电气测量线路、气体检测器及用于测量气体浓度的方法与流程

光声效应是基于气体吸收电磁辐射(其可例如通过激光引起)并且使能量消散由此以热量的形式被吸收的能力。当电磁辐射的吸收是间歇性的和周期性的时，热量发射引起声波，该声波的强度代表气体浓度。

已知可通过使用机电谐振器来检测声波的强度，其中，该机电谐振器对这样声波敏感并且布置于气体中的电磁辐射的路径附近。通常用于该目的的机电谐振器有：例如，布置成用于在其尖叉(tine)中的至少一个上以接收声波的石英音叉。如专利us7,245,380中所描述的那样，通过外部调制信号以机电谐振器的振荡谐振频率对电磁辐射的功率进行调制，或者另外地，通过外部调制信号以谐振器的振荡谐振频率的一半对电磁辐射的波长进行调制。因为由此在其谐振振荡模式之一中引起的谐振器的激励，所以通过谐振器的振荡的振幅来检测声波的强度具有高的灵敏度。最后，通过使用来自谐振器的响应信号与电磁辐射的外部调制信号之间的同步检测来测量谐振器的振荡振幅。图5示出从现有技术得知的这样的气体检测器的架构。其包括开环架构，该开环架构在输入部处馈入有外部调制信号，且该开环架构依次包括：标记为“mod”的调制器51；用于引起定向成朝向气体的电磁辐射束fx的激光单元52；以及标记为“reson”的机电谐振器1，其中机电谐振器1对声波敏感并且产生代表该声波的强度的响应信号。标记为“同步检测器”的同步检测器30同时接收外部调制信号和响应信号，并且生成连续的测量信号，该测量信号的振幅代表吸收来自束fx的辐射的气体的浓度。

但是，为了利用该原理测量气体的浓度，需要用于测量的目标获取时间大于在谐振器中设定的用于振荡所需要的时间，其中，后者的时间等于q/fr，其中q和fr分别是谐振器的品质因数和振荡谐振频率。因此，为了获得高的检测灵敏度，谐振器选择成具有高的品质因数q以及低的振荡谐振频率值fr。因此，用于测量的获取时间是长的。此外，假设谐振器的激励不遵从其振荡谐振频率，因为其根据诸如环境压力和温度的外部条件改变，所以需要在改变外部调制信号的频率的情况下针对一次测量重复几次获取，直到它符合谐振器的振荡谐振频率。因此，测量时间以所执行的获取的次数进行翻倍，从而导致针对单次测量的总长度可能大约为几十秒或者更多。这样的长度可能不符合实际需求，尤其是在环境压力和温度可能迅速变化的情况下，或者是在应用需要迅速检测(例如用于检测有毒气体的存在)的情况下，或者在检测器被循环地用于几种不同气体的情况下。

此外，还知晓通过使用包括在振荡器中的机电谐振器(例如振荡束)来测量磁场。以这种方式，谐振器的激励频率遵从振荡器的谐振频率。谐振器还受到由待测量的磁场与在该谐振器中流动的电流的相互作用而引起的洛伦兹力。通过施加固定的相移和可能的放大，从谐振器的激励信号获得该电流。这种用于磁场测量的原理在li,m.,sonmezoglu,s.和horsley,d.的文章“extendedbandwidthlorentzforcemagnetometerbasedonquadraturefrequencymodulation”，journalofmicroelectromechanicalsystems,2015,24(2),第333–342页中进行了描述。之后，从由洛伦兹力引起的振荡器的谐振频率的偏移量推导磁场的值。假设谐振频率的这种偏移量紧接于施加磁场之后出现，则与先前通过同步检测来测量振荡振幅的情况相比，测量的持续时间极大地减少。但是，这样的磁力计的测量电气线路不适于在待测量参数与在附加激励力中产生未知值的相移的谐振器之间进行相互作用，其中该相移由非零值的待测量参数造成并且施加至谐振器。

文档wo2009/109897涉及光声效应气体检测器，其中，所测量的物理参数是由于测量支路在振荡器上创建的扰动效应而导致的相移。其指出了调整用于引起光声效应的激光束与构成机电谐振器的音叉之间的对齐。

