CN105842018A - 一种实时监测气体浓度的光驱动气泵 - Google Patents

一种实时监测气体浓度的光驱动气泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，包括泵本体，在泵本体下方设有第一近红外激光器和第二近红外激光器，在泵本体顶部中心位置垂直设置宽光谱光源；所述泵本体包括泵腔，在泵腔的外部设有泵腔壳，在泵腔底部中心位置设有可调光栅，在可调光栅两侧设有双层膜，在泵腔顶部还设有用于传送气体的进口单向阀和出口单向阀；宽光谱光源发出的光垂直照射在可调光栅上。该气泵具有体积小、功率密度高、驱动量大等优点；可精确控制采样气体的流量；实现气体浓度的实时监测，能够应用于煤矿井下的瓦斯气体监测、有毒气体环境下工作的化工气体监测等领域。

Description

一种实时监测气体浓度的光驱动气泵
技术领域
本发明属于光-机械能转换的微驱动器件技术领域，具体涉及一种实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵。
背景技术
在有防燃、防爆要求的应用场合，如工作于煤矿井下的有毒有害气体监测、在具有强烈腐蚀性气体环境下工作的化工气体监测，存在实时响应要求与防燃防爆要求同时兼顾的问题。但对气体分析仪探测器的防燃、防爆保护越好，对气体流动性阻碍越大。因此，提高实时性的主要办法是采用具有防燃、防爆性能的气体采样泵。
而目前用于气体采样的微型泵，根据微泵有无运动部件，大致可分为机械式和非机械式两大类，机械式微泵一般体积较大，很多都要增加外置的供应能量设备和相应的辅助装置，其设计与制造工艺较为复杂，不利于泵的微型化与集成化，而且由于运动部件的频繁作用随时间的推移往往容易出现疲劳磨损消耗，对其寿命和可靠性有很大的影响，而非机械式微泵大部分也与电相关，微泵能量转化率较低，由于微通道的尺寸效应，要求微流体具有良好的导电性，同时需要外围供电设备，无法满足防燃、防爆要求。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，该光驱动柔性气泵结构设计合理，体积小，使用寿命长，功率密度高，驱动量大，能够实现无需电能的光驱动气体采样和气体浓度的实时监测。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，包括泵本体，在泵本体下方设有第一近红外激光器和第二近红外激光器，在泵本体顶部中心位置垂直设置宽光谱光源；所述泵本体包括泵腔，在泵腔的外部设有泵腔壳，在泵腔底部中心位置设有可调光栅，在可调光栅两侧设有双层膜，在泵腔顶部还设有用于传送气体的进口单向阀和出口单向阀；宽光谱光源发出的光垂直照射在可调光栅上。
双层膜由内层的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜和外层的聚二甲基硅氧烷薄膜组成。
石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为10～15μm，聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为5～10μm。
可调光栅采用周期为百纳米级的栅格，由聚二甲基硅氧烷制成。
泵腔壳由泵腔外壁和泵腔内壁组成，泵腔外壁由聚二甲基硅氧烷制成，泵腔内壁由石英玻璃制成；泵腔外壁与双层膜相连。
泵腔外壁的聚二甲基硅氧烷厚度为15～25μm；泵腔内壁的石英玻璃厚度为0.5mm。
泵腔外壁和泵腔内壁通过粘结剂粘连。
宽光谱光源与泵腔壳通过粘结剂粘连。
所述粘结剂为环氧树脂类粘结剂或聚丙烯酸酯类粘结剂。
所述第一近红外激光器和第二近红外激光器均采用808nm近红外光，最大光强为500mw/cm2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，在泵本体下方设置两个近红外激光器，在泵本体顶部设有宽光谱光源，在泵腔底部中心位置设有可调光栅，在可调光栅两侧设有双层膜，宽光谱光源发出的光垂直照射在可调光栅上。通过周期性的开关近红外光并调节光强，对双层膜进行垂直照射，双层膜将产生周期性的可逆形变，即弯曲和复原，使得泵腔容积发生周期性的变化，可调光栅产生周期性调谐，精确控制光驱动气泵泵腔容积和可调光栅栅距的周期性变化，能够对气体实现连续采样和实时浓度监测。该气泵结构设计合理，具有体积小、功率密度高、驱动量大等优点，适用于煤矿井下的瓦斯气体监测，有毒气体环境下的化工气体监测等领域。
进一步地，本发明的双层膜由内层的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜和外层的聚二甲基硅氧烷薄膜组成，二者的热膨胀系数存在差异(石墨烯-聚二甲基硅氧烷热膨胀系数为负)。双层膜在808nm近红外光照射下，石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜发生收缩，石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜向泵腔一侧弯曲，聚二甲基硅氧烷薄膜发生膨胀，聚二甲基硅氧烷薄膜也向泵腔一侧弯曲，泵腔内体积增大，泵腔外的气体由进口单向阀向泵腔内流入，可调光栅栅格的栅距增大，光驱动气泵处于泵入、可调光栅栅距增大模式。同理，关闭808nm近红外光，石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜发生膨胀，可调光栅栅格的栅距减小，并恢复到初始的状态，此过程中双层膜向泵腔外侧形变，泵腔内体积减小，泵腔内的气体由出口单向阀向泵腔外流出，光驱动气泵处于泵出、可调光栅栅距减小模式。
优选地，双层膜的变形量受限于石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜和聚二甲基硅氧烷薄膜的结构参数。同等条件下，厚的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜和薄的聚二甲基硅氧烷薄膜可获得更大双层膜的变形量，从而使泵腔获得更大的驱动力，可调光栅有更大的调谐范围。由于工艺的限制，优选石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜厚度为10～15μm，聚二甲基硅氧烷薄膜厚度为5～10μm。
