检测一种或多种气体或气体混合物和/或测量一种或多种气体或气体混合物浓度的方法和系统

摘要

本发明涉及用于检测一种或多种气体或气体混合物和/或用于测量一种或多种气体或气体混合物的浓度的系统和方法，所述系统至少包括：光源、样品空间、基准腔体、及测量腔体。对测量腔体提供要被检测或测量的气体。此外，测量腔体装有压力传感器，用于检测测量腔体中产生的光声信号。压力传感器或者包括门，其运动被非接触测量，或包括传感器，其运动以光学方式测量。

说明书

技术领域

本发明涉及如在所附独立权利要求前述部分中所述的用于检测一种或多种气体或气体混合物和/或用于测量一种或多种气体或气体混合物的浓度的方法和系统。

背景技术

一般来说，使用基于光声现象的检测器进行各种气体和气体混合物及其浓度的检测。当光落入充气的腔体，该腔体包含分压为px的要被分析的气体及分压为pN的承载气体(一般为氮气)时，辐射被气体px吸收。目的是要测量气体x的分压px。在吸收过程之后，能量转换为按一定时间常数τ(例如10^-5s)的热运动。这样，使整个气体的温度每单位时间上升ΔT。温度的上升还引起压力的上升Δp，这可以转换为光声信号或能够用作为光声信号。本申请中使用的光这一术语应当按一般意义理解，如参照电磁辐射、包括例如紫外辐射、可见光、红外辐射、及微波。另外，光束这一术语一般涵盖电磁束，光源这一术语一般包含各种电磁辐射源。

一个典型的光声检测器包括：腔体，可对该腔体提供要被分析的气体或气体混合物；用于允许被调制的或脉动的红外辐射或光进入腔体的窗口；以及压力传感器，其被配置以测量腔体中由所吸收的红外辐射或光产生的压力变化。压力传感器一般是微传声器，其中例如以电容的方式测量薄的聚脂薄膜或金属膜片的运动。光声检测器一般可用来测量或检测红外辐射，但这种检测器一个特别且重要的应用涉及例如相对于空气质量或污染测量或检测气体或气体混合物。

一般来说，光声检测器与光谱仪连接，从而光谱仪能够用来检测气体混合物中各种气体和/或用来测量气体的浓度或分压。如果使用光声检测器而不是光谱仪来测量，则检测器对于被检验的气体必须是可选择的。根据已知的现有技术，光声处理(photoacoustic process)中的可选择性一般通过使用激光器作为其辐射源而实现，该辐射源波长与气体的任何吸收谱线一致。另一种现有技术已知的可选方式是采用与宽带发射器连接的光学滤波器，从而通过选择具有所需的滤波特性的光学滤波器而建立所希望的波长范围。

在基于激光器的测量中典型的问题是其使用麻烦。激光器的另一问题是有限的可用波长范围，从而限制了能够被分析的物质的范围。

光学滤波器典型的问题是滤波质量不佳，光学滤波器就其可选择性来说不是最佳的。图1示出光学滤波器的操作。如果在滤波器区域内有几种气体吸收，则其信号被相加而结果将是这些气体浓度之和。光声信号表示通过滤波器传送的光谱区域。该信号是弱的，因为信号只由被分析的物质光谱的一部分产生。

Kovalyov与Klebleyev(A.A.Kovalyov，N.R.Klebleyev，Resonantoptoacoustic detector in nondispersive gas analyzer scheme，ifraredPhysics & Technology 38，1997，pp.415-421)提出以包含已知压力p0x要被测量气体的腔体代替光学滤波器。根据该出版物中所述的，对光声检测器的测量腔体提供要被分析的气体的样品，目的是对于其气体x的分压px测量包含在其中的可分析的气体混合物。对该腔体提供脉动光束，在测量腔体之前第一光束通过一个空的基准空间，以及在测量腔体之前第二光束通过包含已知压力p0x要被分析的气体的滤波器腔体。光声检测器，特别是其测量腔体，具有这样的配置，使得如果测量腔体中提供的气体样品不包含与滤波器腔体中现有气体相同的气体，则腔体不形成由测量腔体中微传声器检测的压力变化。如果配置到测量腔体中的气体样品包含与滤波器腔体中相同的气体，则光声压力变化即光声信号将由微传声器检测。

由Kovalyov与Klebleyev提出的解决方案中最明显的问题是其不灵敏性，其最好也就等于只包含光声测量腔体的传统方法的灵敏度。其原因在于，与光学滤波器不同，滤波器腔体不能提供100％的吸收。如果借助于接近100％的压力来增加滤波器腔体的吸收，则吸收谱线的宽度应增加，这样削弱了方法的选择性。此外，所采用的压力传感器是电容式微传声器，其中灵敏度由膜片的硬度和膜片运动的电容式测量限制。在电容式微传声器中，膜片运动的某些能量由于气体在膜片与电极之间的进出的交替流动而被消耗。

专利公开文献US 4,373,137还公开了一种用于测量光声压力信号的方法，该信号通过穿过样品腔体的脉动光束在两段测量腔体中产生。相继的测量腔体之间的压力差借助于膜片以电容方式测量，其结果是该方法如上所述灵敏度不良。

此外，专利公开文献US 5,055,688和US 4,682,031描述了包括测量装置的测量系统，所述测量装置包括样品和并排设置的基准腔体，用于把通过其的调制的光束导入测量腔体。该专利公开文献中公开的解决方案的问题也在于，其中使用的压力传感器由于基于膜片运动的电容式测量而不够灵敏。

专利公开文献US 6,452,182进而公开了一种光度计，包括多个相继排布的测量腔体，包含要被检验气体的同位素，这与先前腔体中的不同。所述的解决方案一般目的在于，使得气体各种同位素的测量能够以单个的装置在单个测量中进行。然而，该专利公开文献中公开的该测量系统的问题在于，因上述原因的不灵敏性。

