CN104880415A - 一种薄膜气体传感器 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜气体传感器，使用一种可以吸收空气中特定种类气体分子的选择性吸收薄膜，将一束可调谐波长泵浦光聚焦到该膜上，泵浦光的波长调到特定气体分子的吸收波长上，气体分子会因为吸收泵浦光而产生热量从而在选择性吸收薄膜以及邻近的媒介中产生温度梯度，再让一束检测光通过温度梯度，检测光会产生偏转或者散焦，根据检测光探测器探测到的偏转或者散焦量的大小来推断气体的含量。本发明采用了光谱检测的方式，可以选择几种气体分子分别合适的谱线，使得这几种谱线相互错开，克服了传统检测电信号的传感器由于无法区分不同气体分子信号导致的选择性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及气体探测领域，特别是涉及一种基于光热光谱法的薄膜气体传感器。
背景技术
随着当今社会工业化的发展，空气污染的问题日渐突出，温室效应、酸雨、臭氧层的破坏等问题已经迫在眉睫，而解决这些问题的关键是迅速准确地检测到这些有毒的、有污染的气体物质，另外，在家居安全、矿井作业、火灾报警等方面气体检测也非常重要，为气敏传感器发展提供了的客观条件。
基于薄膜的气体传感器由于成本低、检测装置简单而是被重点发展的一类气体传感器。它将薄膜所吸附的气体种类和浓度转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得相关待测气体的信息，从而可以实现检测、监控和报警。目前广普型薄膜气体传感器存在选择性差的问题，当薄膜同时吸收几种气体时，由于检测的是电信号，所以无法区分几种气体各自的浓度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种薄膜气体传感器。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种薄膜气体传感器，包括泵浦光源、分束镜、光强探测器、A/D转换模块和主机，分束镜置于泵浦光源出射泵浦光的光路上，所述分束镜反射光路前放置光强探测器，光强探测器通过A/D转换模块连接主机；还包括斩波器、聚焦透镜、选择性吸收薄膜、基底、检测光源、检测光探测器及放大器模块；所述选择性吸收薄膜置于基底上，基底用于支撑；所述分束镜透射光路依次放置斩波器、聚焦透镜和选择性吸收薄膜；检测光源出射的检测光通过选择性吸收薄膜及其附近区域后到达检测光探测器；检测光探测器通过放大器模块连接主机。
优选的，所述检测光探测器为光位置探测器或针孔光强探测器。
进一步优选的，所述检测光探测器为光位置探测器，所述检测光光路设置为掠过选择性吸收薄膜表面，位置探测器可以是二象限探测器，也可以是四象限探测器。
另一优选的，所述检测光光路设置为以一定角度斜向入射选择性吸收薄膜。这种情况下，当使用针孔光强探测器作为检测光探测器时，在检测光源前设置聚焦透镜，使检测光会聚后入射选择性吸收薄膜。
进一步优选的，所述检测光探测器置于所述检测光自选择性吸收薄膜的反射光路上。
进一步优选的，所述检测光探测器置于所述检测光自选择性吸收薄膜的透射光路上。
优选的，所述放大器模块包括前置放大器和锁相放大器，所述检测光探测器通过前置放大器连接锁相放大器被测信号端，锁相放大器参考信号端连接斩波器，锁相放大器输出端通过A/D转换模块连接主机。
优选的，所述选择性吸收薄膜材质为聚合物，所述聚合物可以选用SXFA、PHFA、SXPYR、PEI、OV202、PIB或SXPH等常用的吸收膜材质。
本发明技术方案中，一定腔体内的被检测物质对泵浦激光的吸收越强或者泵浦激光的光强越强，所产生的待检测信号就越强，检测灵敏度就越高。本技术方案对所述泵浦光源的激光器没有特定限制，可以是固体激光器，气体激光器或者半导体激光器，可以是连续激光器或者脉冲激光器，可以是可调谐激光器或者单一波长的激光器，只要腔体内的被检测物质能对泵浦激光产生吸收即可。
检测光源发射检测激光，要求检测光不被腔体内的被检测物质吸收，对激光器的类型没有特定限制，可以是固体激光器，气体激光器或者半导体激光器，可以是连续激光器或者脉冲激光器，可以是可调谐激光器或者单一波长的激光器。
本发明技术方案利用了光热光谱技术，该技术是通过对光束偏转大小或者散焦程度的测定，来确定被测物质的光学、热学、力学等物理参数。其原理是被测样品某一区域吸收泵浦激光的光能后，吸收的光能转换为热能，并在被测物质的内部及邻近的媒质中产生加热效应，由于物质的折射率是温度的函数，所以在被测样品的被加热区及邻近的媒质内造成折射率变化，形成折射率梯度；热效应也可同时使被测样品直接发生形变；同时此时如果让另一束检测光入射被测样品或者其表面邻近具有折射率梯度的区域，则检测光将发生偏转或者散焦。
