CN103063574B - 一种膜片式微型光声池及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膜片式微型光声池及其应用，其特征是设置一筒体，在筒体的一端支撑有振动感应薄膜，在筒体的另一端插入光纤，形成一筒状光声腔；在筒体的侧壁上设置有气流通孔；通过光纤同时传输检测光和由声频信号调制的激发光。本发明体积微型化，检测灵敏度高，且光声检测为全光结构，可应用于易燃、易爆环境下的气体浓度检测。

Description

一种膜片式微型光声池及其应用

技术领域

本发明涉及一种微型光声池，特别涉及一种膜片式微型光声池。

背景技术

随着现代工业化生产和人们生活方式的改变，人们的生存环境中存在着各种各样有毒有害气体，空气质量的变化对人类健康及公共安全带来了巨大的隐患。世界各国都在发展各种气体检测技术，以满足大气环境监测、温室效应变化、空气污染状况、医学健康诊断、工业生产安全，甚至国防军事、国家安全以及反恐等领域对及时、准确、高效的气体检测技术的需求。

基于物质光学性质发展起来的光谱分析技术由于测量范围宽、灵敏度高、寿命长、响应快等优点而被重点关注。在众多光谱分析技术中，光声光谱气体检测方法作为一种理想的无背景噪声光谱检测技术，具有良好的选择性，不受反射光、散射光和透射背景光的影响，检测灵敏度极限高等优点。光声光谱气体检测方法的基本原理是利用待测气体分子受外界光源激发，吸收特定波长光子的能量，气体分子跃迁到激发态，再通过热释放吸收的能量，从而引起气体温度变化产生了压强变化，当激发光源以一定频率的信号调制，气体会产生与调制信号频率相同的声频信号，利用传感器检测出该光声信号，可获得待测气体的信息。

现有光声光谱检测系统的光声池体积较大，空间光路结构复杂，光路调整难度大，且光声腔不可避免使用光学窗口，会产生因窗口吸收及散射引起的噪声；此外，现有大多光声系统多采用电容式麦克风或音叉结构来实现对光声信号的拾取，光声信号需要经过麦克风或音叉转换成电信号再经过放大处理，这一光声信号拾取过程必然引入电噪声，影响检测精度，并且由于光声腔内存在电信号，因而限制了其在易燃、易爆环境下的气体检测应用。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种全光结构的膜片式微型光声池及其应用，以其实现的光声光谱检测系统体积微型化、光路结构简单，无光学窗口可避免引入额外的噪声，并且通过高灵敏度振动感应薄膜对光声信号直接拾取，检测灵敏度高、光声光谱检测探头无电信号，可应用于易燃、易爆环境下的气体浓度检测。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种膜片式微型光声池，其结构特点是：设置一筒体，在所述筒体的一端支撑有振动感应薄膜，在筒体的另一端插入光纤，形成一筒状光声腔；在所述筒体的侧壁上设置有气流通孔；通过光纤同时传输检测光和由声频信号调制的激发光。

本发明一种膜片式微型光声池，其结构特点也在于：所述气流通孔在所述筒体侧壁上是以进气孔和出气孔成对设置。

所述振动感应薄膜为平面膜或具有中心反射平面的圆环状波纹膜，所述振动感应薄膜的厚度为100-500nm。

所述检测光为近红外光，所述振动感应薄膜对于近红外光具有反射特性。

所述光纤在位于光声腔中的端面为倾角大于8°的斜面。

所述膜片式微型光声池进行气体浓度检测的方法如下：

待测气体通过气流通孔进入光声腔内，通过光纤向光声腔内导入由声频信号调制的具有设定波长的激发光；同时，利用由光纤传输的检测光检测获得所述振动感应薄膜的光声振动信号，依据所述光声振动信号的强度得出被测气体浓度。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用振动感应薄膜直接拾取光声信号，其灵敏度高，避免了因麦克风或音叉的引入产生的噪声，同时可以实现微型化的光声腔；

