CN103411904B - 基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置。它由光源（1）和其光路（2）上的管状声学谐振腔（6），以及置于管状声学谐振腔（6）侧开口处的光声气体传感器，与光声气体传感器配接的调制解调部件组成，特别是管状声学谐振腔（6）的管长为20～150mm、管内径为3～10mm，管状声学谐振腔（6）侧的开口为与其相连通的小孔（4），其孔深为1.5～2.5mm、孔直径为1.5～2.5mm，光声气体传感器为聚偏氟乙烯压电薄膜（5），其膜平面与小孔（4）端平面的间距为0.1～3mm、输出端经前置放大器（7）与调制解调部件的锁相放大器（8）的输入端电连接。它具有结构简单、较宽的响应带宽和工作稳定的特点，可广泛地用于探测和确定气体浓度或化学成分。

Description

基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置

技术领域

本发明涉及一种光声气体传感装置，尤其是一种基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置。

背景技术

探测和确定气体浓度或化学成分在环境监测、气候、农业、安全、医学诊断以及工业等领域有着广泛的应用需求。随着激光技术、弱信号检测技术的发展，光声光谱技术也得到了快速的发展，而且光声光谱技术被认为是一种零背景、高灵敏度、高选择性的光谱技术。

光声光谱是与基于比尔－朗伯(Beer-Lambert)吸收定律的传统吸收光谱不同的独特光谱技术，是基于光声效应的一种光谱技术，探测的是被样品吸收的光能量而不是透射光强。当处于分子吸收波段的光源照射到样品上时，样品分子吸收光能量而跃迁到激发态，处于激发态的分子通过碰撞弛豫回到基态，同时吸收的光能量转化为分子的内能，并导致分子的局部温度升高。所以当照射到样品分子上的光受到调制时，分子的局部温度就产生周期性的变化，从而产生周期性的压力变化，即声波。当人们用麦克风等声传感器记录声信号随光源波长的关系，就得到了光声光谱信号。与一般的基于比尔－朗伯(Beer-Lambert)吸收定律的传统吸收光谱技术相比，光声光谱具有以下特点：一是光声光谱测量的是被分子吸收的光能量，因此光声光谱信号只与被分子吸收的光能量(而非透射光强或反射光强)相关，故无吸收就无信号，是一种零背景光谱技术；二是光声光谱信号用声传感器探测，因此探测器没有波长依赖特性；三是光声光谱具有线性度好、响应范围宽的特点，理论上一个校准点就足以体现传感器响应特性；四是光声光谱具有灵敏度高，系统体积小，便于发展成便携式气体传感器的特点。鉴于光声光谱的这些特点，除了基于麦克风的传统光声光谱外，新的光声光谱技术不断出现。如于2012年4月25日公告的中国发明专利说明书CN 101813621 B中记载的一种“基于声谐振腔的石英音叉增强型光声光谱气体传感装置”。该气体传感装置由激光光路上的聚焦透镜、腔轴线与光路同轴的管状声谐振腔和置于声谐振腔侧开口狭缝处的石英音叉，以及与激光源、石英音叉配接的电路组成。这种使用石英音叉的气体传感装置虽有着抗干扰能力强的特点，却因石英音叉的响应带宽一般小于5Hz，而对激光源的调制频率的精度要求很高，偏差应小于0.1Hz，当探测的环境条件——温度、载气成分等发生改变时，需要对激光源的调制频率进行及时的校正，才能保证准确的信号输出之不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单，具有较宽响应带宽的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置由光源和其光路上的管状声学谐振腔，以及置于管状声学谐振腔侧开口处的光声气体传感器，与光声气体传感器配接的调制解调部件组成，特别是，

所述管状声学谐振腔的管长为20～150mm、管内径为3～10mm；

所述管状声学谐振腔侧的开口为与其相连通的小孔，其孔深为1.5～2.5mm、孔直径为1.5～2.5mm；

所述光声气体传感器为聚偏氟乙烯压电薄膜，所述聚偏氟乙烯压电薄膜的膜平面与小孔端平面的间距为0.1～3mm，其输出端经前置放大器与所述调制解调部件的锁相放大器的输入端电连接。

作为基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置的进一步改进：

所述的光源与管状声学谐振腔之间的光路上置有其焦点位于管状声学谐振腔中点的聚焦透镜。

所述的光源为激光器，其输出的波长为待测气体的光吸收波长。

所述的管状声学谐振腔的管轴线与光路的光轴同轴。

所述的小孔位于管状声学谐振腔的中点，且与其相垂直连接。

所述的聚偏氟乙烯压电薄膜的膜长为20～30mm、膜宽为9～19mm、膜厚为0.1～0.3mm。

所述的调制解调部件由电连接的锁相放大器和函数发生器组成，其中，函数发生器的输出端分别与光源的电源控制端、锁相放大器的输入端电连接。

所述的调制解调部件由电连接的锁相放大器和斩波器组成，其中，斩波器的光阑位于光源与管状声学谐振腔之间的光路上，其控制单元的输出端分别与光阑驱动电机、锁相放大器的输入端电连接。

相对于现有技术的有益效果是：

其一，管状声学谐振腔的构造，即其管长、管内径和小孔的孔深、孔径的确定，使其于常压大气环境下具备了极佳的谐振效果，既为实现高探测灵敏度奠定了基础，也使其结构简单、工作稳定，易于调制解调部件调制信号频率的确定。

