CN103411888B - 一种气体浓度测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体浓度测量方法及测量装置。本发明气体浓度测量方法是一种基于光学膜厚测量间接测量气体浓度检测的方法：平行光入射到某聚合物薄膜上，经其上下表面反射的光形成干涉，干涉光强随入射角近似成余弦变化；当有气体通过该膜层时，会引起膜层光学厚度（折射率×膜厚）的改变，引起入射角-干涉光强曲线发生平移；测量气体通入薄膜前后干涉光光强达到峰值时的入射角的改变，计算出聚合物薄膜光学厚度的改变量，从而计算出气体浓度。本发明气体浓度测量装置结构简单，成本低，操作方便，能有效测量气体浓度，尤其是对微量气体浓度的测量更加精确，减小了测量误差，在基于薄膜光学厚度变化测量原理的高精度气体浓度测量具有重要意义。

Description

一种气体浓度测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及一种气体浓度测量方法及装置，具体涉及一种通过改变入射光角度测量气体传感器薄膜光学厚度变化，从而计算气体浓度的方法及装置。

背景技术

将一定材料的聚合物涂敷在固体基底（如硅圆晶片或玻璃）上即形成一个类似于法布里-珀罗腔(FP)的气体传感器，该类传感器常用于实现对气体成分及浓度的非破坏性的、快速的、高灵敏的检测。特别地，适用于微气相色谱测量中。

当聚合物与气体的相互作用时，聚合物的折射率或厚度发生相应的变化从而改变了反射光的特性。

I_r(k,n,h,θ)＝I_d+I_acos(2knhcosθ)（1）

式（1）中，I_d为干涉直流项即等于膜层上表面和下表面各自反射光光强之和；I_a为干涉项的幅度；k光波波数；n膜的折射率；h为薄膜厚度；θ为光的入射角。

不考虑直流项，反射光强表达式表明从膜上反射的干涉光强是光波波数、薄膜折射率、膜层厚度和入射角的函数。薄膜折射率和膜层厚度合在一起，作为一个新的量，定义为薄膜的光学厚度:T＝nh。

若入射光为宽带光，光源入射角固定，则当厚度或折射率变化时，经传感器反射的光谱将产生相应的平移，基于该原理的光谱测量法，我们称之为光谱测量法。该方法已成功应用于微气体浓度的检测中。但是由于薄膜光学厚度变化量小，引起的谱移小，为了精确测量微小的谱移需要采用高性能的光谱仪设备，这增加了系统的复杂度和成本。

第二类测量方法是固定入射角和波长，测量输出光强的变化；该方法实施时，需要首先分析初始薄膜光学厚度，根据光强与薄膜光学厚度T的线性工作点，合理选择最佳入射角。该类方法结构简单、成本低，但是，为了减小误差，需要保证入射角位置的精确性。系统调节上存在一定的困难。且由于不可避免的初始薄膜光学厚度误差存在，从而给薄膜光学厚度变化测量也带来了误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能有效测出微气体浓度的测量方法及测量装置。

为了达到上述目的，本发明提供了一种气体浓度测量方法，气体浓度测量方法通过将气体通入气体传感器，与气体传感器上聚合物相互作用改变聚合物薄膜的厚度；利用光源输出入射光在聚合物薄膜上下两表面反射后再经会聚透镜形成干涉光，通过测量气体通入前后干涉光的变化，计算聚合物薄薄膜光学厚度的改变量，从而计算出气体浓度；上述气体浓度测量方法通过改变所述入射光的入射角，测量随入射角变化的干涉光光强变化曲线，根据光强变化曲线确定干涉光光强峰值时的入射角，测量气体通入前后干涉光光强峰值时入射角的改变，计算出聚合物薄薄膜光学厚度的改变量。

