[发明专利]一种高灵敏度可遥测式气体传感器

说明书

本发明属于光纤传感和微量气体检测技术领域，一种高灵敏度可遥测式气体传感器，包括金属壳体、缓冲室、谐振腔、集成化传感探头、密封盖、反射镜和气孔。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。

技术领域

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Cao Y,Jin W,Ho H L,et al.Miniature fiber-tip photoacoustic spectrometer for trace gasdetection[J].Optics letters,2013,38(4):434-436和Ke C,Min G,Shuai L,etal.Fiber-optic photoacoustic sensor for remote monitoring of gas micro-leakage[J].Optics Express,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。

发明内容

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：