腔包含一定濃度的至少一種目標(biāo)氣體。所述激光束和所述至少一種目標(biāo)氣體之間的相互作用造成所述諧振器內(nèi)聲學(xué)信號(hào)的積累。該方法還包括通過(guò)沿著所述諧振器縱向長(zhǎng)度設(shè)置的至少一個(gè)音叉產(chǎn)生與所述至少一種目標(biāo)氣體的濃度相關(guān)的諧振吸收信號(hào)。所述音叉包括第一叉尖和第二叉尖，所述縱軸不與所述第一叉尖和所述第二叉尖之間的區(qū)域交叉。
在以下的詳細(xì)描述中提出了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，根據(jù)所作描述就容易看出，或者通過(guò)實(shí)施包括以下詳細(xì)描述、權(quán)利要求書(shū)以及附圖在內(nèi)的本文所述的各種實(shí)施方式而被認(rèn)識(shí)。應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都只是本發(fā)明的示例，用來(lái)提供理解要求保護(hù)的本發(fā)明的性質(zhì)和特性的總體評(píng)述或框架。包括的附圖提供了對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步的理解，附圖被結(jié)合在本說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分。附圖舉例說(shuō)明了本發(fā)明的各種實(shí)施方式，并與描述一起用來(lái)解釋本發(fā)明的原理和操作。


圖I顯示了本文所述的光聲氣體檢測(cè)器的示意圖；圖2顯示了圖I所示的光聲氣體檢測(cè)器的部件的透視圖；圖3A-3F顯示了光聲氣體檢測(cè)器部件的另一種構(gòu)型的截面圖；圖4A和4B顯示了光聲氣體檢測(cè)器部件的另一種構(gòu)型的側(cè)視和端視截面圖；圖5A和5B顯示了光聲氣體檢測(cè)器部件的另一種構(gòu)型的截面圖；圖6A和6B顯示了目標(biāo)物質(zhì)的理論吸收光譜曲線和實(shí)測(cè)的吸收光譜曲線；圖7顯示了使用本文所述的光聲氣體檢測(cè)器測(cè)得的水蒸氣濃度-時(shí)間變化關(guān)系曲線圖；圖8顯示了使用本文所述的光聲氣體檢測(cè)器測(cè)得的C2H2濃度-時(shí)間變化關(guān)系曲線圖；圖9顯示了特定調(diào)諧范圍內(nèi)一氧化氮(NO)的吸收曲線圖。發(fā)明詳述下面詳細(xì)參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，這些實(shí)施方式的例子在附圖中示出。本發(fā)明描述了一種光聲氣體檢測(cè)器和方法，其中痕量的氣體從激光束吸收能量，氣體吸收的能量在聲學(xué)檢測(cè)器中累積，所述聲學(xué)檢測(cè)器包括諧振器和至少一個(gè)音叉。所述激光源優(yōu)選具有非常窄的線寬，通常以單縱模形式操作，對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行選擇，使其與氣體的特定吸收峰相匹配，使得所關(guān)心的氣體吸收激光能量。換而言之，其它的氣體在選定的波長(zhǎng)下吸收極少或者沒(méi)有吸收，因此不會(huì)顯著吸收激光能量。較佳的是，激光源產(chǎn)生至少一種發(fā)射波長(zhǎng)，其光譜線寬比氣體的吸收帶寬窄。另外，激光源優(yōu)選能夠調(diào)諧其波長(zhǎng)，從而找到氣體的吸收峰。一旦氣體吸收激光能量，則該能量會(huì)耗散到分子周?chē)沫h(huán)境中，造成環(huán)境中材料的膨脹或收縮。當(dāng)激光器以特定的聲學(xué)頻率調(diào)制的時(shí)候，所述材料以相同的頻率膨脹和收縮。結(jié)果產(chǎn)生聲波，可以用聲學(xué)檢測(cè)器檢測(cè)該聲波。與使用對(duì)環(huán)境噪聲敏感的擴(kuò)音器的常規(guī)光聲檢測(cè)技術(shù)相比，本發(fā)明使用聲學(xué)檢測(cè)器，該聲學(xué)檢測(cè)器在與激光調(diào)制頻率同步的諧振頻率下操作。該種構(gòu)造使得裝置能夠基本免受環(huán)境噪音的影響，因此適合用于嚴(yán)苛的環(huán)境，例如車(chē)輛應(yīng)用。圖I顯示光聲氣體檢測(cè)器的一個(gè)實(shí)施方式的示意圖。檢測(cè)器100包括激光源101，具有兩個(gè)窗102的氣體小室108，聲學(xué)諧振器103，音叉105，以及數(shù)據(jù)獲取和控制單元109。待檢測(cè)的氣體通過(guò)入口 106進(jìn)入氣體小室，通過(guò)出口 107從氣體小室排出。通過(guò)檢測(cè)音叉105的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量氣體濃度。圖2顯示了圖I所示的光聲氣體檢測(cè)器的部件的透視圖。如圖2所示，諧振器103 沿著縱軸A’ -A’延伸。