现有技术已知的光声检测器中的另一问题是其对于外部声音的灵敏度。因而，现有技术已知的光声检测器中的气体空间必须密封，即不能使用开放的气体空间，但是用作为样品空间的气体空间必须分开填充要被测量的、一般是气体的样品。

发明内容

本发明的方法和系统的目的确实要消除或至少减轻如上所述现有技术引起的问题。

本发明的方法和系统的另一目的是要提供一种可选择的且灵敏的光声检测器，而不需要光学滤波器。

本发明的另一目的是要提供一种能够抑制由于外部声音所至的干扰因素引起的对测量结果的影响的方法和系统。

为了实现上述目的，本发明的方法和系统的主要特征在于所附独立权利要求的特征部分中所述的内容。

因而，本发明一般涉及一种用于检测一种或多种气体或气体混合物和/或用于测量一种或多种气体或气体混合物的浓度的系统，所述系统至少包括：第一光源、样品空间、以及基准空间，其中能够向所述样品空间配置要被检测和/或测量的气体，所述基准空间与所述样品空间隔离且不包含要被检测和/或测量的气体。此外，本发明一个典型系统包括：测量腔体，其体积为V，向该测量腔体已经配置了要被检测和/或测量的气体或气体混合物。在测量腔体的壁中一般配置至少一个孔，所述孔装设有允许被调制的和/或脉动的红外辐射和/或光进入该测量腔体的窗口。此外，典型的系统包括用于把第一光束从第一光源导入样品空间并进而导入测量腔体的装置，以及用于把第二光束与样品空间隔离地从第一光源或可能的第二光源导入基准空间并进而导入测量腔体的装置。此外，典型的系统包括用于使第一和第二光束脉动的装置。

根据本发明一个实施例的测量腔体包括通过孔彼此连通的两个腔体，对第一腔体提供所述第一光束，对第二腔体提供所述第二光束，以及在所述孔中已经配置门，所述门被配置为响应第一和第二测量腔体之间的压力差而运动，并且测量腔体包括用于非接触测量门的运动的装置。

在根据本发明另一实施例的系统中，测量腔体包括用于检测由吸收的红外辐射和/或光在测量腔体中产生的压力变化的装置，所述装置至少包括配置在测量腔体壁中的孔，配置为响应气体压力而运动的门被配置为与该孔连接，以及用于非接触测量门的运动的装置。

在这种情形下，非接触测量门的运动是指这样的测量过程，即在门上或在机械接合中没有安装一个或多个传感器或与之接触但例如没有在门表面上安装压电传感器时所进行的测量过程。因此，在这种非接触测量中，门上没有安装或与其连接任何这种会干扰和/或缓冲门运动的测量设备。这种非接触测量方法例如包括各种光学测量技术。作为非接触考虑的另一种测量方法是上述的电容式测量，其中电容器板之一适于包括本发明的门。

在这种情形下，样品空间指定义或未定义、隔离或非隔离、密封或开放的空间，可对该空间提供要被检测和/或测量的气体或气体混合物，或在该空间中，要被检测和/或测量的气体或气体混合物能够自由地或以控制的方式转移，以及通过该空间能够提供光束。因而，这种样品空间例如可以是封闭且环境防护的腔体，该腔体至少具有一个配件，诸如龙头或阀门，用于对腔体填充和排放所需的气体或气体混合物。例如样品空间还可以是已经配置有洞的管状空间，所述洞用来为气体提供自由或受控制地进入样品空间。样品空间还可以是虚的且几乎是无限的空间，该空间沿被导入空间的光束的通路形成。向样品空间提供气体是指所有这样的过程，即通过该过程样品空间应包含要被检测/测量的气体或气体混合物。这种过程例如包括向样品空间输送气体，或把至少局部开放的样品空间带到包含要被检测/测量的气体或气体混合物的位置或设施。样品空间例如还可以是用于在过程中，诸如制药过程中使用的气体、气体混合物、液体或固体物质的流动和/或存储的过程管路或容器。样品空间例如还可以是包含燃烧过程的废气的管路或管道，或其可预见的扩展。

在这种情形下，基准空间指与样品空间隔离的定义的空间，其不包含要被检测和/或测量的气体或气体混合物，或按已知的量出现。基准空间例如可包含某些在所希望的波长范围内非吸收的适当的气体，诸如红外范围内的氮气。

在这种情形下，第一和第二光束不是指光束的时间和时间链接顺序，术语第一和第二只是用来相互区分光束。因而，按时间顺序第一光束能够被导入样品空间或基准空间任何之一。

在这种情形下，光束脉动是指光束这样的排序，使得允许光束按已知的时间周期通过样品空间或基准空间进入测量腔体。脉动可同步或异步实现。在同步脉动中，允许第一和第二光束同时通过样品空间和基准空间。在异步脉动中，允许光束交替通过样品空间或者基准空间。在某些应用中，还可以允许光束某些时间同时通过样品空间和基准空间而某些时间交替通过这些空间之一的方式来实现异步脉动。脉动可以电的方式或机械方式实现。因此，例如对于第一和第二光束可使用分离的光源并按所需的速率接通和关断所述光源来实现脉动。例如，可通过控制向激光器的供应电流进行激光器的脉动。脉动还可以使用机械断路器实现，所述断路器能够使从同一个光源向样品空间和基准空间提供的光束脉动。

在本发明的一个系统中，门的表面积小于等于腔体中配置的孔的表面积。在这种情形下，孔面积表示孔中虚的平面表面的表面积。门的表面积表示突出到孔的虚平面表面的方位投影的表面积。因而，例如如果门具有弯曲的表面，则门可能具有大于孔的表面积的实际表面积，但即使在这种情况下，本发明的门的方位投影具有小于孔的表面积的表面积。

在本发明的一个系统中，门至少沿一侧固定到环绕横向门表面的框架结构上。在一种高度优选的情况中，门和框架以硅构成，例如通过在硅盘中形成槽，该槽离开紧固点，把门与形成框架的盘的另一部分分开。

