气体浓度检测系统以及气体浓度检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测技术，尤其涉及一种气体浓度检测系统以及气体浓度检测方法。

背景技术

一般的气体浓度检测是以化学式的方式来检测待测气体的气体浓度值。化学式的气体浓度检测系统例如是设计一种气体接触感测层或化学膜的方式来当待测气体通过气体接触感测层或化学膜时，气体浓度检测系统检测其反应速率，进而推算气体浓度。然而，由于气体流动的速度过长，因此化学式的气体浓度检测系统需要花费较长的检测时间才可有效取得准确的气体浓度值。有鉴于此，以下将提出几个实施例的解决方案。

发明内容

本发明是针对一种气体浓度检测系统以及气体浓度检测方法，可快速地检测在腔体中的多个气体的各别的气体浓度值。

根据本发明的实施例，本发明的气体浓度检测系统包括腔体、第一激光二极管、第二激光二极管、声音感测单元以及信号处理单元。腔体用以容置第一待测气体以及第二待测气体。第一待测气体与第二待测气体分别在不同光波长具有第一吸收波长以及第二吸收波长。第一激光二极管以及第二激光二极管分别用以发射具有不同脉冲频率以及不同光波长的第一周期性脉冲光以及第二周期性脉冲光至腔体内。第一周期性脉冲光对应第一吸收波长。第二周期性脉冲光对应第二吸收波长。声音感测单元设置在腔体内。声音感测单元用以感测腔体的多个声波信号，并且输出电压信号。信号处理单元耦接声音感测单元，以接收电压信号。信号处理单元分析电压信号的第一电压变化以及第二电压变化，以通过比对气体浓度数据库来取得第一待测气体的第一气体浓度值与第二待测气体的第二气体浓度值。

在根据本发明的实施例的气体浓度检测系统中，多个声波信号的波形分别随着对应的第一待测气体以及第二待测气体的温度变化及压力变化而改变。所述多个声波信号的频率分别对应于对应的第一周期性脉冲光的第一脉冲频率以及第二周期性脉冲光的第二脉冲频率。

在根据本发明的实施例的气体浓度检测系统中，信号处理单元包括锁相放大器。锁相放大器用以分别锁定该电压信号在该第一脉冲频率的该第一电压变化以及该第二脉冲频率的该第二电压变化。

在根据本发明的实施例的气体浓度检测系统中，信号处理单元各别分析第一电压变化以及第二电压变化各别的线性区段，以取得第一斜率值以及第二斜率值。气体浓度数据库分别记录第一待测气体以及第二待测气体各别的多个不同的气体浓度值以及分别对应于所述多个不同的气体浓度值的多个不同的斜率值。

在根据本发明的实施例的气体浓度检测系统中，气体浓度数据库分别记录第一待测气体以及第二待测气体各别的多个不同的气体浓度值以及分别对应于所述多个不同的气体浓度值的多个检量线。信号处理单元分别比对第一电压变化以及第二电压变化与各别的所述多个检量线，以对应取得第一待测气体的第一气体浓度值以及第二待测气体的第二气体浓度值。

根据本发明的实施例，本发明的气体浓度检测方法适用于上述的气体浓度检测系统，并且包括以下步骤：通过第一激光二极管以及第二激光二极管发射具有不同脉冲频率以及不同光波长的第一周期性脉冲光以及第二周期性脉冲光至容置有第一待测气体以及第二待测气体的腔体内，其中第一待测气体以及第二待测气体分别在不同光波长具有第一吸收波长以及第二吸收波长，其中第一周期性脉冲光对应第一吸收波长，并且第二周期性脉冲光对应第二吸收波长；通过设置在腔体内的声音感测单元感测腔体的多个声波信号，并且输出电压信号；以及通过信号处理单元接收电压信号，并且分析电压信号的第一电压变化以及第二电压变化，以通过比对气体浓度数据库来取得第一待测气体的第一气体浓度值以及第二待测气体的第二气体浓度值。

基于上述，本发明的气体浓度检测系统以及气体浓度检测方法可基于光声光谱法(Photoacoustic spectrometry，PAS)来检测多个气体的各别的气体浓度值。

