一种高灵敏度可遥测式气体传感器的制作方法

本发明属于光纤传感和微量气体检测技术领域，涉及到一种基于t型共振光声池和光纤悬臂梁麦克风的高灵敏度可遥测式气体传感器。

背景技术：

痕量气体检测在大气环境检测、工业过程控制以及生命科学领域有着广泛的应用需求。目前痕量气体检测方法主要有气相色谱法、半导体气敏传感器法、电化学传感器法、吸收光谱法和光声光谱法。气相色谱法可同时对多种气体进行高灵敏度的测量，但是气相色谱法需要搭配载气使用，并且色谱柱需要定期更换，仪器维护成本较高；半导体气敏传感器法和电化学传感器法成本较低，极限检测灵敏度分别可达ppm(parts-per-million)和ppb(parts-per-billion)量级，但是该两种传感器寿命较短，并且均存在气体间交叉干扰严重的问题；由于大部分气体分子在近、中红外光谱区具有吸收特征谱线，因此通过采用合适光源和红外吸收光谱分析方法，可实现大多数气体分子的浓度测量。红外吸收光谱的测量灵敏度与吸收程成正比关系，通常情况下吸收光谱法需要较长的吸收池。随着激光技术的发展，光声光谱法已经成为一种灵敏度高、响应时间快和选择性强的气体检测方法。光声光谱法是一种通过直接测量气体因吸收光能而产生热能的光谱量热技术，是一种无背景的吸收光谱技术。随着激光技术的发展，光声光谱技术已经成为一种具有灵敏度高、响应时间快和选择性强等优势的气体检测方法。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微音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，难以实现高危环境中痕量气体的远距离遥测。基于此，文献caoy,jinw,hohl,etal.miniaturefiber-tipphotoacousticspectrometerfortracegasdetection[j].opticsletters,2013,38(4):434-436和kec,ming,shuail,etal.fiber-opticphotoacousticsensorforremotemonitoringofgasmicro-leakage[j].opticsexpress,2019,27(4):434-436分别设计了小型化的光声光谱气体检测系统，利用光纤法布里珀罗(f-p)声波传感器的f-p腔作为光声系统的光声池，利用光纤声波传感器的传输距离远、可遥测的特征实现光声光谱气体检测系统的小型化和远距离遥测。但是由于该系统采用非共振式光声池作为光声信号产生的场所，导致气体检测灵敏度与共振式光声光谱系统相差几个数量级。

目前基于光声光谱技术的痕量气体检测系统根据工作模型的不同可分为两类，分别是共振式光声系统和非共振式光声系统。共振式光声池是以声波在光声池中传播的某个本征频率来调制光源，声波在光声池中形成驻波，光声信号实现共振放大。共振式的光声系统的光声信号幅度大，噪声抑制能力强，因此具有更高的检测灵敏度。综上所述，设计一种既能够远距离遥测，又具有高灵敏度的共振式光声光谱气体传感器具有重要的应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种基于t型共振光声池和光纤悬臂梁麦克风的高灵敏度可遥测式气体传感器，旨在解决传统光声光谱气体检测系统远距离遥测和高灵敏度探测不能同时实现的问题，为光声光谱检测技术在微量气体远距离遥测领域的应用拓展了更大的空间。

本发明的技术方案：

一种高灵敏度可遥测式气体传感器，包括金属壳体1、缓冲室2、谐振腔3、集成化传感探头4、密封盖5、反射镜6和气孔7；其中，所述的圆柱形金属壳体1内加工有圆柱形缓冲室2和谐振腔3结构，两者构成t型共振光声池；所述的金属壳体1靠近缓冲室2一侧与圆柱形密封盖5可拆卸连接；所述的密封盖5中间部位镶嵌有反射镜6，用于提高激励光源的反射效率；所述的密封盖5上开有多个气孔7，用于气体交换；所述的金属壳体1靠近谐振腔3一侧与集成化传感探头4可拆卸连接，调制频率与t型共振光声池一阶共振频率相同的激励光源从集成化传感探头4中间部位射出，引起谐振腔3内待测气体的周期性振动，从而产生共振光声信号；集成化传感探头4所处的位置为共振光声信号的波腹位置，此处光声信号为极大值；集成化传感探头4将共振光声信号采集，通过信号处理得到待测气体的浓度信息。