在本发明的一个系统中，用于非接触测量门的运动的装置包括：光学测量组件，其至少包括用于照射门或其一部分的一个或多个光源，以及用于接收从门反射的光，并用于作为光角度和/或平移测量来测量门的运动的一个或多个检测器，或电容式测量组件，其中门或其一部分镀以金属，或门以高度导电的材料制造，且所述测量组件包括配置在门的附近的金属膜片或镀金属的膜片，以及用于测量由门和金属膜片构成的电容器的电容量变化的装置。在某些应用中，所述系统还可以包括光学和电容式测量组件。除了光学和/或电容式测量组件之外，该系统还可包括用于非接触测量门的运动的其它测量组件。

根据本发明的一个实施例，测量腔体包括通过孔彼此连通的两个腔体，对第一腔体提供所述第一光束，对第二腔体提供所述第二光束。所述孔装有适于响应在测量腔体的第一和/或第二部分中发生的气体压力变化而运动的传感器。此外，在测量腔体中或在与其连通中装有用于光学测量传感器运动的装置。

在本发明的一个系统中，测量腔体至少包括一个孔，从而测量腔体是可排空的，且通过该孔可对测量腔体配置至少一种按已知分压要被检测和/或测量的气体。

此外，根据本发明一个实施例的系统包括用于从由第二光束产生的光声信号减去第一光声信号的装置。根据本发明一个实施例的系统包括用于测量光声信号的振幅的锁相环。

在本发明的一个系统中，测量腔体被配置为Helmholtz共振器。

在本发明的一个系统中，第一和第二光束被配置为以同一个光源产生。

在本发明的一个系统中，第一和第二光束被配置为以分离的光源产生。

在本发明的一个系统中，样品空间被配置为对于环境至少是部分开放的，从而要被检测和/测量的气体能够自由通过而进入样品空间。根据本发明一个实施例，样品空间包括管状空间，其装设有孔，供气体自由或受控制通过而进入样品空间。根据本发明的一个实施例，样品空间是虚的且几乎是没有限制的空间，其沿被导入该空间的光束通路进展。这种到其中要被检测和/或测量的气体能够找到自由通路的样品空间获得的优点在于，为了使要被检测和/或测量的气体通过而进入样品空间，不需要特别的配置，因为只要使样品空间到包含或预期包含要被检测和/或测量的气体的位置即可。带有这种完全或部分开放的样品空间的系统，例如能够在测量设备或警告装置中使用，这些设备和装置用来分析呼吸或室内空气或从液体或固体物质蒸发的气体。

根据本发明的一个实施例，样品空间是过程管路或容器，其用来流动和/或存储诸如在制药过程这样的过程中使用的某些气体、气体混合物、液体或固体物质。因此，本发明的系统和方法可在所讨论的过程及其管理、控制和/或监管中涉及的测量和监视中使用。

根据本发明的一个实施例，样品空间是包含燃烧过程的废气的管道或管路，或其可预见的扩展。因此，本发明的系统和方法能够用来管理、控制和/或监控燃烧过程，或例如用于监视和测量排放。

在本发明的一个系统中，配置到基准空间的是这样的气体或气体混合物，其既不包含要被测量或检测的气体，也不引起在所需波长范围内的光束的吸收。这种气体一个明显的例子是氮气。

在本发明的一个系统中，系统包括彼此隔离、包含各种气体的测量腔体，并包含适配于响应气体压力变化而运动，以及用于交替移动测量腔体的装置，以接收第一和第二光束用于实现测量的传感器装置。

在本发明的一个系统中，所述系统包括几个彼此隔离的测量腔体，其包含各种气体并包括适于响应气体压力变化而运动的传感器，所述测量腔体被配置得使第一和第二光束通过所有测量腔体而不移动测量腔体。

在本发明的一个系统中，测量腔体被相继配置。

在本发明的一个系统中，测量腔体被并排配置，并且所述系统包括用于将第一和第二光束分为相等光束并用于把这些光束导入测量腔体的装置。

根据本发明的一个实施例的用于检测一种或多种气体或气体混合物或用于测量一种或多种气体或气体混合物的浓度的方法，该方法至少包括以下步骤：

-把第一光束导入样品空间，向该样品空间配置要被检测的气体和/或要被测量的气体混合物，用于对于其分压px测量其所需的成分x，并进而导入与样品空间隔离的测量腔体，向该测量腔体配置要被检测和/或测量且处于已知压力p0x的气体，且所述测量腔体包括通过孔彼此连通的两个腔体，对第一腔体提供所述第一光束，向腔体之间的该孔配置门，所述门配置为响应第一和第二测量腔体之间的压差而运动，

-把第二光束导入与样品空间隔离的基准空间，并进而导入与基准空间隔离的测量腔体，使得第二光束至少在测量腔体的上游总是与样品空间隔离，并到达测量腔体不同于接收第一光束部分的一部分，

-使第一和第二光束脉动，使得由此产生用于配置在测量腔体中的光声压力传感器的光声信号，

-通过非接触测量所述门的运动来检测光声信号，所述信号用于检测气体x和/或用于测量气体混合物中气体的浓度或分压px。

根据本发明的一个实施例的用于检测一种或多种气体或气体混合物或用于测量一种或多种气体或气体混合物的浓度的方法，该方法至少包括以下步骤：

-把第一光束导入样品空间，已向该样品空间配置要被检测的气体和/或要被测量的气体混合物，用于对于其分压px测量其所需的成分x，并进而导入与样品空间隔离的测量腔体，已向该测量腔体配置要被检测和/或测量且处于已知压力p0x的气体，所述测量腔体包括通过孔彼此连通的两个腔体，对第一腔体提供所述第一光束，向腔体之间的孔配置传感器，所述传感器配置为响应第一和第二测量腔体之间的压差而运动，

-把第二光束导入与样品空间隔离的基准空间，并进而导入与基准空间隔离的测量腔体，使得第二光束至少在测量腔体的上游总是与样品空间隔离，并到达测量腔体不同于接收第一光束部分的一部分，

