专利名称：用于光声气体传感器的增强空腔的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及气体传感器，并且更具体地涉及光声气体传感器。
背景技术：
气体传感器被广泛应用于许多不同的应用，包括商业应用、军事应用以及个人应用。这些气体传感器的灵敏度可以不同，并且用于特殊应用的气体传感器的类型常常根据所需的灵敏度和费用来选择。对于许多商业可获得的光声气体传感器，灵敏度可以部分地基于光声传感器的内部光程的长度。增加光程长度可能会影响这样的传感器的灵敏度和操作。
发明内容
本公开大体涉及气体传感器，并且更具体地涉及光声气体传感器。在一个说明性实施例中，公开了一种光声气体传感器，其增加了在光声池中光束的内部程长，其可以增加光声池中待检测气体对光的吸收。所述光声气体传感器可以包括被配置为发射电磁辐射的电磁辐射源，被配置为接收待检测气体样品的光声池，以及与所述光声池声学耦合的检测器。所述光声池可以包括与所述光声池相邻的光学元件。在某些情况下，所述光学元件的后壁可以限定所述光声池的第一壁。所述光学元件可将所述电磁辐射的至少一部分传输进入所述光声池。所述光声池可成形为使得传输进入所述光声池的电磁辐射在返回到所述光学元件的后壁之前从所述光声池的内表面反射至少两次。在某些情况下，所述光声池可成形并/或被配置为使得传输进入所述光声池的电磁辐射从所述光学元件的后壁反射最少一次。提供前述的发明内容以便大体理解本发明特有的某些创新特征，而并不意图于全面的描述。通过把整个说明书、权利要求书、附图以及摘要作为一个整体可以达到对本公开的全面评价。
通过结合附图对下面本公开的多个说明性实施例的详细描述可以更全面地理解本发明，其中图1是说明性光声气体检测系统的示意图；图2是另一说明性光声气体检测系统的示意图；图3是示出图2所示光声气体检测系统中单一光线的光程的示意图；以及图4-6是其它说明性光声池的示意具体实施例方式下面的描述应当参考图来阅读，其中相同的参考标记遍及多个视图指示相同的元件。详细的描述和图示出了用于说明要求保护的本发明的多个实施例。
图1是可用于检测环境中气体样品浓度的说明性光声气体检测系统10的示意图。 在说明性实施例中，所述光声气体检测系统10可以包括被配置为发射电磁辐射例如光束 26的电磁辐射源12，被配置为接收待检测气体样品的光声池18，以及被配置为检测电磁辐射与所述气体样品之间相互作用(例如吸收)的检测器22。在该说明性实施例中，所述电磁辐射源12 (在某些情况下可以是激光器、发光二极管(LED)、灯或任何其它合适的光源)可以被配置为发射电磁辐射，例如光束沈。在某些情况下，电磁辐射源12可以是准直光源，例如激光器，或者在其它情况下，可以是非准直光源。当提供非准直光源时，所述光束26可利用一个或多个光学元件如透镜聚焦在所述光声池18内的某个位置，但这并不是必需的。尽管不需要，但所述电磁辐射源12可调谐成不同的波长，这有助于识别所述气体样品中的特殊气体种类。当如此提供时，所述光束26可被调谐成待检测气体的吸收线或接近其的波长。可替换地，可以使用具有固定波长(即非可调谐)的电磁辐射源12。在这种情况下，所述电磁辐射源12可选为具有处于待检测气体的吸收线或接近吸收线的波长。在某些情况下，可以使用多个电磁辐射源，每个电磁辐射源提供被调谐成不同气体的吸收线的光的波长。可以预期的是，可以使用任何合适的电磁辐射源12。在该说明性实施例中，所述光声池18用于接收气体样品以进行检测。在某些情况下，所述光声池18可以包含允许气体样品迁移到所述光声池18的空腔17内的膜。所述光声池18可由一个或多个壁限定，例如前壁32、后壁30、以及侧壁27和观，在该说明性实施例中它们共同限定了空腔17。在某些例子中，光声池18可以被配置为向给定体积的空腔17 提供内部光束23的增加的内部程长。