專利名稱：一種膜片式微型光聲池及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型光聲池，特別涉及一種膜片式微型光聲池。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)和人們生活方式的改變，人們的生存環(huán)境中存在著各種各樣有毒有害氣體，空氣質(zhì)量的變化對人類健康及公共安全帶來了巨大的隱患。世界各國都在發(fā)展各種氣體檢測技術(shù)，以滿足大氣環(huán)境監(jiān)測、溫室效應(yīng)變化、空氣污染狀況、醫(yī)學(xué)健康診斷、工業(yè)生產(chǎn)安全，甚至國防軍事、國家安全以及反恐等領(lǐng)域?qū)皶r(shí)、準(zhǔn)確、高效的氣體檢測技術(shù)的需求?；谖镔|(zhì)光學(xué)性質(zhì)發(fā)展起來的光譜分析技術(shù)由于測量范圍寬、靈敏度高、壽命長、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)而被重點(diǎn)關(guān)注。在眾多光譜分析技術(shù)中，光聲光譜氣體檢測方法作為一種理想的無背景噪聲光譜檢測技術(shù)，具有良好的選擇性，不受反射光、散射光和透射背景光的影響，檢測靈敏度極限高等優(yōu)點(diǎn)。光聲光譜氣體檢測方法的基本原理是利用待測氣體分子受外界光源激發(fā)，吸收特定波長光子的能量，氣體分子躍遷到激發(fā)態(tài)，再通過熱釋放吸收的能量，從而引起氣體溫度變化產(chǎn)生了壓強(qiáng)變化，當(dāng)激發(fā)光源以一定頻率的信號調(diào)制，氣體會產(chǎn)生與調(diào)制信號頻率相同的聲頻信號，利用傳感器檢測出該光聲信號，可獲得待測氣體的信肩、O現(xiàn)有光聲光譜檢測系統(tǒng)的光聲池體積較大，空間光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光路調(diào)整難度大，且光聲腔不可避免使用光學(xué)窗口，會產(chǎn)生因窗口吸收及散射引起的噪聲；此外，現(xiàn)有大多光聲系統(tǒng)多米用電容式麥克風(fēng)或音叉結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對光聲信號的拾取，光聲信號需要經(jīng)過麥克風(fēng)或音叉轉(zhuǎn)換成電信號再經(jīng)過放大處理，這一光聲信號拾取過程必然引入電噪聲，影響檢測精度，并且由于光聲腔內(nèi)存在電信號，因而限制了其在易燃、易爆環(huán)境下的氣體檢測應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種全光結(jié)構(gòu)的膜片式微型光聲池及其應(yīng)用，以其實(shí)現(xiàn)的光聲光譜檢測系統(tǒng)體積微型化、光路結(jié)構(gòu)簡單，無光學(xué)窗口可避免引入額外的噪聲，并且通過高靈敏度振動(dòng)感應(yīng)薄膜對光聲信號直接拾取，檢測靈敏度高、光聲光譜檢測探頭無電信號，可應(yīng)用于易燃、易爆環(huán)境下的氣體濃度檢測。本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明一種膜片式微型光聲池，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是設(shè)置一筒體，在所述筒體的一端支撐有振動(dòng)感應(yīng)薄膜，在筒體的另一端插入光纖，形成一筒狀光聲腔；在所述筒體的側(cè)壁上設(shè)置有氣流通孔；通過光纖同時(shí)傳輸檢測光和由聲頻信號調(diào)制的激發(fā)光。本發(fā)明一種膜片式微型光聲池，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于所述氣流通孔在所述筒體側(cè)壁上是以進(jìn)氣孔和出氣孔成對設(shè)置。所述振動(dòng)感應(yīng)薄膜為平面膜或具有中心反射平面的圓環(huán)狀波紋膜，所述振動(dòng)感應(yīng)薄膜的厚度為100-500nm。