氣體濃度超聲檢測(cè)技術(shù)專利分析

王麗+李悅

摘 要：文章結(jié)合國(guó)際專利分類標(biāo)準(zhǔn)將氣體濃度超聲檢測(cè)技術(shù)劃分為利用聲速/聲時(shí)檢測(cè)、利用聲阻抗檢測(cè)、利用聲衰減檢測(cè)、利用聲頻率檢測(cè)以及光聲光譜檢測(cè)五個(gè)分支，并對(duì)每個(gè)分支的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展前景進(jìn)行了分析與展望，為該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展障礙和研究方向提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：氣體濃度；超聲檢測(cè)；專利分析

中圖分類號(hào)：TB551 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）22-0012-02

1 概述

日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中都離不開(kāi)氣體的監(jiān)測(cè)和控制，例如大氣環(huán)境中二氧化碳含量變化的檢測(cè)、室內(nèi)裝修材料有毒氣體的釋放量監(jiān)測(cè)、工業(yè)廢氣的排放量監(jiān)控等。目前氣體濃度的檢測(cè)方法運(yùn)用比較多的主要有電阻式氣敏法、超聲檢測(cè)法、氣相色譜法、載體催化燃燒法、示蹤氣體濃度衰減法、光干涉法、灰色理論預(yù)測(cè)法[1]，這七種檢測(cè)方法根據(jù)各自的特點(diǎn)各有應(yīng)用場(chǎng)合。而屬于非接觸式測(cè)量的氣體濃度超聲檢測(cè)法基于其測(cè)量范圍寬、測(cè)量精度高、測(cè)試設(shè)備體積小、無(wú)需維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域中占據(jù)重要地位并受到極大關(guān)注[2]。

目前還沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)氣體濃度超聲檢測(cè)技術(shù)給予明確的分類，筆者參考專利文獻(xiàn)國(guó)際分類表中對(duì)涵蓋氣體分析的超聲流體分析技術(shù)的分類標(biāo)準(zhǔn)，再結(jié)合專利文獻(xiàn)量的實(shí)際分布情況，暫且將氣體濃度超聲檢測(cè)技術(shù)分為利用聲速/聲時(shí)檢測(cè)、利用聲阻抗檢測(cè)、利用聲衰減檢測(cè)、利用聲頻率檢測(cè)以及光聲光譜檢測(cè)五個(gè)分支。本文分別對(duì)這五個(gè)分支的專利文獻(xiàn)中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)分析。

2 氣體濃度超聲檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 利用聲速/聲時(shí)檢測(cè)

利用聲速/聲時(shí)檢測(cè)氣體濃度發(fā)展得最早，二十世紀(jì)五十年代就有該分支的專利文獻(xiàn)出現(xiàn)，其中法國(guó)（FR1139187A，1957年）和德國(guó)（GB798323A，1958年）是最先提出申請(qǐng)的國(guó)家。但受限于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展水平，無(wú)論是通過(guò)相位差還是通過(guò)傳播時(shí)間，聲速的測(cè)量都比較粗略，難以達(dá)到氣體濃度檢測(cè)時(shí)對(duì)聲速測(cè)量的高精度要求。直到進(jìn)入八十年代，隨著電子技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，人們又開(kāi)始重新重視超聲技術(shù)在氣體檢測(cè)上的應(yīng)用。

回顧利用聲速/聲時(shí)檢測(cè)氣體濃度超聲技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，該分支在不同時(shí)間段所面臨的技術(shù)障礙并沒(méi)有明顯的分水嶺，呈現(xiàn)一個(gè)多方向并行發(fā)展的態(tài)勢(shì)。從影響氣體濃度超聲檢測(cè)精度的方面來(lái)看，主要有以下三個(gè)影響因素：傳感器及其布置方式、電子線路性能的穩(wěn)定性以及工作環(huán)境的影響，而專利文獻(xiàn)中體現(xiàn)最多的是關(guān)于傳感器的布置方式上的改進(jìn)和嘗試，其次是電子線路穩(wěn)定性能上的改進(jìn)。

為了使超聲技術(shù)在氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域得到更多認(rèn)可，目前利用聲速/聲時(shí)的超聲技術(shù)正向超聲傳播通道的多聲道化和多反射化方向發(fā)展，另外研究人員也正致力于氣體的痕量檢測(cè)精度的提高以及多氣體成分的檢測(cè)中，未來(lái)高精度測(cè)量的挑戰(zhàn)，也給該種產(chǎn)品的性能指標(biāo)提出了更高的要求。