在某些情况中，所述光声池18可以成形为使得内部光束23的至少大部分在返回到所述光学元件20的后侧之前从所述光声池18的内壁上反射至少两次。可替换地，或另外，所述光声池18可成形为使得所述内部光束23的至少大部分至少在所述内部光束23第一次返回并到达所述光学元件20后侧时具有大于阈角的入射角。这些只是一些示例。增加空腔17的体积可以显著地减少所述空腔17内的光声信号， 这可以显著地减少所述光声气体检测系统10的信噪比。在许多情况下，所述侧壁，例如侧壁27和观，可以被配置为使得由所述侧壁限定的横截面积从前壁32朝后壁30增大(例如锥形或类似的形状，如图1所示)。在一些实施例中，侧壁27和观中的至少一个被定位成相对于所述前壁32和/或后壁30成非直角，然而，这并不是必需的。如图1所示，侧壁27和观都可以和前壁32以大于90度的角相交， 例如诸如110度。在该示例中，侧壁27和28也可以和后壁30以小于90度的角相交，例如诸如70度。在图1所示的说明性示例中，所述光声池18—般可以是圆锥形形状。然而，可以预期的是，侧壁27和观可以以任何合适的角度与前壁32和/或后壁30相交，并且在某些情况下，可以任意地以不同的相对角相交。进一步，可以预期的是，前壁32和后壁30不必互相平行，甚至可以不是平面的。在一些实施例中，一个或多个壁27、28、30和32中的至少一个可以作为允许气体穿过壁进入空腔17的膜。例如，一个或多个壁27、28、30和32中的至少一个可以包含气体可以穿过的膜。然而，可以预期的是，可以采用其它合适的方法把气体样品提供到所述光声池18中，例如诸如提供一个或多个使气体流通的孔。在图1的说明性实施例中，光学元件20可以限定所述光声池18的前壁32的至少一部分。所述光学元件20可以作为所述光声池18的光学入口，并且可以将光束沈选择性地传输进入所述空腔17。在某些情况下，所述光学元件20可以包含对于电磁辐射源12发出的电磁辐射的至少某些波长(多个)实质上透明的材料，如上所述，可以对应于待检测气体的吸收线。在一个实施例中，光学元件20可以包括被配置为传输位于待检测气体的吸收线的特定范围内或任意地其它期望的范围内的波长带的带通滤波器。当与所述空腔17内的内部光束23相互作用时，尤其是当相对于从所述光学元件 20延伸出的垂直线，入射角位于或大于阈角时，所述光学元件20可以将所述内部光束23反射回到所述空腔17内，而当入射角小于该阈角时，可以将内部光束23传输到所述空腔17 的外面。所述阈角根据光学元件20的材料的折射率(index)、波长带、所述光学元件的形状或方位等因素而变化。通过反射所述内部光束23，可以显著地增加所述光声池18的空腔 17内的内部光束23的内部程长。在某些情况下，所述光声池18可以被配置为在所述内部光束23至少第一次到达光学元件20的后侧(面向空腔17的一侧)时提供大于阈角的入射角。增大入射角度和/或空腔17的内部程长(相对于，例如，圆柱形空腔)可以提高所述空腔17内的声强度和传感器灵敏度。在说明性实施例中，所述检测器22可以被配置为检测所述光声池18内的待检测气体与内部光束23之间的相互作用(例如吸收)。在某些情况下，所述检测器22可以是声学检测器，例如麦克风或其它换能器，其被配置为检测由待检测气体吸收所述内部光束23 所产生的声学信号，如一个或多个压力脉冲。在某些情况下，当在所述光声池18中未检测到气体时(例如，不存在具有位于所述光源12的波长或其附近的吸收线的气体)，所述检测器22可以产生零测量。在某些情况下，检测器22可以安装在光声池18的内部或外部， 以使得所述检测器22与气体样品声学通信。在一些实施例中，检测器22可以利用，例如夹具，来可拆卸地安装在光声池18上，但这并不是必需的。尽管并不是必需的，可以提供控制模块M以为所述光声检测系统10提供控制和 /或处理功能。