光學氣敏傳感器的製作方法

2023-04-24 05:43:17 3

本申請在第35部美國法典第119節下要求於2014年9月3日提交的名稱為「光學氣敏傳感器」的美國臨時專利申請序列號62/045,222的優先權，該專利申請的全部內容在此通過參引結合到本文中。

技術領域

本文中說明的實施例大致涉及氣敏傳感器，並且更具體地涉及用於光學氣敏傳感器的系統、方法和裝置。

背景技術：

氣體濃度的檢測和測量對於了解和監控比如為環境監測、工業過程控制分析、燃燒過程、毒性可燃氣體以及爆炸物的檢測的各種各樣的應用是重要的。例如，能夠高靈敏度和高選擇性的氣敏傳感器可被用於大氣科學，用於檢測和監控包括溫室氣體和臭氧的不同氣體種類，並且可被用於呼吸診斷中，用於檢測和監控一氧化氮、乙烷、氨和眾多其他生物標誌物。作為另一個示例，在燃氣併網應用中，由生物過程產生的甲烷被測試雜質(例如硫化氫或H2S)以確定甲烷是否足夠純以與天然氣直接混合。

技術實現要素：

一般說來，在一個方面中，本公開涉及具有第一工件的傳感頭。第一工件可以包括具有外表面和內表面的本體和在內表面處布置在本體中的光源腔，其中，光源腔布置在本體的第一端部處並且構造成接收光源。第一工件還可以包括在內表面處布置在本體中的光學裝置腔，其中光學裝置腔鄰近於光源腔布置並且構造成容納光學裝置。第一工件還可以包括在內表面處布置在本體中的橢球體腔，其中橢球體腔鄰近於光學裝置腔布置。第一工件還可以包括布置在鄰近於形成橢球體腔的內表面的本體中的接收裝置腔，其中，接收裝置腔構造成容納接收裝置。第一工件還可以包括布置在本體中的至少一個通道，其中，至少一個通道具有布置在鄰近於橢球體腔的內表面處的第一端部。

在另一個方面中，本公開可以大致涉及一種包括傳感頭的至少一個工件的光學氣敏傳感器。傳感頭的至少一個工件可以包括具有外表面和內表面的本體以及在內表面處布置在本體中的光源腔，其中，光源腔布置在本體的第一端部處。傳感頭的至少一個工件還可以包括在內表面處布置在本體中的光學裝置腔，其中光學裝置腔鄰近於光源腔布置。傳感頭的至少一個工件還可以包括在內表面處布置在本體中的橢球體腔，在此橢球體腔鄰近於光學裝置腔布置，並且橢球體腔包括第一焦點和第二焦點。傳感頭的至少一個工件還可以包括布置在鄰近於形成橢球體腔的內表面的本體中的接收裝置腔。傳感頭的至少一個工件還可以包括布置在本體中的第一通道，其中，第一通道具有布置在形成橢球體腔的內表面處的第一端部。光學氣敏傳感器還可以包括布置在光源腔內的光源、布置在光學裝置腔內的光學裝置以及布置在接收裝置腔內的接收裝置。

從以下說明書和隨附權利要求書中將更加清楚地理解這些以及其他方面、目的、特徵和實施例。

附圖說明

附圖僅示出光學氣敏傳感器的示例實施例並且因此不被視為限制其範圍，因為光學氣敏傳感器可以具有其他同樣有效的實施例。附圖中示出的元件和特徵並不一定按比例，替代地重點在於清楚地說明示例實施例的原理。另外，一些尺寸或位置可被誇大以幫助直觀表達這些原理。在附圖中，附圖標記指示相似或相應的元件，但並不一定指示相同元件。

圖1示出根據一些示例實施例的傳感頭的一部分的俯視透視圖。

圖2示出根據一些示例實施例的另一個傳感頭的一部分的俯視透視圖。

圖3示出根據一些示例實施例的傳感器的截面側視圖。

圖4A和圖4B示出根據一些示例實施例的光波在橢球體腔內的分配。

圖5A和圖5B示出根據一些示例實施例的聲波在橢球體腔內的分配。

圖6示出根據一些示例實施例的用於確定氣體中的雜質水平的方法的流程圖。

圖7示出根據一些示例實施例的傳感器子組件的截面側視圖。

圖8示出根據一些示例實施例的另一個傳感器子組件的截面側視圖。

圖9示出根據一些示例實施例的又一個傳感器子組件的截面側視圖。

圖10示出根據一些示例實施例的仍然另一個傳感器子組件的截面側視圖。

具體實施方式

本文中討論的示例實施例涉及與光學氣敏傳感器相關的系統、設備和方法。光學氣敏傳感器可以具有多種結構並且使用多種技術。例如，石英增強光聲光譜(QEPAS)傳感器可以具有被引導穿過以其諧振頻率振動的石英音叉(QTF)的叉尖之間的間隙的氣體特定波長的光學輻射。光能被吸收並且通過氣體釋放，引起QTF的諧振頻率的改變。QTF的諧振頻率的變化量與氣體分子的濃度成正比。如本文所說明的，QTF也可被稱作音叉。

作為另一個例子，示例光學氣敏傳感器可以調製光(例如雷射)波激發頻率，使得測試氣體產生具有對於QTF或其他接收裝置匹配共振頻率的頻率的聲波。隨著氣體濃度的提高，聲波的幅值提高，這接著增大接收裝置的振蕩。一個或多個部件(例如鎖相放大器)可被用於以基本僅諧振頻率放大信號(例如聲波)，這可以改善信噪比(SNR)比值。作為又一個示例，示例光學氣敏傳感器可以採用一個或多個擴音器。換句話說，本文中說明的示例實施例不限於用於比如關於接收裝置的某項技術。