附图说明
图1为实时监测气体浓度的光驱动气泵的结构立体图；
图2为实时监测气体浓度的光驱动气泵的结构剖视图；
图3为实时监测气体浓度的光驱动气泵实施例中双层膜在808nm近红外光照射下的结构示意图；
图4为实时监测气体浓度的光驱动气泵实施例中双层膜在808nm近红外光关闭时的结构示意图。
其中，1为进口单向阀；2为泵腔壳；21为泵腔外壁；22为泵腔内壁；3为第一808nm近红外激光器；4为第二808nm近红外激光器，5为双层膜；51为石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜；52为聚二甲基硅氧烷薄膜；6为可调光栅；7为泵腔；8为出口单向阀；9为宽光谱光源。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明公开的实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，包括泵本体，在泵本体下方设有第一近红外激光器3和第二近红外激光器4，在泵本体顶部中心位置垂直设置宽光谱光源9；所述泵本体包括泵腔7，在泵腔7的外部设有泵腔壳2，在泵腔7底部中心位置设有可调光栅6，在可调光栅6两侧设有双层膜5，在泵腔7顶部还设有用于传送气体的进口单向阀1和出口单向阀8；宽光谱光源9发出的光垂直照射在可调光栅6上。
宽光谱光源9垂直照可调光栅6，宽光谱光源9与泵腔壳2通过粘结剂粘结在一起，所述粘结剂为环氧树脂类粘结剂、聚丙烯酸酯类粘结剂中的一种，优先选用环氧树脂类粘结剂，本实施例中具体选用环氧树脂粘结剂。
参见图2，泵腔壳2由泵腔外壁21和泵腔内壁22构成，泵腔外壁21为聚二甲基硅氧烷，泵腔外壁21与双层膜5相连；泵腔内壁22为石英玻璃，同时对聚二甲基硅氧烷的变形起阻挡作用，泵腔外壁21和泵腔内壁22通过粘接剂粘结在一起，所述粘结剂为环氧树脂类粘结剂、聚丙烯酸酯类粘结剂中的一种，优先选用环氧树脂类粘结剂，本实施例中具体选用环氧树脂粘结剂。
双层膜5包括石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜51和聚二甲基硅氧烷薄膜52，泵腔壳2的泵腔外壁21与双层膜5通过制作时的固化工艺实现连接。
可调光栅6为聚二甲基硅氧烷，包括周期为百纳米级的栅格。
泵腔外壁21的聚二甲基硅氧烷厚度为15～25μm。
泵腔内壁22的石英玻璃厚度为0.5mm。
本发明中采用的驱动光源为808nm近红外光，第一808nm近红外光和第二808nm近红外光的最大光强均为500mw/cm2。
石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜和聚二甲基硅氧烷薄膜构成的双层膜，当周期性的采用808nm近红外光垂直照射时，双层膜将产生周期性的弯曲和复原，可调光栅产生周期性调谐，本发明利用这些特点，作为光驱动气泵的驱动单元和气体浓度的监测单元，来实现气体的泵入、可调光栅栅距增大和气体的泵出、可调光栅栅距减小。
以下为本发明的光驱动气泵实现气体的泵入、可调光栅栅距增大和气体的泵出、可调光栅栅距减小的工作过程：
如图3所示，打开第一808nm近红外激光器3和第二808nm近红外激光器4，打开宽光谱光源9，双层膜5在第一808nm近红外激光器3和第二808nm近红外激光器4照射下，石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜51发生收缩，石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜51向泵腔一侧弯曲，聚二甲基硅氧烷薄膜52发生膨胀，聚二甲基硅氧烷薄膜52也向泵腔一侧弯曲，泵腔7内体积增大，泵腔7外的气体由进口单向阀1向泵腔7内流入，可调光栅6栅格的栅距增大，光驱动气泵处于泵入、可调光栅栅距增大模式。
如图4所示，关闭第一808nm近红外激光器3和第二808nm近红外激光器4，保持打开宽光谱光源9，石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜51发生膨胀，可调光栅6栅格的栅距减小，并恢复到初始的状态，此过程中双层膜向泵腔外侧形变，泵腔7内体积减小，泵腔7内的气体由出口单向阀8向泵腔7外流出，光驱动气泵处于泵出、可调光栅栅距减小模式。
图3、图4中，箭头表示气体流入或流出方向。
周期性的开、关808nm近红外光并调节光强，可精确控制光驱动气泵泵腔7容积和可调光栅6栅距的周期性变化，从而可对气体连续采样和实时浓度的监测。
通过上述过程可实现光驱动气泵气体的泵入、可调光栅栅距增大和气体的泵出、可调光栅栅距减小的过程。
综上所述，本发明针对现有技术中，气体采样泵结构复杂，加工困难，体积较大、不易微型化，寿命和可靠性不足，需外围供电设备、无法满足防燃、防爆要求的问题，设计了一种实时监测浓度的光驱动气泵，可以通过采用光驱动石墨烯-聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷构成的双层薄膜作为可动部件，利用双层膜的热膨胀系数差异来控制泵腔容积的扩大和缩小，同时在薄膜中制作可调光栅来实现气泵中气体浓度的实时监测，实现无需电能的光驱动气体采样和气体浓度的实时监测，具有体积小、功率密度高、驱动量大等优点。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，其特征在于，包括泵本体，在泵本体下方设有第一近红外激光器(3)和第二近红外激光器(4)，在泵本体顶部中心位置垂直设置宽光谱光源(9)；
所述泵本体包括泵腔(7)，在泵腔(7)的外部设有泵腔壳(2)，在泵腔(7)底部中心位置设有可调光栅(6)，在可调光栅(6)两侧设有双层膜(5)，在泵腔(7)顶部还设有用于传送气体的进口单向阀(1)和出口单向阀(8)；
宽光谱光源(9)发出的光垂直照射在可调光栅(6)上。
