技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
气体传感器及气体检测方法。
背景技术
[0002] 氢广泛用于诸如
燃料电池、
合成树脂和药品的化学产品。氢气具有低分子量并因此具有
泄漏的倾向，并且另外具有宽的爆炸浓度范围，因此，测量氢气浓度的技术是重要的。氢具有低分子量并且声速在氢气中比在其它气体中快，因此，存在通过检测声速的变化来测量氢气浓度的技术。
[0003] 非
专利文献1(IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，VOL.50，No.9，SEPTEMBER 2003)公开了一种技术，其中通过下述方式来测量氢气浓度：通过设置在具有开口的容器中的一个压电元件使该容器内的气体振荡而进行亥姆霍兹谐振(Helmholtz resonance)，并根据其谐振
频率计算声速。
[0004] 然而，具有低分子量的诸如氢的气体在高浓度下的谐振频率远高于压电元件的谐振频率(在压电元件的频率特性内具有高振幅的频率)。因此，利用非专利文献1中公开的技术，气体的谐振频率和压电元件的谐振频率彼此偏离很多，并且声压通过亥姆霍兹谐振而降低，并因此难以检测谐振。
发明内容
[0005] 本发明的一个方面的目的是检测宽浓度范围的低分子量的气体。
[0006] 为了解决上述问题，本发明的一个方面采用下述结构。气体传感器包括：至少一个
谐振器；振动器，所述振动器设置在所述至少一个谐振器上；至少一个转换器，所述至少一个转换器将从所述至少一个谐振器输出的
声波转换为电
信号；以及检测单元，所述检测单元基于通过所述至少一个转换器进行的转换获得的所述
电信号来检测特定气体，其中，所述振动器包括以下构件中的至少一者：多个振动体，所述多个振动体在振动期间分别具有不同的频率特性，所述多个振动体使所述至少一个谐振器内的气体振动，并且通过所述至少一个谐振器的谐振输出声波；以及加热器，所述加热器加热所述至少一个谐振器内的气体，并且通过所述至少一个谐振器的谐振输出声波。
[0007] 应当理解，前面的概述和以下的详述都是示例性和说明性的，并不是对本发明的限制。
[0008] 本发明的一个方面可以检测宽浓度范围的具有低分子量的气体。
附图说明
[0009] 通过以下结合附图的描述可以理解本发明，其中：
[0010] 图1是示出根据实施方式1的气体检测装置的结构示例的
框图；
[0011] 图2是示出根据实施方式1的谐振器的示例的框图；
[0012] 图3是示出根据实施方式1的谐振器的示例的框图；
[0013] 图4是示出根据实施方式1的气体检测装置的结构示例的框图；
[0014] 图5是示出根据实施方式1的气体检测装置的结构示例的框图；
[0015] 图6是示出根据实施方式2的气体检测装置的结构示例的框图；
[0016] 图7是示出根据实施方式2的气体检测装置的结构示例的框图；
[0017] 图8是示出根据实施方式3的谐振器的示例的框图；以及
[0018] 图9是示出根据实施方式3的谐振器的示例的框图。
具体实施方式
[0019] 下面，参考附图详细说明实施方式。实施方式仅是用于实现本发明的示例，并且不应被解释为限制本发明的技术范围。在各图中，相同的结构被赋予相同的附图标记。为了便于解释，所示部件和结构的尺寸和形状不一定真实。
[0020] 作为实施方式中的气体传感器的一个示例，描述了检测氢气的气体检测装置。气体检测装置不仅可以用于检测氢气，还可以用于检测以下这样的其它气体：与空气相比，该其它气体具有低分子量；并且与在空气中相比，声速在该其它气体中高，该其它气体例如为氦气。
[0021] [实施方式1]
[0022] 图1是示出气体检测装置的结构示例的框图。气体检测装置包括谐振器10、控制单元30、麦克
风40和检测单元50。谐振器10是具有开口11的容器(图1中的示例示出了谐振器10的剖视图)，并且谐振器10附接有振动器20和
温度计60。在图1所示的示例中，谐振器10是下述圆柱体：在所述圆柱体中，包括振动器20的表面是底表面，并且开口11是圆形的且设置在与包括振动器20的表面相对的表面中。谐振器10、开口11的形状以及设置开口11的