最后，文档us2011/0179872涉及旨在并入针对物理量的传感器(诸如角速度传感器)中的振幅检测电气线路。

从该情况出发，本发明的目的在于利用各个短的测量时间执行测量，尤其是对于气体的浓度的特定测量。

本发明的另一目的在于获得独立于或很少依赖于诸如环境压力和温度的外部条件的测量结果。

最后，本发明的又一目的在于提供低成本且小体积的气体检测器。

为了实现这些目的或其他目的中的至少一个，本发明的第一方面提出了这样的电气测量线路，其包括：

-机电谐振器；

-反馈电气支路，具有：连接至谐振器的检测端子以用于从该谐振器接收响应信号的输入部，以及连接至谐振器的激励端子以用于向谐振器施加激励力的输出部，使得谐振器和反馈电气支路形成以谐振频率工作的振荡器的至少一部分；

-频率测量设备，连接至振荡器以测量谐振频率；以及

-测量支路，具有：连接至反馈电气支路的输出部和输入部，以及配置为根据存在于反馈电气支路的输出部处的激励信号向外部设备发送调制信号的调制输出部。

因此，当外部设备配置为向谐振器施加除了由反馈电气支路施加的激励力之外的附加激励力时，通过频率测量设备检测且由附加激励力造成的谐振频率的偏移量构成外部设备的参数的测量值。

根据本发明，测量支路包括布置在该测量支路的输入部和调制输出部之间的可调移相器，使得由外部设备施加至谐振器的附加激励力的相移能够被调谐。因此，附加激励力可布置成相对于由反馈电气支路供应的激励力处于相位正交。

由于使用了可调移相器，本发明的电气测量线路适于由于外部设备的待测量参数与谐振器之间的相互作用而引入的任意相移。事实上，利用移相器，电气测量线路可单独地适于在待测量参数与谐振器之间引起相互作用的每个外部设备。

此外，本发明的电气测量线路具有双反馈回路架构：电气反馈回路与谐振器形成第一回路，且测量支路与外部设备和谐振器形成第二回路。这样的架构确保了调制信号的频率遵从振荡器的谐振频率。以这种方式，对并入线路中的检测器的响应是谐振频率的偏移量，且即时或几乎即时再现待测量参数的偏差。利用本发明的电气测量线路，可利用非常短的各个获取时间来进行测量。于是，检测器适于要求迅速的测量的应用，例如，适于外部或周围条件可能变化的应用，或者适于检测有毒气体和测量有毒气体的浓度的应用；或者还适于涉及作为一个接一个地循环执行测量的对象的几种不同气体的应用。

最后，根据本发明的电气测量线路可通过使用由缩略词mems指代的批量生产的组件(如集成电路和微电子机械系统)以低成本来实现。具体地，谐振器可为振荡石英元件类型，例如石英音叉类型；或者可为振荡硅元件类型，例如硅音叉类型。

在本发明的替代实施方式中，反馈电气支路可包括串联组合的放大器和移相器，或者可包括锁相回路组件。

有利地，除了通过可调移相器可调谐的相移之外，测量支路可适于还可逆地施加值为pi的附加相移。因此，构成外部设备的参数的测量值的、谐振频率的偏移量可等于分别在具有和不具有等于pi的附加相移的情况下针对谐振频率测量所得的两个值之间的差值的一半。以这种方式，诸如环境压力和温度的外部条件对测量结果的影响被评估为一阶的。

可替代地，为了更精确地消除外部或周围条件对测量结果的影响，电气测量线路还可包括：

-参考机电谐振器；以及

-另一反馈电气支路，具有连接至参考谐振器的检测端子以用于从该参考谐振器接收响应信号的输入部以及连接至参考谐振器的激励端子以用于向参考谐振器施加另一激励力的输出部，使得参考谐振器和所谓的另一反馈电气支路形成独立于连接至测量支路的振荡器、以称为参考频率的另一谐振频率工作的参考振荡器。