例如，控制模块M可以连接到检测器22以接收对应于所述内部光束23和气体样品之间的相互作用(例如吸收)的一个或多个输出信号。在某些情况下，所述控制模块M可以被配置为显示从检测器22得到的信息，并且可以被进一步配置为处理这样的信息。例如，控制模块M可以基于所述检测器22的输出信号来确定气体样品中待检测气体的浓度。 所述控制模块M也可以连接到电磁辐射源12，并以调制频率调制和/或脉动电磁辐射从而在所述空腔17内产生一系列的声波或光声信号。可以预期的是，可以任意地利用其他的方法或系统来对所述电磁辐射源12提供所期望的调制。利用调制的光束沈，检测器22可以检测在某些情况下与调制的电磁辐射频率相同的调制声信号或压力波。检测到的声信号的幅度可以用于确定气体浓度。 在操作中，例如，当光束沈具有对应于待检测气体的吸收线的波长时，所述光声池18可以通过光学元件20 (例如带通滤波器)耦合在光束沈中。光束沈可以以调制频率调制。一旦进入到所述空腔17，所述内部光束23可以在空腔17四周被反射并与所述光声池18内的气体样品相互作用，从而在所述空腔17中产生在调制光束沈的调制频率处调制的声信号。利用说明性光声池18，由于入射角(相对于，例如，圆柱形空腔)大于阈角，所述空腔17内的内部光束23的至少一部分可以从所述光学元件20的内表面被反射。检测器22可以通过检测压力脉冲或其它声信号来检测所述内部光束23与待检测气体之间的相互作用(例如吸收)，压力脉冲或其它声信号的幅度与气体样品吸收电磁辐射的数量相关。 由于所述内部光束23的波长可以被所述电磁辐射源12调谐或以其它方式对应于特定的待检测气体的吸收线，气体样品中的特定气体的浓度可以通过检测到的调制声信号的幅度来确定。在某些情况下，并且如图1所示，所述电磁辐射源12和所述光学元件20之间的空间通常没有额外的光学元件。像这样，光声气体检测系统10能够通过从光声池18内的所述光学元件20的后侧反射所述内部光束23来增加所述内部光束23的内部程长(相对于， 例如，圆柱形空腔)，而不需要在所述电磁辐射源12和所述光学元件20之间存在任何另外的光学器件。然而，可以预期的是，在某些实施例中，如果需要的话，可以在该空间提供另外的光学元件。图2是另一说明性光声气体检测系统40的示意图。如图2所示，光源42可以包括用于发射非准直光束四的照明模块13或灯，用于收集光束四并在某些情况下使其重新定向的收集光学器件16，以及光学元件14。在该说明性实施例中，所述内部光束23中的大部分在从所述空腔17外泄之前从光学元件20反射至少一次。在一些实施例中，如图2所示，入射光束四可能包含聚焦到光声池18的空腔17内的焦点上的多条光线，但这并不是必需的。在某些情况下，入射光束四可以被聚焦到所述光声池18的空腔外的焦点上。在一些实施例中，在所述光源42的光学元件14 (例如透镜)和光学元件20 (例如带通滤波器)之间提供有空间，但这并不是必需的。在某些情况下，所述光源42和光学元件20之间的空间有助于在所述光源42和光声池18之间提供热隔离。与前面参考图1的叙述类似，所述光源42和所述光学元件20之间的空间通常没有额外的光学元件，但这并不是必需的。在图2的说明性实施例中，所述光学元件20可以是带通滤波器，例如200纳米半高强度全宽(full width at half maximum intensity)滤波器。然而，这只是一个示例，并不意味着任何方式的限制。可以预期的是，根据应用(例如根据待检测气体的波长)，可以使用其它带通滤波器。可以预期的是，所述光学元件20也可以包含其它光学特征。例如， 所述光学元件20可以是透镜、衍射光栅，或任意地其它合适的光学元件。在一个说明性实施例中，所述光声池18可以具有距离所述光束四的光源，例如灯 13，约9.2毫米(mm)的后壁30。在该示例中，滤光器14可以距离所述光学元件20约2mm， 并且所述光学元件20可以距离后壁30约2. 75mm。