一种散射增强型气体传感探头制造技术

本发明专利技术属于痕量气体检测技术领域，提供一种散射增强型气体传感探头，其包括金属壳体、非共振光声腔、多孔散射介质、光纤F‑P声波传感器敏感膜片、镀金反射镜、光声激励光源入射光纤、光纤准直器、光纤F‑P声波传感器探测光源入射光纤、F‑P腔、进气口和出气口；其中，金属壳体与非共振光声腔的一端可拆卸连接，非共振光声腔的另一端固定有镀金反射镜；非共振光声腔的内部填充有多孔散射介质；金属壳体的一表面具有凹槽，并由光纤F‑P声波传感器敏感膜片密封，从而形成F‑P腔；金属壳体设置有光纤F‑P声波传感器探测光源入射光纤和光声激励光源入射光纤。该散射增强型气体传感探头可以提高气体的吸收光程，提高痕量气体的检测灵敏度。

A Scattering Enhanced Gas Sensor Probe

The invention belongs to the technical field of trace gas detection, and provides a scatter-enhanced gas sensing probe, which comprises a metal shell, a non-resonant photoacoustic cavity, a porous scattering medium, a sensing diaphragm of an optical fiber F_P acoustic sensor, a gold-plated mirror, an incident optical fiber of a photoacoustic excitation light source, an optical fiber collimator, an optical fiber F_P acoustic sensor to detect the incident optical fiber, an F_P cavity, an air inlet and an optical fiber. The metal shell is detachably connected with one end of the non-resonant photoacoustic cavity, and the other end of the non-resonant photoacoustic cavity is fixed with a gold-plated mirror; the inner part of the non-resonant photoacoustic cavity is filled with porous scattering medium; the surface of the metal shell is grooved and sealed by a sensitive diaphragm of the optical fiber F_P acoustic sensor, thus forming the F_P cavity; and the metal shell is provided with an optical fiber F_P acoustic wave. The sensor detects the incident light source into the optical fiber and the photoacoustic excitation light source into the optical fiber. The scattering enhanced gas sensor can improve the absorption optical path of gas and the detection sensitivity of trace gases.

