CN107941735B - 一种中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种中红外双狭缝波导微腔增强吸收光谱气体传感器及其使用方法，涉及红外检测技术领域。传感器包括，主控单元、光源模块、聚光镜、光纤、探测器、光波导微腔单元、放大滤波单元、信号采集单元。方法为光源模块产生中红外波段的光波信号，经由聚光镜、光纤，输入到光波导微腔中；光波导微腔采用双狭缝微环谐振腔结构，包括用于片上噪声感知的参考波导腔和目标气体填充狭缝的探测波导腔，两个腔的输出分别经由探测器转换为电信号，经放大滤波单元处理后，由信号采集单元转换为数字信号；主控单元对数字信号进行数字锁相处理后确定待测气体的浓度。本发明为微小型化的现场、实时、并行、原位气体的精确测量提供了解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及红外检测技术与应用领域，具体涉及一种中红外双狭缝波导微腔增强吸收光谱气体传感器及其使用方法。
背景技术
作为一种重要的气体检测技术，红外吸收光谱技术具有可测气体种类多、测量范围宽、灵敏度高、响应速度快、选择性好、寿命长、适用场合广等诸多优点。在红外吸收光谱技术中，与直接吸收光谱、波长调制光谱、频率调制光谱技术相比，腔增强吸收光谱是一种更为灵敏的光谱探测技术，该技术采用光学谐振腔来增强气体分子对光的吸收作用，可将灵敏度提高3个量级以上，成为气体检测领域的研究热点。
目前，采用高反射率的光学镜片，人们大量报道了不同结构的谐振腔，如法布里-珀罗(F-P)、“V”型腔、蝶形腔，形成了基于分立光学器件的腔增强吸收光谱传感器。然而，在现场应用中，分立式腔增强传感器面临着如下问题：①谐振腔尺寸较大(几十厘米-几米)，从而导致传感器体积庞大、且对样品气体的需求量大；②对光束准直性能要求高，从而传感器的防震、抗震性能差，难以移动测量；③调谐谐振腔时需要大功率的压电陶瓷(PZT)驱动部件，增大了系统功耗。相比而言，基于红外吸收光谱原理(与光学折射率传感不同)的片上集成光学传感器可在微观尺度(微米/亚毫米量级)内完成对目标物的检测，具有高选择性、小体积、低成本、抗电磁干扰等优越特性，在片上生化/气体传感领域逐渐呈现出广阔的应用前景。
在现有报道中，人们一般采用平面条形光波导(如矩形、脊形波导来以构建微型谐振腔。然而，该类波导的光场主要分布在非中空的芯区，只能借助于目标物吸收倏逝波的方式实施测量(称为“倏逝波吸收法”)，但倏逝波很弱，导致灵敏度很低。人们也使用吸附剂及其与待测目标间的物理/化学反应实施检测，但这无疑会增加传感器的响应时间并造成非原位测量。此外，与平面波导微环/微盘谐振腔相比，尽管光子晶体波导微腔的长度更短，但其损耗很大，导致品质因数较低，不利于检测。另外，现有片上气体传感器一般采用单波导微腔结构，输出单个传感信号，无法通过参比消除光源驱动电流波动、片上传感环境参数变化、电学系统噪声等因素对检测结果的影响。
发明内容
针对现有分立式腔增强红外气体传感技术的不足，本发明公开了一种中红外双狭缝波导微腔增强吸收光谱气体传感器及其使用方法。一方面，采用维纳尺度的集成波导微腔作为气体吸收池，克服了分立式腔增强吸收光谱技术及传感器存在的体积、功耗、成本、稳定性的问题。另一方面，采用狭缝波导将中红外光限制在填充待测目标气体的狭缝区域，增加了气体浓度场与光场的重叠积分因子；借助于中红外激光在微环谐振腔的谐振作用，增强了待测目标气体与中红外光的相互作用，增大了有效吸收光程；同时，利用参考波导腔感知片上环境的传感噪声，通过差分(或参比)操作消除探测波导腔中的噪声，提高了信噪比，进而提高了气体检测的精度和灵敏度。本发明为微小型化的现场、实时、并行、原位的气体精确测量提供了解决方案。
