CN104865192B - 一种用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器及制作方法 - Google Patents
一种用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器及制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器及其制作方法，包括：单模光纤、光纤陶瓷套管、聚合物悬臂梁和聚合物环形薄膜用于光声光谱信号的探测；制作方法为采用脉冲激光刻蚀的方式在聚合物环形薄膜上加工形成聚合物悬臂梁，再通过激光融覆的方式将成型的聚合物悬臂梁和光纤陶瓷套管固定，最后在聚合物悬臂梁和单模光纤的端面形成稳定的法布里‑珀罗腔(FP)。本发明具有集成度高，体积小，探测灵敏，本质安全等优点。
Description
技术领域
本发明是一种用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器及制作方法，可用于同时检测不同组分的痕量气体，适用于工业过程中有毒有害气体的探测。
背景技术
气体检测技术的发展在大气环境污染监控、人类日常生活、工业过程控制以及人类疾病诊断等领域都具有重要的现实意义。近年来，随着工业现代化的发展，环境变化日益复杂，人们对环境健康意识也在不断提高。各种有毒有害气体监测技术不仅关系到工农业生产，更关系到人类自身的健康和生命安全，因此引起了越来越多研究者的关注。然而人类对这些气体的感知能力是有限的，各种类型的气体传感器也就成为人们得以依赖的安全保障。这些有毒气体与空气混合可成为爆炸性混合物，遇明火、高热极易引起燃烧或爆炸；容易导致人畜一氧化碳中毒，重者可有生命危险。例如在煤矿井下，伴随着开采极易出现煤层燃烧，并释放出CO等气体，因此有效的检测这些气体的浓度，对社会生产生活都具有很重要的意义。近年来，在工业和环境问题中越来越多对微量气体监测的需求促使了基于光声光谱的气体检测技术不断向前发展，基于此研究者开始关注光声光谱技术。
目前，很多研究人员对光声光谱技术进行了报道。Besson等人成功设计了采用三个近红外半导体激光器和工作在一阶径向模式下共振式光声池的光声光谱系统，对甲烷、氯化氢和水蒸汽检测极限分别达到0.5ppm、3ppm和0.2ppm。ETH的Sigrist等人将量子阱激光器用于光声光谱信号的探测，极大拓展了可以检测的气体范围，使得多种气体的同时探测成为可能。复旦大学黄宜平课题组提出一种MEMS的微机械光声传感器对微量气体进行了探测，据气体光声效应讨论了常用一维管状光声腔体的工作原理，分析了多种不同结构传感器的原理及优缺点。大连理工大学于清旭课题组采用可调谐掺Er光纤激光器的共振式光声光谱技术，结合波长调制和锁相放大器的二次谐波信号检测，有效地消除了光声池窗片和池壁吸收入射光而引起的背景噪声，通过优化，实现了在常温常压和3.5mW平均光功率以及100ms锁相积分时间条件下0.3ppm乙炔气体的准确检测。为发展低成本、实用、便携式微量气体光谱检测仪器奠定了基础。
光声光谱探测系统一般由光源，光声池，微音器和探测系统构成。其中微音器作为声压信号的换能单元，对能够检测气体的灵敏度和整体系统的性能起着至关重要的作用。目前用于光声光谱探测的微音器主要有以下几种：电容式，石英音叉式，悬臂梁式。电容式传声器是一种传统的光声信号探测手段。其工作原理是当振动膜在声波作用下产生振动而引起电容量变化时，电路中电流也随之相应变化。负载电阻上就有相应的电压输出，从而完成了声电转换。目前新发展起来的硅基电容式传声器，采用微机电系统(MEMS)技术制造，在获得更小体积的同时也更易于实现多只传声器的整合，通过形成阵列而获得更高的信噪比。然而电容式微音器发生振动时，有弹性的薄膜随着压力变化时发生的拉伸是径向的，导致位移响应不是严格的线性，不利于光声信号的准确探测。