(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210341775.X (22)申请日 2022.04.02 (71)申请人 山东大学 地址 250013 山东省青岛市 即墨区滨 海路 72号 (72)发明人 陶继方　郑坤宇　徐茂森　 (74)专利代理 机构 青岛华慧泽专利代理事务所 (普通合伙) 37247 专利代理师 刘娜 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/17(2006.01) (54)发明名称 一种基于光路优化的光声气体 检测系统 (57)摘要 本发明公开了一种基于光路优化的光声气 体检测系统， 包括光声气体探头和与光声气体探 头通过透镜光纤连接的辐射源， 光声气体探头包 括基板和与基板形成密封气室的壳体； 气室内远 离透光孔的壳体内侧壁上设置吸光结构， 壳体内 侧壁上设有数个弧面反射结构， 弧面反射结构分 布于气室的壳体内侧壁的上下各个位置， 辐射源 发出的光经过透镜光纤进入气室内， 经数个弧面 反射结构反射后到达吸光结构； 气室的壳体侧面 开设气孔， 气孔上覆盖防水透气膜； 气室内位于 基板上设置有传声器。 本发明所公开的检测系统 可以利用准直性好、 光功率高的激光， 并且能够 减小光声气体探头体积， 同时， 对气室内进行光 路优化， 可以进一步提升检测系统的精度、 灵敏 度与检测极限。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 114720379 A 2022.07.08 CN 114720379 A 1.一种基于光路优化的光声气体检测系统， 其特征在于， 包括光声气体探头和与光声 气体探头通过透镜光纤连接的辐射源， 所述光声气 体探头包括基板和与基板形成密封气室 的壳体， 所述气室的壳体一侧 壁上开设透光孔， 所述透镜光纤具有透镜的一端安装于透光 孔内， 另一端连接辐射源； 所述气室内远离透光孔的壳体内侧壁上设置吸光结构， 所述气室 的壳体内侧壁上设有 数个弧面反射结构， 所述弧面反射结构分布于气室的壳体内侧壁的上 下各个位置， 所述辐 射源发出 的光经过透镜光纤进入气室内， 经数个弧面反射结构反射后 到达吸光结构； 所述气室的壳体侧面开设气孔， 所述气孔上覆盖防水透气膜； 所述气室内位 于基板上设置有传声器。 2.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统， 其特征在于， 所述辐 射源为固体激光器或半导体激光器。 3.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统， 其特征在于， 所述传 声器为MEMS麦克风， 采用裸芯片形式封装， 且所述气室内的基板上还设置有对传声器信号 进行控制和前置放大的ASIC芯片， 以及用于控制传声器的控制元件。 4.根据权利要求3所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统， 其特征在于， 所述传 声器外侧安装有遮光外壳。 5.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统， 其特征在于， 所述传 声器为光纤麦克风， 所述光纤麦克风通过输入光纤连接所述辐 射源， 所述光纤麦克风通过 输出光纤连接气室外 部的光接收器。 6.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统， 其特征在于， 所述基 板为PCB板 。 7.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统， 其特征在于， 所述气 室的壳体为金属材质或塑料 材质且内壁镀膜。 8.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统， 其特征在于， 所述防 水透气膜为具有筛 选分子功能的分子 筛膜。 9.根据权利要求1所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统， 其特征在于， 所述气 孔和吸光结构位于气室的同一壳体内侧壁上。 10.根据权利要求1 ‑9任一所述的一种基于光路优化的光声气体检测系统， 其特征在 于， 所述辐射源通过光分路器连接多 条透镜光纤， 每条透镜光纤连接一个光声气 体探头， 形 成分布式光声气体 检测系统。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114720379 A 2一种基于光路优化的光声气体检测系统 技术领域 [0001]本发明涉及光声测量领域， 特别涉及一种基于光路优化的光声气体 检测系统。 背景技术 [0002]随着社会的不断发展， 人们在生产生活中接触到 的气体种类愈发繁杂， 气体浓度 检测对生产生活有着日益重要的影响。 传统气体检测方法包括电化学法、 电气法、 光学法 等。 其中基于光学法的气体传感器具有灵敏度高、 选择性 好等众多优点。 [0003]光声效应指的是气体吸收调制光后产生声压的现象， 其基本理论为由光到热再到 声， 产生光声信号的过程。 一种气 体会对某一特定波长的光具有很强的吸收峰， 不同种类气 体会对不同波长的光具有强吸收峰。 气体 吸收调制光后发生跃迁， 跃迁到激发态的分子以 某些形式将这部分能量释放， 释放的能量转化为热能。 基于光声效应的气体浓度传感器常 包括辐射源、 气室、 密闭光声池、 传 声器四个结构 。 在密闭的光声池内， 气 体吸收调制光源所 产生的光信号会产生相同频率的热信号， 根据理想气体状态方程， 相应会产生相同频率的 压力信号， 即光声信号。 光声信号会随气 体浓度增加而增加， 因而 可根据光声信号的大小检 测气体的浓度。 [0004]传统光声气体传感器尺寸往往较大， 以使光具有足够长 的光程被气体分子吸收， 以保证其检测精度、 灵敏度、 检测极限等指标。 同时， 密闭光声池体积往往较大且封装要求 较高， 使得光声传感器难以微型化。 [0005]在现有的微型集成化光声气体传感器中， 其常使用辐射源为MEMS光源， 其利于集 成， 但与大型的固体激光器、 半导体激光器等相比， MEMS光源出射光线准直性较差且光功率 较低。 这对检测精度、 检测极限、 检测灵敏度等检测指标的进一 步提升带来了困难。 发明内容 [0006]为解决上述技术问题， 本发明提供了一种基于光路优化的光声气体检测系统， 以 达到可以利用准直性好、 光功率高的激光， 并且能够减小光声气体探头体积， 同时， 对气室 内进行光路优化， 可以进一 步提升检测系统的精度、 灵敏度与检测极限等指标。 [0007]为达到上述目的， 本发明的技 术方案如下： [0008]一种基于光路优化的光声气体检测系统， 包括光声气体探头和与光声气体探头通 过透镜光纤连接的辐 射源， 所述光声气体探头包括基板和与基板形成密封气室的壳体， 所 述气室的壳体一侧 壁上开设透光孔， 所述透镜光纤具有透镜的一端安装于透光孔内， 另一 端连接辐 射源； 所述气室内远离透光孔的壳体内侧 壁上设置吸光结构， 所述气室的壳体内 侧壁上设有数个弧面反射结构， 所述弧面反射结构分布于气室的壳体内侧壁的上下各个位 置， 所述辐 射源发出 的光经过透镜光纤进入气室内， 经数个弧面反射结构反射后到达吸光 结构； 所述气室的壳体侧面开设气孔， 所述气孔上覆盖防水透气膜； 所述气室内位于基板上 设置有传声器。 [0009]上述方案中， 所述辐射源为固体激光器或半导体激光器。说　明　书 1/5 页 3 CN 114720379 A 3