位置不限于图1的示例的谐振器10、开口11的形状以及设置开口11的位置。
[0023] 振动器20使谐振器10内的空间中的气体振动。通过谐振器10内的空间中的气体以特定频率(谐振频率)振动，在谐振器10中产生亥姆霍兹谐振。在图1所示的示例中，振动器20被包括在谐振器10中，并使谐振器10中的气体振动；但是振动器20可以附接到谐振器10的外表面，并且在这种情况下，振动器20通过振动谐振器10自身而使得谐振器10内部的气体振动。稍后将描述振动器20的具体示例。
[0024] 控制单元30控制振动器20的振动。控制单元30例如由根据程序操作的处理器和/或具有特定功能的逻辑
电路构成。这些部件可以是单独的电路，或者这些部件中的一部分部件或所有部件可以共用相同的电路(包括处理器)。这同样适用于检测单元50。
[0025] 麦克风40是将来自谐振器10的谐振转换为电信号的转换器。例如，麦克风40是包括磁体41、可动线圈42和振动板43的动态麦克风。
[0026] 检测单元50连接到麦克风40，检测来自麦克风40的电信号，并确定谐振器10的谐振频率。此外，检测单元50连接到
温度计60并接收由温度计60测量的温度信息。例如，温度计60附接到谐振器10，并测量气体气氛的温度。
[0027] 另外，检测单元50使用谐振频率和从温度计60接收的温度来计算氢气浓度。具体地，检测单元50使
用例如下式来计算氢气浓度。
[0028]
[0029]
[0030] 在公式1中，“f(ω)”是谐振器10的谐振频率，“C”是声速，“V”是谐振器10的内部容积，“l”是开口11的高度(谐振器10的具有开口11的表面的厚度)，“a”是开口11的半径，“d”是谐振器10内部的空间的底表面的直径，并且“h”是谐振器10内部的空间的高度。在公式2中，“C”是声速，“γ”是
比热比，R是气体常数(8.31446m2kg/s2Kmol)，“T”是温度，“M”是摩尔
质量(kg/mol)。
[0031] 检测单元50使用公式1根据接收的谐振频率计算声速。接着，检测单元50根据计算出的声速和接收的温度，使用公式2计算气体的摩尔质量和比热比。
[0032] 例如，检测单元50可以连接到输出装置(未示出；示例包括显示装置或扬声器装置)，并且将计算出的气体浓度输出到输出装置。可替选地，检测单元50可以不将气体浓度本身输出到输出装置，而是在气体浓度在规定范围(例如爆炸极限)内时向输出装置输出警报。
[0033] 麦克风40可以是电容式麦克风。例如，电容式麦克风具有绝缘
支撑体、固定
电极和振动板(可移动电极)。例如，如果氢气浓度为0％的空气中的谐振频率为1000Hz，则氢气浓度为1％的空气中的谐振频率为1005Hz。在这种情况下，相对于氢气浓度的1％的变化，谐振频率变化大约5Hz。另一方面，如果氢气浓度为0％的空气中的谐振频率为5000Hz，则氢气浓度为1％的空气中的谐振频率为5024Hz。在这种情况下，相对于氢气浓度的1％的变化，谐振频率变化大约24Hz。
[0034] 因此，通过采用谐振器10的谐振频率高的设计，气体检测装置对氢浓度变化的灵敏度提高。电容式麦克风可以比动态麦克风更容易地检测高频范围内的声波，因此，如果麦克风40是电容式麦克风，则对氢浓度变化的灵敏度提高。
[0035] 图2是示出谐振器10的示例的框图。在图2所示的示例中，振动器20是包括均为振动体的低频声源21和高频声源22的动态扬声器。对于在规定温度(例如293K)下的氢气浓度处于测量下限(例如，0％)的情况，低频声源21具有下述频率特性：在低频范围(谐振频率(例如，具体地，在5kHz附近))内，振幅高(例如，等于或大于规定值)。对于在规定温度(例如293K)下的氢气浓度处于测量上限(例如100％)的情况，高频声源22具有下述频率特性：在高频范围(谐振频率(例如，具体地，在15kHz附近))内，振幅高(例如，等于或大于规定值)。
另外，例如，与高频声源22的频率特性中的振幅峰值相比，低频声源21的频率特性中的振幅峰值存在于低频侧。例如，低频声源21和高频声源22都是包括磁体201、可动线圈202和振动板203的扬声器。