雖然本文中說明的示例實施例涉及光學氣敏傳感器，示例實施例還可以用於其他類型的傳感器。另外，可被用於示例實施例的光學氣敏傳感器可以具有本文中未示出或說明的多種結構中的任一種。如本文所說明的，用戶可以是與示例光學氣敏傳感器相互作用的任何人。用戶的示例可以包括但不限於消費者、業務專家、氣體工程師、管理者、顧問、承包商、操作人員以及製造商代表。

在一個或多個示例實施例中，用於光學氣敏傳感器的示例蓋需要滿足一些標準和/或要求。例如，國際電工委員會(IEC)設定的標準，比如應用於光學氣敏傳感器的IEC 60079-28，示例蓋必須在待使用的應用領域符合上述標準。設定可適用標準和規章的其他組織的示例包括但不限於美國電氣製造協會(NEMA)、美國國家電氣規程(NEC)、電氣和電子工程師協會(IEEE)以及保險商實驗室(UL)。

在一些例子中，本文中說明的示例實施例可被用於任何類型的危險環境，包括但不限於飛機庫、鑽井裝置(用於油、氣或水)、修井作業機(用於油或氣)、精煉廠、化工廠、發電廠、礦山作業廠、廢水處理設施以及煉鋼廠。本文中說明的用於光學氣敏傳感器(或其部件)的蓋可以物理地設置在腐蝕成分(例如氣體)中和/或用於腐蝕成分中。另外或在可替代方案中，用於光學氣敏傳感器(或其部件)的示例蓋可以承受極熱、極冷、潮溼、溼氣、塵埃以及可以引起用於光學氣敏傳感器的蓋或其部分損耗的其他條件。

在一些示例實施例中，用於光學氣敏傳感器的蓋，包括其任何部件和/或部分，由設計成保持長期使用壽命以及當在沒有機械和/或其他類型的失效的情況下需要時所執行的一種或多種材料製成。這些材料的示例可以包括但不限於鋁、不鏽鋼、玻璃纖維、玻璃、塑料、陶瓷和橡膠。

本文中說明的用於光學氣敏傳感器的示例蓋的任何部件(例如進口管聯接特徵、接收通道)或其部分可以由單個工件製成(如通過模鑄、注塑、壓鑄或擠出工藝)。另外或在可替代方案中，部件(或其部分)可以由彼此機械聯接的多個工件製成。在該例子中，可以利用多種聯接方法中的一種或多種使多個工件彼此機械聯接，聯接方法包括但不限於環氧樹脂、焊接、緊固裝置、壓合裝配、匹配螺紋和開槽裝配。彼此機械聯接的一個或多個工件可以以多種方式中的一種或多種彼此聯接，包括但不限於固定、鉸接、可拆卸、可滑動以及螺紋地。

本文中說明的部件和/或特徵可以包括說明作為聯接、緊固、固定、抵接或其他相似術語的元件。這些術語僅旨在區別部件或裝置內的各個元件和/或特徵，並且並非旨在限制特定元件和/或特徵的性能或功能。例如，說明為「聯接特徵」的特徵可以聯接、緊固、固定、抵接和/或執行除僅聯接之外的其他功能。

如本文中說明的聯接特徵(包括互補聯接特徵)可以允許光學氣敏傳感器的一個或多個部件(例如形成橢球體腔的壁)和/或部分變得直接或間接地機械和/或電氣聯接至光學氣敏傳感器的另一個部分。聯接特徵可以包括但不限於夾具、鉸鏈的一部分、孔、凹入區域、突出部、槽、彈簧夾、舌片、止動器、螺紋接頭和配對螺紋。示例光學氣敏傳感器的一個部分可以通過直接採用一個或多個聯接特徵聯接至光學氣敏傳感器的另一個部分。另外，或在可替代方案中，示例光學氣敏傳感器的一部分可以利用與布置在光學氣敏傳感器的部件上的一個或多個聯接特徵相互作用的一個或多個獨立裝置聯接至光學氣敏傳感器的另一個部分。這些裝置的示例包括但不限於銷、鉸鏈、緊固裝置(例如螺栓、螺釘、鉚釘)和彈簧。

本文中說明的一個聯接特徵可以與本文中說明的一個或多個其他聯接特徵相同或不同。本文中說明的互補聯接特徵可以是與另一個聯接特徵直接或間接機械聯接的聯接特徵。對於本文中示出和說明的任何附圖，可以省略、增加、重複和/或替代部件中的一個或多個。因此，特定附圖中示出的實施例不應該被視為限於該附圖中示出的部件的特定布置。

本文的一個或多個附圖中說明的任何部件可以適用於具有相同標記的任何其他(例如後續)附圖。換句話說，對於不同(例如後續)附圖的任何部件的說明可被認為與關於另一個(例如前述)附圖說明的相應部件基本相同。對於本文附圖中的部件的編號方案使得每個部件由三或四個數字表示，在此，附圖之間的基本相似部件由具有相同的最後兩個數字的附圖標記表示。這樣，與不同附圖具有基本相似特徵的附圖可以依賴於與不同附圖相關的基本相似特徵的描述和/或附圖標記。

以下將參照附圖更多全面地說明光學氣敏傳感器的示例實施例，附圖中示出示例光學氣敏傳感器。然而，光學氣敏傳感器可以實施為多種不同的形成並且不應該被解釋為限於本文中所闡述的示例實施例。相反地，提供這些示例實施例使得本公開全面和完整，並且將向本領域技術人員表達光學氣敏傳感器的範圍。類似地但非必然地，為了一致性各個附圖中的同一元件(有時也稱作部件)由相同附圖標記表示。

