气体浓度超声检测技术专利分析

王丽+李悦

摘 要：文章结合国际专利分类标准将气体浓度超声检测技术划分为利用声速/声时检测、利用声阻抗检测、利用声衰减检测、利用声频率检测以及光声光谱检测五个分支，并对每个分支的关键技术和发展前景进行了分析与展望，为该领域的技术发展障碍和研究方向提供一定的参考。

关键词：气体浓度；超声检测；专利分析

中图分类号：TB551 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0012-02

1 概述

日常生活和工业生产中都离不开气体的监测和控制，例如大气环境中二氧化碳含量变化的检测、室内装修材料有毒气体的释放量监测、工业废气的排放量监控等。目前气体浓度的检测方法运用比较多的主要有电阻式气敏法、超声检测法、气相色谱法、载体催化燃烧法、示踪气体浓度衰减法、光干涉法、灰色理论预测法[1]，这七种检测方法根据各自的特点各有应用场合。而属于非接触式测量的气体浓度超声检测法基于其测量范围宽、测量精度高、测试设备体积小、无需维护、使用寿命长等优势，已经在气体浓度检测领域中占据重要地位并受到极大关注[2]。

目前还没有相关文献对气体浓度超声检测技术给予明确的分类，笔者参考专利文献国際分类表中对涵盖气体分析的超声流体分析技术的分类标准，再结合专利文献量的实际分布情况，暂且将气体浓度超声检测技术分为利用声速/声时检测、利用声阻抗检测、利用声衰减检测、利用声频率检测以及光声光谱检测五个分支。本文分别对这五个分支的专利文献中所涉及的关键技术展开分析。

2 气体浓度超声检测关键技术分析

2.1 利用声速/声时检测

利用声速/声时检测气体浓度发展得最早，二十世纪五十年代就有该分支的专利文献出现，其中法国（FR1139187A，1957年）和德国（GB798323A，1958年）是最先提出申请的国家。但受限于当时电子技术的发展水平，无论是通过相位差还是通过传播时间，声速的测量都比较粗略，难以达到气体浓度检测时对声速测量的高精度要求。直到进入八十年代，随着电子技术和测量技术的发展，人们又开始重新重视超声技术在气体检测上的应用。

回顾利用声速/声时检测气体浓度超声技术的发展过程，该分支在不同时间段所面临的技术障碍并没有明显的分水岭，呈现一个多方向并行发展的态势。从影响气体浓度超声检测精度的方面来看，主要有以下三个影响因素：传感器及其布置方式、电子线路性能的稳定性以及工作环境的影响，而专利文献中体现最多的是关于传感器的布置方式上的改进和尝试，其次是电子线路稳定性能上的改进。

为了使超声技术在气体浓度检测领域得到更多认可，目前利用声速/声时的超声技术正向超声传播通道的多声道化和多反射化方向发展，另外研究人员也正致力于气体的痕量检测精度的提高以及多气体成分的检测中，未来高精度测量的挑战，也给该种产品的性能指标提出了更高的要求。

2.2 利用声阻抗检测

声阻抗法检测原理并不复杂，但是却很难实现对声阻抗的精确测量。声阻抗测量的首要任务是建立基于电-机-声类比的超声传播等效模型，其需要考虑信号传输过程中每一个元件如传感器、电路元件、延迟材甚至传输线的力学、电学和声学特性，导致声阻抗的测量与众多因素相关，难以做到全面考虑而建立准确的模型。与此同时，声阻抗测量还与超声数字信号处理和智能信息处理的能力息息相关，现有的数字信号处理方法对其检测精度也是一个制约因素。目前尚未有成熟商用测量仪器面市，各种测量方法皆处于实验室研究阶段。国内外在这方面的研究文献都非常少，该方面的专利申请量更是少之又少。1994年加拿大的申请（CA2103190A1）成了声阻抗法测量气体密度的第一份专利记载，该申请主要是对信号处理电路做的改进设计。之后出现了几份关于声阻抗模型改进后用于气体探测的专利申请，但真正的拓展深入研究暂时还是相当有难度。