其二，采用聚偏氟乙烯压电薄膜作为声传感器来探测光声吸收，因其具有很宽的频率响应特性，能在0.01Hz～100MHz的频率范围内线性输出，故不仅使本发明适用的范围相当的宽泛，还对光源调制频率的精度无任何要求，大大地拓展了应用的场合和完全能满足特定场合的应用需求，更有着调制解调部件调制信号频率的调整和使用均十分方便的特点，使其可广泛地用于探测气体的成分或含量。加之聚偏氟乙烯压电薄膜还有着柔韧性好、耐摔性强、防水性佳和化学稳定性高的优点，且价格低廉，大大地降低了本发明的制造、使用和维护的成本。

作为有益效果的进一步体现：

一是聚焦透镜的设置，利于探测灵敏度的进一步提高。

二是优选其输出波长为待测气体的光吸收波长的激光器作为光源，易于提升探测的灵敏度。

三是选择聚偏氟乙烯压电薄膜的膜长为20～30mm、膜宽为9～19mm、膜厚为0.1～0.3mm，便于其与小孔的优化匹配。

附图说明

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

图1是本发明的一种基本结构示意图。

图2是本发明中的调制器选用斩波器时的一种基本结构示意图。

图3是本发明中使用的聚偏氟乙烯压电薄膜的一种基本形貌图。

图4是使用本发明测量大气中的水汽时，得到的信号谱图。

具体实施方式

参见图1、图3和图4，基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置的构成如下：

光源1的光路2上依次置有聚焦透镜3、管状声学谐振腔6；其中，

光源1优选为激光器，其输出的波长为待测气体的光吸收波长。

聚焦透镜3的焦点位于管状声学谐振腔6的中点。

管状声学谐振腔6的管长优选为30(可为20～150)mm、管内径优选为5(可为3～10)mm，且其管轴线与光路2的光轴同轴。其在常压大气环境下的工作频率约为5800Hz。

管状声学谐振腔6的中点置有与其相垂直连接的小孔4，小孔4的孔深优选为2(可为1.5～2.5mm)、孔直径优选为2(可为1.5～2.5)mm。

小孔4上附有聚偏氟乙烯压电薄膜5，其优选为美国MeasurementSpecialties公司生产的型号为LDT0、膜长为25(可为20～30)mm、膜宽为14(可为9～19mm)、膜厚为0.2(可为0.1～0.3)mm的成品。该聚偏氟乙烯压电薄膜5的膜平面与小孔4端平面的间距优选为1(可为0.1～3)mm，其输出端经前置放大器7与调制解调部件的锁相放大器8的输入端电连接。

调制解调部件由电连接的锁相放大器8和函数发生器9组成，其中，函数发生器9的输出端分别与光源1的电源控制端、锁相放大器8的输入端电连接。

调制解调部件也可选用如图2所示的结构。此时，调制解调部件由电连接的锁相放大器8和斩波器10组成，其中，斩波器10的光阑位于光源1与管状声学谐振腔6之间的光路2上，其控制单元的输出端分别与光阑驱动电机、锁相放大器8的输入端电连接。

使用本发明测量大气中的水汽时，当已被调制的激光被大气中的水汽吸收后，将产生光声信号并激发聚偏氟乙烯压电薄膜5振动，从而使其产生压电电流信号并被送往锁相放大器8，由锁相放大器8解调后得到水汽的光声吸收信号，即获得了如图4所示的大气中的水汽的信号谱图。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置，包括光源(1)和其光路(2)上的管状声学谐振腔(6)，以及置于管状声学谐振腔(6)侧开口处的光声气体传感器，与光声气体传感器配接的调制解调部件，其特征在于：

所述管状声学谐振腔(6)的管长为20～150mm、管内径为3～10mm；

所述管状声学谐振腔(6)侧开口为与其相连通的小孔(4)，其孔深为1.5～2.5mm、孔直径为1.5～2.5mm；

所述光声气体传感器为聚偏氟乙烯压电薄膜(5)，所述聚偏氟乙烯压电薄膜(5)的膜平面与小孔(4)端平面的间距为0.1～3mm，其输出端经前置放大器(7)与所述调制解调部件的锁相放大器(8)的输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置，其特征是光源(1)与管状声学谐振腔(6)之间的光路(2)上置有其焦点位于管状声学谐振腔(6)中点的聚焦透镜(3)。

3.根据权利要求2所述的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置，其特征是光源(1)为激光器，其输出的波长为待测气体的光吸收波长。

4.根据权利要求3所述的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置，其特征是管状声学谐振腔(6)的管轴线与光路(2)的光轴同轴。

5.根据权利要求4所述的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置，其特征是小孔(4)位于管状声学谐振腔(6)的中点，且与其相垂直连接。

6.根据权利要求1所述的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置，其特征是聚偏氟乙烯压电薄膜(5)的膜长为20～30mm、膜宽为9～19mm、膜厚为0.1～0.3mm。

7.根据权利要求1所述的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置，其特征是调制解调部件由电连接的锁相放大器(8)和函数发生器(9)组成，其中，函数发生器(9)的输出端分别与光源(1)的电源控制端、锁相放大器(8)的输入端电连接。

8.根据权利要求1所述的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置，其特征是调制解调部件由电连接的锁相放大器(8)和斩波器(10)组成，其中，斩波器(10)的光阑位于光源(1)与管状声学谐振腔(6)之间的光路(2)上，斩波器(10)的光阑控制单元的输出端分别与光阑驱动电机、锁相放大器(8)的输入端电连接。