在该情况中，测量电气线路还配置为与连接至测量支路的振荡器的谐振频率分开地测量参考频率。之后，构成外部设备的参数的测量值的、谐振频率的偏移量对应于参考频率与针对连接至测量支路的振荡器所测量的谐振频率之间的差值。

本发明的第二方面提出了这样的气体检测器，其包括：

-根据本发明的第一方面所述的电气测量线路，且该电气测量线路可具有以上指出的改进；以及

-可调制激光器，构成外部设备，且测量支路的调制输出部连接至可调制激光器的调制输入部，且该可调制激光器定向成使得：可具有与可调制激光器的波长对应的吸收线且可接收从该可调制激光器发出的辐射束的气体引起声波，并且该声波在谐振器上引起附加激励力。

对于这样的气体检测器，通过谐振频率的偏移量测量的参数是具有在可调制激光器的波长处的吸收线的气体的浓度。

在这样的根据本发明的气体检测器中，可调制激光器可调制从该可调制激光器发出的辐射束的波长或辐射功率。

另外，在根据本发明的气体检测器中，谐振器可包括音叉，且可调制激光器可定向成使得从可调制激光器发出的辐射束垂直于音叉的两个尖叉。因此，辐射束可在音叉的对称平面中经过音叉的两个尖叉之间，或者可另外经过音叉的两个尖叉中的一个尖叉的一侧，其中所述一个尖叉与另一尖叉相对。

最后，本发明的第三方面提出了用于测量气体的浓度的方法，其包括以下步骤：

/1/选择根据本发明的第二方面所述的气体检测器，且用于该气体检测器的可调制激光器的波长对应于气体的吸收线；

/2/布置气体检测器使得从可调制激光器发出的辐射束经过可能包含一定量的气体的区域；

/3/调整测量支路的可调移相器，使得由外部设备施加至谐振器的附加激励力相对于由反馈电气支路施加的激励力处于相位正交；

/4/测量由附加激励力造成的、振荡器的谐振频率的偏移量；以及

/5/由所测量的谐振频率的偏移量推导气体浓度的值。

在步骤/5/中，气体浓度的值可通过使用以下公式由谐振频率的偏移量来推导。

cgas＝[3·q·nx·vx/(4·β·fr)]·δfr

其中，q和fr分别是机电谐振器的品质因数和振荡谐振频率，nx是该机电谐振器的压电转换因数，vx是电磁谐振器的激励电压振幅，以及β是独立于气体的浓度的常数。

在本发明的方法的特定实施例中，步骤/3/可包括以下子步骤：

-在气体检测器的工作期间实时地测量振荡器的频率；以及

-设定测量支路的可调移相器使得振荡器在测量时的频率最大。

最后，当谐振器包括音叉时，可在步骤/3/中设定可调移相器以引起相移，所述相移等于：

其中，且

以及其中，oz是平行于所述音叉的所述尖叉的纵向方向的轴且具有位于所述尖叉的基础部处的原点，h是平行于所述轴oz在所述音叉的尖叉的基础部与从所述可调制激光器发出的辐射束的中心之间测量的第一距离，l是垂直于所述oz轴在所述辐射束的中心与所述音叉之间测量的第二距离，e是平行于所述第二距离l测量的、所述音叉的尖叉的厚度，c是声音在所述气体中的传播速度，fr是所述机电谐振器的振荡谐振频率，τv-t是所述气体的弛豫时间，以及j0和y0分别是第一类一阶贝塞尔函数和第二类一阶贝塞尔函数。

在参考附图进行的以下非限制性实施示例的描述中，将呈现本发明的其他细节和有益效果，在附图中：

-图1是根据本发明的气体检测器的总体图；

-图2对应于图1，是气体检测器的一部分的替代实施例；

-图3a和图3b表示作为图1的气体检测器的部件的外部设备和机电谐振器的两种替代布置；

-图4是根据本发明的改进的气体检测器的总体图；以及

-图5(已经描述)是例如在本发明之前已知晓的气体检测器的总体图。

在这些附图中标注的相同的附图标记指代具有相同功能的相同元件。此外，出于清楚的原因，图3a和图3b中所示的元件的尺寸或元件的部分不符合实际尺寸也不符合实际的尺寸比例。