所述的集成化传感探头4主要由螺纹外壳8、光纤f-p声波传感器的探测光纤9、激励光源的入射光纤10、f-p腔11和悬臂梁膜片12组成；其中，螺纹外壳8与高灵敏度可遥测式气体传感器的金属壳体1可拆卸连接；光纤f-p声波传感器的探测光纤9前端与f-p腔11远离悬臂梁膜片12一侧相齐，并且偏离集成化传感探头4横截面中心位置，用于传输光纤f-p声波传感器的探测光源；激励光源的入射光纤10前端与悬臂梁膜片12相齐，并且处于集成化传感探头4横截面的中心位置，用于传输光声信号的激励光源。

所述的悬臂梁膜片12主要由不锈钢片13、小孔14和悬臂梁15组成；其中，不锈钢片13中心位置开有小孔14，激励光源的入射光纤10中传输的光声信号激励光源从小孔14穿过；悬臂梁15的位置与光纤f-p声波传感器的探测光纤9在一条轴线上，从而使光纤f-p声波传感器的探测光纤9中发射出的探测光源正好射到悬臂梁15的中间梁靠下的位置，此时集成化传感探头对光声信号的探测灵敏度最大。

本发明的有益效果：基于t型共振式光声池和光纤悬臂梁麦克风设计而成的传感器，可同时实现痕量气体的高灵敏度探测和远距离遥测。由于采用t型共振式光声池作为光声信号的产生场所，因此可以实现痕量气体的高灵敏度探测。由于探测光源和激励光源全部由光纤传输，因此可以实现痕量气体的远距离遥测。该高灵敏度可遥测式气体传感器结构简单，光纤悬臂梁麦克风与t型光声池可拆卸连接，安装便捷。悬臂梁膜片的特殊设计不仅可以保障激励光源顺利通过，同时也能够实现光声信号的高灵敏度探测。本发明为高危环境中的高灵敏度远距离气体遥测提供一种新的技术手段。

附图说明

图1是高灵敏度可遥测气体传感器示意图。

图2是用于发射激励光源和探测光声信号的集成化传感探头示意图。

图3是悬臂梁膜片示意图。

图中：1金属壳体；2缓冲室；3谐振腔；4集成化传感探头；5密封盖；6反射镜；7气孔；8螺纹外壳；9光纤f-p声波传感器的探测光纤；10激励光源的入射光纤；11f-p腔；12悬臂梁膜片；13不锈钢片；14小孔；15悬臂梁。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明提供了如图1所示的高灵敏度可遥测气体传感器，包括金属壳体1、缓冲室2、谐振腔3、集成化传感探头4、密封盖5、反射镜6和气孔7。圆柱形缓冲室2和谐振腔3两者构成t型共振光声池，光声信号在t型共振光声池内实现共振放大，从而提高气体的检测极限灵敏度。密封盖5上开有多个气孔7，在中心位置镶嵌有反射镜6，可以与金属壳体1可拆卸连接。金属壳体1靠近谐振腔3一侧与集成化传感探头4可拆卸连接。

图2表示的是用于发射激励光源和探测光声信号的集成化传感探头示意图，包括螺纹外壳8、光纤f-p声波传感器的探测光纤9、激励光源的入射光纤10、f-p腔11和悬臂梁膜片12。光纤f-p声波传感器的探测光纤9前端与f-p腔11远离悬臂梁膜片12一侧相齐，并且偏离集成化传感探头4横截面中心位置。激励光源的入射光纤10前端与悬臂梁膜片12相齐，并且处于集成化传感探头4横截面的中心位置。

图3表示的是悬臂梁膜片示意图，包括不锈钢片13、小孔14、和悬臂梁15。不锈钢片13中心位置开有多个小孔14。悬臂梁15与光纤f-p声波传感器的探测光纤9在一条轴线上。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。