CN113218873A - 一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置 - Google Patents

一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，所述装置包括：黑体辐射器发出的激光光束经过斩波器调制后分为两束，分别通过位于第一光声池端部和第二光声池端部的透光玻璃射入第一光声池和第二光声池内；硅微悬臂梁设置于第一光声池和第二光声池的连通处；第一光声池分为第一样品腔室和第一检测腔室，且第一样品腔室和第一检测腔室相互隔离，第一检测腔室上安装有激光干涉仪，激光干涉仪与差分信号处理模块的输入端相连接，差分信号处理模块的输出端与上位机相连接；第二光声池分为第二样品腔室和第二检测腔室，且第二样品腔室和第二检测腔室相互隔离。本发明通过单悬臂梁的设计和差分处理有效减少了系统误差，提高了检测灵敏度。

Description

一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置
技术领域
本发明涉及微量气体检测技术领域，尤其涉及一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置。
背景技术
光声光谱技术(PAS)是基于光声(PA)效应的一种光谱技术。气体分子吸收特定波长的光后，被激发至高能态，高能态气体分子通过无辐射跃迁至低能态释放能量，经过调制的光照射后的气体，释放的热量也是周期性的，从而引起气体周期性的膨胀，产生声波。将光声光谱技术应用于气体检测领域，具有长期稳定性好、检测灵敏度高、不消耗气样，如载气、标气、检测时间短、便于现场检测以及适于多种气体成分的检测等优点。传统的光声光谱检测中，气体分子吸收光能发生无辐射跃迁产生的声波，通常被一个驻极体传声器转换为电信号。根据光声光谱学的原理，光声测量的灵敏度正比于声波探测器的灵敏度。相比于电容式传声器和膜片式光纤传声器，硅微悬臂梁传声器具有低频响应好、灵敏度高和动态响应范围大等优点。
已公开的中国专利申请CN112161932A所提供的一种基于双悬臂梁增强型光声光谱的气体分解组分检测装置，采用两个硅微悬臂梁对同一个光声池中的待测气体进行检测，这样会造成两个悬臂梁都会受到待测气体流动产生的压强的影响，从而导致产生较高的系统误差，检测灵敏度较低。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，通过单悬臂梁的设计和差分处理有效减少了系统误差，提高了检测灵敏度。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，包括黑体辐射器、斩波器、透光玻璃、第一光声池、第二光声池、硅微悬臂梁、激光干涉仪、差分信号处理模块和上位机；
所述黑体辐射器发出的激光光束经过所述斩波器调制后分为两束，分别通过位于所述第一光声池端部和所述第二光声池端部的透光玻璃射入第一光声池和第二光声池内；
所述硅微悬臂梁设置于所述第一光声池和所述第二光声池的连通处；
所述第一光声池分为第一样品腔室和第一检测腔室，且所述第一样品腔室和所述第一检测腔室相互隔离，所述第一检测腔室上安装有激光干涉仪，所述激光干涉仪与所述差分信号处理模块的输入端相连接，所述差分信号处理模块的输出端与所述上位机相连接；
所述第二光声池分为第二样品腔室和第二检测腔室，且所述第二样品腔室和所述第二检测腔室相互隔离，第二光声池上设有进气口和出气口。
作为上述方案的改进，所述第一样品腔室和所述第一检测腔室通过透光玻璃进行隔离；所述第二样品腔室和所述第二检测腔室通过透光玻璃进行隔离。
作为上述方案的改进，所述激光干涉仪包括激光光源、分束器、第一探测器和第二探测器；
所述激光光源发出的激光经过所述分束器转向后，透过位于所述第一检测腔室的透光玻璃，并经所述硅微悬臂梁反射后，照射在所述第一探测器和所述第二探测器上。
作为上述方案的改进，所述差分信号处理模块包括第一差分信号处理模块和第二差分信号处理模块；所述第一差分信号处理模块的输入端与所述第一探测器相连接，所述第一差分信号处理模块的输出端与所述上位机相连接；所述第二差分信号处理模块的输入端与所述第二探测器相连接，所述第二差分信号处理模块的输出端与所述上位机相连接。
作为上述方案的改进，所述硅微悬臂梁采用精密加工在绝缘衬底晶片硅上且双面蚀刻而成。