Tittle等人采用石英音叉作为共振增强器件，是对传统共振光声池结构的一种突破。有别于传统共振光声池的能量累积方式，这种方案的能量累积于石英音叉之中，具有很高的Q值，有利于获得更高的共振增强效果。利用石英音叉代替麦克风探测光电信号，线性度好，无需波长选择，而且还具有集成度高抗干扰，功耗和成本低。中科院安徽光机所高晓明课题组设计并演示了一种全光型石英增强光声光谱技术(QEPAS)。使用3f信号作为误差反馈信号，将激光器锁定在待测气体吸收峰中心位置处，保证了长时间测量的准确度并提高了探测效率。相比于石英音叉，悬臂梁微音器具有更高的灵敏度和动态范围。相比传统的微音器，悬臂梁微音器可实现高灵敏度探测，同时全光解调的方式非常适合强电磁干扰环境的应用。
从目前的发展趋势来看，光声光谱气体检测技术的实用化进程不仅依赖于技术上的创新与发展，更重要的是如何实现系统的集成化、小型化这一点对于结构相对复杂的共振式光声光谱气体检测系统尤为重要。因此，高灵敏度集成度的传声单元对设计小型化光声光谱池及长期稳定的气体探测起到关键的作用。
基于此，本发明提出一种基于光纤悬臂梁的微音器，对微量浓度(ppm级)气体实时监测，并结合具体工业过程中的应用，在传统悬臂梁微音器的研究基础上，提出采用光纤悬臂梁微音器进行光声光谱探测。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种光纤悬臂梁的微音器结构，并且通过光学干涉方式解调声音信号，提高了声音信号检测的灵敏度和光声池集成度，适合工业过程痕量气体的探测；同时具有集成度高，探测灵敏，本质安全等优点，可用于光声光谱信号的探测。
本发明技术解决方案：本发明提出的光纤悬臂梁微音器的结构如图1、2所示，包括单模光纤11、光纤陶瓷套管12、聚合物悬臂梁13、聚合物环形薄膜14构成。聚合物悬臂梁13采用纳秒激光脉冲对聚合物环形薄膜14进行加工的方式刻蚀得到；将单模光纤11插入光纤陶瓷套管12，调整光纤末端和聚合物悬臂梁13的距离，构成光学法布里-珀罗腔(FP)；外界声音信号会引起聚合物悬臂梁的振动，因而导致法布里-珀罗(FP)腔的长变化；探测该腔长的变化即可解调外界声音信号。
具体制造按图3所示流程图分3个步骤，激光在聚合物薄膜上加工形成矩形悬臂梁，再通过激光融覆的方式将成型的膜片和光纤陶瓷套管固定，最后在悬臂梁和光纤端面形成稳定的法布里-珀罗腔(FP)。
采用ns激光加工技术可以设计制造微米尺寸悬臂梁，根据设计需要悬臂梁尺寸可以调节，以适应不同结构大小的光声池。激光加工具有快速成型，精度高，适合大规模工业生产等优点，特别适合于微米尺度的器件的制造。采用高分子聚合物材料(PMMA)作为悬臂梁材料，成本低，同时激光容易加工。图4显示了采用ns激光加工成型的聚合物悬臂梁模型。悬臂梁长度为1-2mm(最挂1.4mm)，可根据光纤套管的尺寸改变。另一方面，聚合物悬臂梁表面需保持光学平整度，以满足干涉式光纤传感的要求。因此需要激光和聚合物材料相互作用中再沉积效应最小，以保证悬臂梁具有光学镜面的表面粗糙度。该过程可以通过对聚合物材料进行清洗预处理，调节激光加工参数改进。
所述光纤悬臂梁微音器采用脉冲激光刻蚀的方式加工；
所述单模光纤11可以是标准的通信光纤，或多模光纤均可；所述单模光纤11为一根，集传感和传输于一体，实现了全光探测。
所述聚合物悬臂梁13形状可以是矩形，三角形，等其他可产生振动的结构；
所述聚合物悬臂梁13厚度均匀，一般在25μm到100μm，在保证较高灵敏度的同时，提高悬臂梁抗振动干扰的能力。
一种用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器的制作方法，实现为：采用脉冲激光刻蚀的方式在聚合物环形薄膜14上加工形成聚合物悬臂梁13，再通过激光融覆的方式将成型的聚合物悬臂梁13和光纤陶瓷套管1)固定，最后在聚合物悬臂梁13和单模光纤11的端面形成稳定的法布里-珀罗腔(FP)用以探测光声池内声音信号。