-使第一和第二光束脉动，使得由此产生用于适配在测量腔体中的光声压力传感器的光声信号，

-通过光学测量所述传感器的运动来检测光声信号，所述信号用于检测气体x和/或用于测量气体混合物中气体的浓度或分压px。

根据本发明的一个实施例的用于检测一种或多种气体或气体混合物或用于测量一种或多种气体或气体混合物的浓度的方法，所述方法至少包括以下步骤：

-把第一光束导入样品空间，已向该样品空间配置要被检测的气体和/或要被测量的气体混合物，用于对于其分压px测量其所需的成分x，并进而导入与样品空间隔离的测量腔体，向该测量腔体配置要被检测和/或测量且处于已知压力p0x的气体，所述测量腔体体积为V，并对该测量腔体的壁配置至少一个孔，带有允许第一光束进入该测量腔体的窗口，且所述测量腔体包括用于通过吸收的红外辐射和/或光，检测测量腔体中产生的压力变化的装置，所述装置至少包括

-配置在测量腔体的壁中的孔，配置门与该孔连接，所述门配置为响应气体压力变化而运动，以及

-用于非接触测量门的运动的装置；

-把第二光束导入与样品空间隔离的基准空间，并进而导入与基准空间隔离的测量腔体，使得第二光束至少在测量腔体的上游总是与样品空间隔离，并通过所述窗口或配置到测量腔体的分离的第二窗口而到达测量腔体，

-使第一和第二光束脉动，使得由此产生用于配置在测量腔体中的光声压力传感器的光声信号，

-通过使用以上确定的装置进行测量来检测光声信号，并使用检测到的光声信号用于检测气体x和/或用于测量气体混合物中气体的浓度或分压px。

在某些应用中，测量腔体只包含要被测量的气体x。在某些实施例中，测量腔体可能优选地按已知量也包含某种其它气体。

在本发明的一个方法中，在测量之前排空测量腔体，随后向其提供在已知压力p0x下要被检测和/或测量的气体。这使得能够切换在测量腔体中存在的气体或多种气体，从而对于测量几种不同的物质能够使用同一个光声检测器。

在本发明的一个方法中，第一和第二光束通过单个光源产生。使用单个光源获得的优点在于，第一和第二光束在强度上必定是相等的。

在本发明的一个方法中，通过分离的光源产生第一和第二光束。通过分离的光源获得的优点在于，在某些应用中，检测器就其机械结构而言比较简单，因为对于脉动不需要分离的断路器。使用一个光源或两个光源之间的选择必须按具体应用的要求作出。因此，例如在一个具体应用中如果需要结构上简单的解决方案，就选择使用两个分离的光源。相应地，当应用进行的测量要尽可能精确和可靠是特别重要时，就选择使用单个的光源。

在本发明的一个方法中，该方法用于同时检测几种气体，对测量腔体提供受到检测的气体混合物，并通过调节气体的已知分压确定一种或多种气体的检测阈值。

在本发明的一个方法中，该方法用于同时检测几种气体，通过为每一种要被测量的气体提供与其它腔体隔离的测量腔体，在时间上相继测量各种气体，所述测量腔体包括光声压力传感器，并对该测量腔体配置要被测量的气体，且其中测量腔体被配置为接收第一和第二光束，用于实现时间上相继的测量。

在本发明的一个方法中，该方法用于同时检测几种气体，通过为每一种要被测量的气体提供与其它腔体隔离的测量腔体，同时测量各种气体，所述测量腔体包括光声压力传感器，并对该测量腔体配置要被测量的气体，并通过按一种使得第一光束和第二光束穿过测量腔体的配置设置测量腔体。

在本发明的一个方法中，至少某些测量腔体被一个接一个地配置。通过向一个接一个配置的测量腔体中提供不同气体或气体混合物，并通过配置通过这些相继腔体的第一和第二光束的通路，能够通过单个测量系统，一般是在一次测量中测量和/或检测几种不同的气体。

在本发明的一个方法中，至少某些测量腔体并排地配置，第一光束和第二光束被分离为被引导到测量腔体中的相等的光束。这是另一种解决方案，其通过单个测量能够测量和/或检测几种不同的气体。

在本发明的一个方法中，采用的测量腔体使用Helmholtz共振器，这增加了共振频率的压力脉冲。

附图说明

现在将参照附图更为详细地说明本发明，其中

图1示意性示出使用现有技术的光学滤波器的滤波过程，

图2示意性示出本发明的测量方法的一个实施例，

图3示意性示出光声信号对要被测量气体的分压px的比例，

图4示意性示出本发明的多成分分析器的一个实施例，

图5示意性示出借助于连接通道构成Helmholtz共振器的测量腔体，

图6示意性示出变化频率信号的发展状态，采用的测量腔体包括传统的腔体，且测量腔体设计为Helmholtz共振器，

图7示意性示出本发明中使用的压力传感器的一个实施例，

图8示意性示出本发明中使用的压力传感器的一个实施例，

图9a-9c示意性示出本发明中使用的且配置为响应压力变化而运动的传感器的一个实施例，

图10示意性示出本发明的测量腔体的一个实施例，

图11示意性示出本发明的测量腔体的一个实施例，

图12示意性示出本发明的测量配置的一个实施例，

图13示意性示出本发明的测量配置中使用的光源配置的一个实施例，

图14示意性示出本发明的测量方法的一个实施例，以及

图15示意性示出本发明的测量方法的一个实施例。

具体实施方式

图2示意性示出本发明在其一个实施例中的系统和测量方法。图中描述的系统包括能够产生测量中使用的光束的光源S。断路器2使对于第一光束4和第二光束6的光束脉动，光束4和光束6借助于球面镜8被收集并被导入样品腔体A，该腔体的功能是作为样品空间并具有要被分析的气体混合物，气体混合物包含以分压px要被测量的气体，以及光束4和光束6被导入作为基准空间的基准腔体B。该测量系统被配置得使第一光束4穿过样品腔体A，并进而由此进入光声测量腔体。腔体A和B使它们的末端以窗口10封闭，该窗口透过测量中使用的光束，但同时把样品和基准腔体与周围环境连同腔体壁隔离。

