[发明专利]一种扩散式光声微腔气体传感器

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于气体检测和光声光谱技术领域，涉及一种扩散式光声微腔气体传感器。

背景技术

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Peltola J,Vainio M,Hieta T,et al.High sensitivity trace gasdetection by cantilever-enhanced photoacoustic spectroscopy using a mid-infrared continuous-wave optical parametric oscillator.Optics express,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Wang J,Wang H,Liu X.A portable laser photoacoustic methane sensor based onFPGA.Sensors,2016,16(9):1551和Mao X,Zheng P,Wang X,et al.Breath methanedetection based on all-optical photoacoustic spectrometer.Sensors andActuators B: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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术方案：