[发明专利]基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置

说明书

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CN101813621B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。