所述檢測光為近紅外光，所述振動(dòng)感應(yīng)薄膜對于近紅外光具有反射特性。所述光纖在位于光聲腔中的端面為傾角大于8°的斜面。所述膜片式微型光聲池進(jìn)行氣體濃度檢測的方法如下待測氣體通過氣流通孔進(jìn)入光聲腔內(nèi)，通過光纖向光聲腔內(nèi)導(dǎo)入由聲頻信號調(diào)制的具有設(shè)定波長的激發(fā)光；同時(shí)，利用由光纖傳輸?shù)臋z測光檢測獲得所述振動(dòng)感應(yīng)薄膜的光聲振動(dòng)信號，依據(jù)所述光聲振動(dòng)信號的強(qiáng)度得出被測氣體濃度。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明采用振動(dòng)感應(yīng)薄膜直接拾取光聲信號，其靈敏度高，避免了因麥克風(fēng)或音叉的引入產(chǎn)生的噪聲，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)微型化的光聲腔；2、本發(fā)明中光信號由光纖導(dǎo)入、導(dǎo)出，無需光學(xué)窗口，光路結(jié)構(gòu)簡單可靠,避免了引入額外的噪聲；3、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的光聲池為全光結(jié)構(gòu)，避免了電信號的存在，因而檢測系統(tǒng)能應(yīng)用于易燃、易爆等特種環(huán)境中的氣體檢測。


圖1為本發(fā)明外部形狀示意圖；圖2為本發(fā)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3a為本發(fā)明中環(huán)形波紋狀振動(dòng)感應(yīng)薄膜立面示意圖；圖3b為本發(fā)明中環(huán)形波紋狀振動(dòng)感應(yīng)薄膜平面示意圖；圖中標(biāo)號I振動(dòng)感應(yīng)薄I吳；2柱狀插芯端面；3柱狀插芯；4光纖；5氣流通孔；6筒體；7中心反射平面；8環(huán)形凹槽；9環(huán)形凸脊。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例中膜片式微型光聲池的結(jié)構(gòu)形式如圖1和圖2所示設(shè)置一筒體6,在筒體6的一端支撐有振動(dòng)感應(yīng)薄膜1，在筒體6的另一端插入光纖4,形成一筒狀光聲腔；在筒體6的側(cè)壁上設(shè)置有氣流通孔5 ;通過光纖4同時(shí)傳輸檢測光和由聲頻信號調(diào)制的激發(fā)光。筒體6可以是圓筒，被測氣體在圓筒光聲腔內(nèi)產(chǎn)生的光聲信號容易引起振動(dòng)感應(yīng)薄膜I產(chǎn)生振動(dòng)，從而提高檢測靈敏度。氣流通孔5在筒體6側(cè)壁上是以進(jìn)氣孔和出氣孔成對設(shè)置，被測氣體可在進(jìn)氣孔和出氣孔之間形成流動(dòng)，能更快速進(jìn)入光聲腔內(nèi)。振動(dòng)感應(yīng)薄膜I為平面膜或具有中心反射平面的圓環(huán)狀波紋膜，振動(dòng)感應(yīng)薄膜I的厚度為100-500nm。薄膜厚度會影響薄膜對壓力響應(yīng)的靈敏度，當(dāng)薄膜厚度小于IOOnm時(shí)，薄膜難以制備，且薄膜的最高耐聲壓值低，影響薄膜壽命。薄膜厚度在100-500nm時(shí)，薄膜容易實(shí)現(xiàn)制作，且具有高壓力靈敏度，如厚度為150nm金屬銀平面薄，具有8. 3弧度/Pa的相位靈敏度。振動(dòng)感應(yīng)薄膜I也可以是具有中心反射平面7的圓環(huán)狀波紋膜，其立面和平面示意圖分別如圖3a和圖3b所示，其波紋結(jié)構(gòu)是由同心的環(huán)形凹槽8和環(huán)形凸脊9間隔設(shè)置而成，這種結(jié)構(gòu)可降低薄膜的殘余應(yīng)力，提高薄膜壓力響應(yīng)靈敏度。
