一种扩散式光声微腔气体传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种扩散式光声微腔气体传感器。该传感器包括光源、光声微腔、小孔、麦克风、电路板和显示屏。气体经小孔扩散到光声微腔中，气孔的对光声响应的影响相当于一个“高通滤波器”，气孔越大，“高通滤波器”的截止频率越高，在保证气孔不降低光声响应的前提下尽量增加气孔大小提高传感器的响应速度。光声信号的幅度与气体浓度成正比，采用麦克风测量光声信号的大小后可反演出待测气体的浓度。本发明专利技术的气体传感器具有结构简单、灵敏度高、体积小、成本低、响应速度快和功耗低等诸多优点，为高灵敏度气体泄漏监测提供了一种极具竞争力的技术方案。

A diffused photoacoustic microcavity gas sensor

【技术实现步骤摘要】
一种扩散式光声微腔气体传感器
本专利技术属于气体检测和光声光谱
，涉及一种扩散式光声微腔气体传感器。
技术介绍
气体泄漏监测对于保障天然气站、输气管道和化工厂的安全可靠运行发挥了重要作用，也有助于居民对天然气的安全使用，这是由于易燃易爆或有毒气体的泄漏可能导致重大安全事故，而对微量泄漏气体的实时监测可以提供事故的早期预警。传统的扩散式气体检测方法主要包括电化学传感法、半导体传感法和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)法。近年来，电化学气体传感器和半导体气体传感器以其低成本和小尺寸优势得到了广泛应用。然而，电化学传感器具有短的工作寿命，并且它们都具有气体选择性差的缺点。另外，如果半导体传感器长时间不接触探测气体，则会因气敏材料氧化而进入睡眠状态。基于TDLAS的光学测量方法具有使用寿命长和选择性好的优点。然而，对于TDLAS系统，增加气体检测灵敏度和减少气室体积通常是难以兼顾的，这是因为气体检测的灵敏度通常与吸收路径的长度成比例。因此，需要大的气体吸收池或复杂的多程吸收池以提高检测灵敏度。由于具有无背景吸收的特性，光声光谱法是最灵敏的痕量气体检测方法之一。一个特别的优点是气体检测灵敏度通常与光声池的体积成反比，因此可以有效地减小吸收池的体积。文献PeltolaJ,VainioM,HietaT,etal.Highsensitivitytracegasdetectionbycantilever-enhancedphotoacousticspectroscopyusingamid-infraredcontinuous-waveopticalparametricoscillator.Opticsexpress,2013,21(8):10240-10250通过使用中红外连续波频率可调光学参量振荡器展示了一种基于悬臂增强型光声光谱的甲烷检测系统，最小检测极限达到65ppt，然而在这种非共振光声光谱系统中需要打开气阀和气泵对气体进行采样，在测量过程中则必须关闭气阀和气泵。因此，传统的非共振光声光谱系统无法对扩散的泄漏气体进行实时监测。为了实现流动测量，文献WangJ,WangH,LiuX.AportablelaserphotoacousticmethanesensorbasedonFPGA.Sensors,2016,16(9):1551和MaoX,ZhengP,WangX,etal.Breathmethanedetectionbasedonall-opticalphotoacousticspectrometer.SensorsandActuatorsB:Chemical,2017,239:1257-1260先后采用具有缓冲室的共振式光声池，结合近红外激光设计了微量甲烷气体检测系统，最小检测极限分别达到10ppm和64ppb。然而，传统的共振式光声池的体积通常大于200mL，且系统中仍然需要气泵对气体进行采样。因此现有的光声光谱技术难以在现场对微量扩散气体检测开展应用。因而，设计一种用于泄漏气体监测的高灵敏度微型光声气体传感器具有重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种扩散式光声微腔气体传感器，旨在解决目前光声光谱气体检测系统体积较大且需要使用气阀和气泵的问题，为光声光谱技术在微量气体检测领域中的应用拓展更大的空间。本专利技术的技术方案：一种扩散式光声微腔气体传感器，包括光源1、光声微腔2、小孔3、麦克风4、电路板5和显示屏6；在光声微腔2侧壁上开有小孔3，待测气体经过小孔3扩散进入到光声微腔2中；电路板5驱动光源1，发射的光声激励光入射到光声微腔2中；麦克风4探测光声微腔2中产生的光声压力波，电路板5测量光声信号的幅度后计算出待测气体的浓度；显示屏6与电路板5相连，用于显示气体浓度值。所述的光源1是LED或波长可调谐窄线宽激光光源。所述的小孔3的数量大于等于1。所述的麦克风4是驻极体麦克风或MEMS麦克风。所述的电路板5主要具有光源驱动和信号采集与处理的功能。