CN104267005A - 激光触发式无源气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明具体为一种激光触发式无源气体传感器，解决了缺乏一种基于光学方法的气体传感器的问题。激光触发式无源气体传感器，包括靶面，靶面上中间位置覆盖有选择性吸附膜，与靶面相对设有激发器和接收端，接收端连出有显示端，激发器包括依次连接的柱面透镜、分束器和激光发生器，接收端包括激光二极管和依次连接的光线准直器、干涉膜、吸收式滤波器，显示端包括依次连接的光电管、A/D转换模块、处理及显示模块。本发明避免了装置工作可靠性低的问题，既保障了可持续稳定的对主设备进行状态监测，同时也避免了对主设备的运行维护产生不良影响，具有极高的安全性，非常适用于在高压、强电磁环境中工作。

Description

激光触发式无源气体传感器

技术领域

本发明涉及变电站温度参数传感检测设备，具体为一种激光触发式无源气体传感器。

背景技术

随着工业化的进程和人们生活水平的提高，气体传感器在工业应用与人们日常生活中都得到了广泛的应用，也成为倍受人们关注的研究课题。在众多的气体传感器中，声表面波（SAW）气体传感器的开发和应用受到了广泛的关注并获得了长足的进步。声表面波（SAW）传感器的研究起源于七十年代，当时人们在研究声表面波（SAW）电子器件的时候发现表面沉积物、应力、温度、电场、磁场等外界因素均会对器件的特性产生较大的影响，这些影响是电子器件所不希望的，然而却十分适用于传感器的研究。由于这种传感器具有高精度、高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰能力强，不需要模/数转换，敏感器件采用半导体平面工艺制作，易于集成及大规模生产等优点，三十多年来，以声表面波（SAW）延迟线或谐振器作为核心敏感组件的声表面波（SAW）传感器技术得到了很大发展。到目前为止，人们不但已经研制了温度、压力、质量传感器。特别是在气体传感器方面已经取得了可喜的科研成果。

声表面波（SAW）气体传感器的基本结构是在以压电材料为衬底的表面上，一端为输入叉指换能器（IDT1），另一端为输出叉指换能器（IDT2），两者之间的区域淀积了针对特定气体敏感的薄膜。此薄膜与被测气体发生相互作用，导致界面膜的物理性质发生变化，从而改变了声表面波（SAW）的速度或频率，因此通过测量声波的频率偏移或相位延迟可以反演得到气体的种类、浓度等待测量。传统的声表面波（SAW）气体传感器大多采用金属叉指换能器（IDT）制成的，但传统的声电换能器由于固有的缺点，如频响低，接触式等，越来越多的被这二十年来发展起来的光学方法来代替，光学方法可以分为干涉法和非干涉法。并且有一个趋势，即光纤化，光纤传感器由于固有的诸多优点，例如小巧灵活，抗干扰强，易于微型化和集成化，已越来越多的被用在超声检测中，替代己有的复杂光路检测手段。

发明内容

本发明为了解决缺乏一种基于光学方法的气体传感器的问题，提供了一种激光触发式无源气体传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：激光触发式无源气体传感器，包括靶面，靶面上中间位置覆盖有选择性吸附膜，与靶面相对设有激发器和接收端，接收端连出有显示端，激发器包括依次连接的柱面透镜、分束器和激光发生器，接收端包括激光二极管和依次连接的光线准直器、干涉膜、吸收式滤波器，显示端包括依次连接的光电管、A/D转换模块、处理及显示模块。

本发明采用激光在覆有选择性吸附膜的金属靶面表面激发声表面波，用单芯光纤耦合的反射式光束偏转法在薄膜处对所激发的声表面波进行探测，进而准确检测出气体的浓度。选择性吸附膜只对所需敏感的气体有吸附作用。选择性吸附膜具有可逆性和高稳定性，可逆性指的是选择性吸附膜对敏感气体既有吸附作用，又有解吸作用，当待测的敏感气体浓度升高时，选择性吸附膜所吸收的气体量随之增加；当浓度降低时，选择性吸附膜还应该能够解吸待测气体。吸附过程和解吸过程是严格互逆的。当选择性吸附膜用各向同性绝缘材料时，它对气体的吸附作用转变为覆盖层密度的变化，于是声表面波传播路径上的质量负载效应使得声表面波波速发生变化。从而引起材料表面倾角的变化，表面倾角改变，光通量也会产生相应的变化，从而得到新的交流电信号，通过检测可得表面倾角改变的大小，进而定量分析检测出被检测气体的浓度。本发明中的探测光束由激光发生器发出，通过光电管（PMT）接收激光反射光转化为电信号实现，信号经放大滤波后，由A/D转换模块采样并通过串口存储到处理及显示模块进行处理，实现对外的传感、显示等功能。