檢測光為近紅外光，振動(dòng)感應(yīng)薄膜I對于近紅外光具有反射特性。檢測光選擇為近紅外光，是由于近紅外波長的光源可選擇半導(dǎo)體激光器或光纖激光器，激光光譜特性好，壽命長,價(jià)格低，且相關(guān)光纖器件成熟，容易制作。光纖4在位于光聲腔中的端面為傾角大于8。的斜面。當(dāng)激發(fā)光和檢測光通過光纖4導(dǎo)入時(shí)，如果光纖端面為平面，則會在端面處形成菲涅爾反射，反射光將會對光聲信號解調(diào)帶來干擾，影響系統(tǒng)檢測靈敏度。當(dāng)光纖4端面為傾角大于8°的斜面時(shí)，光纖4端面的菲涅爾反射光將不會在光纖中傳輸。本實(shí)施例中膜片式微型光聲池的氣體濃度的檢測方法是待測氣體通過氣流通孔5進(jìn)入光聲腔內(nèi)，通過光纖4向光聲腔內(nèi)導(dǎo)入由聲頻信號調(diào)制的具有設(shè)定波長的激發(fā)光；同時(shí)，利用由光纖4傳輸?shù)臋z測光檢測獲得振動(dòng)感應(yīng)薄膜I的光聲振動(dòng)信號，依據(jù)光聲振動(dòng)信號的強(qiáng)度得出被測氣體濃度。激發(fā)光的波長選擇需根據(jù)待測氣體在近紅外波長范圍內(nèi)的特征吸收譜來確定，如乙炔氣體在1564. 75nm波長處有強(qiáng)的吸收峰。光聲振動(dòng)信號強(qiáng)度與被測氣體濃度之間的關(guān)系可用標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體標(biāo)定的方法得到。針對乙炔氣體濃度檢測，本實(shí)施例中，具體采用圓筒狀氧化鋯陶瓷套筒制作，圓柱內(nèi)徑2. 4mm,筒體6側(cè)壁上采用激光刻蝕加工出對稱的氣流通孔5 ；振動(dòng)感應(yīng)薄膜I采用磁控濺射制作厚度為150nm的平面金屬銀薄膜；也可采用MEMS方法制作具有多層圓環(huán)波紋狀結(jié)構(gòu)的氮化硅薄膜，其結(jié)構(gòu)如圖3a和圖3b所示。柱狀插芯3采用陶瓷插芯，在柱狀插芯3的中心用固化膠粘結(jié)光纖4，并將光纖4位于光聲腔一側(cè)的端面與陶瓷插芯端面一起研磨成8°的斜面。將柱狀插芯3插入圓筒狀氧化鋯陶瓷套筒，并使光纖4端面與振動(dòng)感應(yīng)薄膜I間距為300 u m。利用光纖4將檢測光和聲頻信號調(diào)制的激發(fā)光同時(shí)導(dǎo)入，由于待測氣體為乙炔，因而激發(fā)光源波長為1564. 75nm,激發(fā)光選擇2. 5kHz的音頻信號調(diào)制,激發(fā)光經(jīng)光纖放大器后其功率為45mW，然后導(dǎo)入光聲腔激發(fā)氣體產(chǎn)生光聲信號；檢測光采用窄線寬光纖激光器，波長為1550. 3nm，線寬為200kHz，光功率為5mW，將其導(dǎo)入光聲腔檢測振動(dòng)響應(yīng)薄膜的光聲振動(dòng)信號。檢測光經(jīng)振動(dòng)感應(yīng)薄膜反射后，返回光纖4，進(jìn)入振動(dòng)信號解調(diào)信號處理部分，解調(diào)方法在本實(shí)施例中采用的是相位載波相干檢測，這種檢測方法檢測精度可達(dá)Pm量級，因而可對振動(dòng)感應(yīng)薄膜的光聲振動(dòng)信號實(shí)現(xiàn)高靈敏檢測。為根據(jù)光聲信號強(qiáng)度獲得待測氣體濃度，可先采用濃度分別為50ppm，200ppm和500ppm的標(biāo)準(zhǔn)濃度乙炔氣體作為待測氣體，測得其對應(yīng)的光聲信號強(qiáng)度，做出氣體濃度與光聲信號強(qiáng)度的關(guān)系曲線，就可實(shí)現(xiàn)未知濃度乙炔氣體濃度的測量。本發(fā)明中采用高壓力靈敏度的150nm納米厚金屬銀薄膜作為振動(dòng)感應(yīng)薄膜1，其壓力響應(yīng)靈敏度可以達(dá)到8. 3弧度/Pa，因而能對外界壓力微小變化產(chǎn)生相應(yīng)形變。并可通過控制薄膜幾何尺寸來調(diào)整薄膜對振動(dòng)響應(yīng)頻率范圍，如薄膜直徑為2. 4mm時(shí)，其共振頻率約為350Hz。因此，可通過優(yōu)化薄膜幾何尺寸獲得最佳光聲信號拾取靈敏度。