比如為「頂部」、「底部」、「左」、「右」、「內」、「外」、「端部」、「部分」、「第一」和「第二」的術語僅用於區別一個部件(或部件的部分或部件的狀態)與另一個部件。這些術語並非旨在表示優先或特定取向。另外，給予本文中說明的各個部件的名稱是對示例實施例的說明並且非旨在以任何方式進行限制。本領域技術人員將理解的是，在本文的一個實施例(例如在附圖中)示出和/或說明的特徵和/或部件可被用於另一個實施例中(例如用於任何其他附圖中)，即便在這些其他實施例中未明確地示出和/或說明。

圖1示出根據一些示例實施例的傳感頭101的頂部部分的俯視側透視圖和半透明視圖。在該例子中傳感頭101的頂部部分是包括本體104的單個工件，本體104具有內表面105、與內表面105相對的外表面(視圖中隱藏)和至少一個側面107。傳感頭101的頂部部分可以具有多個形狀和尺寸中的任一者。例如，圖1中示出的傳感頭101的部分為圓柱形形狀。傳感頭101的部分可以由多種適當的材料中的一種或多種製成，包括但不限於不鏽鋼和鎳基合金。傳感頭101的部分的材料可以抵抗多種腐蝕性物質中的一種或多種，包括但不限於硫化氫(H2S)氣體。

在一些示例實施例中，多個腔在內表面105處布置在本體104中。例如，光源腔110可以由光源腔壁111、光源腔壁113和布置在其之間的擋圈112形成。光源腔110可以具有寄存多個光源中的一個或多個的形狀和尺寸(如以下關於圖3所示和所述的)。光源腔110可以沿著內表面105布置在任何位置處。例如，如圖1所示，光源腔110可以布置在傳感頭101的頂部部分的一端處(例如，靠近側面107)。

作為另一個示例，光學裝置腔120可以由光學裝置腔壁121和擋圈122形成。光學裝置腔120可以具有寄存多個光學裝置中的一個或多個的形狀和尺寸(如以下關於圖3所示和所述的)。光學裝置腔120可以沿著內表面105布置在任何位置處。例如，如圖1所示，光學裝置腔120可以鄰近光源腔110布置，使得光學裝置腔壁121與光源腔壁113鄰接。

作為又一個示例，橢球體腔130(有時在本文中更簡單地稱為腔130)可以由橢球體腔壁131形成。橢球體腔130可以具有足以接收和反射多次從光源發射並且使所反射的光與布置在橢球體腔130中的氣體混合的光。橢球體腔130可以沿著內表面105布置在任何位置處。例如，如圖1所示，橢球體腔130可以鄰近於光學裝置腔120布置，使得橢球體壁131與擋圈122鄰接。氣體可以通過布置在傳感頭101的頂部部分的本體104中的一個或多個通道173布置在橢球體腔130中。在該例子中，具有僅一個通道173，通道173具有位於外表面處的第一端部171、位於橢球體腔壁131處的第二端部170和布置在第一端部171與第二端部170之間的通道壁172。第一端部171也可以位於側面107處。通道173可以是線性、曲線、傾斜的和/或具有一個或多個任何其他形狀。

作為仍然的另一個示例，接收裝置腔140可以由音叉腔壁141和擋圈142形成。接收裝置腔140可以具有寄存多個音叉中的一個或多個的形狀和尺寸(如以下關於圖3所示和所述的)。接收裝置腔140可以沿著內表面105布置在任何位置處。例如，如圖1所示，接收裝置腔140可以鄰近於橢球體腔130布置，使得擋圈142與橢球體腔壁131鄰接。另外，接收裝置腔140可以布置在傳感頭101的頂部部分的另一個端部(例如靠近側面107)。在這種情況下，接收裝置腔140可以相對於光源腔110位於傳感頭101的頂部部分的相對端部處。

在一些示例實施例中，光源腔110、光學裝置腔120、橢球體腔130和接收裝置腔140可以彼此基本線性地對準並且具有沿著每個腔的長度延伸的公共軸線。在一些示例實施例中，具有傳感頭的多個部分。例如，可以具有兩個對稱工件的傳感頭，其中一個工件是圖1所示的傳感頭101的頂部部分。在該例子中，當兩個工件聯結在一起時，各個腔變得封閉並且牆變得基本連續。

圖2示出根據一些示例實施例的傳感頭202的一部分的側俯視透視圖。參照圖1和圖2，圖2的傳感頭202的底部部分除如下所述之外與圖1的傳感頭101的頂部部分相同。圖2的傳感頭202的底部部分包括多個聯接特徵206(在該例子中為孔)，聯接特徵206允許傳感頭202的底部部分直接或間接地聯接至傳感頭的另一個對稱構造部分，比如傳感頭101的頂部部分。另外，在該例子中，圖2的傳感頭202的底部部分不包括任何通道，比如圖1的通道173。

圖3示出根據一些示例實施例的傳感器子組件300的截面俯視圖。換一種方式，圖3示出傳感器子組件300的傳感頭301的頂部部分的俯視圖，其中光源315布置在光源腔(在視圖中被光源315遮擋)中，光學裝置325布置在光學裝置腔(在視圖中被光學裝置325遮擋)中，以及接收裝置345(在該例子中為音叉345)布置在接收裝置腔340(在視圖中被音叉345遮擋)中。