在本发明技术方案中，使用一种可以吸收空气中特定种类的气体分子选择性吸收薄膜，将一束可调谐波长泵浦光照射到该膜上，泵浦光的波长调到特定气体分子的吸收波长上，气体分子会因为吸收泵浦光而产生热量从而在选择性吸收薄膜以及邻近的媒介中产生温度梯度，再让一束检测光通过温度梯度，检测光会产生偏转或者散焦，根据光探测器探测到的偏转或者散焦量的大小来推断气体的含量。
本发明技术方案的有益效果在于，采用了光谱检测的方式，可以选择几种气体分子分别合适的谱线，使得这几种谱线相互错开，且只有当激光的波长调谐到相应的谱线波长时才产生吸收，不会存在几种气体无法区分的问题，克服了传统检测电信号的传感器选择性差的问题。
附图说明
图1为实施例1装置结构及工作原理示意图；
图2为实施例2装置结构及工作原理示意图；
图3a为实施例2装置薄膜未吸收气体时检测光反射示意图；
图3b为实施例2装置薄膜吸收气体时检测光反射示意图。
图4a为实施例3装置薄膜未吸收气体时检测光透射示意图；
图4b为实施例3装置薄膜吸收气体时检测光透射示意图；
图5为实施例4装置结构及工作原理示意图；
图6a为实施例4装置薄膜未吸收气体时检测光反射示意图；
图6b为实施例4装置薄膜吸收气体时检测光反射示意图。
图7a为实施例5装置薄膜未吸收气体时检测光透射示意图；
图7b为实施例5装置薄膜吸收气体时检测光透射示意图。
其中：
1：泵浦光源；1-1：泵浦光；1-2：分束光；2：分束镜；3：光强探测器；4：主机；4-1：A/D转换模块；5：斩波器；6：聚焦透镜；7：选择性吸收薄膜；7-1：凸起；7-2：基底；8：检测光源；8-1：检测光；8-2：反射光；8-3：散焦反射光；8-4：偏转反射光；8-5：透射光；8-6：散焦透射光；8-7：偏转透射光；9-1：光位置探测器；9-2：针孔光强探测器；10-1：前置放大器；10-2：锁相放大器。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明。
实施例1
图1所示是本实施例的基本结构和工作原理。
本实施例采用光热偏转的原理。泵浦光源1发射泵浦激光，泵浦光1-1首先入射到分束镜2上，有小部分光入射到光强探测器3中作为归一化信号，以消除由于泵浦光1-1功率波动而引起的测量误差；光强探测器3将接收到的信号输入到A/D转换模块4-1中，再输入到主机4中进行数据采集；大部分光透过分束镜2，然后由一个斩波器5斩波进行振幅调制，斩波器5的作用是给泵浦光1-1一个周期性调制信号；斩波器5的信号被接入到锁相放大器10-2中，以抑制光学噪声；最后泵浦光1-1被聚焦透镜6聚焦到选择性吸收薄膜7上，选择性吸收薄膜7会选择性吸收几种气体分子。
由于选择性吸收薄膜7吸收了几种气体分子，且泵浦光1-1的波长处于气体分子的吸收波长处，选择性吸收薄膜7会由于吸收泵浦光而产生热，在加热区及邻近的媒质内形成折射率梯度；此时让检测光8-1掠过选择性吸收薄膜7表面，由于折射率梯度而使得检测光8-1产生偏转，检测光8-1的偏转度由光位置探测器9-1所探测，光位置探测器9-1探测到的信号输入到前置放大器10-1中，然后再输入到锁相放大器10-2中，锁相放大器10-2中的信号经过A/D转换模块4-1进行模数转换后输入到主机4中进行数据采集。
实施例2
如图2所示，与实施例1不同，本实施例采用的是光热放大原理。检测光8-1以一定角度斜向入射到选择性吸收薄膜7上；当选择性吸收薄膜7对检测光具有较强的反射时，针孔光强探测器9-2被放置在检测光8-1的反射光路上。如图3a所示，当选择性吸收薄膜7未吸收气体时，经过选择性吸收薄膜7反射的反射光8-2未被放大；当选择性吸收薄膜7吸收气体，且泵浦光1-1波长处于气体的吸收峰，那么选择性吸收薄膜7会由于吸热而隆起一个高度，形成的凸起7-1如图3b所示，此时部分检测光8-1会由于这个凸起7-1而产生光束的扩束，形成散焦反射光8-3，从而使入射到针孔光强探测器9-2中的光强会变弱，根据这个信号可以推断待测气体的浓度。
实施例3
本实施例与实施例2区别为，当选择性吸收薄膜7对检测光具有较强的透射时，针孔光强探测器9-2被放置在检测光8-1的透射光路上。如图4a所示，当选择性吸收薄膜7未吸收气体时，检测光8-1经过选择性吸收薄膜7透射的透射光8-5未被放大；如图4b所示，当选择性吸收薄膜7吸收气体，且泵浦光1-1波长处于气体的吸收峰，那么选择性吸收薄膜7会由于吸热而隆起形成凸起7-1，此时部分检测光8-1会由于这个凸起7-1而产生光束的扩束，形成散焦透射光8-6，从而入射到针孔光强探测器9-2中的光强会变弱，根据这个信号可以推断待测气体的浓度。
实施例4
图5所示是本实施例的基本结构和工作原理图，本实施例采用光热偏转方式。因为凸起7-1存在散焦效果，因此为了偏转测量，将检测光8-1入射前通过聚焦透镜6聚焦，以一定角度斜向入射到选择性吸收薄膜7上；当选择性吸收薄膜7对检测光具有较强的反射时，光位置探测器9-1被放置在检测光8-1的反射光路上。如图6a所示，当选择性吸收薄膜7未吸收气体时，检测光8-1经过选择性吸收薄膜7反射后的反射光8-2未被偏转；如图6b所示，当选择性吸收薄膜7吸收气体，且泵浦光1-1波长处于气体的吸收峰，那么选择性吸收薄膜7会由于吸热而隆起形成凸起7-1，此时部分检测光8-1会由于这个凸起7-1而产生光束的偏转，形成偏转反射光8-4，从而使入射到光位置探测器9-1中的位置发生变化，根据这个变化信号可以推断气体的浓度。
实施例5
本实施例与实施例4区别为，当选择性吸收薄膜7对检测光具有较强的透射时，光位置探测器9-1被放置在检测光8-1的透射光路上。如图7a所示，当选择性吸收薄膜7未吸收气体时，检测光8-1经过选择性吸收薄膜7透射后的透射光8-5未被偏转；如图7b所示，当选择性吸收薄膜7吸收气体，且泵浦光1-1波长处于气体的吸收峰，那么选择性吸收薄膜7会由于吸热而隆起形成凸起7-1，此时部分检测光8-1会由于这个凸起7-1而产生光束的偏转，形成偏转透射光8-7，从而使入射到光位置探测器9-1中的位置发生变化，根据这个变化信号可以推断气体的浓度。
应理解，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种薄膜气体传感器，包括泵浦光源(1)、分束镜(2)、光强探测器(3)、A/D转换模块(4-1)和主机(4)，分束镜(2)置于泵浦光源(1)出射泵浦光(1-1)的光路上，所述分束镜(2)反射光路前放置光强探测器(3)，光强探测器(3)通过A/D转换模块(4-1)连接主机(4)，其特征在于：
还包括斩波器(5)、聚焦透镜(6)、选择性吸收薄膜(7)、基底(7-2)、检测光源(8)、检测光探测器及放大器模块；其中：
所述选择性吸收薄膜(7)置于基底(7-2)上；所述分束镜(2)透射光路依次放置斩波器(5)、聚焦透镜(6)和选择性吸收薄膜(7)；检测光源(8)出射的检测光(8-1)经过选择性吸收薄膜(7)及其附近区域后到达检测光探测器；检测光探测器通过放大器模块连接主机(4)。
2.根据权利要求1所述的薄膜气体传感器，其特征在于：所述检测光探测器为光位置探测器(9-1)或针孔光强探测器(9-2)。
3.根据权利要求2所述的薄膜气体传感器，其特征在于：所述光位置探测器(9-1)为二象限或四象限探测器。
4.根据权利要求2所述的薄膜气体传感器，其特征在于：所述检测光探测器为光位置探测器(9-1)，所述检测光(8-1)光路设置为掠过选择性吸收薄膜(7)表面。
5.根据权利要求2所述的薄膜气体传感器，其特征在于：所述检测光(8-1)光路设置为以一定角度斜向入射选择性吸收薄膜(7)。
6.根据权利要求5所述的薄膜气体传感器，其特征在于：所述检测光探测器为针孔光强探测器(9-2)，检测光源(8)与选择性吸收薄膜(7)之间光路中设置聚焦透镜(6)。
7.根据权利要求5所述的薄膜气体传感器，其特征在于：所述检测光探测器置于所述检测光(8-1)入射选择性吸收薄膜(7)形成的反射光路上。
8.根据权利要求5所述的薄膜气体传感器，其特征在于：所述检测光探测器置于所述检测光(8-1)入射选择性吸收薄膜(7)形成的透射光路上。
9.根据权利要求1至8任一项所述的薄膜气体传感器，其特征在于：所述放大器模块包括前置放大器(10-1)和锁相放大器(10-2)，所述检测光探测器通过前置放大器(10-1)连接锁相放大器(10-2)被测信号端，锁相放大器(10-2)参考信号端连接斩波器(5)，锁相放大器(10-2)输出端通过A/D转换模块(4-1)连接主机(4)。
10.根据权利要求1至8任一项所述的薄膜气体传感器，其特征在于：所述选择性吸收薄膜(7)材质为聚合物，所述聚合物为SXFA、PHFA、SXPYR、PEI、OV202、PIB或SXPH。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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