在该说明性示例中，所述光学元件20和 /或所述空腔17的前壁可以具有约为2mm的高度“h/’，并且所述空腔17的后壁30可以具有约为4mm的高度“h2”。所述光声池18的长度“1”21可以是，例如，2. 75mm。这些仅是可以用于所述光声检测系统40的示例尺寸。还可以任意地使用任何其它合适的尺寸。图3是示出图2中所示的光声气体检测系统40中单条光线44的光程的部分示意图。如所示，光线44通过光学元件20进入所述光声空腔17，然后从后壁30第一次反射，然后从侧壁观反射，然后从带通滤波器14或前壁32的后侧反射。如所示，由于侧壁观相对于前壁32成非直角，内部光线45在前壁32的入射角可以足以在空腔17内内部地反射内部光线45(即大于阈角)。在从前壁32反射后，内部光线45可以从侧壁27反射，然后从后壁30反射，然后可以通过光学元件20外泄出所述空腔17，这是因为光线的入射角可能不再足以引起内反射(即小于阈角)。可以看到，内部光线45的入射角在第一次到达所述前壁32的后侧或与其相互作用时远大于所述内部光线45第二次到达或相互作用时的入射角。内部光束45从光学元件20的至少一次内反射可以增加内部光束45在光声池18的空腔17内部中的总程长(相对于，例如，圆柱形空腔)。当所述光声池18被提供有上述说明性尺寸时，在所述光声池18内的总程长可以约为13mm，这可以是在光学元件20的后侧没有内反射的情况下的总程长的大约两倍。进一步，该总程长可以是所述光声池18长度“1”21的大约4. 7倍。可以预期的是，所述光声池18可以被配置为提供光声池18长度“1”21大约3倍或更多的内部程长，光声池18长度 “ 1 ” 21大约4倍或更多的内部程长，光声池18长度“ 1 ” 21大约5倍或更多的内部程长，光声池18长度“1”21大约6倍或更多的内部程长，光声池18长度“1” 21大约7倍或更多的内部程长，或任意地其它任何合适的光声池长度“ 1 ” 21的倍数。进一步，尽管图示中的内部光线45在带通滤波器20的后侧仅被反射一次，可以预期的是，所述内部光线45可以被反射多次，这取决于所述光声池18的形状和允许进入所述光声池18的光线的入射角。另外，可以预期的是，对于给定体积的光声池18的空腔17，可以利用其它形状和/ 或配置来增加内部光束的总内部程长。在许多情况下，侧壁，例如侧壁27和观，可以配置为使得由所述侧壁限定的横截面积从前壁32朝后壁30增大。图4-6示出了对于给定体积的光声空腔用于增加内部光束的总内部程长的其它示例光声池。例如，如图4所示，除了侧壁具有抛物线或其它弯曲的形状，光声池60的形状可以与图1-3相似。光学元件62可以与光学元件20相似。图5示出了另一个示例，其示出光声池70，其包含分段线性且不与光学元件78的后壁相平行的后壁72。侧壁74和76和图1_3中的侧壁27和28相似。图6示出了另一个示例，其示出光声池80，其包含为半球形、抛物线、分段线性或任何其它合适形状的后壁82。侧壁与图1-3中的侧壁27和观相似。可以预期的是，侧壁可以是弯曲的、分段线性的或任何其它形状。这些仅是几个举例。还可以预期的是，任意地，其它突出和/或凹入或壁的角度也是可以使用的。还可以预期的是，相对于例如圆柱形光声池，任意地，可以使用其它配置和成形的光声池来增加内反射。在一些实施例中，所述光学元件20的后表面、所述光声池的侧壁和/或后壁可以具有表面处理，其使光线在多个方向分散。例如，所述表面可以包含细微图案，例如凹槽、柱或其它形状。这可以有助于将更多的光保持在所述光声池内。在许多情况下，希望使所述光声空腔的内壁对光的吸收最小。这可以通过合适的材料选择和设计来实现。可以预期的是，任意地，任何前述配置或部分前述配置都可以结合或匹配。通过由此描述的本发明的优选实施例，本领域技术人员将意识到其它实施例也可以获得并在所附的权利要求的范围内使用。然而，本公开在许多方面仅是说明性的。在不超出本发明的范围的情况下，许多细节可以加以改变，尤其是各部件的形状、尺寸和布置方面。当然，本发明的范围限定在所附的权利要求所表述的语言中。