为了解决以上技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种中红外双狭缝波导微腔增强吸收光谱气体传感器，包括主控单元，其特征在于，所述中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器还包括中红外光源模块、第一聚焦镜、第二聚焦镜、第三聚焦镜、光纤、第一探测器、第二探测器、光波导微腔单元、第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第一信号采集单元、第二信号采集单元；
所述中红外光源模块用于产生中红外波段的光波信号，经由第一聚光镜汇聚后输入至光纤中；
所述光波导微腔单元具有一个输入端和两个输出端，输入端用于与光纤的输出端相连，两个输出端分别用于经由第二聚光镜、第三聚光镜汇聚后，入射到第一探测器和第二探测器上，转换为电信号，然后输出；
所述第一探测器和第二探测器分别用于将输出的电信号输入到第一放大滤波单元和第二放大滤波单元，进行滤波与放大处理，然后输出；
所述的第一信号采集单元和第二信号采集单元分别用于接收第一放大滤波单元和第二放大滤波单元的信号，经采样、保持和模数转换后，转换为数字信号后，然后输出；
所述的主控单元用于产生中红外光源模块、光波导微腔单元的控制信号；接收第一信号采集单元和第二信号采集单元输出的数字信号进行处理，并根据处理结果确定待测气体的浓度。
进一步的，所述的光波导微腔单元包括光波导微腔外壳、入射窗口、输入波导、波导分束器、参考波导腔、探测波导腔、分束波导、第一连接波导、第一输出波导、第一出射窗口、第二连接波导、第二输出波导、第二出射窗口、进气口、出气口、TEC、热敏电阻、第一Ω电极、第二Ω电极、热沉、电学接口；
所述波导分束器的输入端通过输入波导、入射窗口和光纤的输出端相连；
所述波导分束器具有两个输出端，经由分束波导分别和参考波导腔和探测波导腔的输入端相连；
所述参考波导腔的输出端经由第一连接波导、第一输出波导、第一聚光镜和第一探测器相连；
所述探测波导腔的输出端经由第二连接波导、第二输出波导、第三聚光镜和第二探测器相连；
所述第一Ω电极、第二Ω电极均为一端接地，另一端与主控单元相连；
所述光波导微腔外壳用于密封光波导微腔单元并形成传感气室，通过进气口和出气口将待测气体抽入并泵出光波导微腔单元；
所述入射窗口、第一出射窗口、第二出射窗口均为透红外光的窗口，镶嵌在光波导微腔外壳上；
所述热敏电阻、TEC均通过电学接口与主控单元相连，且电学接口镶嵌在光波导微腔外壳上；
所述参考波导腔和探测波导腔、热敏电阻、TEC、热沉按照从上到下依次集成放置。
进一步的，所述参考波导腔采用微环谐振腔结构，包括第一耦合狭缝波导、第一狭缝波导微环，均采用狭缝波导结构且相互弧形耦合；所述探测波导腔采用微环谐振腔结构，包括第二耦合狭缝波导、第二狭缝波导微环，均采用狭缝波导、相互呈弧形耦合，且狭缝区填充待测的目标气体；所述输入波导、第一输出波导、第二输出波导均采用条形波导结构；所述分束器采用多模波导结构；所述分束波导采用楔形波导结构且连接第一耦合狭缝波导、第二耦合狭缝波导和分束器；所述的第一连接波导为楔形波导，第一连接耦合狭缝波导和第一输出波导；所述第二连接波导为楔形波导，连接第二耦合狭缝波导和第二输出波导；所述的第一狭缝波导微环、第二狭缝波导微环上分别附着第一Ω电极和第二Ω电极；
所述的探测波导腔的第二耦合狭缝波导、第二狭缝波导微环均采用狭缝波导结构，衬底材料为SiO2-Si，下包层材料为Ge-Sb-S，狭缝波导的高折射率材料为As-Se，狭缝波导的上包层材料为Ge-Sb-S，狭缝中填充的材料为待测的目标气体，附着的第二Ω电极为Au电极；
所述的参考波导腔的第一耦合狭缝波导、第一狭缝波导微环均采用狭缝波导结构，衬底材料为SiO2-Si，下包层材料为Ge-Sb-S，狭缝波导的高折射率材料为As-Se，狭缝波导的上包层材料为Ge-Sb-S，狭缝中填充的材料为Ge-Sb-S，附着的第一Ω电极为Au电极。
