CN105445216A - 一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体探测技术领域，尤其涉及一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，包括气室、红外热辐射光源、起偏器、准平行光组件、异常反射式超表面和热释电探测器；所述红外热辐射光源设置在所述起偏器的入射端；所述准平行光组件的入射端与所述起偏器的出射端连接；所述准平行光组件的出射端伸入所述气室；所述异常反射式超表面设置于所述气室内；所述热释电探测器设置在所述气室上。本发明利用异常反射式超表面的分光特性，能够实现对多种气体的同时测量，结构简单，体积小，并且能够避免衍射光谱的级次重叠的问题，具有较高的测量精度。

Description

一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器

技术领域

本发明涉及气体探测技术领域，尤其涉及一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器。

背景技术

随着人们生活水平的提高和对环保的日益重视，现今对各种有毒有害气体的探测，以及对大气污染、工业废气的监控、人居环境质量的检测都提出了更高的要求。在煤矿、石油、化工等行业的生产过程中存在大量的易燃、易腐蚀、有毒气体。当这些气体超出一定的浓度值时，不仅会对环境造成一定的影响，还会对人民的生命与财产等造成严重的威胁。因此，为了防止事故的发生，对易燃、有毒有害气体进行及时、准确的检测刻不容缓。其中，CH₄、SO₂、CO₂、CO的安全隐患尤为普遍，因此需要对这几种气体的浓度进行实时监控、精确测量。

目前常见的气体传感器按工作原理来分主要有半导体传感器、绝缘体传感器、电化学式、基于光学原理型、石英振荡型、热传导型、声表面波型、气体色谱法以及基于微机电系统(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)的微结构气敏传感器。与其它类别气体传感器相比，基于光学原理的气体传感器具有应用广泛、使用寿命长、灵敏度高、稳定性好、适合气体种类多、性价比高、维护成本低、可在线分析等一系列优点。基于光学原理的气体传感器，可以通过红外吸收光谱法、表面等离激元共振频移、反射率变化、干涉条纹的变化、荧光效应等来判别、测量气体的种类与浓度。其中，红外吸收光谱法是利用气体分子对红外光区电磁辐射的选择性吸收特性来对气体进行定性和定量分析。不同种类的气体对应不同的本征吸收波长，利用不同波长被吸收的情况可以判别气体的种类，并且依据朗伯-比尔定律，通过测量某一本征吸收波长处光强的变化就可以确定气体浓度，这在光学气体传感器中具有重要的应用。

然而，常用的红外吸收型气体传感器在气体探测过程中，往往只能对单种气体进行测量，而对于多种气体的测量，需要利用傅里叶分析仪和多个不同波长的半导体激光器，或者切换多个滤波器，才能够完成。因此，现有技术中的红外吸收型气体传感器实现对多种气体的测量时，结构复杂，体积庞大，并不利于多种气体的同时测量。另外，基于闪耀光栅的红外吸收型气体探测器，由于衍射光栅光谱的级次重叠，即衍射光栅在同一位置有不同级次的不同波长的光谱线，将会给气体的测量带来误差。

发明内容

本发明通过提供一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，解决了现有技术中的红外吸收型气体传感器在测量多种气体时，结构复杂、体积庞大，并且测量存在误差的技术问题。

本发明实施例提供了一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，包括气室、红外热辐射光源、起偏器、准平行光组件、异常反射式超表面和热释电探测器；

所述红外热辐射光源设置在所述起偏器的入射端；

所述准平行光组件的入射端与所述起偏器的出射端连接；

所述准平行光组件的出射端伸入所述气室；

所述异常反射式超表面设置于所述气室内；

所述热释电探测器设置在所述气室上；

其中，所述气室用于盛装待测量气体，所述红外热辐射光源发出的宽带红外光依次经过所述起偏器和所述准平行光组件后获得准平行偏振光，所述准平行偏振光正入射到所述异常反射式超表面上，所述异常反射式超表面将所述准平行偏振光分光并反射至所述热释电探测器，所述热释电探测器用于将经过所述异常反射式超表面分光之后的反射光转换为电信号，根据所述电信号能够确定所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。

