專利名稱：一種膜片式微型光聲池及其應用的制作方法
技術領域：
本發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：
隨著現代工業化生產和人們生活方式的改變，人們的生存環境中存在著各種各樣有毒有害氣體，空氣質量的變化對人類健康及公共安全帶來了巨大的隱患。世界各國都在發展各種氣體檢測技術，以滿足大氣環境監測、溫室效應變化、空氣污染狀況、醫學健康診斷、工業生產安全，甚至國防軍事、國家安全以及反恐等領域對及時、準確、高效的氣體檢測技術的需求。基于物質光學性質發展起來的光譜分析技術由于測量范圍寬、靈敏度高、壽命長、響應快等優點而被重點關注。在眾多光譜分析技術中，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，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點。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，吸收特定波長光子的能量，氣體分子躍遷到激發態，再通過熱釋放吸收的能量，從而引起氣體溫度變化產生了壓強變化，當激發光源以一定頻率的信號調制，氣體會產生與調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現有光聲光譜檢測系統的光聲池體積較大，空間光路結構復雜，光路調整難度大，且光聲腔不可避免使用光學窗口，會產生因窗口吸收及散射引起的噪聲；此外，現有大多光聲系統多米用電容式麥克風或音叉結構來實現對光聲信號的拾取，光聲信號需要經過麥克風或音叉轉換成電信號再經過放大處理，這一光聲信號拾取過程必然引入電噪聲，影響檢測精度，并且由于光聲腔內存在電信號，因而限制了其在易燃、易爆環境下的氣體檢測應用。
發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種全光結構的膜片式微型光聲池及其應用，以其實現的光聲光譜檢測系統體積微型化、光路結構簡單，無光學窗口可避免引入額外的噪聲，并且通過高靈敏度振動感應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，可應用于易燃、易爆環境下的氣體濃度檢測。本發明為解決技術問題采用如下技術方案本發明一種膜片式微型光聲池，其結構特點是設置一筒體，在所述筒體的一端支撐有振動感應薄膜，在筒體的另一端插入光纖，形成一筒狀光聲腔；在所述筒體的側壁上設置有氣流通孔；通過光纖同時傳輸檢測光和由聲頻信號調制的激發光。本發明一種膜片式微型光聲池，其結構特點也在于所述氣流通孔在所述筒體側壁上是以進氣孔和出氣孔成對設置。所述振動感應薄膜為平面膜或具有中心反射平面的圓環狀波紋膜，所述振動感應薄膜的厚度為100-500nm。所述檢測光為近紅外光，所述振動感應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行氣體濃度檢測的方法如下待測氣體通過氣流通孔進入光聲腔內，通過光纖向光聲腔內導入由聲頻信號調制的具有設定波長的激發光；同時，利用由光纖傳輸的檢測光檢測獲得所述振動感應薄膜的光聲振動信號，依據所述光聲振動信號的強度得出被測氣體濃度。與已有技術相比，本發明的有益效果體現在1、本發明采用振動感應薄膜直接拾取光聲信號，其靈敏度高，避免了因麥克風或音叉的引入產生的噪聲，同時可以實現微型化的光聲腔；2、本發明中光信號由光纖導入、導出，無需光學窗口，光路結構簡單可靠,避免了引入額外的噪聲；3、本發明實現的光聲池為全光結構，避免了電信號的存在，因而檢測系統能應用于易燃、易爆等特種環境中的氣體檢測。
圖1為本發明外部形狀示意圖；圖2為本發明內部結構示意圖；圖3a為本發明中環形波紋狀振動感應薄膜立面示意圖；圖3b為本發明中環形波紋狀振動感應薄膜平面示意圖；圖中標號I振動感應薄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環形凹槽；9環形凸脊。
具體實施例方式本實施例中膜片式微型光聲池的結構形式如圖1和圖2所示設置一筒體6,在筒體6的一端支撐有振動感應薄膜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的側壁上設置有氣流通孔5 ;通過光纖4同時傳輸檢測光和由聲頻信號調制的激發光。筒體6可以是圓筒，被測氣體在圓筒光聲腔內產生的光聲信號容易引起振動感應薄膜I產生振動，從而提高檢測靈敏度。氣流通孔5在筒體6側壁上是以進氣孔和出氣孔成對設置，被測氣體可在進氣孔和出氣孔之間形成流動，能更快速進入光聲腔內。振動感應薄膜I為平面膜或具有中心反射平面的圓環狀波紋膜，振動感應薄膜I的厚度為100-500nm。薄膜厚度會影響薄膜對壓力響應的靈敏度，當薄膜厚度小于IOOnm時，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，薄膜容易實現制作，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。振動感應薄膜I也可以是具有中心反射平面7的圓環狀波紋膜，其立面和平面示意圖分別如圖3a和圖3b所示，其波紋結構是由同心的環形凹槽8和環形凸脊9間隔設置而成，這種結構可降低薄膜的殘余應力，提高薄膜壓力響應靈敏度。