参考图1，振荡器10包括标记为“reson”的机电谐振器1以及标记为“反馈”的反馈电气支路2。为此，反馈支路2的输入部2a连接至谐振器1的检测端子1b，以从谐振器1接收响应信号，且反馈支路2的输出部2b连接至谐振器1的激励端子1a以向谐振器1施加激励力fx。谐振器1的激励端子1a和检测端子1b以本领域技术人员所知的方式布置在谐振器1上，且这取决于该谐振器的类型和模型。更精确地，反馈支路2在其输出部2b处引起激励信号，当激励信号施加至谐振器1的激励端子1a时，该激励信号导致激励力fx。

反馈电气支路2可包括串联连接的标记为“ampl”的放大器21和标记为“移相”的移相器22。利用反馈支路2的这种实施例，根据谐振器1的特性，可满足用于以谐振频率fr振荡的两个巴克豪森(barkhausen)标准。

根据图2所示的替代实施例，反馈电气支路2可包括锁相回路。这样的回路按照信号传输顺序包括：标记为“相位比较器”的相位比较器23、低通滤波器24、标记为“pi”的比例积分控制器25以及标记为“vco”的电压受控振荡器26。相位比较器23在输入部上从谐振器1接收响应信号，同时从电压受控振荡器26接收振荡信号，使得电压受控振荡器26的振荡频率等于振荡器10的谐振频率fr。

返回图1，附图标记3指代频率测量设备(标记为“频率测量”)并且布置成用于实时地测量谐振频率fr。例如，设备3可连接至反馈支路2的输出部2b以用于测量激励信号的频率。频率测量设备3的若干实施方式是本领域技术人员所知的，因此此处不需要再次描述它们。

测量支路4(标记为“测量”)与外部设备5(标记为“ext”)一起形成用于谐振器1的附加激励支路，其与通过电气反馈支路2直接地施加至谐振器1的激励并行地作用。为此，测量支路4的输入部4a连接成用于接收由反馈支路2引起的激励信号。在测量支路4的输出部4b处，该测量支路4基于激励信号引起调制信号，且该调制信号发送至外部设备5。最后，外部设备5引起附加激励力fpa，除了激励力fx之外，该附加激励力fpa也施加至谐振器1。因为电气测量线路的这种架构，附加激励力fpa以由反馈支路2引起的激励信号的频率被调制。换言之，由测量支路4引起的调制信号的频率遵从由测量支路4和外部设备5组合所得的振荡器10的谐振频率。如稍后在本说明书中解释的，除了激励力fx之外作用在谐振器1上的附加激励力fpa导致如由设备3测量的、谐振频率fr的偏移量。于是，谐振频率fr的这种偏移量是外部设备5的参数的特性并且构成该参数的定量测量值。

为了在气体检测器中使用这样的测量电气线路，外部设备5可以是光声效应气体检测单元。这样的检测单元的工作(在本发明之前已知晓)在本说明书的开始处已经回顾。这样的外部设备包括布置成用于一起形成可调制激光器的调制器51和激光单元52。这引起电磁辐射束fx，其中所述电磁辐射束fx在图3a和图3b上指出并且可在辐射功率或辐射波长方面被调制。当波长被调制时，通过将该激励信号的频率划分为两个，从由反馈支路2引起的激励信号获得调制信号。束fx于是定向成经过谐振器1附近，且当气体存在于束fx的路径上时且当该气体吸收呈束fx的波长的辐射时产生声波。接下来，声波在从电磁辐射被气体吸收的位置传播到谐振器1的对声学超压敏感的表面之后，在谐振器1上引起附加激励力fpa。在图3a和图3b的实施方式中，谐振器1是石英音叉。根据图3a，激光束fx可在音叉的对称平面中定向在音叉的两个尖叉之间，使得它同时在相距两个尖叉中的每一个距离l处经过。如此，声波同时且对称地在音叉的两个尖叉上施加力fpa，其具有更高的互作用效率。对于图3b，激光束fx在相距两个尖叉中的一个距离l处经过音叉的外部。于是，声波实质上仅通过该尖叉与音叉相互作用。在两种情况中，l是要到达谐振器1的声波的传播距离。与调制信号相比，该传播距离对附加激励力fpa产生相位延迟。

