CN114720379A - 一种基于光路优化的光声气体检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光路优化的光声气体检测系统，包括光声气体探头和与光声气体探头通过透镜光纤连接的辐射源，光声气体探头包括基板和与基板形成密封气室的壳体；气室内远离透光孔的壳体内侧壁上设置吸光结构，壳体内侧壁上设有数个弧面反射结构，弧面反射结构分布于气室的壳体内侧壁的上下各个位置，辐射源发出的光经过透镜光纤进入气室内，经数个弧面反射结构反射后到达吸光结构；气室的壳体侧面开设气孔，气孔上覆盖防水透气膜；气室内位于基板上设置有传声器。本发明所公开的检测系统可以利用准直性好、光功率高的激光，并且能够减小光声气体探头体积，同时，对气室内进行光路优化，可以进一步提升检测系统的精度、灵敏度与检测极限。
Description
技术领域
本发明涉及光声测量领域，特别涉及一种基于光路优化的光声气体检测系统。
背景技术
随着社会的不断发展，人们在生产生活中接触到的气体种类愈发繁杂，气体浓度检测对生产生活有着日益重要的影响。传统气体检测方法包括电化学法、电气法、光学法等。其中基于光学法的气体传感器具有灵敏度高、选择性好等众多优点。
光声效应指的是气体吸收调制光后产生声压的现象，其基本理论为由光到热再到声，产生光声信号的过程。一种气体会对某一特定波长的光具有很强的吸收峰，不同种类气体会对不同波长的光具有强吸收峰。气体吸收调制光后发生跃迁，跃迁到激发态的分子以某些形式将这部分能量释放，释放的能量转化为热能。基于光声效应的气体浓度传感器常包括辐射源、气室、密闭光声池、传声器四个结构。在密闭的光声池内，气体吸收调制光源所产生的光信号会产生相同频率的热信号，根据理想气体状态方程，相应会产生相同频率的压力信号，即光声信号。光声信号会随气体浓度增加而增加，因而可根据光声信号的大小检测气体的浓度。
传统光声气体传感器尺寸往往较大，以使光具有足够长的光程被气体分子吸收，以保证其检测精度、灵敏度、检测极限等指标。同时，密闭光声池体积往往较大且封装要求较高，使得光声传感器难以微型化。
在现有的微型集成化光声气体传感器中，其常使用辐射源为MEMS光源，其利于集成，但与大型的固体激光器、半导体激光器等相比，MEMS光源出射光线准直性较差且光功率较低。这对检测精度、检测极限、检测灵敏度等检测指标的进一步提升带来了困难。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光路优化的光声气体检测系统，以达到可以利用准直性好、光功率高的激光，并且能够减小光声气体探头体积，同时，对气室内进行光路优化，可以进一步提升检测系统的精度、灵敏度与检测极限等指标。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于光路优化的光声气体检测系统，包括光声气体探头和与光声气体探头通过透镜光纤连接的辐射源，所述光声气体探头包括基板和与基板形成密封气室的壳体，所述气室的壳体一侧壁上开设透光孔，所述透镜光纤具有透镜的一端安装于透光孔内，另一端连接辐射源；所述气室内远离透光孔的壳体内侧壁上设置吸光结构，所述气室的壳体内侧壁上设有数个弧面反射结构，所述弧面反射结构分布于气室的壳体内侧壁的上下各个位置，所述辐射源发出的光经过透镜光纤进入气室内，经数个弧面反射结构反射后到达吸光结构；所述气室的壳体侧面开设气孔，所述气孔上覆盖防水透气膜；所述气室内位于基板上设置有传声器。
上述方案中，所述辐射源为固体激光器或半导体激光器。
优选的技术方案中，所述传声器为MEMS麦克风，采用裸芯片形式封装，且所述气室内的基板上还设置有对传声器信号进行控制和前置放大的ASIC芯片，以及用于控制传声器的控制元件。
进一步的技术方案中，所述传声器外侧安装有遮光外壳。
