[發明專利]一種擴散式光聲微腔氣體傳感器

在審

• 申請號: 201910604705.7
• 申請日: 2019-07-05
• 公開（公告）號: CN110333190A
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發明（設計）人: 陳珂;陳燁偉;劉帥;鄧紅
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/39
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明提供了一種擴散式光聲微腔氣體傳感器。該傳感器包括光源、光聲微腔、小孔、麥克風、電路板和顯示屏。氣體經小孔擴散到光聲微腔中，氣孔的對光聲響應的影響相當于一個“高通濾波器”，氣孔越大，“高通濾波器”的截止頻率越高，在保證氣孔不降低光聲響應的前提下盡量增加氣孔大小提高傳感器的響應速度。光聲信號的幅度與氣體濃度成正比，采用麥克風測量光聲信號的大小后可反演出待測氣體的濃度。本發明的氣體傳感器具有結構簡單、靈敏度高、體積小、成本低、響應速度快和功耗低等諸多優點，為高靈敏度氣體泄漏監測提供了一種極具競爭力的技術方案。

技術領域

本發明屬于氣體檢測和光聲光譜技術領域，涉及一種擴散式光聲微腔氣體傳感器。

背景技術

氣體泄漏監測對于保障天然氣站、輸氣管道和化工廠的安全可靠運行發揮了重要作用，也有助于居民對天然氣的安全使用，這是由于易燃易爆或有毒氣體的泄漏可能導致重大安全事故，而對微量泄漏氣體的實時監測可以提供事故的早期預警。

傳統的擴散式氣體檢測方法主要包括電化學傳感法、半導體傳感法和可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)法。近年來，電化學氣體傳感器和半導體氣體傳感器以其低成本和小尺寸優勢得到了廣泛應用。然而，電化學傳感器具有短的工作壽命，并且它們都具有氣體選擇性差的缺點。另外，如果半導體傳感器長時間不接觸探測氣體，則會因氣敏材料氧化而進入睡眠狀態。基于TDLAS的光學測量方法具有使用壽命長和選擇性好的優點。然而，對于TDLAS系統，增加氣體檢測靈敏度和減少氣室體積通常是難以兼顧的，這是因為氣體檢測的靈敏度通常與吸收路徑的長度成比例。因此，需要大的氣體吸收池或復雜的多程吸收池以提高檢測靈敏度。

由于具有無背景吸收的特性，光聲光譜法是最靈敏的痕量氣體檢測方法之一。一個特別的優點是氣體檢測靈敏度通常與光聲池的體積成反比，因此可以有效地減小吸收池的體積。文獻Peltola J,Vainio M,Hieta T,et al.High sensitivity trace gasdetection by cantilever-enhanced photoacoustic spectroscopy using a mid-infrared continuous-wave optical parametric oscillator.Optics express,2013,21(8):10240-10250通過使用中紅外連續波頻率可調光學參量振蕩器展示了一種基于懸臂增強型光聲光譜的甲烷檢測系統，最小檢測極限達到65ppt，然而在這種非共振光聲光譜系統中需要打開氣閥和氣泵對氣體進行采樣，在測量過程中則必須關閉氣閥和氣泵。因此，傳統的非共振光聲光譜系統無法對擴散的泄漏氣體進行實時監測。為了實現流動測量，文獻Wang J,Wang H,Liu X.A portable laser photoacoustic methane sensor based onFPGA.Sensors,2016,16(9):1551和Mao X,Zheng P,Wang X,et al.Breath methanedetection based on all-optical photoacoustic spectrometer.Sensors andActuators B:Chemical,2017,239:1257-1260先后采用具有緩沖室的共振式光聲池，結合近紅外激光設計了微量甲烷氣體檢測系統，最小檢測極限分別達到10ppm和64ppb。然而，傳統的共振式光聲池的體積通常大于200mL，且系統中仍然需要氣泵對氣體進行采樣。因此現有的光聲光譜技術難以在現場對微量擴散氣體檢測開展應用。因而，設計一種用于泄漏氣體監測的高靈敏度微型光聲氣體傳感器具有重要的應用價值。

發明內容

本發明的目的在于提出一種擴散式光聲微腔氣體傳感器，旨在解決目前光聲光譜氣體檢測系統體積較大且需要使用氣閥和氣泵的問題，為光聲光譜技術在微量氣體檢測領域中的應用拓展更大的空間。

本發明的技術方案：