其中入射光在所述聚合物薄膜上的入射角优选变化范围为45°～65°。

本发明还提供了一种气体浓度测量装置，包括气体分离器、光源、气体传感器盒、气体传感器、光源、光束角度扫描装置、会聚透镜、图像传感器、图像采集卡和计算机；气体传感器设于气体传感器盒内；气体分离器与气体传感器盒相连通；光束角度扫描装置包括单片机、扫描振镜驱动器和扫描振镜；扫描振镜依次通过扫描振镜驱动器、单片机与计算机相连；光源输出光束依次通过扫描振镜、气体传感器、会聚透镜会聚至图像传感器上；图像传感器通过图像采集卡与计算机相连。

上述气体浓度测量装置还包括准直透镜；光源输出光束通过准直透镜入射扫描振镜。

其中，扫描振镜初始位置优选与水平面夹角为22.5°；扫描振镜的扫描角度为10°。

会聚透镜口径D≥(d₁+d₂)(tan65°－tan45°)，d₁为气体传感器至所述扫描振镜上光束反射点的距离，d₂为气体传感器至所述会聚透镜的距离。

本发明具体测量方法的原理，分析过程如下：

薄膜光学厚度微分和角度余弦微分之间的关系为：

$\frac{\mathrm{dT}}{T}=\frac{d\cos {\mathrm{\θ}}_M}{\cos {\mathrm{\θ}}_M}---\left(2\right)$

式中，T表示膜层光学厚度，θ_M表示如式（1）所示的干涉光光强获得最大值时所对应的入射角；假设薄膜的光学厚度由T₀→T₀+ΔT，相应的反射光强峰值的入射角当ΔT＜＜T时

$\mathrm{\ΔT}\≈\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_{M_i}-\cos {\mathrm{\θ}}_{M_0}}{\cos {\mathrm{\θ}}_{M_0}}\·T_0---\left(3\right)$

其中，初始膜厚光学厚度T₀可由下式计算得到

$T_0=\frac{N\·2\mathrm{\π}}{2k\cos {\mathrm{\θ}}_{M_0}}---\left(4\right)$

式（4）中，N为一整数，可由初始薄膜光学厚度和波长值估计出来，如已知光波波长为λ₀（0.5～1um之间），假设初始薄膜厚度为h₀₀（针对用于气体浓度检测的聚合物膜传感器，其初始薄膜厚度h₀₀为1um，镀膜误差范围一般不超过±10%，聚合物折射率n（1.4～1.7），（T₀₀＝nh₀₀）入射角度θ，如上所述假定为45°。（根据以上条件可以得出：1×20%×1.7×cos45°×2＝0.48＜λ₀），所以N可以根据式（5）唯一初步估计得到。

反过来再通过测量结果θ_M和N带入到式（4）中，对初始薄膜光学厚度进行修正T₀→T₀₀得到膜层的光学厚度变化后，可以根据实验标定以及前人的众多研究结果和数据，计算出某一类型气体的质量和浓度。

本发明相比现有技术具有以下优点：通过改变入射光的入射角，获得随入射角变化的干涉光强度变化曲线，分析气体作用前后光强度变化曲线的峰值变化，计算相应的聚合物薄膜光学厚度改变量，进一步推算出气体浓度。本发明气体浓度测量方法可测量出微小的厚度（如初始薄膜光学厚度1μm，薄膜光学厚度变化量为纳米级，则对应的气体浓度单位ppm(<100ppm)）；同时减小了由于初始薄膜光学厚度估计误差所带来的测量误差，使得气体浓度的测量更加精确。本发明利用计算机控制扫描振镜对入射光的入射角度进行快速扫描，利用图像传感器采集干涉光光强信号，制作干涉光光强变化曲线更加方便简单。本发明气体浓度测量装置结构简单，成本低，操作方便，能有效测量气体浓度，尤其是对微量气体浓度的测量更加精确，减小了测量误差，在基于薄膜光学厚度变化测量原理的高精度气体浓度测量具有重要意义。

