[发明专利]光声气体传感器

说明书

本申请是国际申请日为2007年11月1日、国际申请号为PCT/US2007/023078、中国申请号为200780041084.1、题为“光声气体传感器”的发明专利申请的分案申请。

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。

发明背景

本发明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发明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发明或本发明的背景。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300mL)显著大于第一腔(例如1mL)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。