返回图1，测量支路4包括标记为“可调移相器”的可调移相器41，且可选地包括标记为“π”并且连接成用于交替地启用或禁用的附加移相器42。当附加移相器42禁用时，仅可调移相器41对于相对于激励信号的调制信号有效。当附加移相器42启用时，相对于激励信号的调制信号的相移起因于可调移相器41和附加移相器42的相应相移贡献量的总和。于是，附加移相器42的贡献量等于pi(π)。

根据t.l.cottreletj.mccoubrey的且标题为“molecularenergytransferingases”，butterworths，伦敦(1961)，第64页的手册，专用于光声效应的相移是φpa＝arctan(2π·fr·τv-t)。在该公式中，fr指代可调制激光器的调制频率，其等于利用测量支路4和外部设备5实现的振荡器10的谐振频率，τv-t是气体的、通过该气体的分子或原子的振荡和转移所得的弛豫时间，以及arctan指代反正切函数。

此外，附加相移起因于声波在束fx的电磁辐射被气体吸收的地点与谐振器1之间的传播。对于图3a和图3b的两个实施方式，该附加相移起因于声波在辐射束fx与音叉的敏感表面s之间的传播。其遵从以下：

其中，且

其中，oz是平行于音叉的尖叉的纵向方向的轴且具有位于尖叉的基础部处的原点，h是平行于轴oz在音叉的尖叉的基础部与辐射束fx的中心之间所测量的距离，l是垂直于oz轴在辐射束fx的中心与音叉的最靠近辐射束fx的敏感表面s中的每一个之间所测量的距离，e是平行于距离l测量的、音叉的尖叉的厚度，c是声音在气体中的传播速度，fr是机电谐振器的振荡谐振频率，τv-t是气体的弛豫时间，以及j0和y0分别是第一类一阶贝塞尔函数和第二类一阶贝塞尔函数。

同时施加至谐振器1的两个激励力fx和fpa之间的相移是：

其中，是由测量支路4施加至激励信号的相位延迟以用于引起调制信号。

因此，两个激励力fx和fpa处于相位正交，其意味着当时，φtotal＝±π/2。具体地，对于图3a的实施方式的音叉，当满足以下时fx和fpa处于相位正交：

其中，且

之后，当两个激励力fx和fpa处于相位正交时，两个力fx和fpa的总和相对于力fx的相移是θ＝arctan(fpa/fx)。然而，通常，附加激励力fpa远小于激励力fx，使得θ＝fpa/fx。

因为附加激励力fpa远小于激励力fx，所以通过附加激励力fpa造成的谐振频率fr的偏移量δfr小，并且根据振荡器扰动理论等于θ·fr/(2·q)。其符合δfr＝[fr/(2·q)]fpa/fx。到第一阶，fr是振荡器10在没有气体的情况下的谐振频率，或者另外地是谐振器1的振荡谐振频率。

因此，在谐振频率处，fx＝k·│x│/q，其中，│x│指代谐振器1的振荡振幅且k是谐振器1的刚度。其符合δfr＝[fr/(2·k·│x│)]fpa。假设声波在形成谐振器1的音叉的尖叉之一或两者处引起附加激励力fpa，则用于谐振频率偏移量的前述公式变为：δfr＝[4·fr/(3·k·│x│)]fpa。

在谐振频率处，激励信号的电压振幅vx等于k·│x│/(nx·q)＝fx/nx，其中，nx是谐振器1的压电转换因数。于是：δfr＝[4·fr/(3·nx·q·vx)]·fpa。

这里，通过声波施加在谐振器1上的附加激励力fpa与待检测的气体的浓度成比例：fpa＝β·cgas，其中，cgas是气体的浓度且β是独立于气体的浓度但是尤其取决于声波在谐振器1上的有效作用表面和束fx的功率的常数。于是，其符合：cgas＝[3·q·nx·vx/(4·β·fr)]·δfr。