諧振器103包括第一端部110，第二端部111，在所述第一端部110和第二端部111之間延伸的內(nèi)部空腔112，所述內(nèi)部空腔112沿著縱軸A’ -A’延伸，在第一端部110和第二端部111之間限定縱向開(kāi)口。所述內(nèi)部空腔112適合用來(lái)使得來(lái)自激光源101的激光束104通過(guò)所述縱向開(kāi)口。音叉105沿著諧振器103的縱向長(zhǎng)度設(shè)置，包括第一叉尖113和第二叉尖114。縱軸A’ -A’不與所述第一叉尖113和第二叉尖114之間的區(qū)域交叉。在此構(gòu)造中，激光束104沿著諧振器103良好對(duì)齊，使其通過(guò)諧振器，同時(shí)不會(huì)造成由于諧振器內(nèi)表面導(dǎo)致的任何顯著程度的損失。當(dāng)激光器調(diào)諧至氣體吸收峰的時(shí)候，較強(qiáng)的氣體吸收在諧振器103內(nèi)產(chǎn)生局部加熱。所述局部加熱與激光功率成正比。當(dāng)對(duì)激光功率進(jìn)行調(diào)制的時(shí)候，所述局部加熱隨著激光功率變化，導(dǎo)致氣體的膨脹和收縮。所述諧振器103內(nèi)的此種壓力變化迫使音叉105發(fā)生振動(dòng)。所述音叉105的振動(dòng)由于壓電效應(yīng)而在音叉上產(chǎn)生電荷，可以用數(shù)據(jù)獲取和控制單元109進(jìn)行測(cè)量。換句話說(shuō)，諧振器103的內(nèi)部空腔112包含一定濃度的至少一種目標(biāo)氣體，所述激光束104與所述至少一種目標(biāo)氣體的相互作用造成諧振器103內(nèi)的聲學(xué)信號(hào)的累積。通過(guò)音叉105產(chǎn)生了與目標(biāo)氣體濃度相關(guān)的諧振吸收信號(hào)。音叉105的形狀與廣泛用來(lái)校準(zhǔn)音樂(lè)設(shè)備的常規(guī)音叉的形狀類似，當(dāng)音叉105受到敲擊的時(shí)候，以特定的恒定音調(diào)諧振。特定音叉產(chǎn)生的音調(diào)大體取決于叉尖113和114的長(zhǎng)度。音叉105的振動(dòng)頻率由音叉的尺寸以及用來(lái)制造音叉的材料決定。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，音叉105由壓電材料制造，所述壓電材料對(duì)施加的機(jī)械應(yīng)力做出響應(yīng)而產(chǎn)生電勢(shì)。石英是一種廣泛用于大規(guī)模生產(chǎn)音叉的壓電晶體。由于石英豐富的來(lái)源和穩(wěn)定性，諧振頻率接近32，768Hz的石英音叉廣泛地在鐘表和手表中用作頻率標(biāo)準(zhǔn)。除了石英以外，正磷酸鎵(GaPO4)、蘭克塞晶體(Langasite)(鑭-鎵硅酸鹽，LGS)和La3Ga5SiO14也是壓電晶體。GaPO4晶體屬于與石英相同的晶體類型。硅(Si)原子交替地分別被鎵(Ga)原子和磷(P)原子代替。GaPO4可以在最高達(dá)970°C的溫度保持其壓電性質(zhì)，遠(yuǎn)高于石英的居里點(diǎn)(5730C ) o GaPO4還具有較高的壓電系數(shù)。與石英和GaPO4相比，LGS可以在更高的溫度下操作，這是因?yàn)槠湓谧罡哌_(dá)1470°C熔點(diǎn)的溫度下都不會(huì)發(fā)生相變。因?yàn)楦卟僮鳒囟忍貏e有利于車(chē)輛燃燒控制中的應(yīng)用，在此應(yīng)用中，NOx傳感器監(jiān)測(cè)廢氣中的NO和NO2的濃度，將這些濃度值反饋給計(jì)算機(jī)，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以最大程度減少NOx的產(chǎn)生。音叉105設(shè)計(jì)成以撓性振動(dòng)形式操作，但是也可以以扭轉(zhuǎn)形式操作。在撓性振動(dòng)形式中，兩個(gè)叉尖113和114在相同的平面上朝著相反的方向振動(dòng)。以特定的構(gòu)型將電極涂覆在叉尖表面上，使得電極能夠檢測(cè)在該特定方向的振動(dòng)導(dǎo)致的電勢(shì)變化。因?yàn)閴弘娦?yīng)是可逆的，當(dāng)對(duì)電極施加電勢(shì)的時(shí)候，所述音叉的叉尖113和114會(huì)沿著相反的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)對(duì)音叉105施加的電勢(shì)信號(hào)的頻率與音叉諧振頻率相同的時(shí)候，叉尖的振動(dòng)達(dá)到最大。換而言之，當(dāng)使用音叉測(cè)量聲波的時(shí)候，需要使得聲波頻率與音叉諧振頻率相匹配，這是因?yàn)樵诖饲闆r下，信號(hào)的強(qiáng)度達(dá)到最大值。在常規(guī)壓力下，所述音叉的諧振頻率的寬度小于10Hz，因此只有在此窄譜帶范圍內(nèi)的頻率分量才能夠有效地激發(fā)音叉的振動(dòng)。