本發(fā)明屬于光聲光譜和痕量氣體檢測，涉及一種可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器。

背景技術(shù)：

1、痕量氣體檢測在大氣環(huán)境監(jiān)測、疾病預(yù)防、航空航天、礦井安全等領(lǐng)域起著重要應(yīng)用?；诩す饧夹g(shù)的光聲光譜因其靈敏度高、氣體選擇性強、響應(yīng)速度快等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于痕量氣體的測量。近來，非共振光聲池由于其小體積，可實現(xiàn)對痕量氣體的遠(yuǎn)距離遙測，使得非共振光聲池攜帶起來不僅很方便，而且可以實時快速監(jiān)測痕量氣體濃度變化情況。但是非共振光聲池的噪聲較大，因此氣體檢測極限較差。而對于傳統(tǒng)的共振式光聲池，由于緩沖室的存在因此其噪聲很低，氣體檢測極限很好。但是傳統(tǒng)的共振光聲池要與聲波傳感器和激勵光源相匹配，因此導(dǎo)致整個光聲光譜系統(tǒng)的體積較大，對于空間受限的地方很難達(dá)到高靈敏度遠(yuǎn)距離原位檢測。尤其對于傳統(tǒng)的h型光聲池，比如文獻(xiàn)x.mao,p.zheng,x.wang,s.yuan,breath?methane?detection?based?on?all-optical?photoacousticspectrometer,sens.actuators?b?239(2017)1257-1260，其最大的光聲信號在諧振腔中心，如果需要得到較高的靈敏度，必須在諧振器的中心開一個小孔使得光聲信號可以傳遞到聲波傳感器的位置，并將聲波傳感器放置于h型光聲池的諧振腔中心。事實上，在諧振腔中心開一個小孔，會帶來一定的光聲信號的損失。另外，傳統(tǒng)的h型光聲池的激勵光纖和探測光纖無法放置于同一側(cè)位置，這就使得傳統(tǒng)的h型光聲池不僅會提高了光纖損壞的概率，而且很難實現(xiàn)對痕量氣體的遠(yuǎn)距離原位檢測。

2、綜上所述設(shè)計一種體積小、靈敏高、又能對痕量氣體進(jìn)行高靈敏度可遠(yuǎn)距離實時原位監(jiān)測的光聲光譜氣體傳感器具有重要的應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器，該氣體傳感器整體的體積小，并且能對痕量氣體進(jìn)行高靈敏度可遠(yuǎn)距離實時原位監(jiān)測，為共振遠(yuǎn)距離遙測式光聲傳感器提供了新的思路，在光聲光譜領(lǐng)域應(yīng)用前景巨大。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、一種可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器，其主體結(jié)構(gòu)包括左側(cè)金屬殼體和右側(cè)金屬殼體，二者之間設(shè)置基于懸臂梁式光纖聲波傳感器；

4、左側(cè)金屬殼體內(nèi)部從左到右依次設(shè)置有緩沖室和左諧振腔；

5、右側(cè)金屬殼體內(nèi)部從左到右依次設(shè)置有緩沖室和右諧振腔；

6、基于懸臂梁式光纖聲波傳感器位于左諧振腔末端，并且開有一個小孔既能傳輸激勵光，又能保證兩個諧振腔內(nèi)的氣體相通；

7、光纖準(zhǔn)直器從左側(cè)金屬殼體伸入至緩沖室，其發(fā)出的激發(fā)光束通過基于懸臂梁式光纖聲波傳感器上的小孔進(jìn)入右諧振腔；緩沖室左側(cè)金屬殼體內(nèi)的緩沖室上開有氣孔，用于氣體交換；待測氣體通過氣孔擴散進(jìn)入整個腔體中，激發(fā)光通過光纖準(zhǔn)直器和小孔射入緩沖室、左諧振腔和右諧振腔，與待測氣體發(fā)生光聲效應(yīng)，進(jìn)而引起基于懸臂梁式光纖聲波傳感器的振動，獲得位于腔體內(nèi)部的單模光纖將懸臂梁的振動變化量，進(jìn)而推算出待測氣體的濃度。