附图说明

包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明的一实施例的气体浓度检测系统的示意图；

图2为本发明的一实施例的腔体的示意图；

图3为本发明的一实施例的多个气体的气体浓度的示意图；

图4为本发明的一实施例的气体浓度检测方法的流程图。

附图标号说明

100：气体浓度检测系统；

110：腔体；

120_1～120_N：激光二极管；

130：声音感测单元；

140：信号处理单元；

L_1～L_N：周期性脉冲光；

LS：导光路径；

S410～S430：步骤。

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

图1是依照本发明的一实施例的气体浓度检测系统的示意图。参考图1，气体浓度检测系统100包括腔体110、多个激光二极管(Laser Diode，LD)120_1～120_N、声音感测单元130以及信号处理单元140，其中N为大于1的正整数。在本实施例中，腔体110可容置多个待测气体，并且所述多个待测气体分别在不同光波长具有最高吸收光谱。多个激光二极管120_1～120_N发射具有不同脉冲频率以及不同光波长的多个周期性脉冲光L_1～L_N至腔体110内。声音感测单元130设置在腔体110内。声音感测单元130可感测腔体110内的多个声波信号，并且输出电压信号。信号处理单元140耦接声音感测单元130，以接收电压信号，并且分析电压信号的多个电压变化，以通过比对气体浓度数据库来取得所述多个待测气体的多个气体浓度值。气体浓度值的单位可例如是百万分点浓度(parts per million，ppm)。

以混合两种待测气体为例，在一实施例中，腔体110可容置分别具有不同的吸收波长的第一待测气体以及第二待测气体。第一待测气体具有第一吸收波长。第二待测气体具有第二吸收波长。在此例中，激光二极管120_1以及激光二极管120_2可例如分别发射具有不同脉冲频率以及不同光波长的第一周期性脉冲光以及第二周期性脉冲光至腔体110内。第一周期性脉冲光对应第一吸收波长，并且第二周期性脉冲光对应第二吸收波长。同时，声音感测单元130感测腔体110的多个声波信号，并且输出电压信号至信号处理单元140。因此，信号处理单元140可分析电压信号的第一电压变化以及第二电压变化，以通过比对气体浓度数据库来取得第一待测气体的第一气体浓度值与第二待测气体的第二气体浓度值。

另外，值得注意的是，在一实施例中，吸收波长可指半高宽(Full width at halfmaximum,FWHM)的范围内。在另一实施例中，吸收波长大致是指波峰。

图2是依照本发明的一实施例的腔体的示意图。参考图1以及图2，腔体110可为封闭的共振腔体。在本实施例中，腔体110可预先混合多个待测气体。由于不同的气体的吸收波长为对应于不同光波长，因此本实施例可先设置具有对应于所述多个待测气体的所述多个激光二极管120_1～120_N。所述多个激光二极管120_1～120_N可沿着固定的导光路径LS，以同时或分时发射具有特定波长的所述多个周期性脉冲光L_1～L_N至腔体110内。举例而言，当所述多个待测气体被具有特定波长的周期性脉冲光照射时，被照射的所述多个待测气体只有对应具有吸收波长的其中一个的温度将随着脉冲光会明显地对应地周期性地变化。

在本实施例中，由于腔体110为封闭腔体，因此当所述多个待测气体对应具有最高吸收光谱的其中一个的温度上升时，基于理想气体方程式(PV＝NRT)，腔体110内的压力将会相对应地周期性地变化。值得注意的是，声音感测单元130可例如是灵敏的微音器(Microphone)或压电陶瓷微音器(piezoelectric ceramic microphone)，并且设置在腔体110内。也就是说，当腔体110内的压力相对应地周期性地变化时，声音感测单元130将同时感测到因腔体110内的压力变化所致的对应的声波信号，并且输出对应的电压信号，其中电压信号的波形变化也对应于声波信号的起伏变化。

以此类推，所述多个待测气体可逐一以对应的周期性脉冲光进行照射，而使声音感测单元130可感测到对应的声波信号。并且，所述多个声波信号的波形分别随着对应的所述多个待测气体的温度变化及压力变化而改变，并且所述多个声波信号的频率分别相同于对应的所述多个周期性脉冲光的所述多个脉冲频率。因此，本实施例的信号处理单元140可解析所述电压信号中分别对应于不同频率的多个电压变化，并且通过比对气体浓度数据库来取得对应的所述多个气体浓度值。对此，附带一提的是，信号处理单元140可至少包括锁相放大器(Lock-in-amplifier)。锁相放大器可通过傅立叶变换(Fourier transform)来有效地分别取得并锁定所述电压信号在不同的多个脉冲频率所对应的多个电压变化。