一种采用光纤悬臂梁微音器用于光声光谱探测的系统，包括：激光光源、光声池、光纤悬臂梁微音器、干涉探测系统和控制器；激光光源发出的光经过光声池产生和待测气体浓度有关的声压信号，光纤悬臂梁微音器接收该声压信号，通过干涉探测系统和控制器采用谐波探测算法推算出待测气体的浓度。
能够实现多组分气体的混合测量，避免由于交叉干扰导致的测量不准确，增加了系统在工程应用的实用性。
本发明具有突出的优点如下：
(1)采用光纤悬臂梁结构，一根光纤集传感和传输于一体，实现声压信号探测，传输，有利于缩少光声光谱吸收池体积，使其适用于空间有限复杂工业现场的应用。
(2)系统解调对多种检测方式兼容，如直接光强探测和谐波探测等。
(3)可以实现多组分气体的混合测量，避免由于交叉干扰导致的测量不准确。
(4)采用高灵敏聚合物悬臂梁作为微音器，探测灵敏度高，体积小，结构紧凑，安装灵活方便。
(5)激光加工工艺用于光纤悬臂梁制造，速度快，易于规模化，能够降低制造成本。
(6)全光探测，本质安全，适合易燃易爆环境的应用。
附图说明
图1为本发明的光纤悬臂梁微音器结构主视图；
图2为图1中的A-A剖视图；
图3为本发明的光纤悬臂梁微音器加工过程流程图；
图4为本发明的显微镜下激光加工成型的聚合物悬臂梁；
图5为本发明的基于光纤悬臂梁微音器的光声光谱探测系统简图；
图6为本发明的悬臂梁微音器2f探测示意图；
图7为二次谐波示意图；
图8为本发明的为FP腔稳定性测试结果。
具体实施方式
如图3所示，本发明的用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器制作方法为：首先聚合物环形薄膜14被固定在激光加工台上，纳秒脉冲激光按照设定好的程序进行加工，得到聚合物悬臂梁13。加工采用的激光重复频率一般为40kHz，平均功率小于1mW。聚合物悬臂梁的形状可由软件控制，一般为矩形，以方便在保持较高的灵敏度的同时方便和光纤陶瓷套管连接。加工好的悬臂梁13，采用激光融覆的方式和光纤陶瓷套管12焊接在一起，随后单模光纤11插入光纤陶瓷套管12和聚合物悬臂梁表面形成FP干涉腔。通过光谱仪调节11端面到13端面的距离，一般在几十个微米为宜，直到在光谱仪上看到清晰的干涉条纹。该FP绝对腔长在空气中的变化如图8所示，半小时内腔长的稳定度在0.4％左右，具有极高的腔长稳定性。
图4为显微镜下的采用超短脉冲激光器加工制造的聚合物悬臂梁微音器。聚合物悬臂梁13的厚度为25μm，可以调节，以满足不同灵敏度探测的需求。悬臂梁通常可以工作在静态和动态模式下。对于矩形式悬臂梁，工作在动态模式下的，悬臂梁谐振频率fres写成：
上式k是聚合物悬臂梁13的弹性系数，m是悬臂梁的质量，可以看出，聚合物悬臂梁13的谐振频率和弹性系数及质量有关。对于微量气体检测，可采用动态工作模式，让悬臂梁在光声池中振动。当池内气体浓度发生变化时，聚合物悬悬臂梁13的振动频率随之改变，干涉信号相位改变，通过激光解调系统可以反演出气体浓度信息，在这里气体可以是一氧化碳，甲烷，硫化氢等等常见的工业过程排放的有毒有害气体。
图5显示了典型的基于悬臂梁微音器的光声光谱探测系统示意图，系统包括激光光源，光声池，悬臂梁微音器，干涉探测系统，Labview/PC软件控制几部分。激光器发出的光波进入光声池后激发光压，当池内充入待测气体后，激光在待测气体特定的谱线处会发生吸收，通过图6所示的谐波探测方案，可以将待测气体的浓度计算出来。在这里，采用法布里-珀罗干涉技术获取声音信号，实现快速无失真解调。悬臂梁微音器可将外界振动信号转化为FP腔长的变化，通过快速傅里叶变化(FFT)计算得到振动信号的频率，再通过2f谐波探测技术可以实现该频率的检测。图7是一个简单的二次谐波示意图，通过确定谐波峰谷值的距离即可根据激光吸收光谱特性得到待测气体的浓度。传统的数波数和傅里叶变换的方法只适合于低速静态信号的解调。对于高速声音振动信号，要想实现高灵敏探测，需要控制激光器稳定工作。这里采用优化可调谐激光器光谱Q(积分工作点)点，达到控制激光器工作干涉谱斜率最大区间，由于激光器的光谱受温度影响较大，因此采用反馈控制的方式对激光机的输出功率进行实时修正，以达到稳定激光器工作点的目的。