2.根据权利要求1所述的实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，其特征在于，双层膜(5)由内层的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜(51)和外层的聚二甲基硅氧烷薄膜(52)组成。
3.根据权利要求2所述的实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，其特征在于，石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜(51)的厚度为10～15μm，聚二甲基硅氧烷薄膜(52)的厚度为5～10μm。
4.根据权利要求1所述的实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，其特征在于，可调光栅(6)采用周期为百纳米级的栅格，由聚二甲基硅氧烷制成。
5.根据权利要求1所述的实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，其特征在于，泵腔壳(2)由泵腔外壁(21)和泵腔内壁(22)组成，泵腔外壁(21)由聚二甲基硅氧烷制成，泵腔内壁(22)由石英玻璃制成；泵腔外壁(21)与双层膜(5)相连。
6.根据权利要求5所述的实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，其特征在于，泵腔外壁(21)的聚二甲基硅氧烷厚度为15～25μm；泵腔内壁(22)的石英玻璃厚度为0.5mm。
7.根据权利要求1所述的实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，其特征在于，泵腔外壁(21)和泵腔内壁(22)通过粘结剂粘连。
8.根据权利要求1所述的实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，其特征在于，宽光谱光源(9)与泵腔壳(2)通过粘结剂粘连。
9.根据权利要求7或8所述的实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，其特征在于，所述粘结剂为环氧树脂类粘结剂或聚丙烯酸酯类粘结剂。
10.根据权利要求1所述的实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵，其特征在于，所述第一近红外激光器(3)和第二近红外激光器(4)均采用808nm近红外光，最大光强为500mw/cm2。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106404714A (zh) * 2016-11-24 2017-02-15 西南石油大学 一种基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测的方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1468267A1 (en) * 2002-01-17 2004-10-20 L'air liquide, Société anonyme à Directoire et Conseil de Surveillance pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés G. Claude Method and apparatus for real-time monitoring of furnace flue gases
CN101709695A (zh) * 2009-11-19 2010-05-19 复旦大学 光致弯曲膜驱动型微泵
CN201654024U (zh) * 2010-02-09 2010-11-24 邬剑明 一种煤矿井下移动式气体束管采样监测装置
CN101957277A (zh) * 2010-09-29 2011-01-26 深圳市建筑科学研究院有限公司 气体收集罩和气体分析设备
CN104481850A (zh) * 2014-11-13 2015-04-01 常州大学 一种光驱动微流体泵

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1468267A1 (en) * 2002-01-17 2004-10-20 L'air liquide, Société anonyme à Directoire et Conseil de Surveillance pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés G. Claude Method and apparatus for real-time monitoring of furnace flue gases
CN101709695A (zh) * 2009-11-19 2010-05-19 复旦大学 光致弯曲膜驱动型微泵
CN201654024U (zh) * 2010-02-09 2010-11-24 邬剑明 一种煤矿井下移动式气体束管采样监测装置
CN101957277A (zh) * 2010-09-29 2011-01-26 深圳市建筑科学研究院有限公司 气体收集罩和气体分析设备
CN104481850A (zh) * 2014-11-13 2015-04-01 常州大学 一种光驱动微流体泵

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106404714A (zh) * 2016-11-24 2017-02-15 西南石油大学 一种基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测的方法及系统
CN106404714B (zh) * 2016-11-24 2019-02-22 西南石油大学 一种基于井下近红外随钻光谱早期溢流监测的方法及系统

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