2.3 利用声衰减检测

早在二十世纪五六十年代，就已出现研究声衰减与混合气体各成分浓度关系的理论和方法，但声衰减研究的复杂程度远高于声速，在没有合适的理论之前简单成熟的声速对声衰减应用具有压倒性的优势，声衰减检测气体目前主要还是处于理论研究阶段。专利文献中该方面申请集中于二十一世纪初期，但是研究的方向有所差异，最为典型且最多的应用是通过测量样本介质的超声波衰减频谱，根据声衰减频谱模型计算颗粒尺寸分布或流体中气泡浓度。国内对气体超声检测研究较多的河海大学单鸣雷课题组也有气体声衰减检测方面的申请，该课题组通过六氟化硫气体与参考气体衰减程度的比值表征六氟化硫浓度。

但现有的声衰减理论检测精度低，尚不能满足对微量浓度气体的检测，目前声衰减气体检测的研究关键仍在于理论上的创新突破，一旦有较成熟的理论成果出现，借助声衰减参数来实现三种和三种以上成分混合气体的声学检测会是一个具备诱人前景的课题。

2.4 利用声频率检测

利用声频率检测气体的研究都高度集中于声表面波气体探测器的研究，声表面波（SAW）气体传感器是在1979年由美国科学家H. Wohltjen等人首次提出来的，已经在很多的领域得到了广泛的应用。SAW气体传感器通常有延迟线和谐振器两种结构，从专利文献来看，国外申请偏向于谐振器型的传感器，主要研究传感器构造上的改进，国内的专利文献则最多的是涉及延迟线型传感器的敏感膜制作工艺的改进。国外申请中除了研究不同的应用场合选用相应选择性的敏感膜材料外，更多地致力于谐振型SAW的膜结构和谐振腔结构上的设计，以此提高声波的谐振性能，改进检测精度。中国是在2000年以后才出现与SAW气体传感器有关的申请，但在2005年之前的专利中，只有极少数属于中国本土的申请，之后便涌现出敏感膜材料研制和膜材料制作工艺方面的申请，以中国科学院微电子研究在该方面的申请居多。

声表面波气体探测是众多气体传感器类型中比较引人注目的一个分支，目前有关声表面波气体探测的应用研究仍然面临不少问题，但随着新技术和新材料的发展，为声表面波气体传感器提供了选择性和稳定性更佳的敏感膜材料、更优的设计方法，声表面波气体传感器在精度和性能等方面将表现出更大的发展潜力。

2.5 利用光声光谱检测

早在1938年，苏联科学家Viegerov就已研制出第一台检测气体浓度的光声光谱装置，对CO2和CH4的浓度进行了分析[3]。然而主要受限于当时较小的光源功率和较低的声波探测灵敏度，光声光谱技术研究在此后的几十年间几乎没有实质性的进展。上世纪八十年代出现光声光谱技术气体探测的专利申请后，其申请量直到二十世纪末才开始呈现增长趋势。该阶段的专利文献首先从光声池的构造上进行改进，国内外申请人提出了很多种光声池的結构设计方式，各有针对性并各具特点。另外，传声器也是光声检测系统综合性能高的一个重要组成单元，传统的电容式传声器如麦克风仍然是当前主导的光声检测系统用声传感元件，但这种传声器的灵敏度低，位移响应线性关系不太好，热稳定性差。

近年来，随着微机械技术的发展，悬臂式微传声器也得到相应发展，并且已经应用于光声气体检测设备中。悬臂式微传声器是用半导体材料硅制作的，位移响应呈非常严格的线性关系，动态范围也很大。另一种在专利文献中出现较多的微传声器是石英音叉，它利用石英音叉的固有频率，通过激光调制使得产生的声波频率等于石英音叉的共振频率，从而激发石英音叉产生共振。衡量微传声器性能优劣的三个主要指标是灵敏度、频率范围和噪声，如果这三个性能指标能进一步提高，微传声器在光声气体探测领域将发挥更大的作用。

3 结束语

通过上述的分析可以看出，利用声速/声时检测的超声气体检测技术发展最早也最为成熟，其发展相当程度上依赖电子技术和测量技术的发展。利用声阻抗和声衰减的超声检测技术则基本依赖于理论技术的发展，而理论成果的发展缓慢也直接影响其在专利申请的数量上很难有新的突破。声表面波技术与光声光谱技术的发展前景较为可观，新的敏感膜材料和传声器构造等的开发具备一定的探索空间，将吸引更多的机构学者的注意力。

参考文献：

[1]徐信，郑志营，何娟娟，等.基于DSP的超声波气体浓度计[J].信息技术，2015，39（7）：195-198.

[2]江福椿，朱昌平，赵帅.超声技术在气体浓度检测中的应用[J].河海大学常州分校学报，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.