通過(guò)使用音叉105使得檢測(cè)器100能夠基本上不受背景聲學(xué)噪音的影響，這是因?yàn)檫x擇音叉的工作頻率顯著區(qū)別于背景聲學(xué)噪音的頻率，所述背景聲 學(xué)噪音的頻率可以為數(shù)赫茲至20kHz。在大多數(shù)情況下，背景聲學(xué)噪音密度與其聲學(xué)頻率成反比，當(dāng)頻率高于IOkHz的時(shí)候，其強(qiáng)度非常低。因此，音叉的工作頻率越高，則檢測(cè)到的背景噪音越小。與此同時(shí)，選擇的音叉工作頻率應(yīng)當(dāng)對(duì)目標(biāo)氣體吸收的激光能量產(chǎn)生足夠的響應(yīng)。不同氣體的能量吸收會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于大多數(shù)的氣體，音叉優(yōu)選在數(shù)千至數(shù)萬(wàn)Hz的頻率下工作。較佳的是，所選的音叉工作頻率應(yīng)當(dāng)高于20kHz，以獲得足夠的響應(yīng)，同時(shí)抑制噪音。例如，當(dāng)使用工作頻率為32kHz的商業(yè)成品音叉的時(shí)候，空氣中聲波的波長(zhǎng)約為10毫米。從某個(gè)遠(yuǎn)距離聲源傳來(lái)的聲波會(huì)沿著相同的方向?qū)ο喔舸蠹s0. 5毫米的兩個(gè)叉尖施加作用力。這不會(huì)激發(fā)壓電活性模式，不會(huì)產(chǎn)生可測(cè)的電信號(hào)。諧振器103用來(lái)增大音叉105和聲波之間的有效相互作用長(zhǎng)度，所述聲波是由于激光束104和目標(biāo)氣體之間相互作用產(chǎn)生的。當(dāng)諧振器中填充氣體的時(shí)候，聲波信號(hào)S可以用下式表示
0 , alCPQS = k-—
fv式中a是目標(biāo)氣體的吸收系數(shù)，I是氣體吸收長(zhǎng)度，C是目標(biāo)氣體的濃度，P是光學(xué)功率，Q是諧振器的品質(zhì)因子，f是光聲聲頻，V是諧振器體積，k是描述擴(kuò)音器傳輸功能和其他系統(tǒng)參數(shù)的常數(shù)。對(duì)于使用擴(kuò)音器作為聲學(xué)檢測(cè)器的常規(guī)光聲諧振器來(lái)說(shuō)，由于擴(kuò)音器響應(yīng)的局限性，諧振器設(shè)計(jì)成f值為500至4，000Hz, Q因子約為20至200，體積從大約10厘米3開(kāi)始。對(duì)于基于音叉的諧振器，諧振器體積V可以最小達(dá)I毫米3，Q因子約為IO4至105。另外，由于音叉的特定頻率響應(yīng)，預(yù)期檢測(cè)器的噪音水平可以至少小于常規(guī)光聲傳感器的噪音水平的百分之一。因此，例如基于音叉的傳感器可以比常規(guī)的光聲傳感器靈敏大約100至1000倍。圖3A-3F顯示了光聲氣體檢測(cè)器部件的另一種構(gòu)型的截面圖。如以上表達(dá)式所示，因?yàn)殪`敏度與諧振器的體積成反比，希望使得制造的諧振器盡可能小，同時(shí)不會(huì)造成激光束104發(fā)生任何大量的從諧振器內(nèi)表面的損失。圖3A，3C，3E和3F顯示了具有近似恒定內(nèi)徑的圓柱形諧振器103。具有恒定內(nèi)徑的圓柱形諧振器可以很容易地由市售的現(xiàn)貨管材制造，因此可以提供低成本的方法。與之相比，如圖3B和3D所示，具有以下特征的諧振器103’可以提供更小的內(nèi)部體積，可以用于要求極高靈敏度的傳感器該諧振器的內(nèi)徑沿著縱軸長(zhǎng)度從一端向著諧振器的中點(diǎn)逐漸減小，使得內(nèi)徑沿著縱向長(zhǎng)度略大于會(huì)聚的高斯(Gaussian)激光束104(即所述管的直徑比激光束104大I. 2 I. 5倍)。可以使用各種材料，包括但不限于玻璃、金屬和塑料來(lái)制造所述諧振器。為了減少聲波的表面損失，所述諧振器的內(nèi)表面優(yōu)選是平滑的。另外，優(yōu)選對(duì)諧振器的尺寸和形狀進(jìn)行最優(yōu)化，使得諧振器的本征頻率(即諧振頻率)與音叉的諧振頻率相匹配，以獲得提高的靈敏度。例如，對(duì)于具有基本恒定的內(nèi)徑和外徑的圓柱形管狀諧振器，諧振頻率與圓柱形管的長(zhǎng)度相關(guān)，與圓
柱形管的端部是封閉或開(kāi)放相關(guān)。對(duì)于兩端開(kāi)放的圓柱形諧振器，諧振頻率寫(xiě)作/ = ff式
中n是表示諧振結(jié)(resonance node)的正整數(shù)(I, 2, 3…)，L是管子的長(zhǎng)度,v是聲音在空氣中的速度(在20°C和海平面條件下約為343米/秒)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，n =
I。需要注意的是，以上的關(guān)系式是特別關(guān)于具有近似恒定的內(nèi)徑和外徑的圓柱形管狀諧振器。其它的諧振器幾何結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于不同的表達(dá)式。 較佳的是，諧振器103或103’的結(jié)構(gòu)諧振頻率基本上與音叉105的結(jié)構(gòu)諧振頻率