作为上述方案的改进，所述硅微悬臂梁的灵敏度与所述硅微悬臂梁的弹簧常数呈负相关，所述硅微悬臂梁的弹簧常数越小，所述硅微悬臂梁的灵敏度越高；所述硅微悬臂梁的弹簧常数通过公式
Figure BDA0003014109220000031
计算得到，
其中，Ey为悬臂梁材料的杨氏模量，ω为悬臂梁自由端绕度，t为悬臂梁材料的厚度，l为悬臂梁材料的长度。
作为上述方案的改进，所述第一光声池和所述第二光声池均为非谐振式光声池。
相对于现有技术，本发明实施例提供的一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置的有益效果在于：通过所述黑体辐射器发出的激光光束经过所述斩波器调制后分为两束，分别通过位于所述第一光声池端部和所述第二光声池端部的透光玻璃射入第一光声池和第二光声池内；所述硅微悬臂梁设置于所述第一光声池和所述第二光声池的连通处；所述第一光声池分为第一样品腔室和第一检测腔室，且所述第一样品腔室和所述第一检测腔室相互隔离，所述第一检测腔室上安装有激光干涉仪，所述激光干涉仪与所述差分信号处理模块的输入端相连接，所述差分信号处理模块的输出端与所述上位机相连接；所述第二光声池分为第二样品腔室和第二检测腔室，且所述第二样品腔室和所述第二检测腔室相互隔离，第二光声池上设有进气口和出气口。本发明实施例通过单悬臂梁的设计和差分处理有效减少了系统误差，提高了检测灵敏度。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置的一个优选实施例的结构示意图；
图2是本发明提供的一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置中硅微悬臂梁的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明提供的一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置的一个优选实施例的结构示意图。所述基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，包括黑体辐射器1、斩波器2、透光玻璃3、第一光声池4、第二光声池5、硅微悬臂梁6、激光干涉仪7、差分信号处理模块8和上位机9；
所述黑体辐射器1发出的激光光束经过所述斩波器2调制后分为两束，分别通过位于所述第一光声池4端部和所述第二光声池5端部的透光玻璃3射入第一光声池4和第二光声池5内；
所述硅微悬臂梁6设置于所述第一光声池4和所述第二光声池5的连通处；
所述第一光声池4分为第一样品腔室41和第一检测腔室42，且所述第一样品腔室41和所述第一检测腔室42相互隔离，所述第一检测腔室42上安装有激光干涉仪7，所述激光干涉仪7与所述差分信号处理模块8的输入端相连接，所述差分信号处理模块8的输出端与所述上位机9相连接；
所述第二光声池5分为第二样品腔室51和第二检测腔室52，且所述第二样品腔室51和所述第二检测腔室52相互隔离，第二光声池5上设有进气口10和出气口11。
具体的，本发明实施例提供的一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，包括黑体辐射器、斩波器、透光玻璃、第一光声池、第二光声池、硅微悬臂梁、激光干涉仪、差分信号处理模块和上位机；所述黑体辐射器发出的激光光束经过所述斩波器调制后分为两束，分别通过位于所述第一光声池端部和所述第二光声池端部的透光玻璃射入第一光声池和第二光声池内；所述硅微悬臂梁设置于所述第一光声池和所述第二光声池的连通处，当第一检测腔室和第二检测腔室中的待测气体分别与第一样品腔室中的氮气和第二样品腔室中的少量待测气体由于周期性红外光相互作用产生光声效应，引起硅微悬臂梁的振动；所述第一光声池分为第一样品腔室和第一检测腔室，且所述第一样品腔室和所述第一检测腔室相互隔离，所述第一检测腔室上安装有激光干涉仪，所述激光干涉仪与所述差分信号处理模块的输入端相连接，所述差分信号处理模块的输出端与所述上位机相连接；所述第二光声池分为第二样品腔室和第二检测腔室，且所述第二样品腔室和所述第二检测腔室相互隔离，第二光声池上设有进气口和出气口。
需要说明的是，黑体辐射器相比传统的激光光源，具有光信号强大、转化效率高、波长范围更广，气体吸收光强度更大、可测量的气体种类更多等优势。因此，本发明实施例采用黑体辐射器作为光源，相比于现有技术中的的光源选择，波长范围更广，气体吸收光强度更大，可测量的气体种类更多。本实施例中的激光干涉仪通常采用微型迈克尔逊激光干涉仪，用于测量悬臂梁运动的电信号。本实施例中的透光玻璃起到透光和密封的作用，具有良好的透光性和密封性，能够避免样品腔室中的气体进入检测腔室，影响悬臂梁的运动。