附图说明

图1为本发明气体浓度测量装置的结构示意图；

图2为扫描振镜的初始角度及扫描范围示意图；

图3为cosθ～θ的曲线图；

图4为图3中θ为45°～65°的曲线段及拟合直线图；

图5为不同薄膜光学厚度反射光强随入射角变化曲线模拟图；

图6为图1中图像传感器参数与会聚透镜焦距关系示意图；

图7为图1中会聚透镜的口径与图像传感器位置关系示意图；

图8为本发明气体浓度测量装置的控制框图；

图9为薄膜光学厚度变化及气体浓度计算的程序框图；

图10为基于matlab模拟薄膜光学厚度变化1nm测量结果图。

图中，1-气体分离器，2-气体导管，3-气体传感器盒，4-光源，5-准直透镜，6-扫描振镜，7-气体传感器，8-会聚透镜，9-图像传感器，10-图像采集卡，11-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明气体浓度测量装置包括气体分离器1、气体导管2、气体传感器盒3、光源4、光束角度扫描装置、气体传感器7、会聚透镜8、图像传感器9、图像采集卡10和计算机11。气体传感器7设于气体传感器盒3内。气体分离器采用GC（气相色谱）气体分离器，通过气体导管2与气体传感器盒3相连通。光束角度扫描装置包括单片机、扫描振镜驱动器和扫描振镜6。扫描振镜6采用高速光学扫描振镜（KHz量级的高速扫描能满足测量速度的要求，mrad量级的位置重复性误差避免了多次扫描的角度位置误差），依次通过扫描振镜驱动器、单片机与计算机相连。光源4输出光束依次通过扫描振镜6、气体传感器7、会聚透镜8会聚至图像传感器9上；图像传感器9通过图像采集卡10与计算机11相连。光源4优选单色性好的激光光源，若采用半导体激光器，则在光源4和扫描振镜6之间设置准直透镜5，以形成准直度较高的平行光。扫描振镜6用于扫描入射光的入射角，气体传感器7的薄膜光学厚度随着被测气体成分及浓度而改变。图像传感器9采用普通的线阵CCD，CCD一帧信号产生的时间正好对应于扫描振镜6的一个正向扫描周期，用于采集从气体传感器反射的光强，计算机11接收数据信号进行处理。

本发明气体浓度测量装置的原理是通过角度扫描方式获得被测物反射光的光强随角度的分布特性，通过分析光强的峰值时入射角度位置改变测量薄膜光学厚度变化。

扫描振镜6的初始角度和扫描范围直接决定入射光的角度范围θ_min～θ_max，如图2所示。系统工作前根据式（6），按照入射光角度的需要，计算扫描振镜6的初始安装位置，以及其工作范围。

(6)

$\mathrm{\&Delta;\&alpha;}=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }-{\mathrm{\&theta;}}_{\min }}{2}$

对于入射光角度θ的扫描范围，确定原则：1、选取cosθ～θ的线性段；2、在所测薄膜光学厚度变化范围内保证反射光强曲线的峰值均在扫描角度范围内。如图3、图4所示，θ在45°～65°范围内的曲线非线性误差小于0.3%，且基本能保证在所测薄膜光学厚度变化范围内反射光强曲线的峰值均在扫描角度范围内。如图5所示为在光源波长为840nm，薄膜光学厚度在900nm～1100nm范围时，其反射光强分布曲线示意图。

如图6所示，根据系统所需测量最小薄膜光学厚度值确定的角度采样间隔dθ，及前面确定的扫描范围，进一步确定满足系统要求的图像传感器9CCD参数（像素数M、像素尺寸Δd）以及会聚透镜8的焦距值f。

M·Δd≥f·(tanθ_max-tanθ_min)Δd≥f·dθ(7)

如图7所示，根据扫描振镜6到气体传感器7的距离d₁以及会聚透镜8到气体传感器7的距离d₂计算会聚透镜8的最小口径D。

D≥(d₁+d₂)(tanθ_max-tanθ_min)(8)