所示腔体A和B的每一个例如可由金属管构成，其带有必要的阀门(例如一个或几个阀门)，用于排空或充填腔体。此外，样品腔体A可由金属管制成，其带有几个洞，用于为样品气体提供进出样品腔体的自由通路。测量腔体C也带有用于使测量腔体充填和最终排泄的装置。

如图中所示，在光声测量腔体C中配置平面镜12，其偏转第一和第二光束的传播方向达一个延伸通路长度。此外，在光声测量腔体C中配置用于检测在腔体中发生的压力变化的压力传感器14。图7和8中更为精确地描述了可行的压力传感器14的示例性实施例。

本发明的示例性方法不使用或不需要传统的光学滤波器，而是以已知压力p0x出现在测量腔体C中的要被测量和/或检测的气体或气体混合物x，使得光声测量腔体起到对气体x可选的检测器的作用。该可选的检测器用作样品空间A的常规透射测量法。本发明的测量配置与Kovalyov与Klebleyev的专利公开文献中描述的方法相似，其中第一腔体用作借助于已知压力p0x的可选滤波器，而第二光声腔体包含要被分析的气体混合物，从该气体混合物测量分压px。这样，在本发明中，对于改进选择性和灵敏度，腔体具有反向作用。以下理论是对此最好的解释。如图2所示的光声测量腔体C吸收功率

$>>>(>1>)>>->->->->>I>A>>=>>\int >0>\propto >>>I>0>>>(>v>)>>>(>1>->>e>>->>p>>0>x>>>lEx>>(>v>)>>>>)>>dv>,>>>$

其中E_x(v)表示样品x的吸收光谱，而v是波数。光声信号的振幅与I_A成比例。由于 $>>>I>0>>>(>v>)>>=>>I>00>>>(>v>)>>>e>>->>p>x>>>LE>x>>>(>v>)>>>>,>>>其中I$₀₀(v)表示辐射源的功率，结果将是

$>>>(>2>)>>->->->->>I>A>>=>>p>>0>x>>>l>>\int >0>\infty >>>I>00>>>(>v>)>>>E>x>>>(>v>)>>dv>->>p>x>>>p>>0>x>>>Ll>>\int >0>\infty >>>I>00>>>(>v>)>sup>>E>x>2sup>>>(>v>)>>dv>,>>>$

其中L是光束在样品中穿过的距离，而I是光束在测量腔体中穿过的距离。

如果 $>>>e>>->>p>x>>>LE>x>>>(>v>)>>>>\approx >1>->>p>x>>>LE>x>>>(>v>)>>>>以及$ >>1>->>e>>->>p>>0>x>>>>lE>x>>>(>v>)>>>>\approx >>p>>0>x>>>>lE>x>>>(>v>)>>.>>>就是说，方程式(2)可表示为$$

       (2′)        I_A＝常数-p_x常数′

(参见图3)。进入基准腔体B的信号振幅为这是从方程式(2)获得的，因为在腔体中不存在样品x时px＝0，但其可能包含某些其它气体(例如N₂)。如果通过腔体A的辐射的信号是从通过腔体B的辐射的信号中抽取的，则差分信号将具有振幅

$>>>(>3>)>>->->->->>I>>B>->A>>>=>>p>x>>>p>>0>x>>>L>l>>\int >0>\infty >>>I>00>>>(>v>)>sup>>E>X>2sup>>>(>v>)>>dv>>>$

在图2的系统中，如果光束反相，则压力传感器传递差分信号。差分信号的振幅借助于锁相环(PLL)测量。

本发明的系统和方法提供了若干优于现有技术解决方案的好处。例如，关于使用分光镜方法可获得的选择性，该测量方法具有非常好的选择性。如果腔体A包含处于分压px的样品x以及处于分压py的样品y，且测量腔体C也只包含处于压力p0x的样品x，通过腔体A的辐射在测量腔体C中产生光声信号，其振幅为

(4)

$>>>I>A>>=>>\int >0>\infty >>>I>00>>>(>v>)>>[>1>->L>>(>>p>x>>>E>x>>>(>v>)>>+>>p>y>>>E>y>>>(>v>)>>)>>]>>p>>0>x>>>>lE>x>>>(>v>)>>dv>>>$

$>>->>p>y>>>p>>0>x>>>Ll>>\int >0>\infty >>>I>00>>>(>v>)>>>E>x>>>(>v>)>>>E>y>>>(>v>)>>dv>>>$

这样，差分信号振幅为

(3′)

$>>>I>>B>->A>>>=>>p>x>>>p>>0>x>>>Ll>>\int >0>\infty >>>I>00>>>(>v>)>sup>>E>x>2sup>>>(>v>)>>dv>+>>p>y>>>p>>0>x>>>Ll>>\int >0>\infty >>>I>00>>>(>v>)>>>E>x>>>(>v>)>>>E>y>>>(>v>)>>dv>>>$

$>>\approx >>p>x>>>p>>0>x>>>Ll>>\int >0>\infty >>>I>00>>>(>v>)>sup>>E>x>2sup>>>(>v>)>>dv>>>$

因为

此外，样品空间A能够被设计为图10中所示的开放结构，并甚至没有壁。这种情况下，该装置测量px，px正比于位于从辐射源向测量腔体C行进的光束通路中的样品x中的分子数目。

测量结果不受样品空间A中出现的压力、温度、其它气体及其波动的影响。

另一观察结果是该测量方法与传统的 $>>\Delta >>>p>x>>min>>\approx >>l>L>>\Delta >>>p>x>>min>>>>(传统)相比，改善了其灵敏度。这样，相对于传统的光声方法，检测阈值\Delta p$_x^min大约降低因子I/L。