进一步的，所述主控单元包括DSP处理器模块、激光器控制模块、腔调谐模块、TEC控制模块、电桥电路模块、供电模块、LCD显示模块、参数设置模块、数据存储模块和辅助模块；所述的DSP处理器模块产生三路驱动信号，分别输出至激光器控制模块、腔调谐模块、TEC控制模块；DSP处理器模块通过LCD接口与LCD显示模块电连接，DSP处理器模块通过按键接口与参数设置模块电连接，DSP处理器模块分别与第一信号采集单元和第二信号采集单元通过第一ADC接口、第二ADC接口电连接，DSP处理器模块分别与数据存储模块、辅助模块电连接，DSP处理器模块通过第三ADC接口与电桥电路模块电连接。
进一步的，所述放大滤波单元包括第一前置放大模块、第一滤波模块、第一主放大模块、第二前置放大模块、第二滤波模块、第二主放大模块；所述第一前置放大模块与第一探测器电连接，所述第一前置放大模块与所述第一滤波模块电连接，所述第一滤波模块和所述第一主放大模块电连接，用于对第一探测器输出的电信号进行滤波和放大；所述第二前置放大模块与第二探测器电连接，所述第二前置放大模块与所述第二滤波模块电连接，所述第二滤波模块和所述第二主放大模块电连接，用于对第二探测器输出的电信号进行滤波和放大。
进一步的，所述第一信号采集单元和第二信号采集单元结构相同，均包括第一采样保持模块、第二采样保持模块，第一AD转换模块、第二AD转换模块；第一采样保持模块、第二采样保持模块分别用于接收来自于第一放大滤波单元、第二放大滤波单元的信号，进行采样，并输出；所述第一AD转换模块、第二AD转换模块分别用于接收来自所述第一采样保持模块、第二采样保持模块的信号，将电信号转换成数字信号，并将结果输出到主控单元。
本发明还提供了利用上述中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器的使用方法，利用该传感器检测气体的主要步骤包括：
步骤一 主控单元的DSP处理器模块通过电桥电路模块读取光波导微腔单元的温度，并通过TEC控制模块控制光波导微腔单元的温度，使其满足气体检测的温度要求；利用气泵经由进气口、出气口将气体抽入光波导微腔单元中；利用外加的压力控制器控制光波导微腔单元中压强；
步骤二 在DSP处理器模块作用下，激光器控制模块驱动中红外光源产生调制的中红外光信号，经分束后耦合进入参考波导腔的第一耦合狭缝波导、探测波导腔的第二耦合狭缝波导；
步骤三 在DSP处理器模块作用下，腔调谐单元在第一Ω电极、第二Ω电极上施加调谐信号，动态调整参考波导腔和探测波导腔的谐振波长，使中红外激光能在第一狭缝波导微环、第二狭缝波导微环中发生谐振，从而使第一狭缝波导微环、第二狭缝波导微环分别探测片上环境中光传输的噪声、目标气体；
步骤四 第一狭缝波导微环、第二狭缝波导微环中的光经耦合后进入第一连接波导、第二连接波导和第一输出波导、第二输出波导，经由第一探测器、第二探测器转变为第一电信号和第二电信号；第一电信号、第二电信号经前置放大、滤波、主放大后，分别由第一信号采集单元和第二信号采集单元采样后，转换为数字信号，并输出至DSP处理器模块中；
步骤五 DSP处理器模块采用数字锁相放大技术提取第一电信号和第二电信号的幅度，对二者做差分处理，消除片上噪声的影响；再根据仪器的标定曲线，计算待测目标气体的浓度。
在检测气体时，DSP处理器模块的工作流程如下：
1)初始化IO口、寄存器以及变量，并显示初始化信息；
2)读取参数设置模块的输入信息，查询“启动气体检测”命令；
3)若查询到“启动气体检测”命令，读取热敏电阻信号并反馈调整TEC控制信号，直至光波导微腔单元的温度恒定；
4)输出中红外激光器的驱动信号以及第一Ω电极、第二Ω电极的腔调谐信号，读取第一探测器、第二探测器的输出信号，反馈调整腔调谐信号，直至第一探测器、第二探测器的输出信号达到最大，实现微腔谐振模式和中红外激光模式的匹配；
5)DSP处理器模块经由第一ADC接口和第二ADC接口的读取第一信号采集单元和第二信号采集单元的转换数据；
6)DSP处理器模块进行数字锁相放大计算，提取两路信号的幅值，进一步做参比后转换成气体浓度，并将结果输出显示；
7)DSP处理器模块读取参数设置模块的输入信息，查询“停止气体检测”命令；若未查询到该命令，则执行步骤5)-步骤7)；若查询到该命令，则向显示模块输出初始化信息，并执行步骤2)-步骤7)。