[0036] 控制单元30例如包括交流电源，并且通过对振动器20施加具有扫描频率的交流
电压，从谐振器10输出声音。振动器20包括具有不同频率特性的两个声源，因此可以输出宽
频率范围的声音。具体地，即使谐振器10的谐振频率由于氢气浓度增加而频移到高频侧，振动器20也可以产生具有高声压的谐振。因此，气体检测装置可以检测宽浓度范围的氢气。在图2的示例中，振动器20包括两个声源，但对声源的数量没有限制。
[0037] 在对振动器20施加具有扫描频率的交流电压时，控制单元30可以针对每个频率施加不同的电压。具体地，控制单元30在低频声源21和高频声源22的频率特性中的总声压振幅(即，振动器20整体的频率特性中的声压振幅)小于规定值的频率处，施加高电压(例如，2Vpp)，并且控制单元30在低频声源21和高频声源22的频率特性中的总声压振幅(即，振动器20整体的频率特性中的声压振幅)大于规定值的频率处，施加
低电压(例如，0.15Vpp)。
[0038] 结果，振动器20整体的频率特性变得平坦(换句话说，对于低频区域或高频区域，声压振幅都不小)，因此，气体检测装置可以容易地检测宽浓度范围的氢气。
[0039] 图3是示出谐振器10的示例的框图。在图3所示的示例中，振动器20包括均为振动体的低频压电元件23和高频压电元件24。低频压电元件23具有下述频率特性：低频区域中的振幅高。高频压电元件24具有下述频率特性：高频区域中的振幅高。另外，与高频压电元件24的频率特性中的振幅峰值相比，低频压电元件23的频率特性中的振幅峰值例如存在于低频侧。
[0040] 控制单元30对包括在振动器20中的低频压电元件23和高频压电元件24施加具有扫描频率的交流电压，从而从振动器20输出宽频范围。
[0041] 例如，可以基于非专利文献(L.de Luca，M.Girfoglio，M.Chiatto，G.Coppola“Scaling properties of resonant cavities driven by piezo-electric actuators”Sensors and Actuators A:Physical Volume 247,2016年8月15日,P.465-474,Elsevier B.V.)公开的参数设计压电元件的频率特性。
[0042] 图4是示出气体检测装置的结构示例的框图。图4详细示出了检测单元50。在图4的示例中，控制单元30包括交流电源，并且检测单元50包括
锁相
放大器51。控制单元30对振动器20施加具有扫描频率的交流电压。此外，控制单元30向
锁相放大器51发送交流电压以作为参考信号。
[0043] 通过锁相放大器51将参考信号乘以来自麦克风的测量信号，在测量信号的频率分量中，只有等于参考信号的频率分量变为直流电，并且可以通过锁相放大器51的LPF(低通
滤波器)。因此，检测单元50可以检测到测量信号的频率和
相位信息，并且还可以降低噪声。
[0044] 图5是示出气体检测装置的结构示例的框图。图5详细示出了检测单元50。控制单元30包括例如振荡电路。在假设的示例中，振动器20由于一定因素以特定频率振动，并且在谐振器10中产生亥姆霍兹谐振。在这种情况下，检测单元50接收通过麦克风40的测量获得的测量信号，并且从接收的测量信号中检测
交流分量并由放大器放大该交流分量。放大的测量信号被发送到控制单元30和检测单元50中的频率计数器52。
[0045] 频率计数器52检测放大的测量信号的频率和相位信息。通过控制单元30使振动器20由于放大的测量信号的振荡而振动，谐振器10中的亥姆霍兹谐振继续。在图5的示例中，控制单元30不需要对振动器20施加具有扫描频率的电压，因此，可以缩短气体浓度的测量时间。
[0046] [实施方式2]
[0047] 将描述与实施方式1的不同之处，并且将省略与实施方式1共同的内容的说明。本实施方式的气体检测装置包括多个谐振器10。图6是示出气体检测装置的结构示例的框图。该气体检测装置包括谐振器10-1和谐振器10-2。谐振器10-1设置有开口11-1并且附接有振动器20-1。谐振器10-2设置有开口11-2并且附接有振动器20-2。在图6的示例中，温度计60附接到谐振器10-2，但也可以附接到谐振器10-1，或者附接到谐振器10-1和谐振器10-2两者。