檢測光為近紅外光，振動感應薄膜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體激光器或光纖激光器，激光光譜特性好，壽命長,價格低，且相關光纖器件成熟，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。當激發光和檢測光通過光纖4導入時，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帶來干擾，影響系統檢測靈敏度。當光纖4端面為傾角大于8°的斜面時，光纖4端面的菲涅爾反射光將不會在光纖中傳輸。本實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進入光聲腔內，通過光纖4向光聲腔內導入由聲頻信號調制的具有設定波長的激發光；同時，利用由光纖4傳輸的檢測光檢測獲得振動感應薄膜I的光聲振動信號，依據光聲振動信號的強度得出被測氣體濃度。激發光的波長選擇需根據待測氣體在近紅外波長范圍內的特征吸收譜來確定，如乙炔氣體在1564. 75nm波長處有強的吸收峰。光聲振動信號強度與被測氣體濃度之間的關系可用標準濃度氣體標定的方法得到。針對乙炔氣體濃度檢測，本實施例中，具體采用圓筒狀氧化鋯陶瓷套筒制作，圓柱內徑2. 4mm,筒體6側壁上采用激光刻蝕加工出對稱的氣流通孔5 ；振動感應薄膜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波紋狀結構的氮化硅薄膜，其結構如圖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光纖4，并將光纖4位于光聲腔一側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端面與振動感應薄膜I間距為300 u m。利用光纖4將檢測光和聲頻信號調制的激發光同時導入，由于待測氣體為乙炔，因而激發光源波長為1564. 75nm,激發光選擇2. 5kHz的音頻信號調制,激發光經光纖放大器后其功率為45mW，然后導入光聲腔激發氣體產生光聲信號；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，將其導入光聲腔檢測振動響應薄膜的光聲振動信號。檢測光經振動感應薄膜反射后，返回光纖4，進入振動信號解調信號處理部分，解調方法在本實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Pm量級，因而可對振動感應薄膜的光聲振動信號實現高靈敏檢測。為根據光聲信號強度獲得待測氣體濃度，可先采用濃度分別為50ppm，200ppm和500ppm的標準濃度乙炔氣體作為待測氣體，測得其對應的光聲信號強度，做出氣體濃度與光聲信號強度的關系曲線，就可實現未知濃度乙炔氣體濃度的測量。本發明中采用高壓力靈敏度的150nm納米厚金屬銀薄膜作為振動感應薄膜1，其壓力響應靈敏度可以達到8. 3弧度/Pa，因而能對外界壓力微小變化產生相應形變。并可通過控制薄膜幾何尺寸來調整薄膜對振動響應頻率范圍，如薄膜直徑為2. 4mm時，其共振頻率約為350Hz。因此，可通過優化薄膜幾何尺寸獲得最佳光聲信號拾取靈敏度。本發明中對光聲信號拾取米用振動感應薄膜直接感測，氣體產生的光聲信號不需經過一般光聲池的麥克風探頭拾取，而是對薄膜振動信息采用高精度的光學相干方法直接檢測獲得。光學相干方法可以檢測Pm量級的振動幅度，因而可以提供對光聲信號的高靈敏度拾取。此外，將振動感應薄膜和光聲腔集成一體，可對光聲腔和振動感應薄膜進行結構優化，獲得具有微型化的光聲腔結構。本發明中提出的檢測光和由聲頻信號調制的激發光均由光纖進行傳輸，因而可避免一般光聲腔存在使用空間光路體積大，光路調整復雜的缺陷，還能避免使用光學窗口帶來的噪聲。本發明中提出的光聲信號拾取過程無電信號參與，可實現全光結構光聲光譜檢測系統，能應用于易燃、易爆等特種環境下的氣體檢測。
權利要求
1.一種膜片式微型光聲池，其特征是設置一筒體￠)，在所述筒體(6)的一端支撐有振動感應薄膜(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)的側壁上設置有氣流通孔(5);通過光纖(4)同時傳輸檢測光和由聲頻信號調制的激發光。
2.根據權利要求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)側壁上是以進氣孔和出氣孔成對設置。
3.根據權利要求1所述的膜片式微型光聲池，其特征是所述振動感應薄膜(I)為平面膜或具有中心反射平面(7)的圓環狀波紋膜，所述振動感應薄膜(I)的厚度為100_500nm。
4.根據權利要求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，所述振動感應薄膜(I)對于近紅外光具有反射特性。
5.根據權利要求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。
6.一種利用權利要求1所述膜片式微型光聲池進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)進入光聲腔內，通過光纖(4)向光聲腔內導入由聲頻信號調制的具有設定波長的激發光；同時，利用由光纖(4)傳輸的檢測光檢測獲得所述振動感應薄膜(I)的光聲振動信號，依據所述光聲振動信號的強度得出被測氣體濃度。
全文摘要
本發明公開了一種膜片式微型光聲池及其應用，其特征是設置一筒體，在筒體的一端支撐有振動感應薄膜，在筒體的另一端插入光纖，形成一筒狀光聲腔；在筒體的側壁上設置有氣流通孔；通過光纖同時傳輸檢測光和由聲頻信號調制的激發光。本發明體積微型化，檢測靈敏度高，且光聲檢測為全光結構，可應用于易燃、易爆環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 優先權日2012年12月21日
發明者徐峰, 宮奎, 俞本立, 時金輝, 李賀飛 申請人:安徽大學