本发明的有益效果在于：
综上所述，本发明提供的中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器及其使用方法，具有以下优点：
1.采用维纳尺度的集成波导微腔作为气体吸收池，克服了分立式腔增强吸收光谱技术及传感器存在的体积、功耗、成本、稳定性的问题，为现场、实时、并行、原位的片上气体的精确测量提供了一种新型的解决方案。
2.采用狭缝波导将中红外光限制在填充待测目标气体的狭缝区域，增加了气体浓度场与光场的重叠积分因子；借助于中红外激光在微环谐振腔的谐振作用，增强了待测目标气体与中红外光的相互作用，提高了有效吸收光程；利用参考波导腔感知片上环境的传感噪声，通过差分(或参比)操作消除探测波导腔中的噪声，提高了信噪比以及气体检测的精度和灵敏度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为光波导微腔单元的波导层结构图；
图3为光波导微腔单元的功能构成图；
图4为探测波导腔的狭缝波导截面结构图；
图5为参考波导腔的狭缝波导截面结构图。
附图标记如下：
1.主控单元；2.中红外光源模块；3.第一聚焦镜；4.第二聚焦镜；5.第三聚焦镜；6.光纤；7.第一探测器；8、第二探测器；9、光波导微腔单元；10、第一放大滤波单元；11、第二放大滤波单元；12、第一信号采集单元；13、第二信号采集单元；
101、DSP处理器模块；102、激光器控制模块；103、腔调谐模块；104、TEC控制模块；105、电桥电路模块；106、供电模块；107、LCD显示模块；108、参数设置模块；109、数据存储模块；110、辅助模块；111、第一驱动信号；112、第二驱动信号；113、第三驱动信号；114、第一ADC接口；115、第二ADC接口；116、第三ADC接口；117、LCD接口；118、按键接口
201、光波导微腔外壳；202、入射窗口；203、输入波导；204、波导分束器；205、参考波导腔；206、探测波导腔；207、分束波导；208、第一连接波导；209、第一输出波导；210、第一出射窗口；211、第二连接波导；212、第二输出波导；213、第二出射窗口；214、进气口；215、出气口；216、TEC；217、热敏电阻；218、第一Ω电极；219、第二Ω电极；220、光波导层；221、热沉；222、电学接口；223、Au电极；224、Ge-Sb-S；225、As-Se；226、SiO2；227、Si；228、第一耦合狭缝波导；229、第二耦合狭缝波导；230、第一狭缝波导微环；231、第二狭缝波导微环；232、目标气体；
301、第一前置放大模块；302、第一滤波模块；303、第一主放大模块；304、第二前置放大模块；305、第二滤波模块；306、第三主放大模块；
401、第一采样保持模块；402、第一AD转换模块；403、第二采样保持模块；404、第二AD转换模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明；
参见图1，本发明包括主控单元1、中红外光源模块2、第一聚焦镜3、第二聚焦镜4、第三聚焦镜5、光纤6、第一探测器7、第二探测器8、光波导微腔单元9、第一放大滤波单元10、第二放大滤波单元11、第一信号采集单元12、第二信号采集单元13；
所述的中红外光源模块2产生中红外波段的光波信号，经由第一聚焦镜3汇聚后输入至光纤6中；
所述的光波导微腔单元9具有一个输入端和两个输出端，输入端与光纤6的输出端相连，两个输出端分别经由第二聚焦镜4、第三聚焦镜5汇聚后，入射到第一探测器7、第二探测器8上，转换为电信号，然后输出；
所述的第一探测器7、第二探测器8输出的电信号分别输入到第一放大滤波单元10和第二放大滤波单元11，进行滤波与放大处理，然后输出；
所述的第一信号采集单元12和第二信号采集单元13分别接收第一放大滤波单元10和第二放大滤波单元11的信号，经采样、保持和模数转换后，转换为数字信号后，然后输出；