2、本发明中光信号由光纤导入、导出，无需光学窗口，光路结构简单可靠，避免了引入额外的噪声；

3、本发明实现的光声池为全光结构，避免了电信号的存在，因而检测系统能应用于易燃、易爆等特种环境中的气体检测。

附图说明

图1为本发明外部形状示意图；

图2为本发明内部结构示意图；

图3a为本发明中环形波纹状振动感应薄膜立面示意图；

图3b为本发明中环形波纹状振动感应薄膜平面示意图；

图中标号：1振动感应薄膜；2柱状插芯端面；3柱状插芯；4光纤；5气流通孔；6筒体；7中心反射平面；8环形凹槽；9环形凸脊。

具体实施方式

本实施例中膜片式微型光声池的结构形式如图1和图2所示：

设置一筒体6，在筒体6的一端支撑有振动感应薄膜1，在筒体6的另一端插入光纤4，形成一筒状光声腔；在筒体6的侧壁上设置有气流通孔5；通过光纤4同时传输检测光和由声频信号调制的激发光。

筒体6可以是圆筒，被测气体在圆筒光声腔内产生的光声信号容易引起振动感应薄膜1产生振动，从而提高检测灵敏度。

气流通孔5在筒体6侧壁上是以进气孔和出气孔成对设置，被测气体可在进气孔和出气孔之间形成流动，能更快速进入光声腔内。

振动感应薄膜1为平面膜或具有中心反射平面的圆环状波纹膜，振动感应薄膜1的厚度为100-500nm。薄膜厚度会影响薄膜对压力响应的灵敏度，当薄膜厚度小于100nm时，薄膜难以制备，且薄膜的最高耐声压值低，影响薄膜寿命。薄膜厚度在100-500nm时，薄膜容易实现制作，且具有高压力灵敏度，如厚度为150nm金属银平面薄，具有8.3弧度/Pa的相位灵敏度。振动感应薄膜1也可以是具有中心反射平面7的圆环状波纹膜，其立面和平面示意图分别如图3a和图3b所示，其波纹结构是由同心的环形凹槽8和环形凸脊9间隔设置而成，这种结构可降低薄膜的残余应力，提高薄膜压力响应灵敏度。

检测光为近红外光，振动感应薄膜1对于近红外光具有反射特性。检测光选择为近红外光，是由于近红外波长的光源可选择半导体激光器或光纤激光器，激光光谱特性好，寿命长，价格低，且相关光纤器件成熟，容易制作。

光纤4在位于光声腔中的端面为倾角大于8°的斜面。当激发光和检测光通过光纤4导入时，如果光纤端面为平面，则会在端面处形成菲涅尔反射，反射光将会对光声信号解调带来干扰，影响系统检测灵敏度。当光纤4端面为倾角大于8°的斜面时，光纤4端面的菲涅尔反射光将不会在光纤中传输。

本实施例中膜片式微型光声池的气体浓度的检测方法是：

待测气体通过气流通孔5进入光声腔内，通过光纤4向光声腔内导入由声频信号调制的具有设定波长的激发光；同时，利用由光纤4传输的检测光检测获得振动感应薄膜1的光声振动信号，依据光声振动信号的强度得出被测气体浓度。激发光的波长选择需根据待测气体在近红外波长范围内的特征吸收谱来确定，如乙炔气体在1564.75nm波长处有强的吸收峰。光声振动信号强度与被测气体浓度之间的关系可用标准浓度气体标定的方法得到。

针对乙炔气体浓度检测，本实施例中，具体采用圆筒状氧化锆陶瓷套筒制作，圆柱内径2.4mm，筒体6侧壁上采用激光刻蚀加工出对称的气流通孔5；

振动感应薄膜1采用磁控溅射制作厚度为150nm的平面金属银薄膜；也可采用MEMS方法制作具有多层圆环波纹状结构的氮化硅薄膜，其结构如图3a和图3b所示。

柱状插芯3采用陶瓷插芯，在柱状插芯3的中心用固化胶粘结光纤4，并将光纤4位于光声腔一侧的端面与陶瓷插芯端面一起研磨成8°的斜面。将柱状插芯3插入圆筒状氧化锆陶瓷套筒，并使光纤4端面与振动感应薄膜1间距为300μm。