上述激光发生器、分束器、柱面透镜、光线准直器、干涉膜、吸收式滤波器、激光二极管、光电管、A/D转换模块、处理及显示模块为现有产品，其使用方法、相对位置设计和控制方式为本领域技术人员容易实现的。

本发明的有益效果如下：本发明利用激光在覆有吸附性薄膜的金属表面激发声表面波，用单芯光纤耦合的反射式光束偏转法在薄膜处对所激发声表面波进行探测，实现了气体浓度的准确检测。本发明避免了因电子元器件质量及寿命导致装置工作可靠性低的问题，其使用寿命可视为与被监测设备同寿命。既保障了在线监测装置可持续稳定的对主设备进行状态监测，同时也避免了因在线监测装置可靠性问题对主设备的运行维护产生不良影响，具有极高的安全性，非常适用于在高压、强电磁环境中工作。本发明改变了传统声表面波传感器一些固有的缺点，如频响低，接触式等，采用光学方法来代替，不仅可应用于气体测量领域，还可应用于测量压力、湿度、液相等多种介质的无源无线传感器，有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1-激发器，2-接收端，3-显示端，4-靶面，5-选择性吸附膜，11-激光发生器，12-分束器，13-柱面透镜，21-光线准直器，22-干涉膜，23-吸收式滤波器，24-激光二极管，31-光电管，32-A/D转换模块，33-处理及显示模块。

具体实施方式

激光触发式无源气体传感器，包括靶面4，靶面4上中间位置覆盖有选择性吸附膜5，与靶面4相对设有激发器1和接收端2，接收端2连出有显示端3，激发器1包括依次连接的柱面透镜13、分束器12和激光发生器11，接收端2包括激光二极管24和依次连接的光线准直器21、干涉膜22、吸收式滤波器23，显示端3包括依次连接的光电管31、A/D转换模块32、处理及显示模块33。

具体实施过程中，检测SO₂气体为例时，靶面金属选择铝，这是一种各向同性的金属材料，对脉冲激光容易吸收，光声转换效率较高, 使用了抛光铝材作为靶材，采用聚苯胺（PAn）薄膜（敏感SO₂气体）作为吸附膜，薄膜是分别将本征态、掺杂态聚苯胺粉末按气敏膜面积称取，溶解在N-二甲基酰胺溶剂中，球磨后，使其充分溶解、分散，然后将溶液小心旋涂于铝块表面，溶剂挥发后形成的气敏膜。

当被测环境中SO₂气体浓度升高时，PAn薄膜所吸收的气体量也随之增加，从而使倾角变小，输出交流电压幅度降低；当被测环境中SO₂气体浓度降低时，薄膜所吸收的气体量也随之减少，倾角增大，输出交流电压幅度增大。

通过柱状透镜聚焦成线光源，所激发的是瑞利波，瑞利波是由Nd:YAG激光器来激发，波长1.06μm，脉宽30ns，单脉冲的能量可以达到70mJ，激光脉冲通过滤光片滤波后，被一个焦距40mm的聚焦透镜聚焦在靶材上，当靶材受到脉冲激光的作用时，由于热弹以及融蚀等多种效应，会在材料中激发出各种波型。

Claims (1)

1. 一种激光触发式无源气体传感器，其特征在于：包括靶面（4），靶面（4）上中间位置覆盖有选择性吸附膜（5），与靶面（4）相对设有激发器（1）和接收端（2），接收端（2）连出有显示端（3），激发器（1）包括依次连接的柱面透镜（13）、分束器（12）和激光发生器（11），接收端（2）包括激光二极管（24）和依次连接的光线准直器（21）、干涉膜（22）、吸收式滤波器（23），显示端（3）包括依次连接的光电管（31）、A/D转换模块（32）、处理及显示模块（33）。