用于估计气体浓度的系统和方法技术方案

本公开提供了一种估计气体浓度的系统和方法，该方法包括：根据包括时间间隔的跳频序列调制红外光源，其中在第一时间间隔期间以第一频率调制红外光源，在随后的时间间隔期间以第二频率调制红外光源，并且第一频率不同于第二频率；从声耦合至暴露于由红外光源产生的红外光的气体的麦克风的输出接收麦克风信号；使用带通滤波器对麦克风信号进行带通滤波以产生经滤波的麦克风信号；根据跳频序列调整带通滤波器的中心频率，其中带通滤波器在第一时间间隔期间包括对应于第一频率的第一中心频率，带通滤波器在随后的时间间隔期间包括对应于第二频率的第二中心频率，其中第一中心频率不同于第二中心频率；以及根据所滤波的麦克风信号估计气体浓度。

A System and Method for Estimating Gas Concentration

【技术实现步骤摘要】
用于估计气体浓度的系统和方法
本专利技术总体上涉及系统和方法，并且在具体实施例中，涉及用于测量气体浓度的系统和方法。
技术介绍
近年来，由于对空气污染和全球气候变化的日益关注，气体传感器的应用在过去几年引起了人们的极大兴趣。例如，二氧化碳传感器通常用于测量机器排放物和室内空气质量。测量气体浓度的一般方法有很多种。化学传感器通过测量诸如金属氧化物(MOX)或石墨烯的气敏材料的电特性来测量气体浓度。另一方面，物理传感器通过将气体样品暴露于红外光源并对气体执行进行物理测量来测量气体浓度。例如，非色散红外吸收(NDIR)传感器测量特定波长的红外光的吸收并基于光吸收量确定气体浓度；以及光声传感器在存在红外光的情况下测量气体样品的压力变化并基于气体压力的变化确定气体浓度。光声传感器(通常包括红外光源和麦克风)由于其小尺寸和使用普通商业半导体和封装技术制造的能力而非常适合于低成本和大量生产的实现。然而，光声传感器的一个问题是它们对声噪声的敏感性。由机械、交通、甚至人类活动产生的声噪声会干扰光声传感器的执行声学测量的能力并且降低传感器的精度。
技术实现思路
为解决上述问题，本公开提供了一种测量气体浓度的方法，包括：根据包括时间间隔的跳频序列调制红外光源，其中在第一时间间隔期间以第一频率调制红外光源，在随后的时间间隔期间以第二频率调制红外光源，并且第一频率不同于第二频率；从声耦合至暴露于由红外光源产生的红外光的气体的麦克风的输出接收麦克风信号；使用带通滤波器对麦克风信号进行带通滤波以产生经滤波的麦克风信号；根据跳频序列调整带通滤波器的中心频率，其中带通滤波器在第一时间间隔期间包括对应于第一频率的第一中心频率，带通滤波器在随后的时间间隔期间包括对应于第二频率的第二中心频率，其中第一中心频率不同于第二中心频率；以及根据所滤波的麦克风信号估计气体浓度。在某些实施例中，估计气体浓度包括：针对每个时间间隔执行单独的气体浓度估计，以产生气体浓度估计的集合；确定哪些单独的气体浓度估计是异常估计；从气体浓度估计的集合中去除异常估计，以形成气体浓度估计的修正集合；以及基于气体浓度估计的修正集合确定气体浓度。在某些实施例中，去除异常估计包括确定多数规则。在某些实施例中，带通滤波器包括匹配带通滤波器。在某些实施例中，还包括校准带通滤波器，校准包括执行与第一气体浓度相对应的测试测量，执行测试测量包括：利用测试频率调制红外光源；接收麦克风信号；以及存储对应于测试频率的麦克风信号的时间响应。在某些实施例中，测试频率是跳频序列中的最低频率，并且第一气体浓度对应于最低气体浓度。在某些实施例中，对麦克风信号进行带通滤波包括：根据带通滤波器的所调整的中心频率偏移所存储的时间响应的频率以形成偏移时间响应；以及将偏移时间响应与所接收的麦克风信号进行卷积。在某些实施例中，偏移所存储的时间响应的频率包括偏移所存储的时间响应的FFT；以及将偏移时间响应与所接收的麦克风信号进行卷积包括将所接收的麦克风信号的FFT与所存储的时间响应的所偏移的FFT相乘。在某些实施例中，根据所滤波的麦克风信号估计气体浓度包括：对所滤波的麦克风信号应用线性拟合模型。此外，还提供了一种用于测量气体浓度的系统，包括：红外光源；麦克风，声耦合至暴露于由红外光源产生的红外光的气体；以及分析单元，包括带通滤波器，带通滤波器具有电耦合至麦克风的输出的输入以及耦合至红外光源的输出，分析电路被配置为根据包括时间间隔的跳频序列来调制红外光源，其中在第一时间间隔期间以第一频率调制红外光源，在随后的时间间隔期间以第二频率调制红外光源，并且第一频率不同于第二频率；根据跳频序列调整带通滤波器的中心频率，其中带通滤波器在第一时间间隔期间包括与第一频率相对应的第一中心频率，带通滤波器在随后的时间间隔期间包括与第二频率相对应的第二中心频率，其中第一中心频率不同于第二中心频率；以及基于带通滤波器的输出估计气体浓度。