所述的主控单元1产生中红外光源模块2、光波导微腔单元9的控制信号；接收第一信号采集单元12和第二信号采集单元13输出的数字信号进行处理，并根据处理结果确定待测气体的浓度。
优选的，主控单元1包括DSP处理器模块101、激光器控制模块102、腔调谐模块103、TEC控制模块104、电桥电路模块105、供电模块106、LCD显示模块107、参数设置模块108、数据存储模块109和辅助模块110；所述的DSP处理器模块101产生第一驱动信号111、第二驱动信号112、第三驱动信号113，分别输出给所述的激光器控制模块102、所述的腔调谐模块103、所述的TEC控制模块104；所述的DSP处理器模块101通过LCD接口117与所述的LCD显示模块107电连接，所述DSP处理器模块101通过按键接口118与所述的参数设置模块108电连接，所述的DSP处理器模块101分别与所述的第一信号采集单元12和所述的第二信号采集单元13通过第一ADC接口114、第二ADC接口115电连接，所述的DSP处理器模块101分别与所述的数据存储模块109、辅助模块110电连接，所述的DSP处理器模块101通过第三ADC接口116与电桥电路模块105电连接；DSP处理器模块101的主控芯片型号为TMS320F28335；辅助模块110包括JTAG接口电路、复位电路及晶振电路，其中复位电路的核心器件型号为MAX811；数据存储模块109的核心器件型号为IS61LV51216，其容量为8Mbit；LCD显示模块107型号为12864；参数设置模块108采用4个独立式按键；供电模块106的外接输入电压为24V，利用DC/DC芯片产生为整个传感器供电的+/-12V电压和+/-5V电压；+5V电压经过三端直流稳压器AMS1985和AMS1117-3.3产生数字电压D1.9V和D3.3V，二者经电感(L101、L102)和0欧电阻(R103)处理后，产生模拟电压A1.9V和A3.3V，为各单元或模块供电。
优选的，光波导微腔单元9包括光波导微腔外壳201、入射窗口202、输入波导203、波导分束器204、参考波导腔205、探测波导腔206、分束波导207、第一连接波导208、第一输出波导209、第一出射窗口210、第二连接波导211、第二输出波导212、第二出射窗口213、进气口214、出气口215、TEC216、热敏电阻217；所述的波导分束器204的输入端通过输入波导203、入射窗口202和光纤6的输出端相连，用于输入中红外激光；所述的波导分束器204的输出端经由分束波导207分别和参考波导腔205和探测波导腔206的输入端相连；所述的参考波导腔205，用于探测片上环境中的光学噪声，其输出端经由第一连接波导208、第一输出波导209、第二聚焦镜4和第一探测器7相连，转变为电信号；所述的探测波导腔206用于完成中红外光与待测气体的相互作用，其输出端经由第二连接波导211、第二输出波导212、第三聚焦镜5和第二探测器8相连，转变为电信号；中红外光源模块2为中红外量子级联激光器或带间级联激光器，其发光波长由待测气体及选择的吸收峰确定；光纤6为中红外氟化物光纤；第一聚焦镜3、第二聚焦镜4、第三聚焦镜5为透中红外光的凸透镜；第一探测器7、第二探测器8为中红外光电探测器；
第一放大滤波单元10和第二放大滤波单元11包括第一前置放大模块301、第一滤波模块302、第一主放大模块303、第二前置放大模块304、第二滤波模块305、第二主放大模块306；所述的第一前置放大模块301与第一探测器7电连接，所述的第一前置放大模块301与所述的第一滤波模块302电连接，所述的第一滤波模块302和所述的第一主放大模块303电连接，用于对所述第一探测器7输出的电信号进行滤波和放大；所述的第二前置放大模块304与第二探测器8电连接，所述的第二前置放大模块304与所述的第二滤波模块305电连接，所述的第二滤波模块305和所述的第二主放大模块306电连接，用于对所述第二探测器8输出的电信号进行滤波和放大；前置放大模块由电压跟随器和仪表放大器构成，电压跟随器的主控芯片型号为运算放大器OP07，仪表放大器的主控芯片型号为INA116；放大滤波模块的主控芯片型号为MAX291，其截止频率由工作于多谐振荡器状态的NE555产生的方波信号的频率确定；主放大模块包括一个反相放大器和一个电压跟随器，二者的主控芯片型号均为OP07。