对于当沿着oz轴测量时为3.8mm长、且尖叉的厚度e等于0.600mm、尖叉的当垂直于厚度e和轴oz测量时所得的宽度等于0.340mm、并且尖叉之间的间隔为0.310mm的石英音叉，品质因数q可等于15,400，且振荡谐振频率fr可等于32,762hz(赫兹)，且压电转换系数nx可等于9×10^-6c/m(库仑每米)。于是，可调制激光器可具有等于17mw的平均功率，且仅以频率fr以正弦函数在振幅方面被调制。于是，其波长固定且可对应于波数值6490.05cm^-1。当二氧化碳(co2)是待在大气压力被检测的气体且以15％的浓度与水蒸汽混合时，声音传播速度是260ms^-1且二氧化碳吸收峰值的波数是6490.05cm^-1。对于对应于图3a的音叉的实施例，激励信号vx的电压振幅可等于10mv，弛豫时间τv-t可等于0.1s，且常数β可等于8.1×10^-13nmol^-1m³。

当附加移相器42禁用时，可调移相器41设定成引起相移：

其中，且

这种设定可通过数值计算相移的值来执行，这意味着通过针对谐振器1的振荡谐振频率fr、弛豫时间τv-t、距离l和声学波长λ代入其公式已知值，其中该后者等于通过频率fr划分开的、声音的传播速度。接下来，将由此计算的相移值应用于可调移相器41。例如，音叉的振荡谐振频率fr可等于32,762hz，弛豫时间τv-t可等于0.1μs(微秒)，声学波长可等于0.8cm，且音叉的尖叉之间的距离l可等于0.155mm。对于这些数值，获得待施加至可调移相器的等于0.67弧度的相移。

可替代地，可例如利用频率计-计数器测量振荡器的频率。于是，可根据经验设定可调移相器41使得振荡器的频率最大。

基于可调移相器41的这种设定，且当附加移相器42启用时，通过测量支路4插入的相移变成

其中，且

应注意，附加激励力fpa与激励力fx处于相位正交。与激励力fx相比，通过附加移相器42添加的pi弧度的相移具有以下效果：使附加激励力fpa的符号逆转，并且因此还使两个激励力fx和fpa的总和的相移θ的符号逆转。换言之，在利用测量支路4和外部设备5组合所得的振荡器10中发生的有效相移与当附加移相器42禁用时的相反。因此，对于一种且相同的气体浓度，附加移相器42的启用使得偏移量δfr改变成与其相反的–δfr。因此，计算分别在禁用和启用附加移相器42时通过设备3测量的两个谐振频率fr的差值的一半，从而提供偏移量δfr的数值。利用这个方法，能够克服在将相对于用于谐振频率fr的固定值计算的表观偏移量δfr中，由于外部条件的偏差(例如，环境压力和温度的偏差)造成的另外寄生的贡献值。

图4示出针对所获得的气体浓度结果克服诸如环境压力和温度的外部条件的偏差的另一方式。图4的右部分在没有附加移相器42的情况下等同地重复来自图1的组件。振荡器10等同地被复制，并且用于形成参考振荡器10ref。该参考振荡器10ref与可等同于设备3的频率测量设备3'关联。因此，设备3提供如受气体存在改进的、对谐振频率fr的测量值，然而设备3'提供不受气体存在影响的、对谐振频率的测量值。该后者标记为fref且在本说明书的概述部分中称为参考频率。于是，通过减法器31测量或计算所得的差值δfr＝fr–fref可放入公式cgas＝[3·q·nx·vx/(4·β·fr)]·δfr中，并且提供没有由于外部条件的偏差导致的误差的、气体的浓度值。

要理解，与刚才提供的详细描述相比，本发明可通过改进或采用其较次优的方面来再现。然而，回顾可知，与在本发明之前已知的且也利用了光声效应的气体检测器相比，根据本发明的气体检测器另外具有通向谐振器1的反馈电气支路2以施加激励力fx。其还另外具有在输入部处馈送有通过反馈电气支路2引起的激励信号的测量支路4。对于这样的气体检测器架构，为了对附加激励力fpa进行调谐使其相对于激励力fx处于相位正交，本发明在测量支路中引入了可调移相器41。