【技术实现步骤摘要】
一种散射增强型气体传感探头
本专利技术属于痕量气体检测
，涉及到一种基于光声光谱技术的高灵敏度散射增强型气体传感探头。
技术介绍
痕量气体检测技术在电力系统故障特征气体分析、医疗领域呼吸气检测和工业有害气体排放监测等应用中发挥着重要的作用。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。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。光声光谱法的基本原理可以概括为：当周期性的调制光源覆盖待测气体分子吸收谱线时，气体分子由基态跃迁到激发态，经过无辐射跃迁回到基态并放出热量，使气体分子周围空气发生周期性的膨胀从而产生声波。由于声波大小与待测气体浓度成正比，因此通过声波传感器探测光声信号的大小，即可获得待测气体的浓度信息。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。由于共振式光声系统容易受到外界环境的干扰，存在共振频率漂移的问题，不适合在环境复杂多变的变电站、核电站、医院和煤矿等场所现场应用，因此目前商业化的光声光谱检测仪普遍采用抗干扰能力更强但是灵敏度较低的非共振光声系统。随着电力系统故障特征气体分析、医疗领域呼吸气检测和工业有害气体排放监测等领域对安全发展要求的日益提高，传统的非共振光声光谱系统的灵敏度难以满足要求，因而研究用于现场实时监测的基于光声光谱技术的高灵敏度气体传感器成为目前迫切需要解决的问题。专利
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于光声光谱技术的散射增强型气体传感探头，以解决传统的非共振光声系统灵敏度较低的问题。本专利技术的技术方案为一种散射增强型气体传感探头，其包括金属壳体、非共振光声腔、多孔散射介质、光纤F-P声波传感器敏感膜片、镀金反射镜、光声激励光源入射光纤、光纤准直器、光纤F-P声波传感器探测光源入射光纤、F-P腔、进气口和出气口；其中，所述金属壳体与非共振光声腔的一端可拆卸连接，非共振光声腔的另一端固定镀金反射镜；所述非共振光声腔的侧壁上设置有进气口和出气口，所述进气口和出气口均通过电磁阀控制开启和关闭，待测气体分别通过所述进气口和出气口进入非共振光声腔和从非共振光声腔中排出；所述非共振光声腔的内部填充有多孔散射介质；所述金属壳体与非共振光声腔相连接的表面具有凹槽，所述凹槽由光纤F-P声波传感器敏感膜片密封，使得金属壳体靠近非共振光声腔的一端形成F-P腔；所述金属壳体设置有光纤F-P声波传感器探测光源入射光纤，探测光源通过该光纤F-P声波传感器探测光源入射光纤进入F-P腔，所述金属壳体设置有光声激励光源入射光纤，该光声激励光源入射光纤靠近非共振光声腔的一端设置有光纤准直器，光声激励光源经过光声激励光源入射光纤和光纤准直器进入非共振光声腔。进一步地，所述的多孔散射介质为固体多孔散射材料，包括二氧化锆、三氧化二铝和二氧化钛。本专利技术提供的散射增强型气体传感探头的原理为：光声激励光源经过光声激励光源入射光纤和光纤准直器进入非共振光声腔中，被待测气体吸收，多孔散射介质增加了待测气体的吸收光程；探测光源在光纤F-P声波传感器探测光源入射光纤的端面和光纤F-P声波传感器敏感膜片表面分别发生反射，两束反射光发生干涉作用产生干涉条纹；由于待测气体的光声效应，非共振光声腔内产生周期性的光声信号，从而引起F-P腔的腔长发生周期性的变化；腔长变化引起干涉条纹的漂移，通过解调干涉条纹的变化得到气体浓度的信息；由于固体多孔散射材料对光声激励光源为宽带吸收，而待测气体对光具有选择吸收性，吸收峰线宽较窄。由于两者的线宽差距，待测气体吸收产生的光声信号可以被分辨出来。另一方面，本专利技术提供了一种基于上述的散射增强型气体传感探头检测痕量气体的方法，所述的方法包括以下步骤：1)开启进气口和出气口，使得待测气体进入非共振光声腔；2)光声激励光源经过光声激励光源入射光纤和光纤准直器进入非共振光声腔，光声激励光源在非共振光声腔中的多孔散射介质中随机散射，以增加待测气体的吸收光程；3)步骤2)中待测气体产生的由于增加了气体吸收光程而增强的光声信号引起光纤F-P声波传感器敏感膜片的周期性振动，进而使F-P腔的腔长发生变化；4)探测光源通过光纤F-P声波传感器探测光源入射光纤进入F-P腔，反射回来的两束光发生干涉作用产生干涉条纹；5)通过解调步骤4)中产生的干涉条纹的变化确定F-P腔腔长的变化量，进而测量待测气体的浓度。本专利技术的效果和益处是：多孔散射材料的引入可以成数量级的提高气体的吸收光程，增大光声信号的幅度，提高痕量气体的检测灵敏度；利用高灵敏度光纤F-P声波传感器作为声波探测单元，可以与非共振光声池有效匹配，同时为远距离遥测和多点测量提供了便利，实现了感测单元的全光纤化；激励光源的入射光纤、非共振式光声池和光纤F-P声波传感器的集成化设计，减小了整个系统的尺寸，不仅使系统具有电磁免疫、抗振动干扰能力，而且传感探测端的无机械部件设计也大大提高了系统的工作稳定性和可靠性。附图说明图1是本专利技术实施例中提供的散射增强型气体传感探头的结构示意图。图中：1金属壳体；2非共振光声腔；3多孔散射介质；4光纤F-P声波传感器敏感膜片；5镀金反射镜；6光声激励光源入射光纤；7光纤准直器；8光纤F-P声波传感器探测光源入射光纤；9F-P腔；10进气口；11出气口。具体实施方式以下结合附图和技术方案，进一步说明本专利技术的具体实施方式。应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本专利技术的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本专利技术的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。图1是本专利技术实施例中提供的散射增强型气体传感探头的结构示意图。参见图1，在本实施例中提供的散射增强型气体传感探头包括金属壳体1、非共振光声腔2、多孔散射介质3、光纤F-P声波传感器敏感膜片4、镀金反射镜5、光声激励光源入射光纤6、光纤准直器7、光纤F-P声波传感器探测光源入射光纤8、F-P腔9、进气口10和出气口11。其中，金属壳体1与非共振光声腔2的一端可拆卸连接，例如螺纹连接，便于更换多孔散射介质3。非共振光声腔2的另一端固定镀金反射镜，以提高激励光源的反射率。非共振光声腔2的侧壁上设置有进气口10和出气口11，进气口10和出气口11均通过电磁阀控制开启和关闭。待测气体分别通过进气口10和出气口11进入非共振光声腔2和从非共振光声腔2中排出。在本实施例中，非共振光声腔的内部填充有多孔散射介质3。在一个具体的实施方案中，多孔散射介质3为固体多孔散射材料，主要包括二氧化锆、三氧化二铝和二氧化碳三种材料。金属壳体1与非共振光声腔2相连接的表面具有凹槽，该凹槽由光纤F-P声波传感器敏感膜片4密封，从而使得金属壳体1靠近非共振光声腔2的一端形成F-P腔9。金属壳体1设置有光纤F-P声波传感器探测光源入射光纤8，探测光源通过该光纤F-P声波传感器探测光源入射光纤8进入F-P腔9。金属壳体1设置有光声激励光源入射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种散射增强型气体传感探头，其特征在于，所述的散射增强型气体传感探头包括金属壳体(1)、非共振光声腔(2)、多孔散射介质(3)、光纤F‑P声波传感器敏感膜片(4)、镀金反射镜(5)、光声激励光源入射光纤(6)、光纤准直器(7)、光纤F‑P声波传感器探测光源入射光纤(8)、F‑P腔(9)、进气口(10)和出气口(11)；其中，所述金属壳体(1)与非共振光声腔(2)的一端可拆卸连接，非共振光声腔(2)的另一端固定镀金反射镜(5)；所述非共振光声腔(2)的侧壁上设置有进气口(10)和出气口(11)，所述进气口(10)和出气口(11)均通过电磁阀控制开启和关闭，待测气体分别通过所述进气口(10)和出气口(11)进入非共振光声腔(2)和从非共振光声腔(2)中排出；所述非共振光声腔(2)的内部填充有多孔散射介质(3)；所述金属壳体(1)与非共振光声腔(2)相连接的表面具有凹槽，所述凹槽由光纤F‑P声波传感器敏感膜片(4)密封，使得金属壳体(1)靠近非共振光声腔(2)的一端形成F‑P腔(9)；所述金属壳体(1)设置有光纤F‑P声波传感器探测光源入射光纤(8)，探测光源通过该光纤F‑P声波传感器探测光源入射光纤(8)进入F‑P腔(9)；所述金属壳体(1)设置有光声激励光源入射光纤(6)，该光声激励光源入射光纤(6)靠近非共振光声腔(2)的一端设置有光纤准直器(7)，光声激励光源经过光声激励光源入射光纤(6)和光纤准直器(7)进入非共振光声腔(2)。...