[0048] 谐振器10-1被设计成在相同条件下具有比谐振器10-2低的谐振频率。例如，振动器20-1是具有下述频率特性的扬声器：低频区域中的声压振幅高。例如，振动器20-2是具有下述频率特性的扬声器：高频区域中的声压振幅高。
[0049] 如前所述，对谐振器10设定的谐振频率越高，则气体检测装置对氢气浓度的变化的灵敏度越高，因此可以容易地测量低浓度的氢气。另一方面，如果将谐振器10设定为高谐振频率，则如果氢气浓度高，则谐振频率进一步增大，因此难以测量高浓度的氢气。
[0050] 图6的气体检测装置可以通过具有设定的低谐振频率的谐振器10-1容易地测量高浓度的氢气，并且即使在低浓度范围内，使用具有高谐振频率设定的谐振器10-2，该气体检测装置也可以具有对氢气浓度变化的提高的灵敏度，从而可以容易地测量低浓度的氢气。
[0051] 在图6的示例中，气体检测装置包括两个谐振器，但是可以包括具有不同谐振频率和振动器频率特性的三个谐振器。
[0052] 图7是示出气体检测装置的结构示例的框图。图7的气体检测装置包括两个相同的谐振器10和两个相同的麦克风40。温度计60没有附接到两个谐振器10中的任何一个。一个谐振器10和一个麦克风40设置在要测量氢气浓度的空间中。
[0053] 另一个谐振器10和另一个麦克风40设置在下述空间中：所述空间填充有特定气体成分，并且具有与要测量氢气浓度的空间相同的温度。具体地，该另一个谐振器10和该另一个麦克风40设置在充满氮气的密封空间中。
[0054] 所述一个谐振器10和所述一个麦克风40的位置关系(包括取向)与所述另一个谐振器10和所述另一个麦克风40的位置关系相同。
[0055] 控制单元30例如对两个振动器20施加具有扫描频率的交流电压，从而从两个谐振器10输出声音。检测单元50不获取温度信息，并因此，通过使用来自所述另一个麦克风40的
输出电压作为参考信号来执行温度校正，从所述一个麦克风40的输出电压计算氢气浓度。因此，图7的气体检测装置可以在不使用温度信息的情况下计算氢气浓度。振动器20可以包括多个振动体(例如实施方式1的扬声器和压电元件)以及下面的实施方式3的加热器二者。
[0056] [实施方式3]
[0057] 将描述与实施方式1的不同之处，并且将省略与实施方式1共同的内容的说明。本实施方式的谐振器10使用加热器代替振动器20。图8是示出谐振器10的示例的框图。谐振器10附接有加热器70。
[0058] 通过加热器70自加热并由此产生具有谐振频率的声波，在谐振器10中产生亥姆霍兹谐振。在图8所示的示例中，加热器70由吸收
激光束的材料制成。由金属箔和光吸收剂等涂覆的玻璃和树脂膜是吸收激光束的材料的示例。
[0059] 控制单元30例如包括激光束源，并且将调制的激光束发射到加热器70。通过加热器70的由激光束照射的部分被加热，加热器通过光声效应产生声波，并且在谐振器10中以谐振频率产生亥姆霍兹谐振。
[0060] 图9是示出谐振器10的示例的框图。在图9所示的示例中，加热器70由导电材料制成。在玻璃上形成的
碳纳米管(CNT)、Ag
纳米线等是导电材料的示例。
[0061] 控制单元30例如包括交流电源，并且通过向加热器70施加交流电压，加热器70被加热。通过加热器70被加热，加热器通
过热声效应产生声波，并在谐振器10中以谐振频率产生亥姆霍兹谐振。
[0062] 在本实施方式中，由加热器70产生的声波不是通过使声源振动产生的声波，并且因此，不具有源自自然振动的频率特性，并且具有平坦的频率特性。因此，本实施方式的气体检测装置可以以高灵敏度并在宽氢浓度范围下，检测氢气。
[0063] 以上说明了实施方式，但是本发明不限于那些实施方式。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以容易地
修改、添加或改变上述实施方式的每个元件。可以用一个实施方式的结构的一部分替换另一个实施方式的结构的一部分，或者可以将一个实施方式的结构添加到另一个实施方式的结构。