2.2 利用聲阻抗檢測(cè)

聲阻抗法檢測(cè)原理并不復(fù)雜，但是卻很難實(shí)現(xiàn)對(duì)聲阻抗的精確測(cè)量。聲阻抗測(cè)量的首要任務(wù)是建立基于電-機(jī)-聲類比的超聲傳播等效模型，其需要考慮信號(hào)傳輸過(guò)程中每一個(gè)元件如傳感器、電路元件、延遲材甚至傳輸線的力學(xué)、電學(xué)和聲學(xué)特性，導(dǎo)致聲阻抗的測(cè)量與眾多因素相關(guān)，難以做到全面考慮而建立準(zhǔn)確的模型。與此同時(shí)，聲阻抗測(cè)量還與超聲數(shù)字信號(hào)處理和智能信息處理的能力息息相關(guān)，現(xiàn)有的數(shù)字信號(hào)處理方法對(duì)其檢測(cè)精度也是一個(gè)制約因素。目前尚未有成熟商用測(cè)量?jī)x器面市，各種測(cè)量方法皆處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。國(guó)內(nèi)外在這方面的研究文獻(xiàn)都非常少，該方面的專利申請(qǐng)量更是少之又少。1994年加拿大的申請(qǐng)（CA2103190A1）成了聲阻抗法測(cè)量氣體密度的第一份專利記載，該申請(qǐng)主要是對(duì)信號(hào)處理電路做的改進(jìn)設(shè)計(jì)。之后出現(xiàn)了幾份關(guān)于聲阻抗模型改進(jìn)后用于氣體探測(cè)的專利申請(qǐng)，但真正的拓展深入研究暫時(shí)還是相當(dāng)有難度。

2.3 利用聲衰減檢測(cè)

早在二十世紀(jì)五六十年代，就已出現(xiàn)研究聲衰減與混合氣體各成分濃度關(guān)系的理論和方法，但聲衰減研究的復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于聲速，在沒(méi)有合適的理論之前簡(jiǎn)單成熟的聲速對(duì)聲衰減應(yīng)用具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，聲衰減檢測(cè)氣體目前主要還是處于理論研究階段。專利文獻(xiàn)中該方面申請(qǐng)集中于二十一世紀(jì)初期，但是研究的方向有所差異，最為典型且最多的應(yīng)用是通過(guò)測(cè)量樣本介質(zhì)的超聲波衰減頻譜，根據(jù)聲衰減頻譜模型計(jì)算顆粒尺寸分布或流體中氣泡濃度。國(guó)內(nèi)對(duì)氣體超聲檢測(cè)研究較多的河海大學(xué)單鳴雷課題組也有氣體聲衰減檢測(cè)方面的申請(qǐng)，該課題組通過(guò)六氟化硫氣體與參考?xì)怏w衰減程度的比值表征六氟化硫濃度。

但現(xiàn)有的聲衰減理論檢測(cè)精度低，尚不能滿足對(duì)微量濃度氣體的檢測(cè)，目前聲衰減氣體檢測(cè)的研究關(guān)鍵仍在于理論上的創(chuàng)新突破，一旦有較成熟的理論成果出現(xiàn)，借助聲衰減參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)三種和三種以上成分混合氣體的聲學(xué)檢測(cè)會(huì)是一個(gè)具備誘人前景的課題。

2.4 利用聲頻率檢測(cè)

利用聲頻率檢測(cè)氣體的研究都高度集中于聲表面波氣體探測(cè)器的研究，聲表面波（SAW）氣體傳感器是在1979年由美國(guó)科學(xué)家H. Wohltjen等人首次提出來(lái)的，已經(jīng)在很多的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。SAW氣體傳感器通常有延遲線和諧振器兩種結(jié)構(gòu)，從專利文獻(xiàn)來(lái)看，國(guó)外申請(qǐng)偏向于諧振器型的傳感器，主要研究傳感器構(gòu)造上的改進(jìn)，國(guó)內(nèi)的專利文獻(xiàn)則最多的是涉及延遲線型傳感器的敏感膜制作工藝的改進(jìn)。國(guó)外申請(qǐng)中除了研究不同的應(yīng)用場(chǎng)合選用相應(yīng)選擇性的敏感膜材料外，更多地致力于諧振型SAW的膜結(jié)構(gòu)和諧振腔結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，以此提高聲波的諧振性能，改進(jìn)檢測(cè)精度。中國(guó)是在2000年以后才出現(xiàn)與SAW氣體傳感器有關(guān)的申請(qǐng)，但在2005年之前的專利中，只有極少數(shù)屬于中國(guó)本土的申請(qǐng)，之后便涌現(xiàn)出敏感膜材料研制和膜材料制作工藝方面的申請(qǐng)，以中國(guó)科學(xué)院微電子研究在該方面的申請(qǐng)居多。