參照圖1-3，光源315可以採用產生導向光學裝置325的光317的任何類型的照明技術(例如發光二極體、雷射二極體(也稱為半導體雷射器))。光源315可以具有符合光源腔310的一個或多個型線的形狀和尺寸。由光源315產生和發射的光317可以根據多個因素中的一個或多個具有任何適當的波長，多個因素包括但不限於被測試的氣體、溫度以及光學裝置325的特性。光源315可以聯接至動力源360(例如驅動器)，動力源360可以向光源315提供動力和/或控制信號。光源315可以包括多個部件中的一個或多個，包括但不限於光元件(例如二極體、燈泡)和電路板。

在一些示例實施例中，光學裝置325是能夠接收來自光源315的光317並且處理光317以產生被傳輸到橢球體腔330內的特定位置的光327的任何類型的裝置。光學裝置325可以具有抵接壁121和擋圈122的一些或全部的外表面326，擋圈122在傳感頭301的部分中形成光學裝置腔320。光學裝置325可以具有符合光學裝置腔320的一個或多個型線的任何形狀(例如球體、半球體、錐體)和尺寸。

光學裝置325可以由包括但不限於二氧化矽和玻璃的一種或多種適當的材料製成。在任何情況下，光學裝置325耐受腐蝕性物質，比如H2S氣體。為了使光學裝置325將光327傳輸至橢球體腔330內的特定位置(在該例子中為焦點333)，必須平衡多個因素。這些因素可以包括但不限於光學裝置325的定向、光學裝置325的材料、光學裝置325相對於橢球體腔330和光源315的位置以及光317的波長。在一些示例實施例中，密封件(例如墊片、o形環、矽樹脂)可被用於提供防止橢球體腔330中的潛在腐蝕性物質進入光學裝置腔320或光源腔310內的屏障。

橢球體腔330具有在光學和聲學上反射的一個或多個壁331。如果橢球體腔330由一個工件以上的傳感頭301形成，則工件高精度機械加工以使得多個工件在橢球體腔330內交會的接頭相對於橢球體腔330的壁331的其餘部分提供光學和聲學反射均勻性的很小至完全沒有的實質的降低。在一些示例實施例中，橢球體腔330具有沿著橢球體腔330的長軸339定位的兩個焦點(在這種情況下，焦點333和焦點338)。在一些例子中，如圖3所示，橢球體腔330的長軸339可以沿著光學腔320、光源腔310和/或接收裝置腔340的基本中心延伸。

在一些示例實施例中，從光學裝置325傳輸的光327導向橢球體腔330內的焦點333。在這種情況下，光(光波)通過焦點333並且至少一次從壁331反射以會聚在橢球體腔330內的焦點338。來自光327的光波如何從焦點333傳播至橢球體腔330內的焦點338的示例以下示出在圖4A和圖4B。

在一些示例實施例中也布置在橢球體腔330內的是氣體。氣體可以包括能夠組合以形成一種或多種化合物(例如甲烷)的一個或多個元素(例如碳、氫)。在一些例子中，氣體也可以具有利用示例實施例進行存在狀態和量的檢測的雜質(例如H2S)。如上所述，氣體可以通過布置在傳感頭301的本體304中的一個或多個通道(例如通道172)噴射到橢球體腔330內，通過第二端部370(也稱作氣體進入埠370)進入橢球體腔330。當氣體分子與從橢球體腔330中的壁331反射的光波(來源於光327)相互作用時，氣體分子變得被激發。

通道的每個第二端部370可以布置在形成橢球體腔330的壁331上的任一點處。例如，如圖3所示，當從側視圖中觀察橢球體腔330時，通道372的第二端部370可以在壁331上定位在焦點333與焦點338之間的點處。在這種情況下，通過第二端部370發出的氣體可以更多容易地與橢球體腔330內的反射光波相互作用。

如下所述，當接收裝置345是音叉時，音叉的布置在接收裝置腔340中的柄部347可以定位成使得焦點338布置在柄部347之間。當通過橢球體腔330中的光波激發氣體分子時，聲波的與氣體分子相關的振幅提高。當這些聲波達到焦點338時，其具有基本匹配柄部347振動的頻率的頻率。具體地，聲波振幅越大，柄部347共振的振蕩越強，柄部347的振蕩的這種增強可以被捕獲以確定測試氣體的含量。

在一些示例實施例中，音叉345是以一種或多種頻率任何類型的裝置。音叉345可以具有一個或多個部件。例如，在該例子中，音叉345具有多個(例如兩個、三個、四個)柄部347以及柄部347由其延伸的基部346。柄部347可以至少部分柔性，以便能夠改變柄部347的形狀。當柄部347的形狀改變時，柄部可以以不同的頻率振動。音叉345(包括其部件中的任一者，比如柄部347)可以由包括但不限於石英的任何適當的材料製成。在任何例子中，音叉345可以耐受腐蝕性物質，比如H2S氣體。

音叉345的柄部347可以在橢球體腔330內以多種適當的方式中的任一種定向。例如，柄部347可以基本平行於橢球體腔330的包括焦點333和焦點338的長軸339。在一些示例實施例中，密封件(例如墊片、o形環、矽樹脂)(未示出)可被用於提供防止橢球體腔330中的潛在腐蝕性物質進入接收裝置腔340內的屏障。

在一些示例實施例中，音叉345的柄部347可以基於除橢球體腔330內的激發氣體分子以外的因素振動。例如，驅動器365可以聯接至音叉345。在該例子中，驅動器365可以向音叉345提供振動頻率，使得柄部347以一定的頻率振動。該頻率可以基本類似於由在橢球體腔330內被激發的純淨形式(無任何雜質)的氣體引起的頻率。可替代地，音叉345的柄部347可以以由驅動器365確定的共振頻率振動。