相一致。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，例如如圖2和圖3A所示，音叉105沿著縱軸A’ -A’的一側(cè)設(shè)置，沿著諧振器的縱向長(zhǎng)度近似位于半程的位置?；蛘?，音叉105可以沿著縱軸A’-A’的一側(cè)，設(shè)置在靠近諧振器的第一端部或第二端部的位置(圖中未顯示)。當(dāng)音叉105的兩個(gè)叉尖113和114沿著縱軸的一側(cè)設(shè)置的時(shí)候，其中一個(gè)叉尖優(yōu)選比另一個(gè)叉尖更靠近所述縱軸。如圖1-2和3A-3F所示，可以沿著縱軸一側(cè)在諧振器內(nèi)提供凹槽或者開(kāi)口(圖2中所示的120)，所述音叉105的叉尖114可以延伸入其中。凹槽或者開(kāi)口 120可以延伸入諧振器103或103’的內(nèi)部空腔，音叉105的叉尖114的至少一部分可以延伸入所述諧振器的內(nèi)部空腔。例如，音叉105的叉尖可以大體垂直于縱軸A’ -A’ (圖3A-3B)或者大體平行于縱軸A’-A’(圖3C-3D)。在另外的實(shí)施方式中(圖中未顯不)，音叉105可以以一定的角度傾斜，既不垂直于縱軸A’ -A’也不平行于縱軸A’ -A’。在任何情況下，叉尖最靠近縱軸A’ -A’的尖端優(yōu)選足夠靠近激光束104，從而獲得最大的信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)不會(huì)造成激光束104損失或者散射。由激光束104和目標(biāo)氣體的相互作用造成的光聲波使得叉尖沿著它們的諧振方向振動(dòng)，由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷。本文所述的光聲氣體檢測(cè)器可以包括超過(guò)一個(gè)音叉。例如，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，通過(guò)添加第二個(gè)音叉，測(cè)量速度可以提高兩倍。設(shè)置另外的音叉可以特別有效地用于一些具有較慢的振動(dòng)-平動(dòng)(V-T)弛豫的氣體，以及需要特別快速的響應(yīng)的應(yīng)用。例如，所述檢測(cè)器可以包括第二音叉115，使得兩個(gè)音叉位于相同的平面上，沿著諧振器縱向長(zhǎng)度近似位于半程的位置，設(shè)置在沿著縱軸A’ -A’延伸的激光束104的兩個(gè)相反的側(cè)面，如圖3E實(shí)施例所示。例如，音叉105和115的叉尖可以大體垂直于縱軸A’ -A’ (圖3E)或者大體平行于縱軸A’-A’(圖3F)。在另外的實(shí)施方式中(圖中未顯不)，音叉105和115可以獨(dú)立地以一定的角度傾斜，既不垂直于縱軸A’ -A’也不平行于縱軸A’ -A’。當(dāng)音叉105和115不是位于相同平面、沿著諧振器縱向長(zhǎng)度近似半程的位置的時(shí)候，可以用校準(zhǔn)計(jì)算來(lái)矯正它們的位置的差異。當(dāng)使用兩個(gè)或者更多個(gè)音叉的時(shí)候，這些音叉應(yīng)當(dāng)優(yōu)選彼此鄰近設(shè)置，以減小由于位置差異造成的測(cè)量誤差。
當(dāng)使用兩個(gè)或者更多個(gè)音叉的時(shí)候，除了提高測(cè)量速度以外，還可以改進(jìn)測(cè)量精度。任何氣體的吸收系數(shù)取決于溫度和壓力。因此，優(yōu)選的測(cè)量方法包括相對(duì)于至少一種目標(biāo)氣體的濃度產(chǎn)生諧振吸收信號(hào)，同時(shí)校準(zhǔn)諧振器內(nèi)部空腔內(nèi)的溫度和壓力?？梢酝ㄟ^(guò)使用至少第二個(gè)音叉完成該校準(zhǔn)。音叉諧振頻率是壓力和溫度的函數(shù)，因此諧振器內(nèi)部空腔內(nèi)的溫度和壓力可以通過(guò)從電控制單元向音叉內(nèi)輸送一系列電探測(cè)脈沖來(lái)確定。當(dāng)探測(cè)脈沖的頻率與音叉諧振頻率匹配的時(shí)候，音叉產(chǎn)生最大信號(hào)輸出。通過(guò)測(cè)量諧振頻率隨時(shí)間推移的變化，可以計(jì)量氣體溫度和壓力條件的變化，用來(lái)校準(zhǔn)氣體濃度測(cè)量結(jié)果。在此情況下，至少兩個(gè)音叉同時(shí)工作。至少一個(gè)第一音叉測(cè)量目標(biāo)氣體的激光束吸收量，至少一個(gè)第二音叉通過(guò)測(cè)量氣體的諧振頻率而監(jiān)測(cè)氣體的溫度或壓力。然后用測(cè)得的壓力或溫度對(duì)測(cè)得的目標(biāo)氣體濃度進(jìn)行校準(zhǔn)。圖4A和4B顯示了音叉和諧振器的另一個(gè)實(shí)施方式的截面?zhèn)纫晥D和端視圖。如圖4A所示，諧振器125包括內(nèi)部空腔，所述內(nèi)部空腔包括兩個(gè)V形的溝槽126，可以使用例如常規(guī)的半導(dǎo)體制造工藝在諧振器材料的獨(dú)立的側(cè)面切割或者蝕刻所述溝槽。