[發(fā)明專利]一種多腔疊加式非共振光聲池及氣體檢測系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910011769.6
• 申請日: 2019-01-07
• 公開（公告）號: CN109490217B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宮振峰;焦業(yè)翔;于清旭
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/01
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

本發(fā)明屬于痕量氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域，提供一種多腔疊加式非共振光聲池及氣體檢測系統(tǒng)。多腔疊加式非共振光聲池包括圓柱形金屬殼體、多個非共振光聲腔、光纖法布里?珀羅聲波傳感器敏感膜片、光學(xué)玻璃窗片、進(jìn)氣口和出氣孔。光纖法布里?珀羅聲波傳感器的圓形敏感膜片固定在圓柱形金屬殼體的一側(cè)，圓柱形金屬殼體的另一側(cè)由光學(xué)玻璃窗片密封。待測氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入，擴(kuò)散進(jìn)入多個非共振光聲腔中，從另一側(cè)的出氣口排出。本發(fā)明通過減小非共振光聲腔的半徑和多個光聲腔內(nèi)光聲信號的疊加，可大幅度提高系統(tǒng)光聲信號的強(qiáng)度。膜片式光纖法布里?珀羅聲波傳感器作為聲波探測單元，與光聲腔更容易匹配，為多組分高靈敏度痕量氣體的檢測提供了新的解決方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于痕量氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種多腔疊加式非共振光聲池結(jié)構(gòu)及基于此光聲池的高靈敏度氣體檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)

痕量氣體檢測在工業(yè)生產(chǎn)過程控制、環(huán)境監(jiān)測、健康檢測以及危險品檢測等領(lǐng)域愈來愈受到廣泛的關(guān)注。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，光譜技術(shù)已經(jīng)成為一種具有高靈敏度、響應(yīng)時間快和選擇性強(qiáng)等優(yōu)勢的氣體檢測方法。光聲光譜是通過直接測量氣體因吸收光能而產(chǎn)生熱量的光譜量熱技術(shù)，是一種無背景吸收光譜技術(shù)。氣體光聲光譜技術(shù)的基本原理為：待測氣體吸收特殊波段的光能量后，氣體分子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，但由于高能級激發(fā)態(tài)的不穩(wěn)定性，會通過碰撞弛豫重新回到基態(tài)，同時根據(jù)能量守恒定律，將吸收的光能量轉(zhuǎn)化為分子的平動能，即造成氣室中局部溫度升高。當(dāng)激勵光經(jīng)過周期性調(diào)制后，氣室中的局部溫度就會周期性的升高降低，從而產(chǎn)生與激光調(diào)制頻率一致的聲波信號。利用聲波探測器對產(chǎn)生的聲波信號進(jìn)行采集，通過分析處理就可以獲得待測氣體的濃度信息。

基于光聲光譜檢測技術(shù)的探測系統(tǒng)中，光聲池是產(chǎn)生聲波的場所。光聲池分為共振式光聲池和非共振式光聲池兩種結(jié)構(gòu)。非共振式光聲池體積較小，并可以與紅外光源配合使用。由于紅外光源的寬譜特性，非共振式光聲系統(tǒng)的測量氣體種類更多，因此對于現(xiàn)有的在線光聲光譜儀，包括GE公司的Kelman TRANSFIX系列產(chǎn)品和CAMLIN POWER公司的TOTUS系列產(chǎn)品，普遍使用非共振式光聲池作為聲波產(chǎn)生單元。對于非共振式光聲池系統(tǒng)，可以通過減小光聲池腔體的橫截面積提高光聲信號，但是腔體橫截面過小會導(dǎo)致無法與微音器匹配；另外可以通過降低激勵光源的調(diào)制頻率來提高光聲信號，但是小尺寸的微音器對于低頻聲波信號的響應(yīng)能力相對較弱。綜合以上原因，傳統(tǒng)的非共振光聲系統(tǒng)的靈敏度較低。因此設(shè)計一種高靈敏度的非共振光聲池系統(tǒng)對于微量氣體檢測領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種多腔疊加式非共振光聲池及氣體檢測系統(tǒng)，旨在解決傳統(tǒng)的非共振光聲系統(tǒng)靈敏度較低的問題。采用光纖聲波傳感器作為聲波探測單元，可以解決微音器與光聲池不匹配以及在復(fù)雜環(huán)境中的電磁干擾問題，為光聲光譜技術(shù)在線應(yīng)用拓展更大的空間。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種多腔疊加式非共振光聲池，包括圓柱形金屬殼體1、多個非共振光聲腔2、光纖法布里-珀羅聲波傳感器敏感膜片3、光學(xué)玻璃窗片4、進(jìn)氣口5和出氣口6；圓柱形金屬殼體1兩端為開口結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部包含多個互通獨立的圓柱形通孔，拋光后作為非共振光聲腔2；圓柱形金屬殼體1一端通過激光焊接金屬膜或膠粘有機(jī)膜的方法固定光纖法布里-珀羅聲波傳感器敏感膜片3，另一端由光學(xué)玻璃窗片4密封；圓柱形金屬殼體1一端開有進(jìn)氣口5，另一端開有出氣口6，待測氣體從進(jìn)氣口5進(jìn)入，擴(kuò)散進(jìn)入多個非共振光聲腔2中，從另一端的出氣口6排出。

對于多腔疊加式非共振光聲池，光聲信號幅度分別反比于單個非共振光聲腔2橫截面的大小和激勵光源調(diào)制頻率的大小。非共振光聲腔2的橫截面積較小，因此單個非共振光聲腔2內(nèi)部會產(chǎn)生較強(qiáng)的光聲信號。同時在光纖法布里-珀羅聲波傳感器敏感膜片3處，每個非共振光聲腔2內(nèi)產(chǎn)生的光聲信號疊加，進(jìn)一步增強(qiáng)了多腔疊加式非共振光聲池的光聲信號。疊加之后的光聲信號會引起光纖法布里-珀羅聲波傳感器敏感膜片3的周期性振動，通過解調(diào)光纖法布里-珀羅聲波傳感器敏感膜片3的振動情況實現(xiàn)氣體濃度的測量。