如图8所示，本发明气体浓度测量装置工作时，计算机11控制单片机发出指令信号，扫描振镜驱动器控制扫描振镜6进行角度扫描，气体传感器7反射光通过会聚透镜8干涉至图像传感器9，单片机同步输出方波脉冲信号控制图像传感器9的曝光，并将光强转换成电信号通过图像采集卡10至计算机11。结合图9，计算机11通过以下步骤进行气体浓度计算：

步骤1，读取第i次测量的数据，对应于被测的第i种气体的扫描信号。

步骤2，选取信噪比（SNR）比较好的数据点，采用最小二乘法进行Q阶(Q可取3到5阶)多项式拟合，得到拟合曲线。

步骤3，找出拟合曲线的极值位置N_maxi。

步骤4，计算N_maxi与初始薄膜光学厚度对应的极值位置N_max0之差，

${\mathrm{\&Delta;N}}_i=N_{{\max }_i}-N_{{\max }_0}---\left(9\right)$

步骤5，根据系统灵敏度K计算出薄膜光学厚度变化ΔT＝KΔN_i（灵敏度K的大小可通过实验标定的方法获得）。

步骤6，根据气体浓度与薄膜光学厚度的关系式，计算出气体浓度。

如图10所示，为初始薄膜光学厚度误差在-10%～10%时，预设薄膜光学厚度变化1nm，膜层折射率n等于1.5且不变时的膜厚反演误差。从图中可以看出，使用本发明气体浓度测量装置进行气体浓度测量，能有效降低误差，提高测量精度。

Claims (6)

1.一种气体浓度测量方法，所述气体浓度测量方法通过将气体通入气体传感器，与气体传感器上聚合物相互作用改变聚合物薄膜的厚度；利用入射光在所述聚合物薄膜上下两表面反射后再经会聚透镜形成干涉光，通过测量气体通入前后干涉光的变化，计算聚合物薄膜光学厚度的改变量，从而计算出气体浓度；其特征在于：所述气体浓度测量方法通过改变所述入射光的入射角，测量随入射角变化的干涉光光强变化曲线，根据光强变化曲线确定干涉光光强峰值时的入射角，测量气体通入前后干涉光光强峰值时入射角的改变，计算出所述聚合物薄膜光学厚度的改变量；所述入射光的入射角改变采用角度扫描的方式。

2.根据权利要求1所述的气体浓度测量方法，其特征在于：所述入射光在所述聚合物薄膜上的入射角的变化范围为45°～65°。

3.一种采用权利要求1所述气体浓度测量方法的气体浓度测量装置，其特征在于：包括气体分离器、光源、气体传感器盒、气体传感器、光束角度扫描装置、会聚透镜、图像传感器、图像采集卡和计算机；所述气体传感器设于气体传感器盒内；所述气体分离器与气体传感器盒相连通；所述光束角度扫描装置包括单片机、扫描振镜驱动器和扫描振镜；所述扫描振镜依次通过扫描振镜驱动器、单片机与计算机相连；所述光源输出光束依次通过扫描振镜、气体传感器、会聚透镜会聚至图像传感器上；所述图像传感器通过图像采集卡与计算机相连。

4.根据权利要求3所述的气体浓度测量装置，其特征在于：所述气体浓度测量装置还包括准直透镜；所述光源输出光束通过所述准直透镜入射所述扫描振镜。

5.根据权利要求3或4所述的气体浓度测量装置，其特征在于：所述扫描振镜初始位置与水平面夹角为22.5°；所述扫描振镜的扫描角度为10°。

6.根据权利要求5所述的气体浓度测量装置，其特征在于：所述会聚透镜口径D≥(d₁+d₂)(tan65°－tan45°)，d₁为所述气体传感器至所述扫描振镜上光束反射点的距离，d₂为所述气体传感器至所述会聚透镜的距离。