該實(shí)施方式的 一個(gè)優(yōu)選的諧振器材料是硅。然后可以將諧振器材料的獨(dú)立的側(cè)面結(jié)合在一起，使得當(dāng)V形的溝槽126彼此相對(duì)的時(shí)候，形成沿著諧振器125的縱向長(zhǎng)度延伸的內(nèi)部空腔。V形的溝槽126可以在其長(zhǎng)度上具有恒定的或者變化的橫截面尺寸，在其它的實(shí)施方式中(圖中未顯示)，可以具有非V形的橫截面形狀(例如L形或者U形)。音叉105’優(yōu)選沿著諧振器125的縱向長(zhǎng)度設(shè)置在足夠靠近諧振器125的位置，以便相對(duì)于目標(biāo)氣體的濃度有效地產(chǎn)生諧振吸收信號(hào)。較佳的是，音叉105’的叉尖沿著諧振器縱向長(zhǎng)度設(shè)置在近似半程的位置，使得叉尖與直線B’ -B’相交，該直線B’ -B’表示第一和第二諧振器端部之間的半程點(diǎn)。較佳的是，諧振器125還包括開(kāi)口 127，該開(kāi)口 127同樣與直線B’ -B’相交，使得音叉105’的至少一部分叉尖沿著諧振器125縱向長(zhǎng)度上與開(kāi)口 127相同的部分延伸。圖4B顯示了一個(gè)實(shí)施方式，其中音叉105’和諧振器125’整體安裝在單個(gè)平臺(tái)上。電導(dǎo)線130從音叉105’延伸到例如數(shù)據(jù)獲取和控制單元。圖5A和5B顯示另外的實(shí)施方式的截面圖，其中諧振器130具有拋物線形狀的橫截面。音叉105’至少部分位于拋物線形橫截面的焦點(diǎn)135處。在圖5A中，音叉叉尖大體垂直于諧振器130的縱軸。在圖5B中，音叉叉尖大體平行于諧振器130的縱軸。再來(lái)看圖1，選擇激光源101發(fā)出的激光束104的波長(zhǎng)隨著目標(biāo)氣體吸收特性的變化而變化。激光束104的波長(zhǎng)可以在很寬的范圍內(nèi)變化，在從紫外(UV)到中紅外(IR)的范圍內(nèi)變化。一般來(lái)說(shuō)，大部分氣體在中紅外波長(zhǎng)范圍(大約4000-400厘米―1或者2. 5-25微米)內(nèi)的吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)大于近紅外范圍(大約14000-4000厘米―1或者0. 714-2. 5微米)內(nèi)的強(qiáng)度。為了獲得更佳的靈敏度，優(yōu)選使用中紅外激光器。激光源101可以被包在檢測(cè)器100之內(nèi)，或者設(shè)置在遠(yuǎn)程位置，用來(lái)例如通過(guò)光纖將激光束輸送到諧振器103之內(nèi)。為了產(chǎn)生一系列聲波，可以對(duì)激光束104的特征進(jìn)行控制，使得氣體在諧振器內(nèi)吸收的能量隨時(shí)間變化。這可以通過(guò)例如對(duì)激光功率(振幅調(diào)制)或者激光波長(zhǎng)(即波長(zhǎng)調(diào)制)進(jìn)行調(diào)制來(lái)完成。數(shù)據(jù)獲取和控制單元109可以用于至少兩個(gè)目的。首先，可以控制激光工作參數(shù)，例如溫度、波長(zhǎng)、調(diào)制和輸出功率。其次，可以測(cè)量來(lái)自音叉的電荷。較佳的是，所述激光器在頻率=f/2的條件下進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制，以抑制光譜非選擇性吸收體(例如諧振器壁、光學(xué)窗口和音叉表面)產(chǎn)生的背景噪音。優(yōu)選例如使用在音叉諧振頻率處工作的常規(guī)鎖定放大器對(duì)來(lái)自音叉的信號(hào)進(jìn)行放大。可以用于本文所述實(shí)施方式的數(shù)據(jù)獲取單元的一個(gè)例子由函數(shù)發(fā)生器、鎖定放大器和個(gè)人計(jì)算機(jī)組成。本發(fā)明所述的方法可以用來(lái)測(cè)量一種或多種目標(biāo)氣體的濃度。當(dāng)測(cè)量至少兩種目標(biāo)氣體的濃度的時(shí)候，檢測(cè)器優(yōu)選包括至少一個(gè)音叉，更優(yōu)選針對(duì)每種待測(cè)的目標(biāo)氣體包括至少一個(gè)音叉。所述音叉各自可以具有近似相同或者略微不同的諧振頻率。當(dāng)測(cè)量至少兩種目標(biāo)氣體的濃度的時(shí)候，激光源101優(yōu)選能夠在選定波長(zhǎng)產(chǎn)生激光束104，所述選定的波長(zhǎng)隨著各種目標(biāo)氣體的吸收特性的變化而變化。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，針對(duì)每種目標(biāo)氣體在預(yù)定波長(zhǎng)產(chǎn)生激光束104。較佳的是，所述激光束用常規(guī)的波長(zhǎng)分割復(fù)用(WDM)技術(shù)合并，使得它們成為準(zhǔn)直光，通過(guò)相同諧振器內(nèi)的單個(gè)縱向開(kāi)口。通過(guò)這些技術(shù)可以對(duì)很寬范圍的氣體進(jìn)行檢測(cè)。