值得注意的是，本实施例所述的气体浓度数据库可同样以气体浓度检测系统100来进行检测而建立之。举例而言，使用者可将具有已知气体浓度的特定气体导入腔体110，并且照射予以具有对应于最高吸收光谱的光波长的周期性脉冲光。接着，声音感测单元130取得对应的声音信号，并输出对应的电压信号至信号处理单元140。对此，信号处理单元140解析电压信号后可取得对应的电压变化，并且信号处理单元140可记录电压变化中的线性区段的斜率值，以将所述斜率值与对应的气体浓度值记录气体浓度数据库当中。换言之，由于相同气体的不同气体浓度所对应的电压变化不同，因此相同气体的不同气体浓度将对应于不同斜率值。

因此，当气体浓度检测系统100进行多气体检测时，用户或信号处理单元140可先以电压信号的变化频率来判断此电压变化是对应于特定脉冲频率以及特定波长的周期性脉冲光的某一种气体类型。接着，用户或信号处理单元140可通过类似查表的方式来读取气体浓度数据库，以比对此电压信号的线性区段的斜率值是对应于哪一个浓度值。以此类推，所述多个待测气体的最高吸收光谱由于都对应于不同波长，因此信号处理单元140所接收到的电压信号也会具有不同电压变化，而可明确地进行分辨。

然而，在另一实施例中，气体浓度数据库亦可以是分别记录所述多个待测气体各别的多个不同的气体浓度值以及分别对应于不同的气体浓度值的多个检量线(Calibration curve)。也就是说，信号处理单元140也可通过分别比对不同的多个电压变化与各别对应的检量线的方式，来对应取得所述多个待测气体的各别的气体浓度值。

图3是依照本发明的一实施例的多个气体的气体浓度的示意图。参考图1至图3，以氮氧化合物(NxOy)为例，图3的纵轴为吸收强度，并且横轴为波长。在图3中，NO的最高吸收波长的波峰例如是5.2微米(um)。NO2的吸收波长的波峰例如是3.4微米。N2O的吸收波长的波峰例如是4.5微米。因此，当气体浓度检测系统100的腔体110混合有上述三种气体时，气体浓度检测系统100的激光二极管120_1～120_3可分别发射具有3.4微米、4.5微米以及5.2微米的三个周期性脉冲光L_1～L_3至腔体110内。并且，所述三个周期性脉冲光L_1～L_3具有不同脉冲频率，例如70千赫兹(kHz)、80千赫兹(kHz)以及90千赫兹(kHz)。因此，声音感测单元130可取得多个声音信号而输出电压信号至信号处理单元140，并且经由信号处理单元140解析以及比对气体浓度数据库后，信号处理单元140即可取得上述三种气体在腔体110当中的气体浓度值。

图4是依照本发明的一实施例的气体浓度检测方法的流程图。参考图1以及图4，图4的气体浓度检测方法可适用于图1实施例的气体浓度检测系统100。在步骤S410中，气体浓度检测系统100的激光二极管120_1、120_2发射具有不同脉冲频率以及不同光波长的周期性脉冲光L_1、L_2至容置有第一待测气体以及第二待测气体的腔体110内，其中第一待测气体以及第二待测气体分别在不同光波长具有第一吸收波长以及第二吸收波长，其中第一周期性脉冲光对应第一吸收波长，并且第二周期性脉冲光对应第二吸收波长。在步骤S420中，设置在腔体110内的声音感测单元130感测腔体110的多个声波信号，并且输出电压信号。在步骤S430中，信号处理单元140接收电压信号，并且分析电压信号的第一电压变化以及第二电压变化，以通过比对气体浓度数据库来取得第一待测气体的第一气体浓度值以及第二待测气体的第二气体浓度值。因此，本实施例的气体浓度检测方法可准确且快速地取得至少两种不同待测气体的各别的气体浓度值。

综上所述，本发明的气体浓度检测系统以及气体浓度检测方法可通过多个激光二极管发射具有不同脉冲频率以及不同光波长的多个周期性脉冲光至容置有多种气体的封闭腔体中，并通过声音感测单元来感测因气体的体积变化所对应产生的多个声波信号，以输出对应的电压信号。因此，本发明的气体浓度检测系统以及气体浓度检测方法可通过解析所述电压信号，以搭配气体浓度数据库来快速地取得对应的多个气体浓度值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。