王麗+李悅

摘 要：文章結(jié)合國際專利分類標準將氣體濃度超聲檢測技術(shù)劃分為利用聲速/聲時檢測、利用聲阻抗檢測、利用聲衰減檢測、利用聲頻率檢測以及光聲光譜檢測五個分支，并對每個分支的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展前景進行了分析與展望，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；專利分析

中圖分類號：TB551 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0012-02

1 概述

日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中都離不開氣體的監(jiān)測和控制，例如大氣環(huán)境中二氧化碳含量變化的檢測、室內(nèi)裝修材料有毒氣體的釋放量監(jiān)測、工業(yè)廢氣的排放量監(jiān)控等。目前氣體濃度的檢測方法運用比較多的主要有電阻式氣敏法、超聲檢測法、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)測法[1]，這七種檢測方法根據(jù)各自的特點各有應(yīng)用場合。而屬于非接觸式測量的氣體濃度超聲檢測法基于其測量范圍寬、測量精度高、測試設(shè)備體積小、無需維護、使用壽命長等優(yōu)勢，已經(jīng)在氣體濃度檢測領(lǐng)域中占據(jù)重要地位并受到極大關(guān)注[2]。

目前還沒有相關(guān)文獻對氣體濃度超聲檢測技術(shù)給予明確的分類，筆者參考專利文獻國際分類表中對涵蓋氣體分析的超聲流體分析技術(shù)的分類標準，再結(jié)合專利文獻量的實際分布情況，暫且將氣體濃度超聲檢測技術(shù)分為利用聲速/聲時檢測、利用聲阻抗檢測、利用聲衰減檢測、利用聲頻率檢測以及光聲光譜檢測五個分支。本文分別對這五個分支的專利文獻中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)展開分析。

2 氣體濃度超聲檢測關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 利用聲速/聲時檢測

利用聲速/聲時檢測氣體濃度發(fā)展得最早，二十世紀五十年代就有該分支的專利文獻出現(xiàn)，其中法國（FR1139187A，1957年）和德國（GB798323A，1958年）是最先提出申請的國家。但受限于當時電子技術(shù)的發(fā)展水平，無論是通過相位差還是通過傳播時間，聲速的測量都比較粗略，難以達到氣體濃度檢測時對聲速測量的高精度要求。直到進入八十年代，隨著電子技術(shù)和測量技術(shù)的發(fā)展，人們又開始重新重視超聲技術(shù)在氣體檢測上的應(yīng)用。

回顧利用聲速/聲時檢測氣體濃度超聲技術(shù)的發(fā)展過程，該分支在不同時間段所面臨的技術(shù)障礙并沒有明顯的分水嶺，呈現(xiàn)一個多方向并行發(fā)展的態(tài)勢。從影響氣體濃度超聲檢測精度的方面來看，主要有以下三個影響因素：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，而專利文獻中體現(xiàn)最多的是關(guān)于傳感器的布置方式上的改進和嘗試，其次是電子線路穩(wěn)定性能上的改進。

為了使超聲技術(shù)在氣體濃度檢測領(lǐng)域得到更多認可，目前利用聲速/聲時的超聲技術(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精度的提高以及多氣體成分的檢測中，未來高精度測量的挑戰(zhàn)，也給該種產(chǎn)品的性能指標提出了更高的要求。

2.2 利用聲阻抗檢測

聲阻抗法檢測原理并不復(fù)雜，但是卻很難實現(xiàn)對聲阻抗的精確測量。聲阻抗測量的首要任務(wù)是建立基于電-機-聲類比的超聲傳播等效模型，其需要考慮信號傳輸過程中每一個元件如傳感器、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)致聲阻抗的測量與眾多因素相關(guān)，難以做到全面考慮而建立準確的模型。與此同時，聲阻抗測量還與超聲數(shù)字信號處理和智能信息處理的能力息息相關(guān)，現(xiàn)有的數(shù)字信號處理方法對其檢測精度也是一個制約因素。目前尚未有成熟商用測量儀器面市，各種測量方法皆處于實驗室研究階段。國內(nèi)外在這方面的研究文獻都非常少，該方面的專利申請量更是少之又少。1994年加拿大的申請（CA2103190A1）成了聲阻抗法測量氣體密度的第一份專利記載，該申請主要是對信號處理電路做的改進設(shè)計。之后出現(xiàn)了幾份關(guān)于聲阻抗模型改進后用于氣體探測的專利申請，但真正的拓展深入研究暫時還是相當有難度。