另一优选的技术方案中，所述传声器为光纤麦克风，所述光纤麦克风通过输入光纤连接所述辐射源，所述光纤麦克风通过输出光纤连接气室外部的光接收器。
上述方案中，所述基板为PCB板。
上述方案中，所述气室的壳体为金属材质或塑料材质且内壁镀膜。
上述方案中，所述防水透气膜为具有筛选分子功能的分子筛膜。
上述方案中，所述气孔和吸光结构位于气室的同一壳体内侧壁上。
进一步的技术方案中，所述辐射源通过光分路器连接多条光纤，每条光纤连接一个光声气体探头，形成分布式光声气体检测系统。
通过上述技术方案，本发明提供的一种基于光路优化的光声气体检测系统具有如下有益效果：
1、本发明气室的壳体内侧壁上设有数个弧面反射结构，弧面反射结构分布于气室的壳体内侧壁的上下各个位置，设置于气室外部的辐射源发出的光经过数个弧面反射结构的反射，可以使得光具有足够长的光程被气体分子吸收，有利于检测到浓度很低的待测气体，在实现微型化、集成化的同时，保证其具有极高的检测极限与灵敏度；同时在相同检测指标要求下，气室的体积可以做到更小，利于微型化。
2、本发明省略了传统的密闭光声池，将气室与密闭光声池合并，大大降低了尺寸，避免了密闭光声池的复杂封装。
3、本发明采用固体激光器或半导体激光器作为外部辐射源，并且将光线通过透镜光纤传输到气室内，可以得到准直性好、光功率高的光线，有利于提升检测精度、检测极限和检测灵敏度。
4、本发明将辐射源设置于气室外部，相比于将辐射源制作于气室内部的情况，本发明可以得到体积更小的光声气体探头，同时，将辐射源设置于气室外部可以屏蔽内部辐射源发热带来的影响，降低检测系统中的噪声，而且外部辐射源可以重复利用也节省了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所1公开的一种基于光路优化的光声气体检测系统侧视图；
图2为本发明实施例所1公开的光声气体探头俯视图；
图3为本发明实施例所2公开的一种基于光路优化的光声气体检测系统侧视图；
图4为本发明实施例所3公开的一种基于光路优化的光声气体分布式检测系统侧视图。
图中，1、光声气体探头；2、透镜光纤；3、辐射源；4、基板；5、气室；6、壳体；7、吸光结构；8、弧面反射结构；9、气孔；10、防水透气膜；11、MEMS麦克风；12、ASIC芯片；13、控制元件；14、光分路器；15、光纤麦克风；16、输入光纤；17、输出光纤；18、光接收器；19、透光孔；20、遮光外壳；21、准直光。
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。
实施例1
本发明提供了一种基于光路优化的光声气体检测系统，如图1所示，包括光声气体探头1和与光声气体探头1通过透镜光纤2连接的辐射源3，本实施例中，辐射源3为固体激光器或半导体激光器，可发射准直光21，光功率高，有利于获得极致的检测指标。
光声气体探头1包括基板4和与基板4形成密封气室5的壳体6，基板4起到承载内部元器件及提供内部元器件间电路连接的作用，材质可以为PCB板，如FR4、有机聚合物、铝基板4等。壳体6为长方体结构，也可以为正方体、半球体等结构。
如图2所示，气室5的壳体6一侧壁上开设透光孔19，透镜光纤2具有透镜的一端安装于透光孔19内，另一端连接辐射源3，辐射源3发出的准直光21经透镜光纤2后进入气室5，可以得到准直性很好的光线。气室5内远离透光孔19的壳体6内侧壁上设置吸光结构7，吸光结构7可以为吸光涂层，如黑胶等具有黑色、表面粗糙特性的物质。气室5的壳体6内侧壁上设有数个弧面反射结构8，弧面反射结构8分布于气室5的壳体6内侧壁的上下各个位置，辐射源3发出的光经过透镜光纤2进入气室5内，按照设计的光路经数个弧面反射结构8反射后到达吸光结构7，并最终被吸光结构7所吸收，设计吸光结构7的目的则是在于防止光在气室5内多次反射不能及时被吸收，影响下一次出光后的检测。由于弧面反射结构8分布于气室5的壳体6内侧壁的上下各个位置，可以使得光具有足够长的光程被气体分子吸收，有利于检测到浓度很低的待测气体。