聲表面波氣體探測(cè)是眾多氣體傳感器類型中比較引人注目的一個(gè)分支，目前有關(guān)聲表面波氣體探測(cè)的應(yīng)用研究仍然面臨不少問(wèn)題，但隨著新技術(shù)和新材料的發(fā)展，為聲表面波氣體傳感器提供了選擇性和穩(wěn)定性更佳的敏感膜材料、更優(yōu)的設(shè)計(jì)方法，聲表面波氣體傳感器在精度和性能等方面將表現(xiàn)出更大的發(fā)展?jié)摿Α?

2.5 利用光聲光譜檢測(cè)

早在1938年，蘇聯(lián)科學(xué)家Viegerov就已研制出第一臺(tái)檢測(cè)氣體濃度的光聲光譜裝置，對(duì)CO2和CH4的濃度進(jìn)行了分析[3]。然而主要受限于當(dāng)時(shí)較小的光源功率和較低的聲波探測(cè)靈敏度，光聲光譜技術(shù)研究在此后的幾十年間幾乎沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。上世紀(jì)八十年代出現(xiàn)光聲光譜技術(shù)氣體探測(cè)的專利申請(qǐng)后，其申請(qǐng)量直到二十世紀(jì)末才開(kāi)始呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。該階段的專利文獻(xiàn)首先從光聲池的構(gòu)造上進(jìn)行改進(jìn)，國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人提出了很多種光聲池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，各有針對(duì)性并各具特點(diǎn)。另外，傳聲器也是光聲檢測(cè)系統(tǒng)綜合性能高的一個(gè)重要組成單元，傳統(tǒng)的電容式傳聲器如麥克風(fēng)仍然是當(dāng)前主導(dǎo)的光聲檢測(cè)系統(tǒng)用聲傳感元件，但這種傳聲器的靈敏度低，位移響應(yīng)線性關(guān)系不太好，熱穩(wěn)定性差。

近年來(lái)，隨著微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，懸臂式微傳聲器也得到相應(yīng)發(fā)展，并且已經(jīng)應(yīng)用于光聲氣體檢測(cè)設(shè)備中。懸臂式微傳聲器是用半導(dǎo)體材料硅制作的，位移響應(yīng)呈非常嚴(yán)格的線性關(guān)系，動(dòng)態(tài)范圍也很大。另一種在專利文獻(xiàn)中出現(xiàn)較多的微傳聲器是石英音叉，它利用石英音叉的固有頻率，通過(guò)激光調(diào)制使得產(chǎn)生的聲波頻率等于石英音叉的共振頻率，從而激發(fā)石英音叉產(chǎn)生共振。衡量微傳聲器性能優(yōu)劣的三個(gè)主要指標(biāo)是靈敏度、頻率范圍和噪聲，如果這三個(gè)性能指標(biāo)能進(jìn)一步提高，微傳聲器在光聲氣體探測(cè)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述的分析可以看出，利用聲速/聲時(shí)檢測(cè)的超聲氣體檢測(cè)技術(shù)發(fā)展最早也最為成熟，其發(fā)展相當(dāng)程度上依賴電子技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。利用聲阻抗和聲衰減的超聲檢測(cè)技術(shù)則基本依賴于理論技術(shù)的發(fā)展，而理論成果的發(fā)展緩慢也直接影響其在專利申請(qǐng)的數(shù)量上很難有新的突破。聲表面波技術(shù)與光聲光譜技術(shù)的發(fā)展前景較為可觀，新的敏感膜材料和傳聲器構(gòu)造等的開(kāi)發(fā)具備一定的探索空間，將吸引更多的機(jī)構(gòu)學(xué)者的注意力。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐信，鄭志營(yíng)，何娟娟，等.基于DSP的超聲波氣體濃度計(jì)[J].信息技術(shù)，2015，39（7）：195-198.

[2]江福椿，朱昌平，趙帥.超聲技術(shù)在氣體濃度檢測(cè)中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào)，2005，19（2）：1-4.

[3]M.L.Viegerov. Eine Method eder gas analyse， Beruhend auf der Optiseh-Akustisehen Tyndall-Rontegeners-eheinung[J]. Dokl. Akad.

Nauk SSSR，1938，19：687-688.