[發明專利]一種微型紅外光聲CO2

在審

• 申請號: 202210375575.6
• 申請日: 2022-04-11
• 公開（公告）號: CN114839148A
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 劉偉;王韜;喻宏遠
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/3504;G01N21/01
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發明屬于環境氣體檢測領域，具體提供一種微型紅外光聲CO₂傳感器及檢測方法，用以解決傳統傳感器測試結果誤差大、體積大等缺陷。本發明采用光聲效應的原理，提出創新的非諧振型的光聲腔，紅外光在腔室內多次反射增強CO₂氣體分子對入射光的吸收，從而激發出更強的熱聲波；并且匹配紅外輻射光源與光源調制頻率，實現CO₂氣體濃度的測量。相對于傳統的傳感器，本發明傳感器尺寸得到大大縮小，工作在較低的調制頻率(20Hz?40Hz)下，并配合大功率MEMS紅外光源獲得了更大調制深度和信號強度，獲得了更低的探測下限；綜上，本發明具有尺寸更小、成本更低，且靈敏度高、響應快、壽命長、檢測范圍寬等優點，適合大批量生產。

技術領域

本發明屬于環境氣體檢測領域，涉及基于光聲效應的CO₂傳感器。具體提供一種微型紅外光聲CO₂傳感器及檢測方法。

背景技術

CO₂作為空氣的重要成分之一，其濃度過高時會使人疲憊、引發呼吸困難的健康問題，嚴重的甚至危及生命；同時，CO₂是大氣當中的一類重要的溫室氣體，近年來全球變暖、氣候變化以及頻發的極端天氣都與之密切相關；因此，一款能夠在日常生活中使用的CO₂傳感器，對于改善人類空氣質量和改善呼吸健康等方面有重要價值。

現有的氣體傳感器，較為成熟的有電化學氣體傳感器和紅外氣體傳感器；其中，電化學氣體傳感器的缺點有兩點：第一、電化學氣體傳感器壽命有限、通常在使用一年后就會發生嚴重的漂移、第二、電化學傳感器工作過程發生的氧化還原的過程會消耗掉待測氣體；而紅外氣體傳感器多為NDIR型紅外氣體傳感器。物質對特定波長的光的吸收關系服從比爾—朗伯吸收定律，紅外光穿過吸收室，吸收室內的樣本氣體的各個組分會吸收特定波長的紅外線，經過吸收室的紅外線照射到熱電堆上，與未經吸收的紅外光產生的信號進行比對，即可獲得目標氣體的濃度。NDIR氣體傳感器存在的缺點主要是結構比較復雜，而且其在信號響應時需要檢測紅外光在吸收式的衰減，而氣體中的少量灰塵或者其他物質會使得光發生散射降低出射光的強度，使得測試結果出現誤差；同時，在對室內空間進行CO₂檢測時，人體對于CO₂的濃度又極為敏感，在1500-2000ppm濃度時、即會出現疲憊等癥狀，對該低濃度的CO₂進行準確測試，傳統的NDIR傳感器往往需要需要十幾厘米長度的吸收室，但礙于新風設備空間不足等因素，傳統的NDIR傳感器的體積受到嚴格的限制。

發明內容

本發明的目的在于針對NDIR型紅外氣體傳感器測試結果誤差大、體積大等缺陷，提供一種微型紅外光聲CO₂傳感器及檢測方法；本發明采用光聲效應的原理，提出一種創新的非諧振式的光聲CO₂傳感器，大大的縮小氣體傳感器的尺寸；同時，相對于現有技術，本發明具有靈敏度高、響應快、壽命長、檢測范圍寬等優點。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種微型紅外光聲CO₂傳感器，包括：控制模塊、光源模塊、非諧振式光聲腔、以及聲波檢測模塊；其特征在于，所述控制模塊包括：信號發生器與處理器模塊，所述非諧振式光聲腔包括：光聲腔腔體2、蓋合于光聲腔腔體頂端的頂蓋1及蓋合于光聲腔腔體底端的底座3，所述光源模塊包括：紅外光源4與濾光片5，所述聲波檢測模塊包括：麥克風6與鎖相放大器，所述MEMS輻射紅外光源設置于頂蓋的下方、濾光片設置于MEMS輻射紅外光源下方，所述麥克風設置于底座的上方；

所述光聲腔腔體頂端的中心位置開設進光口2-1、底端的中心位置開設聲波檢測通道2-2、側壁開設正對的進氣孔2-3與出氣孔2-4，所述進光口正對MEMS輻射紅外光源與濾光片，所述聲波檢測通道正對麥克風；并且，構成光聲腔腔體的外殼頂端開設有用以容納MEMS輻射紅外光源與濾光片凹槽、底端開設有用以容納麥克風的凹槽。

進一步的，所述光聲腔腔體呈圓柱形，其進光口的直徑與紅外光源的直徑相同。