气室5的壳体6侧面开设气孔9，气孔9上覆盖防水透气膜10，且气室5的壳体6与基板4采用如粘接等气密方式连接，因此在气室5内形成了声密闭结构。防水透气膜10可以选用如聚合物等材料，其特点在于，允许气室5内气体与外界进行交换的同时，还能提供声学的密闭，保留压力的变化。
特别的，防水透气膜10可以使用具有筛选分子功能的分子筛膜，如沸石等制成的分子筛膜，其特点是分子孔径大于膜物质孔径的气体不能通过分子筛膜，可以起到隔绝水汽等干扰气体的作用，并可以与外界气体环境联通，使得待检测气体可以进入。另外，通过分子筛孔径的控制，还可以实现不同种类气体的选择进入。
气室5内位于基板4上设置有传声器，在本发明的实施例1中，传声器为MEMS麦克风11，如硅基电容式麦克风，采用裸芯片形式封装，且气室5内的基板4上还设置有对MEMS麦克风11信号进行控制和前置放大的ASIC芯片12，以及用于控制MEMS麦克风11的控制元件13。MEMS麦克风11外侧安装有影响耦合声音的遮光外壳20，可以屏蔽光对MEMS麦克风11产生的干扰。
壳体6可以为金属材质，机加工可得到内侧壁上带弧面反射结构8的气室5，然后再进行抛光处理可获得光滑的反射面，对于反射率不太高的金属材质，可以在其表面镀膜(金、铜、铝等)进一步增加反射率；或者壳体6也可以为塑料材质，采用注塑工艺一体形成内侧壁具有弧面反射结构8的气室5，成型后的内侧壁也可得到光滑的反射面，此时需要在内壁进行镀膜(金、铜、铝等)，以提高反射率。
本实施例中，气孔9和吸光结构7位于气室5的同一壳体6内侧壁上，可以减小对光反射的影响。
实施例2
如图3所示，本实施例中，传声器为光纤麦克风15，光纤麦克风15通过输入光纤16和光分路器14连接辐射源3，光纤麦克风15通过输出光纤17连接气室5外部的光接收器18。此时，气室5内不需设置ASIC芯片12和控制元件13。与常用的MEMS麦克风11相比，光纤麦克风15输出光信号以表示声音信号。外部辐射源3发出的光在经过光路优化的气室5内产生声信号，声信号被光纤麦克风15接收，这使得输入光纤麦克风15的光被声信号调制后再反射出去，并被光接收器18所接收并解调，反映出声压信号。与实施例1相比，实施例中探头部分只有光信号而没有电信号，系统本安特性好，使用更为安全。
实施例3
如图4所示，辐射源3通过光分路器14连接多条透镜光纤2，每条透镜光纤2连接一个光声气体探头1，形成分布式光声气体检测系统。在智慧城市建设等多种场景下，分布式检测系统均可发挥其优势。同时，由于激光器可以进行扫频，多个光声气体探头1可以用于多种气体的检测。由于激光器所发出的激光具有高功率特性，即使分为多路仍不影响其每一路的检测指标。
本发明的光声气体检测系统的检测原理如下：
当气室5内没有检测气体时，准直光21所产生光信号在气室5内不会被吸收，因此就不会产生相应的热信号，无声压信号产生。当气室5中存在检测气体时，检测气体会吸收部分光线，因此气室5内会产生对应地声压信号，被传声器检测并输出。显然，根据光声理论，在本实施例中，随着外部环境中检测气体浓度增加，光声信号增加；根据输出光声信号的大小便可反推检测气体浓度。光路优化设计多次反射的有益效果是，使得检测气体与光因光的多次反射得以充分接触吸收，因而最终产生的声信号将较为明显。同时，由于本发明所设计的光声气体探头1可以使用准直性好、光功率高的外部辐射源3发出的激光，结合光路优化，更有利于将检测极限、检测精度、灵敏度等指标做到极致。
显见，未经光路优化设计的光声气体探头1，受到检测精度、极限与灵敏度的限制导致其难以做到微型化、集成化；反之小尺寸的光声气体探头1其检测精度、灵敏度、极限等指标并不理想。本发明中光在气室5侧壁间多次反射起到了光路优化的效果，在小的尺寸内，其平均光程却不输于大尺寸的传统光声传感器。在实现微型化、集成化的同时，兼顾到检测极限、检测灵敏度、检测精度等指标。同时，相比于将辐射源3放置于基板4上，通过在基板4上进行电镀等形式获得基板4、气室5间的反射结构，本发明省去了基板4处理工序，大量的节省了成本及加工复杂度。同时气室5采用如注塑工艺制造，也可以降低成本。