【技术特征摘要】
1.一种散射增强型气体传感探头，其特征在于，所述的散射增强型气体传感探头包括金属壳体(1)、非共振光声腔(2)、多孔散射介质(3)、光纤F-P声波传感器敏感膜片(4)、镀金反射镜(5)、光声激励光源入射光纤(6)、光纤准直器(7)、光纤F-P声波传感器探测光源入射光纤(8)、F-P腔(9)、进气口(10)和出气口(11)；其中，所述金属壳体(1)与非共振光声腔(2)的一端可拆卸连接，非共振光声腔(2)的另一端固定镀金反射镜(5)；所述非共振光声腔(2)的侧壁上设置有进气口(10)和出气口(11)，所述进气口(10)和出气口(11)均通过电磁阀控制开启和关闭，待测气体分别通过所述进气口(10)和出气口(11)进入非共振光声腔(2)和从非共振光声腔(2)中排出；所述非共振光声腔(2)的内部填充有多孔散射介质(3)；所述金属壳体(1)与非共振光声腔(2)相连接的表面具有凹槽，所述凹槽由光纤F-P声波传感器敏感膜片(4)密封，使得金属壳体(1)靠近非共振光声腔(2)的一端形成F-P腔(9)；所述金属壳体(1)设置有光纤F-P声波传感器探测光源入射光纤(8)，探测光源通过该光纤F-P声波传感器探测光源入射光纤(8)进入F-P腔(9)；所述金属壳体(1)设置有光声...

【专利技术属性】
技术研发人员：宫振峰，梅亮，陈珂，于清旭，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21