較佳的是，檢測(cè)器100能夠檢測(cè)具有以下濃度的至少一種目標(biāo)氣體濃度小于200ppm,更優(yōu)選濃度小于IOOppm,更優(yōu)選濃度小于50ppm,更優(yōu)選濃度小于25ppm,更優(yōu)選濃度小于IOppm。使用檢測(cè)器100的方法優(yōu)選能夠產(chǎn)生比背景噪音信號(hào)大至少十倍的與至少一種目標(biāo)氣體的濃度相關(guān)的諧振吸收信號(hào)，例如比背景噪音信號(hào)大至少50倍，例如比背景噪音信號(hào)大至少100倍，更優(yōu)選比背景噪音信號(hào)大至少200倍。使用檢測(cè)器100的方法優(yōu)選能夠在最初將激光束從激光源引入諧振器的內(nèi)部空腔之后3秒鐘之內(nèi)，產(chǎn)生與至少一種目標(biāo)氣體的濃度相關(guān)的諧振吸收信號(hào)，例如在最初將激光束從激光源引入諧振器的內(nèi)部空腔之后2秒鐘之內(nèi)，更優(yōu)選在最初將激光束從激光源引入諧振器的內(nèi)部空腔之后I秒鐘之內(nèi)。使用檢測(cè)器100的方法優(yōu)選能夠在至少300°C、例如至少500°C、例如至少700°C的
溫度下，產(chǎn)生與至少一種目標(biāo)氣體的濃度相關(guān)的諧振吸收信號(hào)。
實(shí)施例通過(guò)以下實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的實(shí)施方式。實(shí)施例I光聲氣體檢測(cè)系統(tǒng)包括作為激光源的可調(diào)諧量子多級(jí)激光器，聲學(xué)諧振器，音叉，以及數(shù)據(jù)獲取和控制單元?？梢杂脡弘娍刂破鞲淖兛烧{(diào)諧激光器的波長(zhǎng)。所述音叉是市售的成品部件，諧振頻率為215(32768)Hz，所述聲學(xué)諧振器是內(nèi)徑為0. 8毫米、長(zhǎng)10毫米的不銹鋼管。所述音叉按照與圖2所示類似的方式相對(duì)于諧振器對(duì)齊。用光學(xué)透鏡將激光束會(huì)聚到諧振器內(nèi)。在測(cè)量過(guò)程中，控制單元將激光功率調(diào)制到 32768/2 = 16384Hz，同時(shí)緩慢地改變其波長(zhǎng)。所述數(shù)據(jù)獲取單元包括函數(shù)發(fā)生器和鎖定放大器，從音叉采集電信號(hào)。圖6A顯示了理論水蒸氣吸收光譜，其中顯示兩個(gè)吸收峰，圖6B顯示了在開(kāi)放空氣中進(jìn)行操作的系統(tǒng)測(cè)得的水蒸氣吸收光譜。從這些附圖可以看到，檢測(cè)系統(tǒng)成功地發(fā)現(xiàn)兩個(gè)相鄰的吸收峰，具有極佳的信噪比，理論光譜和實(shí)測(cè)光譜之間具有很好的一致性。實(shí)施例2一旦如實(shí)施例I所述測(cè)量了吸收光譜，將激光器波長(zhǎng)設(shè)定在主水蒸氣吸收峰波長(zhǎng)處。然后用實(shí)施例I所述的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)水蒸氣濃度進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。圖7顯示測(cè)得的水蒸氣濃度隨時(shí)間變化的曲線圖。具體來(lái)說(shuō)，圖7顯示將所述檢測(cè)系統(tǒng)隨后應(yīng)用于不同條件的時(shí)候，測(cè)得的水蒸氣濃度隨時(shí)間的變化曲線。在圖7所示的時(shí)間范圍內(nèi)，使得檢測(cè)器系統(tǒng)依次經(jīng)歷常規(guī)實(shí)驗(yàn)室濕度(測(cè)得的響應(yīng)如編號(hào)10所示)，第一氮?dú)?N2)吹掃(測(cè)得的響應(yīng)如編號(hào)12所示)，第一人員呼氣(測(cè)得的響應(yīng)如編號(hào)14所示)，第二人員呼氣(測(cè)得的響應(yīng)如編號(hào)16所示)，第二 N2吹掃(測(cè)得的響應(yīng)如編號(hào)18所示)，最后經(jīng)歷開(kāi)放空氣(測(cè)得的響應(yīng)如編號(hào)20所示)。實(shí)施例3光聲氣體檢測(cè)系統(tǒng)包括作為激光源的DFB激光二極管，聲學(xué)諧振器，兩個(gè)音叉，以及數(shù)據(jù)獲取和控制單元。所述DFB激光二極管調(diào)諧成在1532納米的波長(zhǎng)工作(可以通過(guò)改變DFB激光二極管的封裝溫度來(lái)調(diào)諧其波長(zhǎng))以確定作為目標(biāo)氣體的C2H2的濃度(之所以選擇C2H2作為目標(biāo)氣體是因?yàn)槠湓诖蠹sI. 5微米處具有很強(qiáng)的吸收)。所述諧振器和音叉與實(shí)施例I所述的種類相同。