对多组分背景下微量气体探测，同样可采用图6所示的2f探测系统。采用一种基于多项式线性回归的光声信号定量分析方法，对目标气体浓度进行定量分析并建立起定量分析模型，建立基于主成分分析的模式识别算法对不同浓度气体进行区分，通过数值比较被测气体在不同吸收带中的多线综合吸收系数得到了滤光片优化设计参数，实现吸收效率与抗交叉干扰的兼顾。
Claims (8)
1.一种用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器，其特征在于：包括单模光纤(11)、光纤陶瓷套管(12)、聚合物悬臂梁(13)和聚合物环形薄膜(14)；聚合物悬臂梁(13)采用纳秒激光脉冲对聚合物环形薄膜(14)进行加工的方式刻蚀得到；将单模光纤(11)插入光纤陶瓷套管(12)，调整单模光纤(11)末端和聚合物悬臂梁(13)的距离，构成光学法布里-珀罗腔(FP)；外界声音信号会引起聚合物悬臂梁(13)的振动，因而导致法布里-珀罗(FP)腔长的变化；探测该腔长的变化即可解调外界声音信号；
所述聚合物悬臂梁(13)厚度均匀，厚度为25μm到100μm，在保证较高灵敏度的同时，提高悬臂梁抗振动干扰的能力；
所述聚合物悬臂梁(13)的长度为1-2mm，可根据光纤套管的尺寸改变，在保证激光加工精度的前提下，提高微音器的集成度，以满足小型化的应用需求。
2.根据权利要求1所述的用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器，其特征在于：所述单模光纤(11)为标准的通信光纤或多模光纤。
3.根据权利要求1所述的用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器，其特征在于：所述聚合物悬臂梁(13)形状是矩形、三角形，以满足不同光声池封装的需要。
4.根据权利要求1所述的用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器，其特征在于：所述聚合物悬臂梁(13)的材料为高分子聚合物材料PMMA。
5.根据权利要求1所述的用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器，其特征在于：所述单模光纤(11)为一根，集传感和传输于一体，实现了全光探测。
6.一种如权利要求1-5任意之一所述的用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器的制作方法，其特征在于：采用脉冲激光刻蚀的方式在聚合物环形薄膜(14)上加工形成聚合物悬臂梁(13)，再通过激光融覆的方式将成型的聚合物悬臂梁(13)和光纤陶瓷套管(12)固定，最后在聚合物悬臂梁(13)和单模光纤(11)的端面形成稳定的法布里-珀罗腔(FP)用以探测光声池内声音信号。
7.一种采用权利要求1-5任意之一所述的用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音的光声光谱探测的系统，其特征在于：包括激光光源、光声池、光纤悬臂梁微音器、干涉探测系统和控制器；激光光源发出的光经过光声池产生和待测气体浓度有关的声压信号，光纤悬臂梁微音器接收该声压信号，通过干涉探测系统和控制器采用谐波探测算法推算出待测气体的浓度。
8.根据权利要求7所述的光声光谱探测的系统，其特征在于：能够实现多组分气体的混合测量，避免由于交叉干扰导致的测量不准确，增加了系统在工程应用的实用性。
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