在另一个优选实施例中，所述第一样品腔室41和所述第一检测腔室42通过透光玻璃3进行隔离；所述第二样品腔室51和所述第二检测腔室52通过透光玻璃3进行隔离。
具体的，本发明实施例采用两个光声池，并且通过透光玻璃将每个光声池分为对称的两部分，即样品腔室和检测腔室，且样品腔室和检测腔室之间完全气密隔离，避免样品腔室中的气体进入检测腔室，影响悬臂梁的运动。
在又一个优选实施例中，所述激光干涉仪7包括激光光源71、分束器72、第一探测器73和第二探测器74；
所述激光光源71发出的激光经过所述分束器72转向后，透过位于所述第一检测腔室42的透光玻璃3，并经所述硅微悬臂梁6反射后，照射在所述第一探测器73和所述第二探测器74上。
具体的，激光光源发出的激光经过分束器转向后，透过位于第一检测腔室的透光玻璃，然后经硅微悬臂梁反射后，照射在第一探测器和第二探测器上。差分信号处理模块对微型迈克尔逊激光干涉仪中第一探测器和第二探测器测得的电压数据进行处理，得到与悬臂梁自由末端位移成比例的电压信号，并将之转换为数字信号输出至上位机中进行处理。其中，分束器能实现光波信号更好的处理与接收。
在又一个优选实施例中，所述差分信号处理模块8包括第一差分信号处理模块81和第二差分信号处理模块82；所述第一差分信号处理模块81的输入端与所述第一探测器73相连接，所述第一差分信号处理模块71的输出端与所述上位机9相连接；所述第二差分信号处理模块82的输入端与所述第二探测器74相连接，所述第二差分信号处理模块82的输出端与所述上位机9相连接。
具体的，第一差分信号处理模块接收激光干涉仪中第一探测器测得的电压数据并进行处理，第二差分信号处理模块接收激光干涉仪中第二探测器测得的电压数据并进行处理，得到与悬臂梁自由末端位移成比例的电压信号，并将之转换为数字信号输出至上位机。
作为优选方案，所述硅微悬臂梁6采用精密加工在绝缘衬底晶片硅上且双面蚀刻而成。
需要说明的是，当周围气压变化时，悬臂梁会发生非伸缩性弯曲，因此，相比于具有弹性的膜片式电容传声器，硅微悬臂梁传声器对气压的变化更为敏感。
作为优选方案，所述硅微悬臂梁6的灵敏度与所述硅微悬臂梁的弹簧常数呈负相关，所述硅微悬臂梁的弹簧常数越小，所述硅微悬臂梁的灵敏度越高；所述硅微悬臂梁的弹簧常数通过公式
Figure BDA0003014109220000071
计算得到，
其中，Ey为悬臂梁材料的杨氏模量，ω为悬臂梁自由端绕度，t为悬臂梁材料的厚度，l为悬臂梁材料的长度。
具体的，请参阅图2，图2是本发明提供的一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置中硅微悬臂梁的结构示意图。悬臂梁的弹簧常数能够表征悬臂相应的灵敏度，悬臂梁的弹簧常数越小，则悬臂梁的灵敏度越高。悬臂梁的弹簧常数通过公式
Figure BDA0003014109220000072
计算得到，
其中，Ey为悬臂梁材料的杨氏模量，ω为悬臂梁自由端绕度，t为悬臂梁材料的厚度，l为悬臂梁材料的长度。
悬臂梁的弹簧常数与悬臂梁的长厚比有关，悬臂梁的长厚比越大，则悬臂梁的弹簧常数越小，悬臂梁的灵敏度越高。本实施例中悬臂梁材料的厚度t优选为5μm，悬臂梁材料的长度l优选为4mm。
需要说明的是，悬臂梁的选取需要根据实验装置的实际情况(如固定悬臂梁的角度，悬臂梁固定装置处的空间大小)来定，本发明实施例提供了一种灵敏度较优的悬臂梁结构，具有较高的长厚比，因此具有更小的弹簧常数k，能够使得悬臂梁响应更加灵敏。
作为优选方案，所述第一光声池4和所述第二光声池5均为非谐振式光声池。
本发明实施例提供的一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置在使用时，第一检测腔室与硅微悬臂梁的转镜两端分别相通，光声池内相互气密。打开进气口，第一样品腔室通入氮气，第二样品腔室通入少量的待测气体，第一检测腔室和第二检测腔室均通入高溶度的待测气体。黑体辐射器发出辐射，经其带有的光学斩波器调制成周期性红外光，关闭进气口。第一检测腔室和第二检测腔室中的待测气体分别与第一样品腔室中的氮气和第二样品腔室中的少量待测气体由于周期性红外光相互作用产生光声效应，引起硅微悬臂梁的振动。通过计算悬臂梁处所受到的压力差产生的振动位移，微型迈克尔逊干涉仪进行测量并交由差分信号处理模块进行差分信号预处理。微型迈克尔逊激光干涉仪中激光光源发出的激光，经分束器转向，透过透光玻璃，经硅微悬臂梁反射后，再透过透光玻璃，照射在探测器上。差分信号处理模块对微型迈克尔逊激光干涉仪中探测器测得的电压数据进行处理，得到与悬臂梁自由末端位移成比例的电压信号，并将之转换为数字信号输出至上位机。
