[发明专利]一种多腔叠加式非共振光声池及气体检测系统

说明书

本发明属于痕量气体检测技术领域，提供一种多腔叠加式非共振光声池及气体检测系统。多腔叠加式非共振光声池包括圆柱形金属壳体、多个非共振光声腔、光纤法布里‑珀罗声波传感器敏感膜片、光学玻璃窗片、进气口和出气孔。光纤法布里‑珀罗声波传感器的圆形敏感膜片固定在圆柱形金属壳体的一侧，圆柱形金属壳体的另一侧由光学玻璃窗片密封。待测气体从进气口进入，扩散进入多个非共振光声腔中，从另一侧的出气口排出。本发明通过减小非共振光声腔的半径和多个光声腔内光声信号的叠加，可大幅度提高系统光声信号的强度。膜片式光纤法布里‑珀罗声波传感器作为声波探测单元，与光声腔更容易匹配，为多组分高灵敏度痕量气体的检测提供了新的解决方案。

技术领域

本发明属于痕量气体检测技术领域，涉及到一种多腔叠加式非共振光声池结构及基于此光声池的高灵敏度气体检测系统。

背景技术

痕量气体检测在工业生产过程控制、环境监测、健康检测以及危险品检测等领域愈来愈受到广泛的关注。随着激光技术的发展，光谱技术已经成为一种具有高灵敏度、响应时间快和选择性强等优势的气体检测方法。光声光谱是通过直接测量气体因吸收光能而产生热量的光谱量热技术，是一种无背景吸收光谱技术。气体光声光谱技术的基本原理为：待测气体吸收特殊波段的光能量后，气体分子从基态跃迁到激发态，但由于高能级激发态的不稳定性，会通过碰撞弛豫重新回到基态，同时根据能量守恒定律，将吸收的光能量转化为分子的平动能，即造成气室中局部温度升高。当激励光经过周期性调制后，气室中的局部温度就会周期性的升高降低，从而产生与激光调制频率一致的声波信号。利用声波探测器对产生的声波信号进行采集，通过分析处理就可以获得待测气体的浓度信息。

基于光声光谱检测技术的探测系统中，光声池是产生声波的场所。光声池分为共振式光声池和非共振式光声池两种结构。非共振式光声池体积较小，并可以与红外光源配合使用。由于红外光源的宽谱特性，非共振式光声系统的测量气体种类更多，因此对于现有的在线光声光谱仪，包括GE公司的Kelman TRANSFIX系列产品和CAMLIN POWER公司的TOTUS系列产品，普遍使用非共振式光声池作为声波产生单元。对于非共振式光声池系统，可以通过减小光声池腔体的横截面积提高光声信号，但是腔体横截面过小会导致无法与微音器匹配；另外可以通过降低激励光源的调制频率来提高光声信号，但是小尺寸的微音器对于低频声波信号的响应能力相对较弱。综合以上原因，传统的非共振光声系统的灵敏度较低。因此设计一种高灵敏度的非共振光声池系统对于微量气体检测领域具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提出一种多腔叠加式非共振光声池及气体检测系统，旨在解决传统的非共振光声系统灵敏度较低的问题。采用光纤声波传感器作为声波探测单元，可以解决微音器与光声池不匹配以及在复杂环境中的电磁干扰问题，为光声光谱技术在线应用拓展更大的空间。

本发明的技术方案：

一种多腔叠加式非共振光声池，包括圆柱形金属壳体1、多个非共振光声腔2、光纤法布里-珀罗声波传感器敏感膜片3、光学玻璃窗片4、进气口5和出气口6；圆柱形金属壳体1两端为开口结构，其内部包含多个互通独立的圆柱形通孔，抛光后作为非共振光声腔2；圆柱形金属壳体1一端通过激光焊接金属膜或胶粘有机膜的方法固定光纤法布里-珀罗声波传感器敏感膜片3，另一端由光学玻璃窗片4密封；圆柱形金属壳体1一端开有进气口5，另一端开有出气口6，待测气体从进气口5进入，扩散进入多个非共振光声腔2中，从另一端的出气口6排出。

对于多腔叠加式非共振光声池，光声信号幅度分别反比于单个非共振光声腔2横截面的大小和激励光源调制频率的大小。非共振光声腔2的横截面积较小，因此单个非共振光声腔2内部会产生较强的光声信号。同时在光纤法布里-珀罗声波传感器敏感膜片3处，每个非共振光声腔2内产生的光声信号叠加，进一步增强了多腔叠加式非共振光声池的光声信号。叠加之后的光声信号会引起光纤法布里-珀罗声波传感器敏感膜片3的周期性振动，通过解调光纤法布里-珀罗声波传感器敏感膜片3的振动情况实现气体浓度的测量。