本发明的方法使得能够提供一种警告装置，从而能够同时检测几种气体。如果光声测量腔体C以气体混合物填充，则气体混合物的分压和为方程式(3)得出的信号振幅将为

$>>>(>5>)>>->->->->>I>>B>->A>>>=>>\Sigma >i>>>p>i>>>p>>0>i>>>Ll>>\int >0>\infty >>>I>00>>>(>v>)>sup>>E>i>2sup>>>(>v>)>>dv>,>>>$

其中p_i是腔体A中各气体的分压，而E_i(v)是气体i的谱。分压p_0i可用来对所述气体调节警告界限。

相应地，能够实现一种多成分分析器：

a)按时间顺序测量多种成分。对每一气体i提供其自己的腔体C_i，该腔体包含处于已知分压p_0i的气体i。腔体C_i按时间顺序C₁，C₂，C₃，...被循环(移动)到测量位置。信号的振幅为

$>>>(>6>)>>->->->->>>I>\prime >>>B>->A>>>=>>p>i>>>p>>0>i>>>Ll>>\int >0>\infty >>>I>00>>>(>v>)>sup>>E>i>2sup>>>(>v>)>>dv>,>>>$

其中p_i是腔体A中要被测量的第i个气体成分的分压。腔体C_i或者通过在回转盘(“旋转器”)上旋转设置在测量位置中，或者借助于线性运动设置在直线板上。

b)同时测量多种成分。腔体C_i按顺序设置，使得光束穿过测量腔体(参见图4)。压力传感器14P₁，P₂，P₃，...对于每一气体产生信号。另一可能是把测量腔体C_i并排放置，并把通过腔体A和B的光束划分为相等的光束，这些相等的光束被光学导入到测量腔体C_i。划分可借助于光束分光器无辐射损失地实现。

为了进一步改进灵敏度，测量腔体C可被设计为Helmholtz共振器(参见图5)。如图中所示，测量腔体C包括两个腔体29和22，它们通过长度t、截面积为A的通道24连接。如图中所示的测量腔体，例如可通过在单块工件中加工腔体C的多个部分并在各部分之间钻出通道20来制成。

共振

$>>>(>7>)>>->->->->>f>0>>=>>>c>0>>>2>\pi >>>>>>2>A>>>tV>0>>>>>>$

其中c₀表示声音在气体中的速度，可根据图6通过将断路器的频率调节到f₀而利用所述共振。

此外，后壁可以是用于使信号加倍的反光镜。此外，如果电容式压力传感器由更灵敏的传感器，例如在图9a-9c中以及本申请人较早的专利申请PCT/FI2003/000684中更为详细描述的门代替，也具有明显的共振，也可将该共振调节到f₀。我们把这一方案称为双共振传感器。双共振通过乘法器100可易于用来增加传感器的响应。总的来说，新的方法能够提供相对于传统方法大约1000倍的传感器响应。

一个好处在于，本发明的系统和方法的定标相当直接并能够自动进行。由于断路器是旋转的，腔体A使其窗口被覆盖以提供信号振幅(参见方程式(2))。

其中变化只由p_0x和I₀₀(v)引起。这些量值也以常数′出现，因而定标保持角度系数不变(参见图3，方程式(2’))。此外，如果p_0x＝0，则信号总是0。每一要被测量的成分只需要一个定标值I_A(方程式(8))。为了比较，在这种情形下，可以注意到，现有技术典型的传感器需要被检验的气体中出现的所有那些物质的谱，虽然甚至不希望测量它们的浓度。

该方法还有这样的功能，即填充腔体A达到压力p_0x，并在测量腔体C中具有要被测量的气体，即px和py。

现有技术的已知气体测量系统，诸如本申请之前部分中出现的测量系统的精确性，也可通过以本发明的光学测量系统代替现有技术对门的运动的电容式测量而得到改进。光学测量对门(或膜片)的运动干扰很小。根据本发明，运动可以或者借助于门(或膜片)的角度，或者借助于在门(或膜片)处某点的平动位移而被测量。

图7和8示意性并通过例子示出在本发明的组件和方法中可行的压力传感器的某些实施例。

图7示出基于角度测量的测量配置，该配置利用由激光器30提供的光学指示器、包括双传感器32的检测器。除了用作传感器的门34之外，测量组件包括作为光源的激光器30、用于聚焦光束的光学透镜(图中未示出)、以及双传感器32，其用于接收和测量双传感器32的从门34反射的光束v。因而，双传感器包括第一检测器和第二检测器。该组件以这样的方式实现，使得光束v的焦点位于双传感器上。图7示出了响应在对其施加压力变化而运动的门。以下参照图9a-9c更为详细描述门的设计。在某些实施例中，门还可以由微传声器、薄的聚脂薄膜或金属膜片代替，其响应对其施加的压力变化而运动。门优于更传统的膜片的优点在于，门对压力波动有较高的灵敏度。

图7中所示的角度测量使其角位移Δα转换为由双传感器32测量的平移运动Δy＝α2Δα。角度Δα是门被激光束照射的部分内的平均角位移。

由图7中所示的光学指示器提供的优点例如包括其简单的设计、对门或膜片运动无干扰，以及双传感器抑制激光器光的光子噪声这样的事实。优选地，门上激光器光点的尺寸大。

图7中所示门或膜片的运动还可作为平移测量而被测量。除了门之外，与图7中所示组件相同的方式，这种组件包括作为光源的激光器、双传感器、以及第一光学透镜。然而，平移测量组件将不同于图7中所示的组件，不同之处在于所述第一光学透镜将被用于把光束焦点对准到处于静止或未运动状态的门的表面上。该组件还包括第二光学透镜，用于聚焦从门反射到双传感器的光束。光源、光学透镜、以及双传感器在平移测量中将这样配置，使得当门/膜片静止时，在达到门与从其反射的光束之间有90度的角度。平移测量提供的优点例如在于，激光束聚焦于门的表面上，而且门可以有不良的光学质量。