2.3 利用聲衰減檢測

早在二十世紀五六十年代，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)雜程度遠高于聲速，在沒有合適的理論之前簡單成熟的聲速對聲衰減應(yīng)用具有壓倒性的優(yōu)勢，聲衰減檢測氣體目前主要還是處于理論研究階段。專利文獻中該方面申請集中于二十一世紀初期，但是研究的方向有所差異，最為典型且最多的應(yīng)用是通過測量樣本介質(zhì)的超聲波衰減頻譜，根據(jù)聲衰減頻譜模型計算顆粒尺寸分布或流體中氣泡濃度。國內(nèi)對氣體超聲檢測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方面的申請，該課題組通過六氟化硫氣體與參考氣體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精度低，尚不能滿足對微量濃度氣體的檢測，目前聲衰減氣體檢測的研究關(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)來實現(xiàn)三種和三種以上成分混合氣體的聲學(xué)檢測會是一個具備誘人前景的課題。

2.4 利用聲頻率檢測

利用聲頻率檢測氣體的研究都高度集中于聲表面波氣體探測器的研究，聲表面波（SAW）氣體傳感器是在1979年由美國科學(xué)家H. Wohltjen等人首次提出來的，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)，從專利文獻來看，國外申請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，國內(nèi)的專利文獻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。國外申請中除了研究不同的應(yīng)用場合選用相應(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，以此提高聲波的諧振性能，改進檢測精度。中國是在2000年以后才出現(xiàn)與SAW氣體傳感器有關(guān)的申請，但在2005年之前的專利中，只有極少數(shù)屬于中國本土的申請，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，以中國科學(xué)院微電子研究在該方面的申請居多。

聲表面波氣體探測是眾多氣體傳感器類型中比較引人注目的一個分支，目前有關(guān)聲表面波氣體探測的應(yīng)用研究仍然面臨不少問題，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

早在1938年，蘇聯(lián)科學(xué)家Viegerov就已研制出第一臺檢測氣體濃度的光聲光譜裝置，對CO2和CH4的濃度進行了分析[3]。然而主要受限于當時較小的光源功率和較低的聲波探測靈敏度，光聲光譜技術(shù)研究在此后的幾十年間幾乎沒有實質(zhì)性的進展。上世紀八十年代出現(xiàn)光聲光譜技術(shù)氣體探測的專利申請后，其申請量直到二十世紀末才開始呈現(xiàn)增長趨勢。該階段的專利文獻首先從光聲池的構(gòu)造上進行改進，國內(nèi)外申請人提出了很多種光聲池的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，各有針對性并各具特點。另外，傳聲器也是光聲檢測系統(tǒng)綜合性能高的一個重要組成單元，傳統(tǒng)的電容式傳聲器如麥克風(fēng)仍然是當前主導(dǎo)的光聲檢測系統(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，隨著微機械技術(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)呈非常嚴格的線性關(guān)系，動態(tài)范圍也很大。另一種在專利文獻中出現(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)劣的三個主要指標是靈敏度、頻率范圍和噪聲，如果這三個性能指標能進一步提高，微傳聲器在光聲氣體探測領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的作用。

3 結(jié)束語

通過上述的分析可以看出，利用聲速/聲時檢測的超聲氣體檢測技術(shù)發(fā)展最早也最為成熟，其發(fā)展相當程度上依賴電子技術(shù)和測量技術(shù)的發(fā)展。利用聲阻抗和聲衰減的超聲檢測技術(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)造等的開發(fā)具備一定的探索空間，將吸引更多的機構(gòu)學(xué)者的注意力。

參考文獻：

[1]徐信，鄭志營，何娟娟，等.基于DSP的超聲波氣體濃度計[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)在氣體濃度檢測中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)常州分校學(xué)報，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.