本专利技术的原理如下：气体经小孔扩散到光声微腔中，待测气体吸收调制光源发射的光能后经无辐射跃迁产生热能使光声微腔内气体发生周期性地热胀冷缩，产生的光声压力波表示为：其中，ω是调制角频率，ωj是第j阶共振角频率，Qj是光声腔在ωj下的品质因数，α是待测气体的吸收系数，C是待测气体的浓度，γ是气体的热容比，P0是光源的功率，l是光声腔的长度，V是光声腔的体积，τ1是热阻尼时间，τ2是经小孔的气流和热流引起的阻尼效应的时间常数。τ1和τ2可表示为：其中，r是圆柱形光声腔的半径，DT是气体热扩散率，Ag是小孔的面积，υ是光声腔内的声速。根据式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)，光声信号的幅度与气体浓度成正比，因此，采用麦克风测量光声信号的大小后可反演出待测气体的浓度。根据式(1)、(2)和(4)，可通过优化光声腔的半径，提高光声信号的幅度。此外，根据式(3)和(5)，小孔对光声响应的影响相当于一个“高通滤波器”，小孔越大，“高通滤波器”的截止频率越高。根据式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)，当光声微腔的内直径和长度分别为1mm和5mm时，计算的无小孔和有不同半径小孔情况下传感器的光声频率响应，如图2所示。在光声微腔上开小孔后，当频率低于400Hz时，光声响应有明显的衰减。此外，小孔半径越大，对传感器的低频光声响应的影响越明显。根据图2，当工作频率选择在600Hz附近时，半径小于或者等于0.1mm的小孔对于光声响应的影响较小。在保证小孔不降低光声响应的前提下应尽量增大小孔半径以提高光声微腔气体传感器的响应速度。图3是采用流体力学软件模拟的不同小孔半径的传感器的时间响应，当小孔半径大于0.1mm时，响应时间小于10s，可满足大部分气体泄漏现场的要求。因此，对于内直径和长度分别为1mm和5mm的光声微腔，小孔直径选择为0.1mm是较优的选择。本专利技术的有益效果：通过在光声微腔上增加优化设计的小孔，使待测气体扩散进入容积仅为微升量级的光声微腔中，解决了传统光声光谱气体检测系统体积较大且需要使用气阀和气泵的问题。此外，通过优化光声微腔的半径，可实现对待测气体的高灵敏度探测。这种结构简单的传感器具有灵敏度高、体积小、成本低、响应速度快和功耗低等诸多优点。本专利技术为高灵敏度气体泄漏监测提供了一种极具竞争力的技术方案。附图说明图1是本专利技术传感器的结构示意图。图2是计算的无小孔和有不同半径小孔情况下传感器的光声频率响应。图3是模拟的不同小孔半径的传感器的时间响应。图4测量的光声微腔气体传感器的频率响应。图5是测量的泄漏甲烷气体的二次谐波光声信号。图6是测量的二次谐波光声信号峰值与甲烷气体浓度的关系。图7是连续测量的模拟泄漏甲烷气体的光声信号幅度。图8是本专利技术传感器在空气中测量的背景噪声。图中：1光源；2光声微腔；3小孔；4麦克风；5电路板；6显示屏；7计算的无小孔时的光声频率响应；8计算的小孔半径为0.05mm时的光声频率响应；9计算的小孔半径为0.1mm时的光声频率响应；10计算的小孔半径为0.2mm时的光声频率响应；11模拟的小孔半径为0.02mm时的时间响应；12模拟的小孔半径为0.05mm的时间响应；13模拟的小孔半径为0.1mm的时间响应；14模拟的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扩散式光声微腔气体传感器，其特征在于，所述的扩散式光声微腔气体传感器包括光源(1)、光声微腔(2)、小孔(3)、麦克风(4)、电路板(6)和显示屏(6)；在光声微腔(2)侧壁上开有小孔(3)，待测气体经过小孔(3)扩散进入到光声微腔(2)中；电路板(6)驱动光源(1)，发射的光声激励光入射到光声微腔(2)中；麦克风(4)探测光声微腔(2)中产生的光声压力波，电路板(6)测量光声信号的幅度后计算出待测气体的浓度；显示屏(6)与电路板(6)相连，用于显示气体浓度值。

【技术特征摘要】
1.一种扩散式光声微腔气体传感器，其特征在于，所述的扩散式光声微腔气体传感器包括光源(1)、光声微腔(2)、小孔(3)、麦克风(4)、电路板(6)和显示屏(6)；在光声微腔(2)侧壁上开有小孔(3)，待测气体经过小孔(3)扩散进入到光声微腔(2)中；电路板(6)驱动光源(1)，发射的光声激励光入射到光声微腔(2)中；麦克风(4)探测光声微腔(2)中产生的光声压力波，电路板(6)测量光声信号的幅度后计算出待测气体的浓度；显示屏(6)与电路板(6)相连，用于显示气体浓度值。2.根据权利要求1所述的扩散式光声微腔气体传感器，其特征在于，所述的光源(1)是LED或波长可调谐窄线宽激光光源。3.根据权利要求1或2所述的扩散式光声微腔气体传感器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈珂，陈烨伟，刘帅，邓红，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21