為了測量音叉345的柄部347振動的頻率，可以使用一個或多個測量裝置。例如，如圖3所示，接收器368可以聯接至音叉345。在這種情況下，接收器368可以確定音叉345的振動頻率。因此，當柄部347的振動頻率改變時，所測量的變化可以與通過通道噴射到橢球體腔330內的氣體中的雜質直接相關。可替代地，當柄部347以共振頻率振動時，接收器368可以測量音叉345的柄部347的振蕩。

在一些示例實施例中，驅動器365和/或接收器368可以以多種方式中的一種或多種聯接至音叉345。例如，如圖3所示，適配器367可以機械地聯接至音叉345的基部346，一個或多個電導體366可以聯接在適配器367與驅動器和/或接收器368之間。在一些可替代實施例中，無線技術可被用於將驅動器365和/或接收器368聯接至音叉345。

圖4A和圖4B示出根據一些示例實施例的光波427在橢球體腔430內的分配。具體地，圖4A示出開始從焦點433傳播至焦點438的光波427，圖4B示出在焦點433與焦點438之間完全反射的光波427。參照圖1-圖4B，圖4A和圖4B的橢球體腔430和壁431與圖3的橢球體腔330和壁331基本相同。光波427來源於由光學裝置325發射並且穿過焦點433的光327。如能夠看到的，光波427從壁431反射並且集中於焦點433和焦點438。

如上所述，音叉345的柄部347可以基於來源於驅動器365的信號而振動。另外或在可替代方案中，音叉345的柄部347包圍焦點338，並且當氣體由橢球體腔430內的光波427激發時，可以變化柄部347的振動頻率。在任何情況下，當音叉345的柄部347振動時，柄部347發射聲波528，如圖5A和5B所示。可替代地，與氣體相關的聲波528可以具有基本匹配音叉345的柄部347的共振頻率的頻率。在該例子中，當聲波528的振幅增大時，以共振頻率共振的柄部347的振蕩也增強。圖5A示出開始從焦點538傳播至焦點533焦點聲波528，圖5B示出在焦點533與焦點538之間完全反射的聲波528。

參照圖1-圖5B，圖5A和圖5B的橢球體腔530和壁531與圖3的橢球體腔330和壁331基本相同。聲波528來源於音叉345的包圍焦點538的柄部347的振動。如能夠看到的，聲波528從壁531反射並且集中於焦點533和焦點538。接收器368或相似聲學測量裝置可被用於測量聲波528，並且因此確定噴射到橢球體腔530內的氣體中的雜質的量。

圖6示出根據一些示例實施例的用於利用音叉確定氣體中的雜質水平的方法的流程圖600。參照圖1-6，在圖6的流程圖600的步驟602中，氣體在橢球體腔330的兩個焦點333與338之間噴射到橢球體腔330內。在步驟604中，接收裝置345(在該例子中為音叉345)布置在橢球體腔330內。可替代地，接收裝置345可以布置在橢球體腔330外部的一些位置處，以下關於圖8-10論述其示例。具體地，音叉345的多個柄部347布置在橢球體腔330內並且振動。柄部347可以圍繞橢球體腔330的兩個焦點的第一焦點338布置。柄部347可以以等同於純淨形式的氣體的第一速率振動。柄部347可以由驅動器365以第一速率振動。可替代地，音叉345的柄部347可以以由驅動器365確定的共振頻率振動。本領域技術人員將理解的是其他接收裝置(例如以下所述的擴音器)可被用於替代音叉。

在步驟606中，來自光源315的光317可被引導通過光學特徵325。光學特徵325可以鄰近於橢球體腔330定位。光317可以通過光學特徵325作為光327被導向橢球體腔330內的兩個焦點的第二焦點333。從焦點333開始，光427可以通過形成橢球體腔330的至少一個壁331從第二焦點333反射至兩個焦點的第一焦點338。光427可以激發橢球體腔330內的氣體。在一些示例實施例中，光源315和光學特徵325可以組合成單個部件。

在步驟608中，進行音叉345的測量。例如，可以測量音叉345的柄部347的振動的第二速率。第二速率可以基於氣體的雜質水平。振動的第二速率可以通過由光427激發的氣體驅動。振動的第二速率可以是通過比如為接收器368的測量裝置測量的聲波528。作為另一個示例，當柄部347以共振頻率振動時，音叉345的柄部347的振蕩可以通過接收器368測量。示例實施例可被用於增大聲波528的振幅，使得接收裝置345能夠關於測試氣體的含量做出更加準確和有效的測量。

圖7示出根據一些示例實施例的傳感器子組件700的截面側視圖。圖7的傳感器子組件700包括氣敏傳感器測量組件703、光源715、光學裝置725和接收裝置745(在該例子中為音叉745)。氣敏傳感器測量組件703可以包括傳感頭701的頂部部分和傳感頭702的底部部分，在此傳感頭701的頂部部分和傳感頭702的底部部分彼此聯接，使得橢球體腔730、光源腔710、光學裝置腔720和接收裝置腔740是整體並且基本連續。

參照圖1-7，傳感頭702的底部部分與圖2的傳感頭202的底部部分基本類似。另外，圖7的傳感頭701的頂部部分除如下所述之外與圖1的傳感頭101的頂部部分基本相似。具體地，圖7的傳感頭701的頂部部分具有兩個通道(通道773和通道778)，而非單個通道。通道778基本類似於通道773。例如，通道778具有位於外表面處的第一端部776、位於橢球體腔壁731處的第二端部775以及布置在第一端部776與第二端部775之間通道壁777。此外，圖7的光源715、光學裝置725和音叉745與如上關於圖3所述的光源315、光學裝置325和音叉345基本相似。

