[发明专利]基于光声检测的气体传感器

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2009年9月30日提交的题为“基于光声检测的气体传感器(Gas Sensor Based On Photoacoustic Detection)”的美国非临时专利申请第12/570,606号的优先权和权益，本文以该申请的内容为依据并将其全文结合于此。

背景

本发明一般涉及气体传感器，具体涉及利用光声检测技术测定一种或多种目标气体浓度的方法和装置。

对于环境监测、工业工艺控制和医学诊断之类的各种应用来说，对痕量气体和化学物质的检测和定量正在变得越来越重要。目前，很多基于中红外范围内的分子吸收的超灵敏检测技术能够对低浓度的化学物质进行测量，但是大多数方法仅仅用于实验室环境中。这些方法或者是过于笨重，无法携带在野外使用，或者过于昂贵，无法广泛应用。另外，这些方法通常基于复杂而精密的光学装置，这些光学装置需要高度精确的对准，而且对振动和温度变化非常敏感。

例如，对于光学分光光度法，当使用足够的光电二极管检测足够长光程中分子的累积吸收造成的激光功率损失的时候，所述光学分光光度法能够实现很高的灵敏度和选择性。但是，为了抑制噪声，所述光电二极管必须在液氮中进行冷却。因此，此种设备仅限于在实验室环境中使用，因此不适合用于实际的野外用途。

光声检测法使用声学检测器代替光学分光光度法中使用的光电二极管或者检测器，从而可以成为光学分光光度法的一种替代。在光声检测中，光吸收性分子的激发能量通过非弹性碰撞基本转化为周围分子的动能。由此造成吸收性气体内的局部压力升高。如果对激发源进行调制，则会产生声波，可以用声学检测器(通常是扩音器)检测该声波。因为，吸收的能量的量与吸收性分子的浓度成正比，因此可以利用声学信号进行精确的浓度测量。光声检测所利用的样品体积远小于光学分光光度法，同时能够获得相近的检测极限。但是，相对于吸收性气体产生的信号，使用扩音器对气体吸收产生的声学信号进行的光声检测会检测到不希望出现的量的环境噪声。这很大程度上是由于扩音器的宽带响应造成的。

光声检测中扩音器的替代用品包括在电子工业中可以很广泛获得的音叉。但是，包括音叉的精密方法需要使得高度会聚的激光束通过音叉的叉尖。换句话说，这些方法需要激光束在音叉的两个叉尖形成的狭缝的中间对齐。这种构造使得人们很难使用多个音叉进行性能改进或者同时进行多种气体的检测，这是因为光束的尺寸会在很短的距离内显著变化，一个或多个音叉可能会部分阻挡光束，造成不利的干扰。因此，如果要在光路中使用多个音叉，则需要使用更复杂的构造，导致更长的光程和更严格的光学容限。由此可能造成装置的性能显著变差，成本和尺寸可能会显著增大和提高。

发明内容

本发明的一个实施方式包括用来检测至少一种目标气体的浓度的光声气体检测器。所述气体检测器包括激光源和沿着纵轴延伸的谐振器。所述谐振器包括第一端部、第二端部以及位于所述第一端部和第二端部之间的内部空腔。所述内部空腔沿着纵轴延伸，在第一端部和第二端部之间限定纵向开口。所述内部空腔适合用来使得来自激光源的激光束通过所述纵向开口。所述气体检测器还包括沿着所述谐振器的纵向长度设置的至少一个音叉。所述音叉包括第一叉尖和第二叉尖。所述纵轴不与所述第一叉尖和第二叉尖之间的区域交叉。

另一个实施方式包括一种利用光声检测来测定至少一种目标气体的浓度的方法。所述方法包括将光束从激光源射入谐振器的内部空腔。所述谐振器和内部空腔沿着纵轴延伸，所述内部空腔包含一定浓度的至少一种目标气体。所述激光束和所述至少一种目标气体之间的相互作用造成所述谐振器内声学信号的积累。该方法还包括通过沿着所述谐振器纵向长度设置的至少一个音叉产生与所述至少一种目标气体的浓度相关的谐振吸收信号。所述音叉包括第一叉尖和第二叉尖，所述纵轴不与所述第一叉尖和所述第二叉尖之间的区域交叉。

在以下的详细描述中提出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是本发明的示例，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。

附图说明

图1显示了本文所述的光声气体检测器的示意图；