根据本发明的一个实施例，门(或膜片)的运动还可借助于干涉计以光学方式测量。图8描绘了一种可用于本发明的用于使用所谓Michelson干涉计测量门(或膜片)的运动的测量配置。如图中所示，该配置除了门34本身之外还包括：用作光源的激光器30、用于聚焦激光束的光学透镜(图中未示出)、用于对于门34和基准反光镜38划分激光束的光束分光器36，即半透明反光镜或半反射器、以及用于接收来自光束分光器36的激光束的基准反光镜38和三传感器40。在该配置中，激光束在门和基准反光镜上大约都处于焦点。调节基准反光镜38使得垂直于纸面的3/4干涉线进到由三个传感器组成的三传感器40上。当门运动而x变化时，干涉线横向运动通过检测器横向运动。在x变化λ/2时干涉线跨过一个线空间(line space)，其中λ表示激光器30的波长。

如果门运动小于＜λ/4，则上述测量配置中的三传感器可由类似于光学指示器中使用的双传感器代替。

图8中所示的干涉测量的好处例如包括：响应高度的线性，即便门(或膜片)的运动覆盖几个波长。绝对精确性高，因为干涉信号的形状精确地符合1/2(1+COS(2πz/D))形状。此外，激光器能够几乎如同一个圆点聚焦到门的测量点上，不会对结果有衍射影响。激光器功率I₀₀的变化也不会影响测量结果的值。

当彼此比较图7中所示的光学指示器与图8中所示的干涉计时，可以得出如下结论：两种测量配置都提供了关于测量精确性和灵敏度本质上的改进。干涉测量某种程度上甚至比光学指示器更加精确，但同时该测量配置稍微复杂些。因此，必须考虑必需的灵敏度，并根据具体的应用和情形选择所采用的测量方法。

如图7和8中所示的压力传感器，例如，通过提供带孔的测量腔体C，可与图2，4，5，10，12，14和15中描述的测量配置连接，压力传感器与所述孔紧密配合。当连接压力传感器之后测量腔体C填充气体时，压力传感器的内部也将被填充。当在测量腔体C中存在的气体在测量过程期间受到压力波动时，门(或膜片)运动，可使用图7和8中所示的光学测量配置测量门(或膜片)的运动。

在某些实施例中，门(或膜片)运动的无接触测量例如可以电容方式实现，而不是诸如图7和8中所示的光学测量那样的光学测量。然而，光学测量提供了更好灵敏度的好处，因为门或膜片由此不会受到阻碍或阻止其运动的力。

图9a-9c示意性的和以示例的方式示出了根据本发明的一种硅制成的门，其功能是作为压力传感器。压力传感器包括用作门框架或边框的板状框架元件，以及由槽与板状元件分开的门。L表示门的横向尺寸，h是其高度，d是其直径，而Δ是槽的宽度。

当使用根据图9a-9c中所示的实施例的门传感器时，必须在门和壁之间优选地形成一个尽可能窄的间隙。测量腔体通过该间隙泄漏，其结果是传感器具有由门间隙的面积确定的较低的阈值频率f_out，

$>>>f>out>>\propto >>v>0>>>a>>V>0>>>>>$

另一方面，在压力传感器的腔体与测量腔体C之间优选地提供一个小洞，其平衡腔体之间的缓慢的压力变化，且所述洞可因此被设计为如之前所述的、门和门框架之间的间隙。门设计的优化已在上面引述的申请人的较早专利申请PCT/FI2003/000684中更为详细地描述，其内容和说明书在此结合作为本申请说明书的一部分。

图10示意性示出本发明测量腔体的一个实施例，其在本发明的系统和方法中是可行的。图10中描述的测量腔体不同于例如图2中所示的测量腔体，区别在于测量腔体C由彼此以壁分开的两个腔体52和52’组成。腔体50和50’实际上彼此相同，即按照尺寸和形状彼此匹配。换言之，对于第一光束和第二光束的每一个有一个单独的腔体。已在两个腔体中配置压力传感器14，例如图7和8中所示的压力传感器。以如图2中所示腔体C相同的方式，在每一腔体52和52’中配置要被测量的气体。如图10中所示，腔体52和52’在其前部分包括允许第一和第二光束进入腔体52和52’的窗口。还可以在前部分配置两个允许光束进入腔体的分离的窗口。如图中所示，腔体52和52’在其背壁包括用于回反射进入腔体的光束从而延伸腔体内被光束覆盖的距离的反光镜。

图11示意性示出本发明测量腔体的另一实施例，其在本发明的系统和方法中是可行的。在图11所示的测量腔体中，测量腔体被壁50划分为两个腔体52和52’，这与图10中所示的测量腔体的方式相同。这样，腔体52和52’彼此相同，即它们在体积并优选地是在形状上相等。图11中所示的测量腔体，就监视和/或测量在腔体中出现的压力变化来说，不同于图10所示的测量腔体。如图11中所示，壁50装设有用来彼此连接腔体52和52’的洞，从而测量腔体可被看作是包括两个子腔体的单个腔体。壁50中的洞装有门34，例如类似于图7，8或9a-9c中所示的门。

在测量之前，一般处于已知压力p_0x的要被测量/检测的气体或气体混合物被配置在测量腔体中，气体或气体混合物以相同的压力出现在每一腔体52和52’中。因此在通常情形下，即当气体没有被测量/检测，或当在样品空间中不存在要被测量/检测的气体或气体混合物时，在腔体52和52’之间没有压力差，且门是静止的。在测量腔体中，即在腔体52和/或52’中，随着压力变化，例如响应导入到腔体的光束，腔体52和52’在它们之间形成压力差，门34即运动。

根据图11中所示，为了检测门34的运动，能够检测或测量门34运动的光学测量配置60被配置在测量腔体中，即与图中所示的腔体50连通。作为可用的光学测量配置，其能够使用例如参照图7和8描绘和描述的配置。这样，测量腔体52装设有由窗口10闭合的孔，通过该窗口在测量中使用的激光束s可被导入和导出腔体。

