CN112504967A - 一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统，包含激光调制器、激光器、光路调整模块、气体检测传感器、电容检测模块、锁相放大器、计算机。所述气体检测传感器采用MEMS工艺加工，包括光声腔、硅音叉和固定电极等。激光穿过光声腔，由于光声效应激发出声波，声波与硅音叉产生共振，硅音叉两个音叉臂与固定电极之间形成电容，该电容值通过电容检测模块转化成电压信号。电容检测模块和激光调制器的输出信号作为锁相放大器的两个输入信号。锁相放大器的输出信号交给计算机处理，最终得出待测气体的浓度。相比于传统的石英增强光声光谱技术，本发明使用硅音叉作为声传感器，使用MEMS工艺加工、集成，体积小，可批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体检测系统，尤其涉及一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统。
背景技术
光声光谱气体检测技术是一种基于光声效应的光谱分析技术，近年来广泛应用于大气污染分析、医疗健康、资源勘探、危险气体检测等领域。光源、光声池和声传感器是光声光谱检测技术的核心组件。光源一般采用波长可调制的激光，照射在光声池内的气体中，被气体分子吸收部分光能，由于光声效应，会激发出声波，用声传感器检测声波强度。声波的频率与激光调制频率相关，声波的强弱即反映了待测气体的浓度信息。相比于传统的吸收光谱技术，光声光谱技术完全不受背景光的影响，通过光声池的共振设计，可以进一步提升有效信号的信噪比。
目前光声光谱痕量气体测量的国内外研究趋势主要有两个：一是不断提升整个系统的信噪比和灵敏度，常见的技术路线是石英增强光声光谱技术（QE-PAS），用高Q值（品质因数）的石英音叉替代宽带麦克风，可获得高增益和低噪声；二是系统的小型化和集成化，采用微机电系统（MEMS）技术可以将光声池、麦克风和半导体激光器集成到同一块芯片上，后续的信号处理电路也可以通过专用集成电路（ASIC）技术与传感器集成到一起，系统体积可以压缩到数个立方毫米的量级，批量化生产的MEMS器件可以极大地降低成本。然而，石英音叉与MEMS工艺不兼容，整个气体检测系统的效果依赖人工组装和调试，效率低，易产生安装误差，影响气体检测的精度和重复性，这是当前的一个研究瓶颈。
发明内容
为了提升光声光谱气体检测的灵敏度，同时兼顾系统的小型化和集成化，本发明提供一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统，包括激光调制器、激光器、光路调整模块、气体检测模块、电容检测模块、锁相放大器以及计算机，所述的激光调制器连接激光器和锁相放大器的第一输入端，所述激光器连接光路调整模块，光路调整模块连接气体检测模块，气体检测模块连接电容检测模块，电容检测模块连接锁相放大器的第二输入端，锁相放大器的输出端连接计算机。
作为优选，所述气体检测模块包括包含硅音叉、固定电极和底座，所述底座上设有光声腔，底座顶部固定设有盖板，盖板中央设有与光声腔连通的出音孔，所述硅音叉包括音叉锚点、隔离梁以及传声部，所述传声部通过隔离梁连接音叉锚点，所述音叉锚点与盖板固定连接，所述的固定电极为一对，且分别设置于传声部的两侧，所述出音孔位于传声部的中央。
作为优选，所述硅音叉和光声腔的谐振频率与所述激光调制器的调制频率相等，所述硅音叉的谐振频率为硅音叉反相振动模态的频率，所述光声腔的谐振频率为光声腔内声波驻波的基频。
作为优选，所述传声部包括两根连接梁和两根音叉臂，两根连接梁和两根音叉臂分别平行组成中空的矩形，传声部与盖板平行且保持一定的距离。
作为优选，所述固定电极为矩形，位于音叉臂外侧且平行于音叉臂，固定电极通过电极锚点与盖板固定连接，所述音叉臂与固定电极之间形成可变电容。
作为优选，所述音叉锚点设有音叉引线，所述电极锚点设有电极引线。
作为优选，所述气体检测模块的整体结构通过MEMS工艺加工。
作为优选，所述光路调整模块采用一系列透镜组合，对激光进行准直，并将激光聚焦在光声腔的几何中心。
作为优选，所述电容检测模块用于检测音叉引线和电极引线的电容强度，并转化成电信号输出给锁相放大器。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
（1）使用硅音叉作为声传感器，Q值高，信噪比高，不受背景光和环境噪声干扰；
（2）气体检测模块整体结构均使用MEMS工艺加工，体积小，集成化，便于批量生产。
附图说明
图1是本发明的原理示意框图；
图2是本发明气体检测模块的结构示意图；
图3是本发明气体检测模块的俯视图；
图4是本发明气体检测模块的侧视图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