8、左側(cè)金屬殼體與右側(cè)金屬殼體通過螺紋進(jìn)行連接；

9、基于懸臂梁式光纖聲波傳感器位于左諧振腔和右諧振腔之間，這改變了兩個諧振腔的邊界條件，進(jìn)而使右諧振腔末端聲壓最大，左諧振腔末端聲壓小于右側(cè)諧振腔末端聲壓。

10、緩沖室半徑和長度分別為2.5mm和5mm。

11、所述的左諧振腔和右諧振腔的半徑和長度均為0.85mm，11mm。因此，所設(shè)計的光聲傳感器的體積和共振頻率分別為246立方毫米，15400hz。

12、懸臂梁的長度、寬度、厚度為0.6mm、0.3mm、4μm，基于此尺寸下的共振頻率為15390hz，可以與所設(shè)計的光聲傳感器的共振頻率相匹配達(dá)到雙共振的效果。

13、懸臂梁式光纖聲波傳感器內(nèi)部腔體為整個光聲池，這將會極大的提高懸臂梁聲波傳感的靈敏度。

14、單模光纖的直徑是0.125微米，該尺寸不會減弱共振光聲池中形成的光聲信號大小，另外，所使用的單模光纖的長度均為3千米。

15、單模光纖的末端和懸臂梁之間的距離控制在0.5mm左右。

16、左諧振腔和右諧振腔通過螺紋進(jìn)行連接，因此該光聲池可拆卸。

17、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供了一種可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器。由于激勵光纖和探測光纖位于光聲池一側(cè)，因此該方案解決了傳統(tǒng)的h型光聲池?zé)o法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離原位測量痕量氣體的難題。懸臂梁式光纖聲波傳感器內(nèi)部腔體為整個光聲池，這將會極大的提高懸臂梁聲波傳感的靈敏度，進(jìn)而提升氣體探測的檢測靈敏度。該方案將光聲池和懸臂梁式光纖聲波傳感器的共振頻率均設(shè)計在高頻并且相匹配，可以極大地提高系統(tǒng)的信噪比。該可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度低、信噪比好、檢測極限低、可拆卸安裝。本發(fā)明為共振式遠(yuǎn)距離遙測式光聲傳感器提供了新的思路，在光聲光譜領(lǐng)域應(yīng)用前景巨大。

技術(shù)特征：

1.一種可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器，其特征在于，該可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器的主體結(jié)構(gòu)包括左側(cè)金屬殼體和右側(cè)金屬殼體，二者之間設(shè)置基于懸臂梁式光纖聲波傳感器；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器，其特征在于，左側(cè)金屬殼體與右側(cè)金屬殼體通過螺紋進(jìn)行連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器，其特征在于，緩沖室半徑和長度分別為2.5mm和5mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器，其特征在于，左諧振腔和右諧振腔的半徑和長度均為0.85mm、11mm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器，其特征在于，懸臂梁的長度、寬度、厚度為0.6mm、0.3mm、4μm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器，其特征在于，單模光纖的直徑是0.125微米。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器，其特征在于，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器。包括光纖準(zhǔn)直器、左右兩個金屬殼體、緩沖室、左諧振腔、基于懸臂梁式光纖聲波傳感器、右諧振腔、激發(fā)光束、單模光纖、氣孔。由于激勵光纖和探測光纖位于光聲池一側(cè)，因此該方案解決了傳統(tǒng)的H型光聲池?zé)o法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離原位測量痕量氣體的難題。該方案將光聲池和懸臂梁式光纖聲波傳感器的共振頻率均設(shè)計在高頻并且相匹配，可以極大地提高系統(tǒng)的信噪比該可遙測的雙諧振腔耦合式光聲氣體傳感器穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度低、信噪比好、檢測極限低、可拆卸安裝。本發(fā)明為共振式遠(yuǎn)距離遙測式光聲傳感器提供了新的思路，在光聲光譜領(lǐng)域應(yīng)用前景巨大。

技術(shù)研發(fā)人員：宮振峰,吳國杰,葉洪歆,梅亮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17