來(lái)自激光二極管光纖的光束用兩個(gè)獨(dú)立的透鏡準(zhǔn)直化并會(huì) 聚射向諧振器。在進(jìn)行目標(biāo)氣體濃度測(cè)量之前，使用函數(shù)發(fā)生器和鎖定放大器測(cè)定音叉的諧振頻率。然后，在音叉諧振頻率的半頻處調(diào)制激光二極管。接下來(lái)，在對(duì)激光二極管溫度進(jìn)行調(diào)諧的同時(shí)監(jiān)測(cè)音叉信號(hào)。一旦信號(hào)達(dá)到其最大值，將該溫度設(shè)定值用于其余的實(shí)驗(yàn)。該方法可以用控制單元很快速地進(jìn)行。使用這些設(shè)定，測(cè)定C2H2的濃度隨時(shí)間的變化，如圖8所示。圖8所示的曲線圖顯示了檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)ζ渥陨磉M(jìn)行校準(zhǔn)。具體來(lái)說(shuō)，圖8顯示將所述檢測(cè)系統(tǒng)隨后應(yīng)用于不同條件的時(shí)候，測(cè)得的C2H2濃度隨時(shí)間的變化曲線。在圖8所示的時(shí)間范圍內(nèi)，所述檢測(cè)系統(tǒng)依次暴露于以下環(huán)境約小于2ppm的第一 C2H2濃度(測(cè)得的響應(yīng)如編號(hào)22所示)，C2H2的濃度增大到大約IOppm(測(cè)得的響應(yīng)如編號(hào)24所示)，壓力從大約510托變?yōu)榇蠹s434托(初始測(cè)得的響應(yīng)用編號(hào)26表示)，空氣吹掃(測(cè)得的響應(yīng)用編號(hào)30表示)，在大約400托的壓力下以大約IOppm的濃度第二次引入C2H2 (初始測(cè)得的響應(yīng)如編號(hào)32所示)。當(dāng)壓力變化的時(shí)候，當(dāng)在不同的壓力條件下對(duì)大約IOppm的C2H2濃度進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，檢測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)(測(cè)得的響應(yīng)如編號(hào)28和34所示)。具體來(lái)說(shuō)，圖8中的26和32表明即使當(dāng)實(shí)際的C2H2濃度不發(fā)生變化的時(shí)候，測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)隨著壓力的變化而改變。這是因?yàn)橐舨骖l率隨著壓力變化而變化。一旦壓力變化，激光調(diào)制頻率不再與音叉同步。為了克服這一影響，我們重新測(cè)量了音叉諧振頻率，將其作為激光調(diào)制頻率。從圖8可以看到，校準(zhǔn)之后測(cè)得的濃度值(用編號(hào)28和34表示)與初始測(cè)得的值(用編號(hào)24表示)相一致。該重新校準(zhǔn)過(guò)程用PC進(jìn)行，重復(fù)數(shù)次，從而表現(xiàn)出自動(dòng)校準(zhǔn)。另外，表現(xiàn)出的靈敏度等于或者小于lOppm。實(shí)施例4我們成功地證明，對(duì)一氧化氮(NO)氣體的靈敏度優(yōu)于50ppm，其中估計(jì)信噪比約為230。用于實(shí)驗(yàn)的波長(zhǎng)進(jìn)行最優(yōu)化，獲得很強(qiáng)的NO吸收峰，水的吸收很小。圖9顯示使用以上實(shí)施例I所述的方法，使用在大約16kHz調(diào)制的激光，在大約0. 4厘米―1的調(diào)諧范圍內(nèi)測(cè)得的吸收光譜。圖9中顯示的不對(duì)稱的谷是由于波長(zhǎng)調(diào)諧過(guò)程中的殘留波長(zhǎng)調(diào)制造成的。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯而易見(jiàn)的是可以在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)對(duì)至少一種目標(biāo)氣體的濃度進(jìn)行檢測(cè)的光聲氣體檢測(cè)器，所述氣體檢測(cè)器包括 激光源； 諧振器，該諧振器沿著一條縱軸延伸，所述諧振器具有第一端部、第二端部、以及位于所述第一端部和第二端部之間的內(nèi)部空腔，所述內(nèi)部空腔沿著所述縱軸延伸，在所述第一端部和第二端部之間限定縱向開(kāi)口，所述內(nèi)部空腔設(shè)置成用來(lái)使得來(lái)自所述激光源的激光束通過(guò)所述縱向開(kāi)口； 沿著所述諧振器的縱向長(zhǎng)度設(shè)置的至少一個(gè)音叉，所述音叉包括第一叉尖和第二叉尖，所述縱軸不與所述第一叉尖和第二叉尖之間的區(qū)域交叉。
2.如權(quán)利要求I所述的氣體檢測(cè)器，其特征在于，所述諧振器包括圓柱形管。
3.如權(quán)利要求I所述的氣體檢測(cè)器，其特征在于，所述第一叉尖和第二叉尖大體平行于所述縱軸。
4.如權(quán)利要求I所述的氣體檢測(cè)器，其特征在于，所述第一叉尖和第二叉尖大體垂直于所述縱軸。