现有使用MEMS光源的微型光声传感器在相同结构设计下，其性能指标并不如采用激光器的光声传感器理想。本发明在光声气体探头1中采用外部辐射源3所发射的准直性好、光功率高的激光，更进一步利于将检测精度、灵敏度等指标做到极致。相比于常见微型光声传感器，本发明的光声气体探头1由于内部没有辐射源3，其体积更小。同时，将辐射源3制作于传感器的外部可以屏蔽制作于内部发热带来的影响，降低检测系统中的噪声。外部辐射源3可以重复利用也节省了成本。
在相同检测指标下，本发明光声气体探头1尺寸是以往传统光声传感器的10％～20％左右；在相同尺寸下，其检测指标可达传统微型光声传感器的数倍乃至数十倍。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于光路优化的光声气体检测系统，其特征在于，包括光声气体探头和与光声气体探头通过透镜光纤连接的辐射源，所述光声气体探头包括基板和与基板形成密封气室的壳体，所述气室的壳体一侧壁上开设透光孔，所述透镜光纤具有透镜的一端安装于透光孔内，另一端连接辐射源；所述气室内远离透光孔的壳体内侧壁上设置吸光结构，所述气室的壳体内侧壁上设有数个弧面反射结构，所述弧面反射结构分布于气室的壳体内侧壁的上下各个位置，所述辐射源发出的光经过透镜光纤进入气室内，经数个弧面反射结构反射后到达吸光结构；所述气室的壳体侧面开设气孔，所述气孔上覆盖防水透气膜；所述气室内位于基板上设置有传声器。
2.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统，其特征在于，所述辐射源为固体激光器或半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统，其特征在于，所述传声器为MEMS麦克风，采用裸芯片形式封装，且所述气室内的基板上还设置有对传声器信号进行控制和前置放大的ASIC芯片，以及用于控制传声器的控制元件。
4.根据权利要求3所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统，其特征在于，所述传声器外侧安装有遮光外壳。
5.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统，其特征在于，所述传声器为光纤麦克风，所述光纤麦克风通过输入光纤连接所述辐射源，所述光纤麦克风通过输出光纤连接气室外部的光接收器。
6.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统，其特征在于，所述基板为PCB板。
7.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统，其特征在于，所述气室的壳体为金属材质或塑料材质且内壁镀膜。
8.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统，其特征在于，所述防水透气膜为具有筛选分子功能的分子筛膜。
9.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统，其特征在于，所述气孔和吸光结构位于气室的同一壳体内侧壁上。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统，其特征在于，所述辐射源通过光分路器连接多条透镜光纤，每条透镜光纤连接一个光声气体探头，形成分布式光声气体检测系统。
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