优选的，所述气室上设置有进气口和出气口。

优选的，在所述进气口和所述出气口上分别设置一阀门。

优选的，当所述待测量气体包括多种不同的气体时，所述红外吸收型多气体浓度测量传感器包括：

多个所述热释电探测器，所述多个热释电探测器设置在所述气室上的不同的反射角度位置处，其中，所述不同的反射角度位置与所述不同的气体特征吸收波长相对应。

优选的，所述反射角度位置通过以下公式进行确定：

θ_r＝arcsin(λ/Γ)

其中，θ_r为所述反射角度位置，λ为所述气体的特征吸收波长，Γ为所述异常反射式超表面中超晶胞沿相位梯度方向的晶格常数。

优选的，所述异常反射式超表面的结构为金属-绝缘体-金属。

优选的，还包括光电信号处理模块；

所述光电信号处理模块与所述热释电探测器相连；

其中，所述光电信号处理模块用于对所述电信号进行处理，获得所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种应用于上述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器中的气体测量方法，所述方法包括：

利用所述红外热辐射光源发出宽带红外光，并使所述宽带红外光依次经过所述起偏器和所述准平行光组件后获得准平行偏振光；

利用所述异常反射式超表面对所述准平行偏振光进行分光并反射；

分别在所述气室未盛装和盛装所述待测量气体时，利用所述热释电探测器捕捉所述准平行偏振光经过所述异常反射式超表面分光之后的反射光，并将所述反射光转换为电信号，从而获得参考信号和测试信号；

根据所述参考信号和所述测试信号，确定出所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。

优选的，根据所述参考信号和所述测试信号，获得所述待测量气体中包含的气体的浓度，具体为：

根据公式获得所述气体的浓度；

其中，I为所述测试信号，I₀为所述参考信号，α为所述气体的吸收系数，L为所述准平行偏振光通过所述气体的长度，C为所述气体的浓度。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明利用红外热辐射光源发出宽带红外光，经由起偏器和准平行光组件将宽带红外光转换为准平行偏振光后，通过异常反射式超表面对准平行偏振光进行色散分光，并通过热释电传感器将光信号转换为电信号，利用异常反射式超表面的分光特性，能够实现对多种气体的同时测量，结构简单，体积小，并且，能够避免衍射光谱的级次重叠的问题，具有较高的测量精度。

又，本发明结构组成简单，仅需一个分光元件就可以实现多种气体种类及其浓度测量，该分光元件采用基于平面工艺的异常反射式超表面，其能够为进一步集成提供便利，可以批量制作，降低多气体浓度测量的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种应用于基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器中的气体测量方法的流程图；

图3为本发明实施例中异常反射式超表面的二维平面图；

图4为本发明实施例中单个超晶胞的二维平面图；

图5为本发明实施例中单个超晶胞的三维结构图；

图6为本发明实施例中异常反射式超表面的分光原理和热释电探测器固定位置的示意图；

图7为本发明实施例中参考信号I₀沿反射角度θ_r的分布示意图；

图8为本发明实施例中测试信号I沿反射角度θ_r的分布示意图。

其中，1为红外热辐射光源，2为起偏器，3为准平行光组件，4为进气口，5为气室，6为出气口，7为异常反射式超表面，8为第一热释电探测器，9为第二热释电探测器，10为第三热释电探测器，11为第四热释电探测器，S为超晶胞。

具体实施方式

为解决现有技术中的红外吸收型气体传感器在测量多种气体时，结构复杂、体积庞大，并且，测量存在误差的技术问题，本发明提供一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，如图1所示，所述红外吸收型多气体浓度测量传感器包括气室5、红外热辐射光源1、起偏器2、准平行光组件3、异常反射式超表面7和热释电探测器。红外热辐射光源1设置在起偏器2的入射端，准平行光组件3的入射端与起偏器2的出射端连接。准平行光组件3的出射端伸入气室5，异常反射式超表面7设置于气室5内，热释电探测器设置在气室5上。红外热辐射光源1发出的宽带红外光依次经过起偏器2和准平行光组件3后获得准平行偏振光，准平行偏振光正入射到异常反射式超表面7上，异常反射式超表面7将准平行偏振光分光并反射至所述热释电探测器，热释电探测器用于将经过异常反射式超表面分光之后的反射光转换为电信号，根据所述电信号能够确定所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。

具体来讲，在本申请中，气室5内盛装有待测量气体。红外热辐射光源1用于发出宽带红外光，优选的，宽带红外光的波段范围在3μm-5μm。由红外热辐射光源1发出的宽带红外光首先经过起偏器2，起偏器2用于选择宽带红外光的偏振方向，由于异常反射式超表面7只能对特定方向的光偏振分量提供异常反射，因此，通过起偏器2的选择，能够使通过它的光偏振分量满足异常反射式超表面7所要求的特定偏振条件。接着，利用准平行光组件3将红外热辐射光源1发出的发散的粗光束转换为平行的细光束，即准平行偏振光。

进一步，经由起偏器2和准平行光组件3获得的准平行偏振光正入射到异常反射式超表面7，异常反射式超表面7具有色散分光作用，其能够将待测量气体所对应的特征吸收波长的光反射到热释电探测器上。热释电探测器用于将接收到的光信号转变为电信号。其中，异常反射式超表面7的结构为金属-绝缘体-金属，即，异常反射式超表面7的中间层为绝缘体，异常反射式超表面7的上表面和下表面均为金属，其具有高反射率、宽光谱分光的特性。其中，异常反射式超表面7又被称为相位梯度超表面。

在本申请中，当待测量气体包括多种不同的气体时，红外吸收型多气体浓度测量传感器包括多个热释电探测器，多个热释电探测器设置在气室5上的不同的反射角度位置处，其中，不同的反射角度位置与不同气体的特征吸收波长相对应。进一步，当待测量气体包括多种不同的气体时，异常反射式超表面7将不同气体所对应的特征吸收波长的光分别反射到位于不同反射角度的不同热释电探测器上。其中，反射角度位置通过以下公式进行确定：θ_r＝arcsin(λ/Γ)。其中，θ_r为反射角度位置，λ为气体的特征吸收波长，Γ为异常反射式超表面中超晶胞沿相位梯度方向的晶格常数。

例如，当待测量气体中包括CH₄、SO₂、CO₂和CO四种气体时，红外吸收型多气体浓度测量传感器包括第一热释电探测器8、第二热释电探测器9、第三热释电探测器10和第四热释电探测器11，第一热释电探测器8设置在反射角度为35°的第一反射角度位置，第二热释电探测器9设置在反射角度为42°的第二反射角度位置，第三热释电探测器10设置在反射角度为45°的第三反射角度位置，第四热释电探测器11设置在反射角度为51°的第四反射角度位置，同时，异常反射式超表面7的设计参数能够确保其将中心波长分别为3.43μm、3.98μm、4.26μm和4.65μm的正入射光分别以35°、42°、45°和51°的反射角度分别反射到第一热释电探测器8、第二热释电探测器9、第三热释电探测器10和第四热释电探测器11上。上述中心波长分别对应了CH₄、SO₂、CO₂和CO这四种气体的特征吸收波长。第一热释电探测器8、第二热释电探测器9、第三热释电探测器10和第四热释电探测器11分别用来探测波长为3.43μm、3.98μm、4.26μm、4.65μm的出射光。从而，当位于第一反射角度位置的第一热释电探测器检测到的测试信号比参考信号显著减小的时候，表明待测量气体中包含CH₄，当位于第二反射角度位置的第二热释电探测器检测到的测试信号比参考信号显著减小的时候，表明待测量气体中包含SO₂，当位于第三反射角度位置的第三热释电探测器检测到的测试信号比参考信号显著减小的时候，表明待测量气体中包含CO₂，当位于第四反射角度位置的第四热释电探测器检测到的测试信号比参考信号显著减小的时候，表明待测量气体中包含CO。

进一步，本申请的红外吸收型多气体浓度测量传感器还包括光电信号处理模块，光电信号处理模块与热释电探测器相连，其中，光电信号处理模块用于对电信号进行处理，获得待测量气体中包含的气体的种类和浓度。

进一步，在本申请中，在气室5上设置有进气口4和出气口6，待测量气体由进气口4进入气室5，并通过出气口6从气室5中排出。优选的，在进气口4和出气口6上分别设置一阀门。通过阀门能够对进气和排气的流量进行控制。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种气体测量方法，如图2所示，所述方法包括：

步骤101：利用所述红外热辐射光源发出宽带红外光，并使所述宽带红外光依次经过所述起偏器和所述准平行光组件后获得准平行偏振光；

步骤102：利用所述异常反射式超表面对所述准平行偏振光进行分光并反射；

步骤103：分别在所述气室未盛装和盛装所述待测量气体时，利用所述热释电探测器捕捉所述准平行偏振光经过所述异常反射式超表面分光之后的反射光，并将所述反射光转换为电信号，从而获得参考信号和测试信号；

步骤104：根据所述参考信号和所述测试信号，确定出所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。

其中，根据所述参考信号和所述测试信号，获得所述待测量气体中包含的气体的浓度，具体为：

根据公式获得所述气体的浓度。其中，I为所述测试信号，I₀为所述参考信号，α为所述气体的吸收系数，L为所述准平行偏振光通过所述气体的长度，C为所述气体的浓度。

下面以待测量气体包括CH₄、SO₂、CO₂和CO四种气体为例，对本申请的红外吸收型多气体浓度测量传感器在使用时的测量方法进行详细说明：

首先，利用红外热辐射光源1发出宽带红外光，宽带红外光依次经过起偏器2和准平行光组件3之后，获得的准平行偏振光正入射到异常反射式超表面7上。异常反射式超表面7对宽带红外光进行色散分光，即，将波长分别为3.43μm、3.98μm、4.26μm和4.65μm的光分别反射到位于35°、42°、45°和51°反射角度位置的第一热释电探测器8、第二热释电探测器9、第三热释电探测器10和第四热释电探测器11上。第一热释电探测器8用于探测CH₄气体、第二热释电探测器9用于探测SO₂气体、第三热释电探测器10用于探测CO₂气体，第四热释电探测器11用于探测CO气体。在未通入待测量气体时，将上述四个热释电探测器的输出信号均记为参考信号I₀。

接着，打开进气口4和出气口6的阀门，将带测量气体由带有阀门的进气口4通入气室5内，待气室5充满待测量气体后，将此时四个热释电探测器的输出信号记为测试信号I。光电信号处理模块根据热释电探测器的参考信号和测试信号，结合朗伯-比尔定律，能够获得各气体的种类与气体浓度。其中，朗伯-比尔定律为I＝I₀·exp(-αCL)，I为测试信号，I₀为参考信号，α为气体的吸收系数，L为光通过气体的长度，C为气体的浓度。

在本申请中，异常反射式超表面7又称相位梯度超表面，其基本组成结构是超晶胞S，超晶胞S是由金属天线组成的阵列，通过人为地设计组成金属天线的几何尺寸、形状和旋转角度，可以在亚波长的范围内，使得某一偏振态的散射光的相位发生0-2π的线性变化。如图3所示，其中，异常反射式超表面7由周期排列的超晶胞S构成。每一个超晶胞S又是由五对尺寸不同的金属天线构成，五对金属天线沿着x方向排列，分别为s1-s10。其中，入射光源是偏振方向沿y方向的准平行偏振光，通过改变上层五对金属纳米天线的y方向的尺寸可以使沿这一维度的偏振光产生相位延迟，从而可以在x方向上实现一定的相位梯度，即相位梯度的方向是沿着x方向。当光束传播界面存在一维相位梯度时，入射光束不再遵循传统的折/反射定律，而是遵循广义的斯涅耳定律。根据广义的斯涅耳定律，当一束光正入射到相位梯度超表面上时，即入射角度为0°，反射光束的传播方向θ_r与入射波长λ的关系为：

θ_r＝arcsin(λ/Γ)(1)

其中，Γ为超晶胞S的晶格常数。由公式(1)可见在这种反射中当入射角度为0°时，异常反射式超表面7将不同的波长反射到异常反射级次，反射角度不再是0°，其大小取决于入射波长λ和超晶胞S沿相位梯度方向的晶格常数Γ，相位梯度方向即图3中的x方向。进一步，由公式(1)可见不同波长的光对应的反射角不同。

本申请正是利用异常反射超表面的上述分光特性来判别气体的种类，不同气体对应的吸收波长不同。例如，当待测量气体包括CH₄、SO₂、CO₂和CO时，它们的特征吸收波长分别为3.43μm、3.98μm、4.26μm和4.65μm。本申请中的异常反射超表面沿相位梯度方向的晶格常数Γ＝6μm。由公式(1)可计算出，这四种气体对应的反射角分别为35°、42°、45°和51°，因此，固定在35°反射角位置的第一热释电探测器8用于探测CH₄气体，固定在42°反射角位置的第二热释电探测器9用于探测SO₂气体，固定在45°反射角位置的第三热释电探测器10用于探测CO₂气体，固定在51°反射角位置的第四热释电探测器11用于探测CO气体。下表1给出了上述气体种类、对应的特征吸收波长、对应的反射角度，也即是热释电探测器设置的位置、对应的热释电探测器标号。

气体种类	CH4	SO2	CO2	CO
					气体的特征吸收波长/μm	3.43	3.98	4.26	4.65
不同特征吸收波长对应的反射角度/°	35	42	45	51
					对应的热释电探测器编号	8	9	10	11

表1

超晶胞S的三维结构如图5所示，结合图3至图5，入射光源为电场矢量E沿y方向偏振的线偏振光，H为入射光的磁场矢量，入射光的波矢k垂直于超晶胞S，Γ也为超晶胞S在x方向的长度，超晶胞S在y方向的长度为l’。超晶胞S由三层材料组成，分别为金(Au)-硅(Si)-金(Au)。具体来说，超晶胞S底层为金属背板，其材料为金，厚度为t3。中间层为硅绝缘层，其厚度为t2。最上层则是由五对由金材料所制作的金属天线组成，它们的厚度均为t1，宽度均为w，但是这五对金天线沿y方向的长度互不相同，如图4所示，分别为l’₁、l’₂、l’₃、l’₄、l’₅。下表2给出了一个超晶胞S的尺寸参数的示例：

尺寸	Γ	l’	w	l’1	l’2	l’3	l’4	l’5	t1	t2	t3
												单位/μm	6	0.3	0.45	0.02	0.16	0.21	0.25	0.28	0.03	0.22	0.13

表2

图6给出了异常反射式超表面7的分光原理以及热释电探测器固定位置的示意图。N为底面的法线方向，即异常反射式超表面7的法线，i表示准平行偏振光正入射光束，θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别表示波长为λ1、λ2、λ3、λ4的出射光束与法线的夹角。经过异常反射式超表面7的色散分光作用，将分别对应CH₄、SO₂、CO₂、CO气体特征吸收波长的光束分别反射到不同方向。由于CH₄、SO₂、CO₂、CO气体的特征吸收波长分别为λ1＝3.43μm，λ2＝3.98μm，λ3＝4.26μm，λ4＝4.65μm。由(1)式计算出上述波长光所对应的反射角度θ_r分别为θ₁＝35°，θ₂＝42°，θ₃＝45°，θ₄＝51°。因此，将四个热释电探测器分别安装在上述反射角度位置，分别用来探测CH₄、SO₂、CO₂、CO气体。

本申请的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器能够在3.3μm-5.0μm的宽带波长范围内工作，不仅能对CH₄、SO₂、CO₂、CO这四种气体的种类进行判别，还可以实现在此宽带波长范围内的其他气体进行探测。此外，通过对异常反射式超表面7尺寸的缩放，可以将基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器扩展到更多种类的气体的测量中，例如，将超晶胞S沿相位梯度方向的晶格常数Γ设为12μm，并优化设计出能够在5μm到10μm宽带范围内具有分光特性的异常反射式超表面7，并将热释电探测器的位置分别固定在NO、C₂H₆、C₂H₂、C₂H₄气体的特征吸收波长5.5μm、7μm、8μm、10μm所对应的反射角度27.3°、35.6°、41.8°、56.4°的位置，通过比较气体吸收前后照射到热释电探测器上的光强的变化，则依据上述同样的方法，就可以实现对应特征吸收波长为5.5μm、7μm、8μm、10μm的NO、C₂H₆、C₂H₂、C₂H₄气体种类的判别。

在确定出气体的种类后，本申请的所述红外吸收型多气体浓度测量传感器还可以精确地探测待测量气体的浓度。当一束光入射到暂未充气的气室5内，将此时从气室5的出射光强记作为I₀，其中，I₀为参考信号，图7给出了I₀沿反射角度θ_r的分布。当气室5充满气体时，由于气体对光的吸收作用，光强会发生衰减，将此时从气室5的出射光强记作为I，其中，I为测试信号，图8给出光被气体吸收后的出射光强I沿反射角度θ_r的分布。气体对光的衰减作用与气体的吸收系数α、气体浓度C、光通过气体的长度L有关。根据朗伯—比尔定律，可以推导出气体浓度C为：

$C=\frac{1}{\mathrm{\α}L}1n\left(\frac{I_0}{I}\right)---\left(2\right)$

由于吸收系数α是已知的，并且对于固定气室5，光通过气体的长度L也是已知的。因此，由公式(2)就可以确定气体的浓度。

需要说明的是，在本发明中，θ_r为异常反射式超表面反射后的出射光线与异常反射式超表面7的法线之间的夹角，其不仅是反射角度，还是热释电探测器所设置的反射角度位置，即，将热释电探测器设置在该反射角度所在路径上的气室5上。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本发明利用红外热辐射光源发出宽带红外光，经由起偏器和准平行光组件将宽带红外光转换为准平行偏振光后，通过异常反射式超表面对准平行偏振光进行色散分光，并通过热释电传感器将光信号转换为电信号，利用异常反射式超表面的分光特性，能够实现对多种气体的同时测量，结构简单，体积小，并且，能够避免衍射光谱的级次重叠的问题，具有较高的测量精度。

又，本发明结构组成简单，仅需一个分光元件就可以实现多种气体种类及其浓度测量，该分光元件采用基于平面工艺的异常反射式超表面，其能够为进一步集成提供便利，可以批量制作，降低多气体浓度测量的成本。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，其特征在于，包括气室、红外热辐射光源、起偏器、准平行光组件、异常反射式超表面和热释电探测器；

所述红外热辐射光源设置在所述起偏器的入射端；

所述准平行光组件的入射端与所述起偏器的出射端连接；

所述准平行光组件的出射端伸入所述气室；

所述异常反射式超表面设置于所述气室内；

所述热释电探测器设置在所述气室上；

其中，所述气室用于盛装待测量气体，所述红外热辐射光源发出的宽带红外光依次经过所述起偏器和所述准平行光组件后获得准平行偏振光，所述准平行偏振光正入射到所述异常反射式超表面上，所述异常反射式超表面将所述准平行偏振光分光并反射至所述热释电探测器，所述热释电探测器用于将经过所述异常反射式超表面分光之后的反射光转换为电信号，根据所述电信号能够确定所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。

2.如权利要求1所述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，其特征在于，所述气室上设置有进气口和出气口。

3.如权利要求2所述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，其特征在于，在所述进气口和所述出气口上分别设置一阀门。

4.如权利要求1所述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，其特征在于，当所述待测量气体包括多种不同的气体时，所述红外吸收型多气体浓度测量传感器包括：

多个所述热释电探测器，所述多个热释电探测器设置在所述气室上的不同的反射角度位置处，其中，所述不同的反射角度位置与所述不同的气体特征吸收波长相对应。

5.如权利要求4所述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，其特征在于，所述反射角度位置通过以下公式进行确定：

θ_r＝arcsin(λ/Γ)

其中，θ_r为所述反射角度位置，λ为所述气体的特征吸收波长，Γ为所述异常反射式超表面中超晶胞沿相位梯度方向的晶格常数。

6.如权利要求1所述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，其特征在于，所述异常反射式超表面的结构为金属-绝缘体-金属。

7.如权利要求1所述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，其特征在于，还包括光电信号处理模块；

所述光电信号处理模块与所述热释电探测器相连；

其中，所述光电信号处理模块用于对所述电信号进行处理，获得所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。

8.一种应用于如权利要求1-7中任一权项所述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器中的气体测量方法，其特征在于，所述方法包括：

利用所述红外热辐射光源发出宽带红外光，并使所述宽带红外光依次经过所述起偏器和所述准平行光组件后获得准平行偏振光；

利用所述异常反射式超表面对所述准平行偏振光进行分光并反射；

分别在所述气室未盛装和盛装所述待测量气体时，利用所述热释电探测器捕捉所述准平行偏振光经过所述异常反射式超表面分光之后的反射光，并将所述反射光转换为电信号，从而获得参考信号和测试信号；

根据所述参考信号和所述测试信号，确定出所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。

9.如权利要求8所述的气体测量方法，其特征在于，根据所述参考信号和所述测试信号，获得所述待测量气体中包含的气体的浓度，具体为：

根据公式获得所述气体的浓度；

其中，I为所述测试信号，I₀为所述参考信号，α为所述气体的吸收系数，L为所述准平行偏振光通过所述气体的长度，C为所述气体的浓度。