本发明实施例提供了一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，通过所述黑体辐射器发出的激光光束经过所述斩波器调制后分为两束，分别通过位于所述第一光声池端部和所述第二光声池端部的透光玻璃射入第一光声池和第二光声池内；所述硅微悬臂梁设置于所述第一光声池和所述第二光声池的连通处；所述第一光声池分为第一样品腔室和第一检测腔室，且所述第一样品腔室和所述第一检测腔室相互隔离，所述第一检测腔室上安装有激光干涉仪，所述激光干涉仪与所述差分信号处理模块的输入端相连接，所述差分信号处理模块的输出端与所述上位机相连接；所述第二光声池分为第二样品腔室和第二检测腔室，且所述第二样品腔室和所述第二检测腔室相互隔离，第二光声池上设有进气口和出气口。本发明实施例通过单悬臂梁的设计和差分处理有效减少了系统误差，提高了检测灵敏度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，其特征在于，包括黑体辐射器、斩波器、透光玻璃、第一光声池、第二光声池、硅微悬臂梁、激光干涉仪、差分信号处理模块和上位机；
所述黑体辐射器发出的激光光束经过所述斩波器调制后分为两束，分别通过位于所述第一光声池端部和所述第二光声池端部的透光玻璃射入第一光声池和第二光声池内；
所述硅微悬臂梁设置于所述第一光声池和所述第二光声池的连通处；
所述第一光声池分为第一样品腔室和第一检测腔室，且所述第一样品腔室和所述第一检测腔室相互隔离，所述第一检测腔室上安装有激光干涉仪，所述激光干涉仪与所述差分信号处理模块的输入端相连接，所述差分信号处理模块的输出端与所述上位机相连接；
所述第二光声池分为第二样品腔室和第二检测腔室，且所述第二样品腔室和所述第二检测腔室相互隔离，第二光声池上设有进气口和出气口。
2.如权利要求1所述的基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述第一样品腔室和所述第一检测腔室通过透光玻璃进行隔离；所述第二样品腔室和所述第二检测腔室通过透光玻璃进行隔离。
3.如权利要求2所述的基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述激光干涉仪包括激光光源、分束器、第一探测器和第二探测器；
所述激光光源发出的激光经过所述分束器转向后，透过位于所述第一检测腔室的透光玻璃，并经所述硅微悬臂梁反射后，照射在所述第一探测器和所述第二探测器上。
4.如权利要求3所述的基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述差分信号处理模块包括第一差分信号处理模块和第二差分信号处理模块；所述第一差分信号处理模块的输入端与所述第一探测器相连接，所述第一差分信号处理模块的输出端与所述上位机相连接；所述第二差分信号处理模块的输入端与所述第二探测器相连接，所述第二差分信号处理模块的输出端与所述上位机相连接。
5.如权利要求4所述的基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述硅微悬臂梁采用精密加工在绝缘衬底晶片硅上且双面蚀刻而成。
6.如权利要求5所述的基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述硅微悬臂梁的灵敏度与所述硅微悬臂梁的弹簧常数呈负相关，所述硅微悬臂梁的弹簧常数越小，所述硅微悬臂梁的灵敏度越高；所述硅微悬臂梁的弹簧常数通过公式
Figure FDA0003014109210000021
计算得到，
其中，Ey为悬臂梁材料的杨氏模量，ω为悬臂梁自由端绕度，t为悬臂梁材料的厚度，l为悬臂梁材料的长度。
7.如权利要求1所述的基于单悬臂梁的差分式光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述第一光声池和所述第二光声池均为非谐振式光声池。
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