一种单光纤式双腔增强型光声气体传感器制造技术

本发明专利技术属于光声光谱和痕量气体检测技术领域，提供了一种单光纤式双腔增强型光声气体传感器，包括一根单模光纤、F

【技术实现步骤摘要】
一种单光纤式双腔增强型光声气体传感器


[0001]本专利技术属于光声光谱和痕量气体检测
，涉及一种单光纤式双腔增强型光声气体传感器。

技术介绍

[0002]微量气体检测在地下安全监测、环境空气监测、疾病预防研究等领域都有着重要应用。基于激光技术的光声光谱因其灵敏度高、体积小、气体选择性强、响应速度快等优点被广泛应用于痕量气体的测量。光声效应现象源于气体分子周期性地吸收光，导致周期性地释放热量。因此，气体空间膨胀产生声波，声波的压力与被测气体的浓度近似成线性关系，气体浓度是由声波传感器探测声音信号的大小获得的。因此，声波传感器的性能对光声光谱系统的测量灵敏度起着重要的作用。对于传统的光声光谱系统，由于声波的产生场所在密闭的光声池中，而传统的光声池要与声波传感器和激励光源相匹配，因此导致整个光声光谱系统的体积较大，对于空间受限的地方很难达到高灵敏度检测。基于此，文献Y.Cao,W.Jin,H.L.Ho,J.Ma,Miniature fiber
‑
tip photoacoustic spectrometer for trace gas detection,Opt.Lett.38(4)(2013)434
‑
436.和C.Li et al.Miniature single
‑
fiber photoacoustic sensor for methane gas leakage detection.Opt Lasers Eng149(2022)106792.分别设计了两种小型化的光声光谱气体检测系统，极大地缩小了体积，但是由于上述两个传感器均采用单光纤设计造成光程比较小，进而导致灵敏度较低，另外声波传感器均裸露在外界环境中，造成整个光声系统极易受到外界噪声的影响，最终导致气体检测极限较低。
[0003]综上所述设计一种体积小、稳定性好、又能对痕量气体进行高灵敏度检测的光声光谱气体传感器具有重要的应用价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种单光纤式双腔增强型气体传感器，该气体传感器整体的体积非常小，并且能实现痕量气体的高灵敏度检测，为小型化光声传感器提供了新的思路，在光声光谱领域应用前景巨大。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]一种单光纤式双腔增强型光声气体传感器，包括一根单模光纤、F
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P腔体、可透光的膜片式声波传感器、光声腔体和气孔；F
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P腔体和光声腔体通过螺纹进行连接；可透光的膜片式声波传感器位于F
‑
P腔体和光声腔体之间，既能传输激励光和探测光，又能实现光声信号的高灵敏度探测；气孔开于光声腔体上，用于气体交换；单模光纤伸入至F
‑
P腔体内部，激励光源通过单模光纤和可透光的膜片式声波传感器将激励光传输到光声腔体内，与气体发生光声效应进而产生光声信号，可透光的膜片式声波传感器将该光声信号采集，并通过单模光纤传输给电脑进行信号处理获得待测气体浓度信息。
[0007]所述的可透光的膜片式声波传感器是允许60
‑
90％光透过并且在声波作用下会引
起膜片震动，比如聚一氯对二甲苯膜片式声波传感器。
[0008]所述的F
‑
P腔体和光声腔体是分开来的，这和传统的单光纤光声气体传感器是不同的，通过双腔的设计解决了传统单光纤光声气体传感器容易受到噪声的干扰和灵敏度较低的难题，将系统的检测极限提高了一到两个数量级。
[0009]本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种单光纤式双腔增强型气体传感器。由于采用的是单光纤来传输入射光和探测光不仅系统简单而且相比于传统的双光纤设计减少了光纤的损坏的可能性。通过双腔的设计解决了传统单光纤光声气体传感器容易受到噪声的干扰和灵敏度较低的难题，将系统的检测极限提高了一到两个数量级。与传统的单光纤气体传感器相比，该单光纤式双腔增强型气体传感器稳定性好，结构简单，灵敏度低、信噪比好、检测极限低、可拆卸安装。本专利技术为小型化高灵敏度光声传感器提供了新的思路，在光声光谱领域应用前景巨大。
附图说明
[0010]图1是本专利技术一种单光纤式双腔增强型气体传感器示意图。
[0011]图中：1单模光纤；2F
‑
P腔体；3可透光的膜片式声波传感器；4光声腔体；5气孔。
具体实施方式
[0012]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0013]图1是本专利技术一种单光纤式双腔增强型气体传感器示意图。如图1所示，本专利技术实施例提供的单光纤式双腔增强型气体传感器包括单模光纤1、F
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P腔体2、可透光的膜片式声波传感器3、光声腔体4、气孔5。所述的单模光纤1和F
‑
P腔体2通过胶粘方式进行连接。所述的F
‑
P腔体2和光声腔体4通过螺纹进行连接；所述的可透光的膜片式声波传感器3位于F
‑
P腔体2和光声腔体4之间，既能传输激励光和探测光，又能实现光声信号的高灵敏度探测；所述的气孔5用于气体交换。激励光源通过单模光纤1和可透光的膜片式声波传感器3将激励光传输到光声腔体4内，与气体发生光声效应进而产生光声信号，可透光的膜片式声波传感器3将该光声信号采集，并通过单模光纤1传输给电脑进行信号处理获得待测气体浓度信息。
[0014]实验例一：
[0015]传统的单光纤式的光声气体传感器可以参考文献C.Li et al.Miniature single
‑
fiber photoacoustic sensor for methane gas leakage detection.Opt Lasers Eng149(2022)106792.其中光程差达到了2.2mm，悬臂梁在共振频率处的灵敏度是420.9nm/Pa。应用于甲烷的气体检测的归一化等效噪声系数是2.1
×
10
‑8cm
‑1WHz
‑
1/2
.
[0016]实验例二：
[0017]本专利技术中涉及的一种单光纤式双腔增强型光声气体传感器，由于将F
‑
P腔体和光声腔体分开来，使得光程差将大于30mm，可透光的膜片式声波传感器在共振频率处的灵敏度是2239nm/Pa。由于光声气体传感器的光声信号和光程差和声波传感器的灵敏度成正相
关，所以本专利技术中提出的一种单光纤式双腔增强型光声气体传感器相比于传统的单光纤式的光声气体传感器的灵敏度提升的倍数将大于80倍。应用于甲烷的气体检测的归一化等效噪声系数应小于2.6
×
10
‑
10
cm
‑1WHz...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光纤式双腔增强型光声气体传感器，其特征在于，该单光纤式双腔增强型光声气体传感器包括一根单模光纤、F
‑
P腔体、可透光的膜片式声波传感器、光声腔体和气孔；F
‑
P腔体和光声腔体通过螺纹进行连接；可透光的膜片式声波传感器位于F
‑
P腔体和光声腔体之间，既能传输激励光和探测光，又能实现光声信号的高灵敏度探测；气孔开于光声腔体上，用于气体交换；单模光纤伸入至F
‑
P腔体内部，激励光源通过单模光纤和可透光的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宫振峰，吴国杰，梅亮，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：