此外，还提供了一种测量气体浓度的方法，包括：根据脉冲序列调制红外光源；从麦克风的输出接收麦克风信号，麦克风声耦合至暴露于由红外光源产生的红外光的气体；将所接收的麦克风信号与对应于脉冲序列的匹配信号相乘，以形成解扩麦克风信号；对解扩麦克风信号进行带通滤波以形成经带通滤波的解扩麦克风信号；以及根据经带通滤波的解扩麦克风信号估计气体浓度。在某些实施例中，还包括校准匹配信号，校准包括执行与第一气体浓度相对应的测试测量，执行测试测量包括：根据校准脉冲调制红外光源；接收麦克风信号；以及存储与校准相对应的麦克风信号的时间响应。在某些实施例中，将所接收的麦克风信号与对应于脉冲序列的匹配信号相乘包括：将所接收的麦克风信号与对应于校准的麦克风信号的所存储的时间响应相乘。在某些实施例中，根据经带通滤波的解扩麦克风信号估计气体浓度包括：对经带通滤波的解扩麦克风信号应用线性拟合模型。此外，还提供了一种用于测量气体浓度的系统，包括：红外光源；麦克风，声耦合至暴露于由红外光源产生的红外光的气体的麦克风；以及分析电路，包括电耦合至麦克风的输出的输入以及耦合至红外光源的输出，分析电路被配置为根据脉冲序列调制红外光源；将在麦克风的输出处接收的麦克风信号与对应于脉冲序列的匹配信号相乘，以形成解扩麦克风信号；对解扩麦克风信号进行带通滤波，以形成经带通滤波的解扩麦克风信号；以及根据经带通滤波的解扩麦克风信号估计气体浓度。附图说明为了更全面地理解本专利技术及其优点，现在结合附图进行以下描述，其中：图1A示出了示例性光声气体感测系统，以及图1B和图1C示出了传统光声气体感测系统的性能的曲线图；图2A示出了示例性跳频光声气体感测系统的框图；以及图2B示出了用于调制图2A的示例性光声气体感测系统的红外光源的频率序列的时序图；图3A和图3B示出了示例性跳频光声气体感测系统的操作在校准和正常操作期间的框图；图4A和图4B示出了示例性跳频光声气体感测系统的性能的示图；图5示出了示例性匹配信号光声气体感测系统的框图；图6A至图6C示出了用于示例性匹配信号光声气体感测系统的与匹配信号序列相关联的波形图；图7示出了示例性匹配信号光声气体感测系统在校准期间的操作的框图；图8A至图8C示出了示例性匹配信号光声气体感测系统的性能的示图；图9A示出了示例性封装光声气体感测系统的截面图；以及图9B示出了示例性封装光声气体感测系统的框图；图10A至图10E示出了示例性光声校准和估计算法的流程图。除非另有说明，否则不同图中相应的数字和符号通常指相应的部分。绘制附图以清楚地示出优选实施例的相关方面，并且不一定按比例绘制。为了更清楚地示出特定实施例，指示相同结构、材料或工艺步骤的变化的字母可以跟随图号。具体实施方式下面将详细讨论当前优选实施例的制造和使用。然而，应当理解，本专利技术提供了许多可在各种具体上下文中具体化的可应用专利技术概念。所讨论的具体实施例仅示出了制造和使用本专利技术的具体方法，并不限制本专利技术的范围。将在用于使用光声传感器(PAS)估计气体浓度的系统和方法的特定背景下相对于优选实施例描述本专利技术。通常，光声传感器包括发射时间调制红外(IR)发射的IR光源、光学滤波器以及具有集成麦克风的检测体，该集成麦克风检测由于被测气体(诸如二氧化碳)的存在而在气体体积中发生的IR光的吸收所引起的光声本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量气体浓度的方法，所述方法包括：根据包括时间间隔的跳频序列调制红外光源，其中在第一时间间隔期间以第一频率调制所述红外光源，在随后的时间间隔期间以第二频率调制所述红外光源，并且所述第一频率不同于所述第二频率；从声耦合至暴露于由所述红外光源产生的红外光的气体的麦克风的输出接收麦克风信号；使用带通滤波器对所述麦克风信号进行带通滤波以产生经滤波的麦克风信号；根据所述跳频序列调整所述带通滤波器的中心频率，其中所述带通滤波器在所述第一时间间隔期间包括对应于所述第一频率的第一中心频率，所述带通滤波器在所述随后的时间间隔期间包括对应于所述第二频率的第二中心频率，其中所述第一中心频率不同于所述第二中心频率；以及根据所滤波的麦克风信号估计气体浓度。