在一些示例實施例中，如圖7所示，蓋780可以布置在傳感頭701的頂部部分的頂部上。蓋780以及傳感頭701的頂部部分和傳感頭702的底部部分，包括其任何部分，可以由耐受腐蝕和可以由測試氣體、已測試氣體和/或氣敏傳感器測量組件703暴露的環境所引起的其他有害影響的一種或多種材料製成。蓋780的目的可以包括控制被輸送至本文中說明的示例橢球體腔(例如橢球體腔330)內的測試氣體的量、速率和/或其他流動特性。蓋780可以具有多種結構中的任一種。圖7中示出蓋780的結構的示例。以下圖9和圖10示出蓋的其他示例。

蓋780相對於傳感頭的橢球體腔730和其他部件(例如光學特徵725、光源715)的形狀和尺寸的這些結構可被調整以提供多個有益效果。例如，蓋780的特定結構可以允許更容易地調整測試氣體噴射到橢球體腔730內的位置和多少。作為另一個示例，蓋780的特定結構可以幫助以一定的更加精確的頻率產生接收裝置745(比如音叉745的柄部747)的共振。頻率的這種確定性可以增大聲波的振幅，這接著可以允許通過接收裝置745進行更加精確的測量。

在一些示例實施例中，氣敏傳感器測量組件703構造成執行待測試氣體(本文中也稱作測試氣體)的任何測量。這樣，氣敏傳感器測量系統703可以構造成接收測試氣體並且去除已被測試的任何氣體(也稱作測試氣體)。為了出現這種情況，蓋780聯接至傳感頭701的頂部部分，由此使得蓋780向傳感頭701的頂部部分傳送測試氣體，並且還接收來自傳感頭701的頂部部分的已測試氣體(已被測試的測試氣體)。

在一些示例實施例中，蓋780、傳感頭701的頂部部分和傳感頭702的底部部分由單個工件形成。可替代地，蓋780、傳感頭701的頂部部分和/或傳感頭702的底部部分可以是聯接至其他工件中的一個或多個的獨立工件。蓋780可以包括形成腔的至少一個壁。例如，蓋780在這種情況下具有形成腔的頂壁781、側壁782和底壁785。腔可以完全封閉、基本封閉或部分封閉。例如，如果不存在蓋780的底壁785，則蓋780的腔將部分地封閉。

在一些示例實施例中，蓋780的腔具有多個(例如兩個、三個、四個)部分。例如，在該例子中，腔被分成第一腔部分758和第二腔部分759。當蓋780的腔具有多個腔部分時，每個腔部分可以與蓋780的腔的其他腔部分虛擬地或物理地分離。例如，在該例子中，第一腔部分758和第二腔部分759通過隔板788彼此物理分離。在該例子中，隔板788可以具有或包括多個特性中的一個或多個。這些特性的例子可以包括但不限於固體結構、多孔材料、非多孔材料、網眼和孔口(比如孔口789)。

當蓋780的腔的部分通過隔板788彼此物理分離時，隔板788可以基本隔離一個部分(例如腔部分758)與另一個部分(例如腔部分759)。隔板788在蓋780的腔中的位置可以是暫時或永久性的。隔板788可以幫助分離測試氣體與已測試氣體。隔板788還可以幫助減小和/或控制測試氣體的流速和/或紊流，這接著可以控制發送至傳感頭的腔730的測試氣體流。隔板788還可以幫助調節蓋780的腔內的多個參數中的一個或多個(例如壓力)。如果蓋780的腔具有多個部分，腔的一個部分的形狀和尺寸可以與腔的其他部分的形狀和尺寸相同或不同。例如，在該例子中，腔部分758可以與腔部分759具有基本相同的形狀和尺寸。

在一些示例實施例中，蓋780聯接至傳感頭701的頂部部分。可替代地，蓋780可以聯接至傳感頭的某個另外的部分。如果蓋780和傳感頭是獨立工件，則蓋780可以利用多個聯接特徵中的一個或多個聯接至傳感頭701的頂部部分。例如，聯接特徵可以是橫貫蓋780的厚度並且朝向蓋780的外圓周基本等間距布置的一個或多個孔。在該例子中，每個聯接特徵可以容納用於將蓋780聯接至傳感頭701的頂部部分的緊固裝置(例如螺栓)。

聯接特徵的特性(例如形狀、尺寸、結構)可被構造成對應於傳感頭701的頂部部分的聯接特徵的相關特性。在該例子中，蓋780可以以一個或多個一定的定向聯接至傳感頭701的頂部部分。蓋780可以包括容納聯接特徵的一個或多個特徵。例如，可以具有其中可以布置聯接特徵的凹入區域。每個聯接特徵可以至少部分地布置在蓋780的壁(例如頂壁781、底壁785)中的至少一個中。

在一些示例實施例中，蓋780通過進口管751接收來自源頭(例如氣敏傳感器裝置的進口集管)的測試氣體。在該例子中，進口管751聯接至蓋780的某個部分。例如，蓋780可以包括聯接至進口管751的進口管聯接特徵。進口管聯接特徵可以包括多個聯接特徵中的一個或多個。例如，進口管聯接特徵可以包括布置在進口管751的遠端處的螺紋接頭。在該例子中，螺紋接頭聯接至進口管751。

進口管751的近端可以布置在蓋780的壁(例如頂壁781、側壁782、底壁785)內，使得測試氣體可被輸送至蓋780的腔或其部分(例如腔部分758、腔部分759)。換一種方式，進口管聯接特徵的管751可以布置在蓋780的壁(在該例子中為頂壁781)中，使得通過管751的近端發射的測試氣體被輸送至腔的一部分(在該例子中為腔部分759)。在該例子中，管751的近端可以沿著壁(例如頂壁781)的內表面布置，使得管751與腔的該部分鄰接。

為了將來自蓋780的測試氣體輸送至傳感頭701的頂部部分，至少一個通道(例如通道778、通道773)可以在傳感頭701的蓋780與頂部部分之間延伸。每個通道可以至少部分地布置在蓋780的壁(例如底壁785)中。此外，通道可以鄰近於腔的部分(例如腔部分159)定位。在一些示例實施例中，通道778與腔的和進口管751相同的部分(在該例子中為腔部分759)鄰接。例如，在該例子中，通道778和進口管751各自沿著蓋780的壁(或在該例子中為不同的壁)在不同位置處鄰近於腔部分159定位。

在一些示例實施例中，通道778將來自蓋780的測試氣體輸送至傳感頭701的頂部部分。例如，在該例子中，通道778布置在傳感頭701的鄰近於橢球體腔730的頂部部分中。在一些示例中，通道778(或其部分)可以包括隔板，如同如上關於蓋780的腔所述的隔板788一樣，以在測試氣體流動至橢球體腔730時幫助控制測試氣體的流動。一旦測試氣體通過通道778分配到橢球體腔730內，則如上關於圖1-6所述地在橢球體腔730內測試測試氣體。

為了完成涉及測試氣體的環流處理，一旦在橢球體腔730中測試測試氣體，則從橢球體腔730去除所產生的氣體(稱作已測試氣體)。為了通過蓋780從橢球體腔730接收已測試氣體，一個或多個通道(在該例子中為通道773)可以布置在傳感頭701的頂部部分處的橢球體腔730與蓋780的腔部分758之間。一旦測試氣體被從橢球體腔730通過通道773發送至腔部分758，可以從蓋780的腔部分758去除測試氣體。

例如，如圖7所示，蓋780可以包括聯接鄰近於腔部分758的壁782的出口管756。出口管756可以包括多個聯接特徵中的一個或多個。例如，出口管756可以包括布置在出口管756的遠端處的螺紋接頭。在該例子中，螺紋接頭聯接蓋780的壁782。出口管756的近端可以布置在蓋780的壁(例如頂壁781、側壁782、底壁785)內，以便可以從蓋780的腔或其部分(例如腔部分758、腔部分759)去除測試氣體。換一種方式，出口管756可以布置在蓋780的壁(在該例子中為側壁781)中，使得已測試氣體可以通過出口管756的遠從腔的一部分(在該例子中為腔部分758)接收。在該例子中，管756的近端可以聯接至氣敏傳感器裝置的另一個部分(例如出口集管)。

通道773可以至少部分地布置在蓋780的壁(例如底壁785)中。此外，通道773可以鄰近於蓋780腔的部分(例如腔部分758)定位。在一些示例實施例中，通道773與腔的和出口管756相同的部分鄰接。例如，在該例子中，通道773和出口管756各自沿著蓋780的壁(或在該例子中為不同的壁)在不同位置處鄰近於腔部分758定位。在一些示例實施例中，通道773(或其部分)可以包括隔板，如同如上關於蓋780的腔所述的隔板788一樣，以在已測試氣體從橢球體腔730流動至蓋780的腔部分758時幫助控制已測試氣體的流動。

在一些示例實施例中，蓋780的腔的一部分可以包括引導氣體(例如測試氣體、已測試氣體)流過腔的該部分的一個或多個特徵。這些特徵的示例可以包括但不限於壁和擋板的型線內表面。例如，腔部分759可以包括引導從進口管751通過腔部分759流動至通道778的測試氣體的擋板。在任何情況下，從進口管751流入腔部分759內的測試氣體的部分(例如3％)被導向通道778，而從進口管751流入腔部分759內的測試氣體的其餘部分(例如97％)被引導通過孔口789。

圖8示出根據一些示例實施例的另一個傳感器子組件800的截面側視圖。圖8的傳感器子組件800與圖7的傳感器子組件700除如下所述之外基本相同。具體地，雖然接收裝置845仍然是音叉845，但是音叉845(包括音叉845的柄部847)不布置在橢球體腔830內。替代地，音叉845的整體布置在鄰近於橢球體腔830定位的接收裝置腔840中。換句話說，接收裝置腔840開口到形成橢球體腔830的內表面831內。此外，與圖7中從右向左流動相比，氣體在圖8中從左向右流動。橢球體腔830的尺寸可被選擇成使其以一定的共振頻率(例如音叉845的共振頻率)獲得聲共振。在該例子中，聲波828可以由於共振而被放大，這提高了氣敏傳感器的性能。

另外，圖8的傳感器子組件800與圖7的傳感器子組件700的不同在於接收裝置腔840相對於橢球體腔830的定向和位置已經改變。具體地，如圖8所示，接收裝置腔840沿著橢球體腔830的底部布置，而非如圖7所示沿著右側布置。圖8的傳感器子組件800與圖7的傳感器子組件700之間的又一個區別在於在圖8中具有組合圖7的光源715和光學裝置725的單個光學裝置815。類似地，在圖8中僅具有光學裝置聯接特徵820，而不是圖7的光源聯接特徵710和光學裝置聯接特徵720。