图12示出一个实施例，其中已通过样品空间(A)和基准空间(B)的光束，借助于球面镜8被导向或偏转进入共同的测量腔体(C)。

图13示意性示出产生在测量配置中适用的光束的一个实施例。图13的解决方案包括两个分离的光源S₁和S₂。可用的光源S₁和S₂例如由激光器提供。如果光源被交替地调制，则可省略断路器。

图14示意性示出实现本发明的系统和方法的一个示例性实施例。如图14中所示，样品空间A对于其周围环境完全开放，以便对于要被测量/检测的气体或气体混合物提供进出样品空间的完全自由的通道，对于测量过程不必分开填充样品空间。开放的样品空间在各种警告和监视应用中特别适用。关于开放的样品空间的使用的示例性应用，例如包括永久性安装的或个人的、用于检测气体或气体化合物的移动警告装置。此外，开放的样品空间可在各种工业生产过程中使用。

图15示意性示出图2的配置的一个实施例。如图15中所示，供应管路70延伸到样品空间A，其连接到工业过程的过程管道，诸如气体管线或包含气体的管路。沿供应管路70，要被分析的气体或气体混合物可传送到样品空间，以便检测所需的气体或气体混合物，和/或测量其浓度。还可以向样品空间A连接返回管路72，沿该管路传送到样品空间A中的气体可从样品空间释放。被分析的气体进入样品空间的通道，例如可借助于气体作用在实际过程管道或管路中的气体的压力或运动提供，气体沿供应管路进入样品空间迁移，并进而沿返回管路从样品空间出来。供应管路70和返回管路72还装有阀门74，用来调节气体/气体混合物进入样品空间和/或从样品空间出来的流率。在某些应用中，或者供应管路或者返回管路可配有用于提高气体/气体混合物的流量的泵。

本发明的系统和方法可用于多种应用和目的。这方面引人注意的应用包括工业测量，诸如在制药、化学、处理、以及林业、过程控制和管理。此外，根据本发明的系统和测量方法例如可用于测量和控制从发电设施及燃烧过程的排放，以及这种过程的管理。

本发明的系统还可用作为其它过程应用中以及在过程控制及调节系统中的测量和/或监视装置。这种应用的例子包括在半导体工业制造过程中的控制或调节测量，例如对于各种气体的浓度和类型的测量，对于纸张和板材工业中生产和加工工作过程的各种控制，例如对于造纸中在向纸幅(paper web)施加化学药品之前的化学药品量的测量，化学药品或者来自完工的纸幅、来自造纸机的湿端，或者来自某些其它过程。关于适当过程工业应用进一步的例子包括制药、化学、石油工业，及其中的各种操作的各种处理。

本发明的系统和方法可单独使用，或作为某些其它测量或监视系统的集成部分使用。本发明的系统还能够结合用于蒸发被检验的物质的附加系统或装置，在这种情形中，本发明的测量可根据蒸发的气体进行。还能够使检验下的物质受到所需波长范围的辐射，辐射吸收进入物质中以便于测量过程。如以上所指出的，被这样检验的物质可以或者是气体、液体的形式，或者是固体状态。因而，本发明的系统和方法例如能够用在测量或监视传送器携带工件的性质或质量，在造纸工业中测量纸幅性质，以及测量活体生物。

本发明的系统和方法还可用在测量液体，使得测量通过液体进行，或者要被测量/检测的液体，或者所需的来自液体的要被测量/检测的气体配置在测量腔体中。

本发明的系统还可链接到在线系统。如果根据本发明在在线系统中使用局部或完全开放的样品空间，则测量可以非常简单和可靠的方式实现，因为分离的样品空间填充系统和机构不是绝对必要的。

此外，本发明的系统和方法可用在各种便携式和固定气体分析器，诸如呼吸空气分析器(respiratory air analyzer)，以及用在各种警告器中，诸如一氧化碳或废气警告装置。

另外，本发明的系统和方法可单独或作为基于测量呼吸空气的警告器和装置中的一个部件使用，例如它们能够用于运动设备和运动研究。这种运动设备的明显的例子包括运动训练中使用的测试设备，以及诸如用在潜水并至少部分基于分析或测量呼吸空气的潜水计算机这样的装置。

如上所述，本发明的系统和方法可在范围广泛的应用中使用。该系统和方法例如可用于食品工业的一般质量控制和监视测量、以及特别是用在过程控制、分析的传感自动化、微生物学、在控制香蕉乙烯熟化的使用、以及食品存储的监视。此外，该系统可用于空气质量诸如放射的测量、环境和建筑技术的各种应用、以及汽车和能源工业中用于测量例如工业放射、建筑自动化应用、以及用在关于研讨会室内警告器的实现。

本发明还可用于实现安全工业中所需/采用的多种测量设备和警告器，例如用于检测火(例如烟雾和/或一氧化碳警告)、有毒物排放、有毒和搏斗气体(combat gas)、以及对人或动物有害或危险的其它药剂。此外，根据本发明的技术可用于设计可能的犯罪调查(例如火源分析，犯罪现场调查)中所需的测醉仪和其它测量/检测设备。

本发明的系统和方法可用于设计不仅是上述的空气呼吸计，而且是实际的呼吸空气诊断设备。这种应用的例子包括用于测量呼吸空气的气体的测量设备、非扩散的Hb测量、非扩散的葡萄糖测量、非扩散的CO2或O2测量、非扩散的血液气体分析，以及对腹中菌株的分析和测量。

还能够设计可用在建筑技术的测量设备，用于结构化模具测量，并用在材料技术中，例如材料的识别，以及涉及材料的性质和气体排放的研究。

本发明不意味着限于以上说明书中所述的实施例，但在权利要求和说明书中公开的发明概念内可以改变。修改各前面和后面部分使得可构成各种各类的分析器和测量系统。此外，上述本发明的测量腔体还可用于其它用来检测光声信号的测量系统。此外，本发明的测量腔体还可结合与上述不同的辐射源、基准腔体、及样品空间。自然对于业内专业人员，为了主要的好处，本发明的测量腔体自然可被集成和使用在不包含基准腔体的测量系统中。