如图1-4所示，一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统，包括激光调制器、激光器、光路调整模块、气体检测模块、电容检测模块、锁相放大器以及计算机，所述的激光调制器连接激光器和锁相放大器的第一输入端，所述激光器连接光路调整模块，光路调整模块连接气体检测模块，气体检测模块连接电容检测模块，电容检测模块连接锁相放大器的第二输入端，锁相放大器的输出端连接计算机，所述气体检测模块包括包含硅音叉1、固定电极2和底座4，所述底座4上设有光声腔401，底座4顶部固定设有盖板3，盖板3中央设有与光声腔401连通的出音孔301，所述硅音叉1包括音叉锚点101、隔离梁102以及传声部，所述传声部通过隔离梁102连接音叉锚点101，所述音叉锚点11与盖板3固定连接，所述的固定电极2为一对，且分别设置于传声部的两侧，所述出音孔301位于传声部的中央，所述传声部包括两根连接梁103和两根音叉臂104，两根连接梁103和两根音叉臂104分别平行组成中空的矩形，传声部与盖板3平行且保持一定的距离，所述固定电极2为矩形，位于音叉臂104外侧且平行于音叉臂104，固定电极2通过电极锚点201与盖板3固定连接，所述音叉臂104与固定电极2之间形成可变电容，所述音叉锚点101设有音叉引线105，所述电极锚点201设有电极引线202，所述气体检测模块的整体结构通过MEMS工艺加工，所述光路调整模块采用一系列透镜组合，对激光进行准直，并将激光聚焦在光声腔401的几何中心，所述电容检测模块用于检测音叉引线105和电极引线202的电容强度，并转化成电信号输出给锁相放大器。
本发明具体检测步骤：激光调制器以一定的频率f对激光器输出激光的波长进行调制，光路调整模块采用一系列透镜组合，对激光进行准直，并将激光聚焦在光声腔401的几何中心。光声腔401内的待测气体吸收部分激光能量，产生光声效应，激发出频率为f的声波。所述声波通过出音孔301传播出去，驱动硅音叉1的两根音叉臂104朝着相反的方向进行振动。硅音叉1与固定电极2之间形成可动电容，当音叉臂104振动时，音叉臂104和固定电极2之间的距离产生变化，导致电容发生变化。该电容通过音叉引线105和电极引线202连接至电容检测模块。电容检测模块将所述电容转换成电压信号。锁相放大器的作用是对电容检测模块的输出信号进行解调和放大，提取出电压的幅值，最终交给计算机处理，得出待测气体的浓度。激光调制器连接锁相放大器的第一输入端，电容检测模块连接锁相放大器的第二输入端。
所述硅音叉和光声腔的谐振频率与所述激光调制器的调制频率f相等，所述硅音叉的谐振频率为硅音叉反相振动模态的频率，所述光声腔的谐振频率为光声腔内声波驻波的基频，系统稳定工作时，频率为f的声波在光声腔401内产生驻波，再与硅音叉1形成共振，可以使声波信号获得极大的增强，提升检测灵敏度和信噪比。
Claims (9)
1.一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统，其特征在于：包括激光调制器、激光器、光路调整模块、气体检测模块、电容检测模块、锁相放大器以及计算机，所述的激光调制器连接激光器和锁相放大器的第一输入端，所述激光器连接光路调整模块，光路调整模块连接气体检测模块，气体检测模块连接电容检测模块，电容检测模块连接锁相放大器的第二输入端，锁相放大器的输出端连接计算机。
2.根据权利要求1所述的一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述气体检测模块包括包含硅音叉、固定电极和底座，所述底座上设有光声腔，底座顶部固定设有盖板，盖板中央设有与光声腔连通的出音孔，所述硅音叉包括音叉锚点、隔离梁以及传声部，所述传声部通过隔离梁连接音叉锚点，所述音叉锚点与盖板固定连接，所述的固定电极为一对，且分别设置于传声部的两侧，所述出音孔位于传声部的中央。
3.根据权利要求2所述的一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述硅音叉和光声腔的谐振频率与所述激光调制器的调制频率相等，所述硅音叉的谐振频率为硅音叉反相振动模态的频率，所述光声腔的谐振频率为光声腔内声波驻波的基频。
4.根据权利要求3所述的一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述传声部包括两根连接梁和两根音叉臂，两根连接梁和两根音叉臂分别平行组成中空的矩形，传声部与盖板平行且保持一定的距离。
5.根据权利要求4所述的一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述固定电极为矩形，位于音叉臂外侧且平行于音叉臂，固定电极通过电极锚点与盖板固定连接，所述音叉臂与固定电极之间形成可变电容。
6.根据权利要求5所述的一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述音叉锚点设有音叉引线，所述电极锚点设有电极引线。
7.根据权利要求6所述的一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述气体检测模块的整体结构通过MEMS工艺加工。
8.根据权利要求3所述的一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述光路调整模块采用一系列透镜组合，对激光进行准直，并将激光聚焦在光声腔的几何中心。
9.根据权利要求1所述的一种硅音叉增强型光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述电容检测模块用于检测音叉引线和电极引线的电容强度，并转化成电信号输出给锁相放大器。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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