【技术特征摘要】
2018.01.05 US 62/614,0771.一种测量气体浓度的方法，所述方法包括：根据包括时间间隔的跳频序列调制红外光源，其中在第一时间间隔期间以第一频率调制所述红外光源，在随后的时间间隔期间以第二频率调制所述红外光源，并且所述第一频率不同于所述第二频率；从声耦合至暴露于由所述红外光源产生的红外光的气体的麦克风的输出接收麦克风信号；使用带通滤波器对所述麦克风信号进行带通滤波以产生经滤波的麦克风信号；根据所述跳频序列调整所述带通滤波器的中心频率，其中所述带通滤波器在所述第一时间间隔期间包括对应于所述第一频率的第一中心频率，所述带通滤波器在所述随后的时间间隔期间包括对应于所述第二频率的第二中心频率，其中所述第一中心频率不同于所述第二中心频率；以及根据所滤波的麦克风信号估计气体浓度。2.根据权利要求1所述的方法，其中估计所述气体浓度包括：针对每个时间间隔执行单独的气体浓度估计，以产生气体浓度估计的集合；确定哪些单独的气体浓度估计是异常估计；从所述气体浓度估计的集合中去除所述异常估计，以形成气体浓度估计的修正集合；以及基于所述气体浓度估计的修正集合确定所述气体浓度。3.根据权利要求2所述的方法，其中去除所述异常估计包括确定多数规则。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述带通滤波器包括匹配带通滤波器。5.根据权利要求4所述的方法，还包括校准所述带通滤波器，校准包括执行与第一气体浓度相对应的测试测量，执行所述测试测量包括：利用测试频率调制所述红外光源；接收所述麦克风信号；以及存储对应于所述测试频率的所述麦克风信号的时间响应。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述测试频率是所述跳频序列中的最低频率，并且所述第一气体浓度对应于最低气体浓度。7.根据权利要求5所述的方法，其中对所述麦克风信号进行带通滤波包括：根据所述带通滤波器的所调整的中心频率偏移所存储的时间响应的频率以形成偏移时间响应；以及将所述偏移时间响应与所接收的麦克风信号进行卷积。8.根据权利要求7所述的方法，其中：偏移所存储的时间响应的频率包括偏移所存储的时间响应的FFT；以及将所述偏移时间响应与所接收的麦克风信号进行卷积包括将所接收的麦克风信号的FFT与所存储的时间响应的所偏移的FFT相乘。9.根据权利要求1所述的方法，其中根据所滤波的麦克风信号估计所述气体浓度包括：对所滤波的麦克风信号应用线性拟合模型。10....

【专利技术属性】
技术研发人员：C·卡伯内利，R·贝西加托，W·福特纳，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE