一种多种气体同时探测的光声传感器及检测系统的制作方法

1.本发明涉及光纤传感和痕量气体检测领域，特别是涉及一种多种气体同时探测的光声传感器及检测系统。


背景技术：

2.痕量气体检测，在大气环境检测、工业过程控制以及生命科学领域起到重要的作用。随着激光技术的发展，光声光谱法已经成为一种灵敏度高、响应时间快和选择性强的气体检测方法，被广泛应用于痕量气体的检测。光声光谱法是一种直接测量气体因吸收光能而产生热能的光谱量热技术，是一种无背景的吸收光谱技术，基本原理可以概括为：当周期性的调制光源覆盖待测气体分子吸收谱线时，气体分子由基态跃迁到激发态，经过无辐射跃迁回到基态并放出热量，使气体分子周围空气发生周期性的膨胀从而产生声波。由于声波大小与待测气体浓度成正比，因此通过光声传感器探测光声信号的大小，即可获得待测气体的浓度信息。
3.目前基于光声光谱技术的痕量气体检测系统根据工作模型的不同可分为两类，分别是共振式光声系统和非共振式光声系统。共振式光声池的特点是具有较高灵敏度，但是整体的体积较大。非共振光声池灵敏度较低，但是其整体的体积较小适合在狭小的空间进行痕量气体探测。但是非共振光声池对多种气体进行测量的研究很少。通常情况下测量多种气体需要多个激光器配合多个麦克风同时使用才能达到对多种气体探测的功能，这样就需要并联多个激光器；在实验过程中，首先打开一个激光器，一种气体测量结束后关闭该激光器，接着打开下一种气体的对应的激光器，这样增加了系统的复杂程度，并且增加了测量气体的时间。因此急需一种小体积高灵敏度的多种气体同时测量的光声系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种多种气体同时探测的光声传感器及检测系统，能实现多种气体同时高灵敏度检测，且具有小型化。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.第一方面，本发明提供了一种多种气体同时探测的光声传感器，包括：多根单模光纤、圆柱形金属壳体、设置在所述圆柱形金属壳体内部的非共振腔体以及与所述圆柱形金属壳体的顶部连接的悬臂梁式麦克风；
7.多根所述单模光纤包括一根探测光纤和三根激励光纤；
8.所述圆柱形金属壳体的底部开设有四个通孔；其中，一个所述通孔位于所述圆柱形金属壳体的底部的圆心处，其它三个所述通孔以环形阵列的形式布置在所述圆柱形金属壳体的底部上，且位于圆心处的所述通孔放置有所述探测光纤，按照环形阵列形式布置的每一所述通孔均放置有所述激励光纤；
9.所述悬臂梁式麦克风上开设有一个长方体凹坑；所述长方体凹坑的底面的三条边均为缝隙，以形成悬臂梁，且所述长方体凹坑的底面朝向所述非共振腔体；
10.所述圆柱形金属壳体和所述非共振腔体的尺寸为毫米级别。
11.可选地，所述悬臂梁式麦克风是采用mems技术在二氧化硅片上进行雕刻后形成的；所述长方体凹坑的底面的两条长边和一条短边均为缝隙，且所述短边靠近所述长方体凹坑的底面的圆心处。
12.可选地，在第一目标尺寸下，所述悬臂梁的共振频率为7690hz；所述第一目标尺寸为所述悬臂梁的长度为0.8mm，所述悬臂梁的宽度为0.4mm，所述悬臂梁的厚度为3.5um的尺寸。
13.可选地，在所述第一目标尺寸和第二目标尺寸下，所述悬臂梁在一阶共振频率处的灵敏度达到14000nm/pa；所述第二目标尺寸为所述非共振腔体的长度为4mm，所述非共振腔体的直径为3.2mm的尺寸。
14.可选地，所述圆柱形金属壳体的长度为6mm，所述圆柱形金属壳体的直径为3.6mm。
15.可选地，四个所述通孔的直径均为0.3mm；
16.每一所述单模光纤均包括纤芯、包层和涂覆层，且所述包层和所述涂覆层的直径分别是0.25mm和0.9mm。
17.可选地，放置所述探测光纤的通孔与所述非共振腔体同心，放置所述激励光纤的三个所述通孔以环形阵列的形式分布在距离所述非共振腔体内壁0.6mm位置处。
18.可选地，一根所述探测光纤与所述悬臂梁式麦克风的距离在300nm以内，三根所述激励光纤与所述悬臂梁式麦克风的距离在3.2mm到3.8mm之间。
19.第二方面，本发明提供了一种检测系统，包括：三个近红外激光器、光纤环形器、高速光谱仪、宽谱光源、计算机以及第一方面所述的多种气体同时探测的光声传感器；所述计算机内部设置有基于labview的多个虚拟锁相放大器；
20.多种气体通过悬臂梁式麦克风的缝隙进入所述光声传感器，每一所述近红外激光器通过一根激励光纤将激励光源射入到所述光声传感器中，以发生光声效应，引起悬臂梁周期性振动；所述宽谱光源发出的探测光依次通过所述光纤环形器、探测光纤入射到所述光声传感器中的非共振腔体内，被不同气体反射的干涉光通过所述光纤环形器14进入所述高速光谱仪15中，并通过所述高速光谱仪中的白光干涉解调算法对所述干涉光进行解调，得到解调后的光声信号；基于labview的多个所述虚拟锁相放大器对解调后的光声信号进行数据处理，进而得到多种气体的光声信号的强度。
21.可选地，所述高速光谱仪的采样频率为32khz。
22.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
23.本发明提供了一种多种气体同时探测的光声传感器及检测系统。由于悬臂梁独特的设计，并与非共振腔体结合使用，使得悬臂梁具有超高灵敏度，弥补了非共振光声池灵敏度低的缺陷。多种气体检测的工作频率均在高频下，使得整体的噪声水平较低，进而检测极限较低。由于光声传感器的体积达到了立方毫米级别，使得非共振腔体体积较小，进而使得多种气体探测的响应速度极快。此外探测光纤和激励光纤均位于一侧，为多种气体远距离同时高灵敏度测量提供了一种新的方案。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明多种气体同时探测的光声传感器的结构示意图；
26.图2为本发明悬臂梁式麦克风的结构示意图；
27.图3为本发明单模光纤的结构示意图；
28.图4为本发明基于多种气体同时探测的光声传感器的检测系统的结构示意图。
29.图中：1、圆柱形金属壳体；2、非共振腔体；3、悬臂梁式麦克风；4、探测光纤；5、激励光纤；6、通孔；7、二氧化硅片；8、悬臂梁；9、纤芯；10、包层；11、涂覆层；12、光声传感器；13、近红外激光器；14、光纤环形器；15、高速光谱仪；16、宽谱光源；17、计算机；18、基于labview的虚拟锁相放大器。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.本发明的目的是提供一种多种气体同时探测的光声传感器及检测系统，由于光声传感器整体的体积在立方毫米级别，并且能实现多种气体同时高灵敏度检测，为小型化非共振式多种气体同时探测的光声传感器提供了新的思路，在光声光谱领域应用前景巨大。
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
33.实施例一
34.图1为本发明多种气体同时探测的光声传感器的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的一种微型化高灵敏度多种气体同时探测的光声传感器包括多根单模光纤、圆柱形金属壳体1、设置在所述圆柱形金属壳体1内部的非共振腔体2以及与所述圆柱形金属壳体1的顶部连接的悬臂梁式麦克风3。
35.多根所述单模光纤包括一根探测光纤4和三根激励光纤5；所述圆柱形金属壳体1的底部开设有四个通孔6；其中，一个所述通孔位于所述圆柱形金属壳体1的底部的圆心处，其它三个所述通孔以环形阵列的形式布置在所述圆柱形金属壳体1的底部上，且位于圆心处的所述通孔放置有所述探测光纤4，按照环形阵列形式布置的每一所述通孔均放置有所述激励光纤5。
36.所述悬臂梁式麦克风3上开设有一个长方体凹坑；所述长方体凹坑的底面的三条边均为缝隙，以形成悬臂梁8，且所述长方体凹坑的底面朝向所述非共振腔体2。
37.所述圆柱形金属壳体1和所述非共振腔体2的尺寸为毫米级别。
38.进一步地，本发明实施例所述的悬臂梁式麦克风3是采用mems技术在二氧化硅片7上进行雕刻后形成的，也就是说采用mems技术在二氧化硅片7上进行雕刻以形成悬臂梁8。所述长方体凹坑的底面的两条长边和一条短边均为缝隙，且所述短边靠近所述长方体凹坑的底面的圆心处，也就是说，另一短边与所述二氧化硅片7连接，具体结构示意图如图2所
示。
39.其中，圆柱形金属壳体1的顶部与悬臂梁式麦克风3是通过胶粘的方法固连。
40.进一步地，本发明实施例所述的圆柱形金属壳体1的长度为6mm，所述圆柱形金属壳体1的直径为3.6mm。
41.所述非共振腔体2的长度为4mm，所述非共振腔体2的直径为3.2mm。
42.所述悬臂梁8的长度为0.8mm，所述悬臂梁8的宽度为0.4mm，所述悬臂梁8的厚度为3.5um，该尺寸下的悬臂梁8的共振频率为7690hz。
43.该非共振腔体2的尺寸是经过仿真分析并且与悬臂梁8的尺寸相匹配，该尺寸下的悬臂梁8只有结合这个尺寸的非共振腔体2才能使得悬臂梁8在一阶共振频率处的灵敏度达到14000nm/pa。
44.总结为：在第一目标尺寸下，所述悬臂梁8的共振频率为7690hz；所述第一目标尺寸为所述悬臂梁8的长度为0.8mm，所述悬臂梁8的宽度为0.4mm，所述悬臂梁的厚度为3.5um的尺寸。
45.在所述第一目标尺寸和第二目标尺寸下，所述悬臂梁8在一阶共振频率处的灵敏度达到14000nm/pa；所述第二目标尺寸为所述非共振腔体2的长度为4mm，所述非共振腔体2的直径为3.2mm的尺寸。
46.进一步地，如图3所示，本发明实施例所述的每一所述单模光纤均包括纤芯9、包层10和涂覆层11，且所述包层10和所述涂覆层11的直径分别是0.25mm和0.9mm。
47.本发明实施例所述的圆柱形金属壳体1的底部设有四个直径为0.3mm的通孔6。其中，本发明实施例所述的通孔的直径是与所述包层10的直径相匹配，并且通过胶粘的方式进行密封腔体。
48.一根所述探测光纤4与所述悬臂梁式麦克风3的距离在300nm以内，三根所述激励光纤5与所述悬臂梁式麦克风的距离在3.2mm到3.8mm之间。
49.放置所述探测光纤4的通孔与所述非共振腔体2同心，放置所述激励光纤5的三个所述通孔以环形阵列的形式分布在距离所述非共振腔体2内壁0.6mm位置处，这样做的目的是为了保证激光光源不打到非共振腔体内壁上并且在此位置光声信号达到最大。
50.实施例二
51.如图4所示，本发明实施例提供了一种检测系统，包括：三个近红外激光器13、光纤环形器14、高速光谱仪15、宽谱光源16、计算机17以及实施例一所述的多种气体同时探测的光声传感器12；所述计算机17内部设置有基于labview的多个虚拟锁相放大器18。
52.将多种气体对应的工作频率分别设置为7390hz、7520hz、7680hz。
53.多种气体通过悬臂梁式麦克风3的缝隙进入所述光声传感器12，每一所述近红外激光器13通过一根激励光纤5将激励光源射入到所述光声传感器12中，以发生光声效应，引起悬臂梁8周期性振动；所述宽谱光源16发出的探测光依次通过所述光纤环形器14、探测光纤4入射到所述光声传感器12中的非共振腔体2内，被不同气体反射的干涉光通过所述光纤环形器14进入所述高速光谱仪15中，并通过所述高速光谱仪15中的白光干涉解调算法对上述干涉光进行解调，得到解调后的光声信号；然后通过计算机17内部的基于labview的多个虚拟锁相放大器18对解调后的光声信号进行数据处理，进而得到多种气体的光声信号的强度，又因为光声信号强度与气体浓度呈正比，所以可以得到此时气体浓度。
54.本发明提供了一种多种气体同时探测的光声传感器及检测系统。该光声传感器包括圆柱形金属壳体，一个非共振腔体，悬臂梁式麦克风，多根单模光纤。圆柱形金属壳体与悬臂梁式麦克风外径相同均为3.6mm，并且悬臂梁式麦克风固定于圆柱形金属壳体的顶部。圆柱形金属壳体底部设置有四个直径为0.3mm的圆孔用于匹配纤芯。待测多种气体通过悬臂梁与二氧化硅之间的缝隙进出非共振腔体。本发明通过使用一个非共振腔体和一根探测光纤、三根激励光纤并结合悬臂梁式麦克风，可实现对多种气体同时高灵敏度远距离探测。该微型化高灵敏度多种气体同时探测的光声传感器具有结构简单，体积微小，响应时间短，检测极限低，成本低等诸多特点，为高灵敏度多种气体远程泄漏监测提供了一种极具竞争力的技术方案。
55.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
56.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。