[發明專利]光聲氣體傳感器

有效

• 申請號: 201210085207.4
• 申請日: 2007-11-01
• 公開（公告）號: CN102636437A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: R·E·烏伯
• 申請（專利權）人: 礦井安全裝置公司
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 邢德杰

本申請是國際申請日為2007年11月1日、國際申請號為PCT/US2007/023078、中國申請號為200780041084.1、題為“光聲氣體傳感器”的發明專利申請的分案申請。

相關申請

本申請要求2006年11月6日提交的美國臨時專利申請No.60/857,042的優先權，其全部內容通過引用結合于此。

發明背景

本發明一般涉及氣體傳感器，更具體地涉及光聲氣體傳感器。

提供以下信息以幫助讀者理解以下公開的本發明和通常使用它的環境。在本文中使用的術語不旨在被限制為任意特定的狹義解釋，除非在此文檔中清楚地闡述。在本文中所陳述的參考文獻可便于理解本發明或本發明的背景。在本文中陳述的所有參考文獻的公開內容通過引用結合。

利用擴散氣體傳感器利用光聲效應來檢測感興趣的氣態物質的濃度水平是公知的。例如，美國專利No.4,740,086公開了當光隨著感興趣的氣態物質擴散進入光入射的感測室而機械激發和熱激發感興趣的氣態物質時，利用擴散光聲氣體傳感器來將調幅光源的光能轉換成聲能。因為由氣體吸收的光輻射產生與位于感測室內的氣體分子數量成比例的壓力量值波動，所以會產生強度對應于室內氣體的濃度水平的聲波。這些聲音/壓力波由諸如傳聲器之類的聲波檢測器檢測。

光聲氣體傳感器可具有機械閥，這些機械閥在開啟時使樣氣進入，然后關閉以捕集樣氣并阻擋外部噪聲。閥門具有需要能量來操作和具有會磨損的活動部件從而導致使用壽命有限(通常0.5至3年)的缺點。諸如在美國專利No.4,740,086中描述的氣體擴散元件可用來同時允許氣體擴散和衰減外部噪聲。但衰減程度和氣體擴散的速率是一個折衷。較快的氣體擴散速率通常伴隨著外部噪聲衰減的減少。因此，利用擴散元件(相對于閥門)的光聲傳感器更易受來自環境的通過擴散元件進入的外部噪聲影響。

擴散光聲傳感器的輸出信號易受由來自諸如風之類的氣壓波動、震動、以及聲學現象的外部源的干擾所產生的噪聲影響。為了消除這些噪聲，可引入使外部產生的壓力波衰減的某些手段，同時嘗試使氣體自由地擴散到感測室中以便檢測。例如，通常將氣體相對容易通過其擴散、又使外部壓力波動效果衰減的多孔構件放置在光聲傳感器的入口處。然而，必須使該衰減效應與相應的響應時間變長平衡。在該方面，引入一個或多個聲/壓衰減元件來減小噪聲通常會導致對變化的分析物濃度的響應的相應損失。美國儀表學會(ISA)的易燃氣體檢測器規范要求在最高達5米每秒(m/s)的風速下具有小于12秒的相應響應時間(達滿標值指示的60％)的氣體濃度水平測量穩定性。

美國專利No.7,034,943公開了為用于擴散、非諧振的光聲氣體傳感器(檢測器)設計的聲/壓阻尼元件(SDE)。該SDE將外部的低頻噪聲減小至可接受的水平，同時允許聲光檢測器(傳感器)保持對變化的氣體濃度水平的適當響應時間。一般而言，美國專利No.7,043,943的光聲檢測器包括第一腔，其具有用于在其中進行光聲檢測的傳感器系統。第一腔通過開口與環境流體連通以使氣體分析物能通過開口擴散到第一腔中。美國專利No.7,043,943的光聲檢測器還包括與第一腔連接的第二腔(SDE腔)，以使壓力容易地在第一腔和第二腔之間相等，而且使分析物氣體從第一腔到第二腔的擴散被阻止(或相比于分析物氣體從環境到第一腔的擴散被減緩)。通常，第二腔(例如300mL)顯著大于第一腔(例如1mL)以加強外部壓力波動的衰減。第一腔可例如通過通道連接至第二腔，該通道的形狀被設計成限制分析物氣體通過它的擴散。該通道相比于到第一腔的開口可例如細長且具有小截面積。SDE的缺點包括所需的氣體容積大(尤其對于爆炸性氣體)、樣氣填充大SDE的時間、以及SDE的物理大小/體積。

美國專利No.7,106,445公開了一種利用擴散的光聲氣體傳感器，它具有感測腔和包含聲壓傳感器的聲壓傳感器腔，以使感測腔和聲壓傳感器之間的流體連通限制分析物氣體通過其的流動但不限制光聲信號通過其的傳輸。美國專利No.7,106,445的方法和裝置提供了控制分析物氣體在擴散光聲氣體傳感器內的擴散以例如相比于具有大SDE的傳感器改善該傳感器的響應時間。