本發(fā)明中對光聲信號拾取米用振動(dòng)感應(yīng)薄膜直接感測，氣體產(chǎn)生的光聲信號不需經(jīng)過一般光聲池的麥克風(fēng)探頭拾取，而是對薄膜振動(dòng)信息采用高精度的光學(xué)相干方法直接檢測獲得。光學(xué)相干方法可以檢測Pm量級的振動(dòng)幅度，因而可以提供對光聲信號的高靈敏度拾取。此外，將振動(dòng)感應(yīng)薄膜和光聲腔集成一體，可對光聲腔和振動(dòng)感應(yīng)薄膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得具有微型化的光聲腔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中提出的檢測光和由聲頻信號調(diào)制的激發(fā)光均由光纖進(jìn)行傳輸，因而可避免一般光聲腔存在使用空間光路體積大，光路調(diào)整復(fù)雜的缺陷，還能避免使用光學(xué)窗口帶來的噪聲。本發(fā)明中提出的光聲信號拾取過程無電信號參與，可實(shí)現(xiàn)全光結(jié)構(gòu)光聲光譜檢測系統(tǒng)，能應(yīng)用于易燃、易爆等特種環(huán)境下的氣體檢測。
權(quán)利要求
1.一種膜片式微型光聲池，其特征是設(shè)置一筒體￠)，在所述筒體(6)的一端支撐有振動(dòng)感應(yīng)薄膜(1)，在筒體(6)的另一端插入光纖(4),形成一筒狀光聲腔；在所述筒體(6)的側(cè)壁上設(shè)置有氣流通孔(5);通過光纖(4)同時(shí)傳輸檢測光和由聲頻信號調(diào)制的激發(fā)光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜片式微型光聲池，其特征是所述氣流通孔(5)在所述筒體(6)側(cè)壁上是以進(jìn)氣孔和出氣孔成對設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜片式微型光聲池，其特征是所述振動(dòng)感應(yīng)薄膜(I)為平面膜或具有中心反射平面(7)的圓環(huán)狀波紋膜，所述振動(dòng)感應(yīng)薄膜(I)的厚度為100_500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜片式微型光聲池，其特征是所述檢測光為近紅外光，所述振動(dòng)感應(yīng)薄膜(I)對于近紅外光具有反射特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜片式微型光聲池，其特征是所述光纖(4)在位于光聲腔中的端面為傾角大于8°的斜面。
6.一種利用權(quán)利要求1所述膜片式微型光聲池進(jìn)行氣體濃度檢測的方法，其特征是 待測氣體通過氣流通孔(5)進(jìn)入光聲腔內(nèi)，通過光纖(4)向光聲腔內(nèi)導(dǎo)入由聲頻信號調(diào)制的具有設(shè)定波長的激發(fā)光；同時(shí)，利用由光纖(4)傳輸?shù)臋z測光檢測獲得所述振動(dòng)感應(yīng)薄膜(I)的光聲振動(dòng)信號，依據(jù)所述光聲振動(dòng)信號的強(qiáng)度得出被測氣體濃度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種膜片式微型光聲池及其應(yīng)用，其特征是設(shè)置一筒體，在筒體的一端支撐有振動(dòng)感應(yīng)薄膜，在筒體的另一端插入光纖，形成一筒狀光聲腔；在筒體的側(cè)壁上設(shè)置有氣流通孔；通過光纖同時(shí)傳輸檢測光和由聲頻信號調(diào)制的激發(fā)光。本發(fā)明體積微型化，檢測靈敏度高，且光聲檢測為全光結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于易燃、易爆環(huán)境下的氣體濃度檢測。
文檔編號G01N21/17GK103063574SQ20121055916
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者徐峰, 宮奎, 俞本立, 時(shí)金輝, 李賀飛 申請人:安徽大學(xué)