5.如權(quán)利要求I所述的氣體檢測(cè)器，其特征在于，所述氣體檢測(cè)器能夠?qū)舛刃∮?00ppm的至少一種目標(biāo)氣體進(jìn)行檢測(cè)。
6.如權(quán)利要求I所述的氣體檢測(cè)器，其特征在于，所述諧振器的結(jié)構(gòu)諧振頻率基本上與所述音叉的結(jié)構(gòu)諧振頻率一致。
7.如權(quán)利要求I所述的氣體檢測(cè)器，其特征在于，所述諧振器和音叉整體化安裝在一個(gè)單獨(dú)的平臺(tái)上。
8.如權(quán)利要求I所述的氣體檢測(cè)器，其特征在于，所述諧振器具有拋物線形的橫截面，所述音叉至少部分地設(shè)置在所述拋物線形橫截面的焦點(diǎn)上。
9.如權(quán)利要求I所述的檢測(cè)器，其特征在于，所述檢測(cè)器能夠檢測(cè)至少兩種目標(biāo)氣體的濃度。
10.如權(quán)利要求I所述的檢測(cè)器，其特征在于，所述至少一個(gè)音叉包括至少兩個(gè)音叉。
11.一種采用光聲檢測(cè)來(lái)測(cè)定至少一種目標(biāo)氣體的濃度的方法，所述方法包括 從激光源將激光束引入聲學(xué)諧振器的內(nèi)部空腔內(nèi)，所述諧振器和所述內(nèi)部空腔沿著縱軸延伸，所述內(nèi)部空腔包含一種濃度的至少一種目標(biāo)氣體，所述激光束和所述至少一種目標(biāo)氣體之間的相互作用在所述諧振器內(nèi)部造成聲學(xué)信號(hào)積累； 通過(guò)沿著所述諧振器的縱向長(zhǎng)度設(shè)置的至少一個(gè)音叉產(chǎn)生與所述至少一種目標(biāo)氣體的濃度相關(guān)的諧振吸收信號(hào)，所述音叉包括第一叉尖和第二叉尖，所述縱軸不與所述第一叉尖和第二叉尖之間的區(qū)域交叉。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述諧振器包括圓柱形管。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法能夠?qū)舛刃∮?00ppm的至少一種目標(biāo)氣體進(jìn)行檢測(cè)。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述諧振器的結(jié)構(gòu)諧振頻率基本上與音叉的結(jié)構(gòu)諧振頻率一致。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述諧振吸收信號(hào)比背景噪音信號(hào)大至少10倍。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)音叉包括至少兩個(gè)音叉。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法能夠產(chǎn)生與所述至少一種目標(biāo)氣體的濃度相關(guān)的諧振吸收信號(hào)，同時(shí)校準(zhǔn)諧振器內(nèi)部空腔內(nèi)的溫度和壓力。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法能夠在將激光束從激光源引入諧振器的內(nèi)部空腔之后的I秒鐘之內(nèi)，產(chǎn)生與所述至少一種目標(biāo)氣體的濃度相關(guān)的諧振吸收信號(hào)。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法能夠在至少700°C的溫度下，產(chǎn)生與至少一種目標(biāo)氣體的濃度相關(guān)的諧振吸收信號(hào)。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述激光源產(chǎn)生至少一種發(fā)射波長(zhǎng)，其光譜線寬比氣體的吸收帶寬窄。
21.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述激光源能夠調(diào)諧其波長(zhǎng)，以找到所述至少一種目標(biāo)氣體的吸收峰。
全文摘要
本發(fā)明描述了光聲氣體檢測(cè)器和光聲氣體檢測(cè)法。該檢測(cè)器包括激光源、聲波諧振器和沿著所述諧振器的縱向長(zhǎng)度設(shè)置的至少一個(gè)音叉。所述檢測(cè)器能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)對(duì)一種或多種目標(biāo)氣體的濃度進(jìn)行快速測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102713565SQ201080045002
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者C·G·卡諾, S·C·波拉德, 劉安平, 石鐘恩, 謝峰 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司