权利要求
1.一种光声气体传感器，包括电磁辐射源(12)，被配置为发射电磁辐射06)；光声池(18)，被配置为接收待检测气体样品，其中所述光声池(18)包括与所述光声池 (18)相邻并被配置为将所述电磁辐射的至少一部分传输到所述光声池(18)中的光学元件 (20)，其中所述光声池(18)被成形为使得传输到所述光声池(18)中的电磁辐射在返回到所述光学元件00)之前从所述光声池(18)反射至少两次；以及声检测器(22)，声学地耦合到所述光声池(18)，所述声检测器0 被配置为检测与所述光声池(18)中气体样品对电磁辐射的吸收相关的声信号。
2.如权利要求1所述的光声气体传感器，其中所述光学元件OO)被配置为仅传输对应于待检测气体的吸收线的波长带。
3.如权利要求2所述的光声气体传感器，其中由所述电磁辐射源(1 发射的电磁辐射具有对应于待检测气体的吸收线的波长。
4.如权利要求1所述的光声气体传感器，其中所述光声池(18)被成形为增加到所述光声池(18)内部的电磁辐射的光程长度。
5.如权利要求1所述的光声气体传感器，其中所述光学元件OO)包括面向所述光声池(18)的后侧；其中所述光学元件OO)的后侧在电磁辐射的入射角大于阈角时反射电磁辐射，并且在入射角小于所述阈角时传输电磁辐射；并且其中所述光声池(18)被成形为使得通过光学元件OO)传输并且进入所述光声池(18) 的电磁辐射的至少大部分至少在电磁辐射第一次返回所述光学元件OO)时具有大于所述阈角的入射角。
6.如权利要求1所述的光声气体传感器，其中所述光声池(18)包括与所述光学元件 (20)相对的后壁(30)，以及一个或多个侧壁(27)，其中所述一个或多个侧壁、2Τ)中的至少一个相对于所述后壁(30)成非直角。
7.如权利要求1所述的光声气体传感器，其中所述光声池(18)包括与所述光学元件(20)相对的后壁(30)，以及一个或多个侧壁(27)，其中所述后壁(30)与所述光学元件 (20)的后壁不平行。
8.如权利要求1所述的光声气体传感器，其中所述光声池(18)包括与所述光学元件 (20)相对的后壁(30)，以及一个或多个侧壁(27)，其中所述后壁(30)和侧壁(27)中的至少一个是弯曲的。
9.一种利用光声气体传感器声学地检测气体样品浓度的方法，该方法包括利用电磁辐射源(1 生成处于一频率的调制光束( )，所述光束06)具有对应于待检测气体的吸收线的波长；将所述调制光束06)的至少一部分选择性传输通过带通滤波器OO)进入光声池 (18)，其中所述光声池(18)被成形为使得到所述光声池(18)内部的调制光束06)从所述带通滤波器OO)的内表面反射至少一次；声学地检测与所述光声池(18)内气体样品对所述调制光束06)的吸收相关的脉动声信号。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括在所述电磁辐射源(1 和所述光声池(18)之间提供没有光学元件的光程。
全文摘要
本发明涉及用于光声气体传感器的增强空腔。描述了用于气体传感器的光声池。在一些实施例中，相对于，例如，常规的圆柱形光声池(18)，所述光声池(18)可以被配置为提供光束(26)在所述光声池(18)中的增加的内部程长。所述光声池(18)可以被成形为通过所述光在所述光声池(18)中的内反射，从而增加所述光声池(18)中待检测气体对光的吸收。一个可以提供这样的增加的内反射的示例光声池(18)可以是通常的圆锥形。
文档编号G01N21/17GK102331401SQ20111021859
公开日2012年1月25日 申请日期2011年6月29日 优先权日2010年6月30日
发明者B·弗里茨 申请人:霍尼韦尔国际公司