聯接至光學裝置聯接特徵820的光學裝置825可以是利用任何類型的光學和/或其他技術(例如光纖)的一個或多個部件(例如透鏡、光源)的組件。例如，光學裝置825可以是雷射二極體組件或光纖光源。如果光學裝置825包括透鏡，則透鏡可以是具有在腔830中的某點(例如焦點838)處的焦點的普拉諾凸透鏡。光學裝置825可以直接或間接地聯接至光學裝置聯接特徵820。例如，光學裝置825可以包括或可以聯接至超小型版本A(SMA)的連接器，連接器接著聯接至光學裝置聯接特徵820。

如果光學裝置825包括光源，則光源可以產生直接或間接(例如通過透鏡)導向光學裝置825的腔830的光。由光源產生和發射的光可以根據多個因素中的一個或多個具有任何適當的波長，多個因素包括但不限於被測試的氣體、溫度以及光學裝置825的透鏡的特性。光學裝置825的光源可以聯接至動力源(例如驅動器)，動力源可以向光學裝置825的光源和/或其他部件提供動力和/或控制信號。

光源可以包括多個部件中的一個或多個，包括但不限於光元件(例如發光二極體、燈泡)和電路板。如果光學裝置825包括透鏡，則透鏡能夠接收光(例如來自光源)並且處理光以產生被傳輸到腔830內的特定位置的光。光學裝置825可以具有符合光學裝置聯接特徵820的一個或多個型線的任何形狀(例如球體、半球體、錐體)和尺寸。

光學裝置825可以由包括但不限於二氧化矽和玻璃的一種或多種適當的材料製成。在任何情況下，光學裝置825耐受腐蝕性物質，比如H2S氣體。為了將光傳輸到腔830內的特定位置的光學裝置825，必須平衡多個因素。這些因素可以包括但不限於光學裝置825的定向、光學裝置825的材料、光學裝置825相對於接收裝置345的位置以及光的波長。在一些示例實施例中，密封件(例如墊片、o形環、矽樹脂)可被用於提供防止腔830中的潛在腐蝕性物質進入光學裝置聯接特徵820內的屏障。

在該例子中，光學裝置825的遠端基本延伸至橢球體腔830內的焦點833。此外，由於接收裝置845未至少部分地布置在橢球體腔830中，測試氣體(聲波828)的由光波827激發的一部分必須穿過光學裝置聯接特徵820。在該例子中，光學裝置聯接特徵820的至少一部分可被構造成類似如上所述的通道(例如通道873、通道878)。

圖9示出根據一些示例實施例的又一個傳感器子組件900的截面側視圖。圖9的傳感器子組件900與圖8的傳感器子組件800除如下所述之外基本相同。具體地，圖9的傳感器子組件900的蓋980僅具有單個腔959，這意味著蓋980不具有隔板(例如隔板888)或孔口(例如孔口889)，如圖8所示。此外，在蓋980的腔959與橢球體腔930之間僅具有一個通道978。因此，測試氣體通過通道978沿僅一個方向從蓋980的腔959流動至橢球體腔930。

由於橢球體腔930中的測試氣體可以流動的僅有的另一選項是通過接收裝置腔940。因此，接收裝置腔940的至少一部分可被構造成類似通道(例如通道978)，如上所述。如同圖8的傳感器子組件800，接收裝置945(在該例子中為音叉945)布置在接收裝置腔940內，使得音叉945沒有布置在橢球體腔930內的部分。

圖10示出根據一些示例實施例的仍然另一個傳感器子組件1000的截面側視圖。圖10的傳感器子組件1000與圖8的傳感器子組件800除如下所述之外基本相同。具體地，圖10的傳感器子組件1000的接收裝置1045是擴音器1045而非音叉。圖10示出擴音器1045可以相對於橢球體腔1030布置的多個位置和定位。

傳感器子組件1000可以具有單個擴音器1045或多個擴音器1045。擴音器1045可以相對於橢球體腔1030定位在任何位置處。例如，擴音器1045可以緊靠形成橢球體腔1030的內表面1031。可替代地，擴音器1045可以至少部分地布置在橢球體腔1030內。作為又一個可替代方案，擴音器1045可以與形成橢球體腔1030的內表面1031集成。作為仍然另一個可替代方案，可以從橢球體腔1030完全移除擴音器1045一定距離。

此外，擴音器可以沿著橢球體腔1030定位在任一點處。例如，擴音器可以鄰近和/或導向焦點(例如焦點1033、1038)定位，如圖10所示的左側實施例和右側實施例。作為另一個示例，擴音器可以接近橢球體腔1030的中心定位和/或導向，如圖10中顯示的中間實施例所示。

擴音器1045布置其中的接收裝置腔1040可以與如上所述的接收裝置腔基本相似。例如，接收裝置腔1040的一部分可被至少部分地構造為使橢球體腔1030中的測試氣體和/或已測試氣體的至少一部分能夠流動通過的通道。雖然圖8-10中示出的全部接收裝置布置在傳感頭的底部部分中，但是一個或多個接收裝置(以及還由此一個或多個接收裝置腔)可以布置在傳感頭的頂部部分中。

示例實施例提供多個有益效果。這些有益效果的例子包括但不限於符合一個或多個可適用標準(例如IP65、IEC 60079-28、區域1或區域2一致性)、易於保持和替代部件以及氣體中雜質的更加準確和快速的檢測和測量。

儘管參照示例實施例對本文中的實施例進行了說明，但是本領域技術人員應當理解的是各種改進完全落入本公開的範圍和精神之內。本領域技術人員將理解的是，本文中說明的示例實施例不限於任何具體論述的應用以及本文中說明的實施例是說明性的而非限制性的。從對示例實施例的說明來看，其中所示的元件的等同物自身呈現於本領域技術人員，利用本公開構造其他實施例的方式將自身呈現於本領域專業人員。因此，本文不限於示例實施例的範圍。