利用光纤4将检测光和声频信号调制的激发光同时导入，由于待测气体为乙炔，因而激发光源波长为1564.75nm，激发光选择2.5kHz的音频信号调制，激发光经光纤放大器后其功率为45mW，然后导入光声腔激发气体产生光声信号；检测光采用窄线宽光纤激光器，波长为1550.3nm，线宽为200kHz，光功率为5mW，将其导入光声腔检测振动响应薄膜的光声振动信号。

检测光经振动感应薄膜反射后，返回光纤4，进入振动信号解调信号处理部分，解调方法在本实施例中采用的是相位载波相干检测，这种检测方法检测精度可达pm量级，因而可对振动感应薄膜的光声振动信号实现高灵敏检测。

为根据光声信号强度获得待测气体浓度，可先采用浓度分别为50ppm，200ppm和500ppm的标准浓度乙炔气体作为待测气体，测得其对应的光声信号强度，做出气体浓度与光声信号强度的关系曲线，就可实现未知浓度乙炔气体浓度的测量。

本发明中采用高压力灵敏度的150nm纳米厚金属银薄膜作为振动感应薄膜1，其压力响应灵敏度可以达到8.3弧度/Pa，因而能对外界压力微小变化产生相应形变。并可通过控制薄膜几何尺寸来调整薄膜对振动响应频率范围，如薄膜直径为2.4mm时，其共振频率约为350Hz。因此，可通过优化薄膜几何尺寸获得最佳光声信号拾取灵敏度。

本发明中对光声信号拾取采用振动感应薄膜直接感测，气体产生的光声信号不需经过一般光声池的麦克风探头拾取，而是对薄膜振动信息采用高精度的光学相干方法直接检测获得。光学相干方法可以检测pm量级的振动幅度，因而可以提供对光声信号的高灵敏度拾取。此外，将振动感应薄膜和光声腔集成一体，可对光声腔和振动感应薄膜进行结构优化，获得具有微型化的光声腔结构。

本发明中提出的检测光和由声频信号调制的激发光均由光纤进行传输，因而可避免一般光声腔存在使用空间光路体积大，光路调整复杂的缺陷，还能避免使用光学窗口带来的噪声。

本发明中提出的光声信号拾取过程无电信号参与，可实现全光结构光声光谱检测系统，能应用于易燃、易爆等特种环境下的气体检测。

Claims (5)

1.一种膜片式微型光声池，其特征是设置一筒体(6)，在所述筒体(6)的一端支撑有振动感应薄膜(1)，在筒体(6)的另一端插入光纤(4)，形成一筒状光声腔；在所述筒体(6)的侧壁上设置有气流通孔(5)；通过光纤(4)同时传输检测光和由声频信号调制的激发光；所述光纤(4)在位于光声腔中的端面为倾角大于8°的斜面。

2.根据权利要求1所述的膜片式微型光声池，其特征是：所述气流通孔(5)在所述筒体(6)侧壁上是以进气孔和出气孔成对设置。

3.根据权利要求1所述的膜片式微型光声池，其特征是：所述振动感应薄膜(1)为平面膜或具有中心反射平面(7)的圆环状波纹膜，所述振动感应薄膜(1)的厚度为100-500nm。

4.根据权利要求1所述的膜片式微型光声池，其特征是：所述检测光为近红外光，所述振动感应薄膜(1)对于近红外光具有反射特性。

5.一种利用权利要求1所述膜片式微型光声池进行气体浓度检测的方法，其特征是：

待测气体通过气流通孔(5)进入光声腔内，通过光纤(4)向光声腔内导入由声频信号调制的具有设定波长的激发光；同时，利用由光纤(4)传输的检测光检测获得所述振动感应薄膜(1)的光声振动信号，依据所述光声振动信号的强度得出被测气体浓度。