第一信号采集单元12和第二信号采集单元13结构相同，包括第一采样保持模块401、第二采样保持模块403、第一AD转换模块402、第二AD转换模块404；第一采样保持模块401、第二采样保持模块403接收来自于第一放大滤波单元10、第二放大滤波单元11的信号，进行采样，并输出；所述的第一AD转换模块402、第二AD转换模块404接收来自所述第一采样保持模块401、第二采样保持模块403的信号，将模拟信号转换成数字信号，并将结果输出到主控单元1。采样保持模块由采样保持芯片构成，其型号为LF398；AD转换模块的主控芯片型号为AD7866。
参见图2，光波导微腔单元9的参考波导腔205采用微环谐振器结构，包括第一耦合狭缝波导228、第一狭缝波导微环230，二者均采用狭缝波导结构；光波导微腔单元9的探测波导腔206采用微环谐振腔结构，包括第二耦合狭缝波导229、第二狭缝波导微环231，二者均采用狭缝波导，且狭缝区填充待测的目标气体232；输入波导203和第一输出波导209、第二输出波导212采用条形波导结构；分束器204采用多模波导结构；分束波导207采用楔形波导结构，起到模式渐变作用，用于连接第一耦合狭缝波导228、第二耦合狭缝波导229和分束器204；所述的第一连接波导208为楔形波导，用于模式渐变，连接第一耦合狭缝波导228和第一输出波导209；所述的第二连接波导211为楔形波导，用于模式渐变，连接第二耦合狭缝波导229和第二输出波导212；第一狭缝波导微环230、第二狭缝波导微环231上分别附着第一Ω电极218和第二Ω电极219，用于调整谐振腔参数，使谐振波长和入射的中红外光的波长相匹配；第一Ω电极218、第二Ω电极219的一端接地，另一端与腔调谐模块103电连接。
参见图3，探测波导腔206的第二耦合狭缝波导229、第二狭缝波导微环231均采用狭缝波导结构，衬底材料为SiO2226-Si227，下包层材料为Ge-Sb-S224，狭缝波导的高折射率材料为As-Se225，狭缝波导的上包层材料为Ge-Sb-S224，狭缝中填充的材料为待测的目标气体232，附着的第二Ω电极219为Au电极223。
参见图4，参考波导腔205的第一耦合狭缝波导228、第一狭缝波导微环230均采用狭缝波导结构，衬底材料为SiO2226-Si227，下包层材料为Ge-Sb-S224，狭缝波导的高折射率材料为As-Se225，狭缝波导的上包层材料为Ge-Sb-S224，狭缝中填充的材料为Ge-Sb-S224，附着的第一Ω电极218为Au电极223。
参见图5，在光波导微腔单元9的截面结构上，从上至下依次为光波导层220、热敏电阻217、TEC216、热沉221，用于测量并控制光波导层的温度，提高测量灵敏度；光波导微腔外壳201用作传感气室，通过进气口214和出气口215将待测气体抽入光波导微腔；入射窗口202、第一出射窗口210、第二出射窗口213均为透红外光的窗口，镶嵌在光波导微腔外壳201上；热敏电阻217的输出信号、TEC216的控制信号均通过电学接口222与电桥电路模块105、TEC控制模块104相连接；电学接口222镶嵌在光波导微腔外壳201上；除进气口214、出气口215外，光波导微腔单元9为密闭状态。
本发明利用光波导微腔替代传统分立谐振腔构建中红外光与待测气体的微型吸收池，同时提出双狭缝波导微腔结构，其中参考波导腔用于感知片上传感环境噪声，产生噪声信号；探测波导腔用于探测气体，产生含噪气体吸收信号；二者做参比后，确定待测气体的浓度。采用的气体检测方法及其流程是；中红外双狭缝波导微腔增强吸收光谱气体传感器，其检测气体的主要步骤；
1)DSP处理器模块101通过电桥电路模块105读取光波导微腔单元9的温度，并通过TEC控制模块104控制光波导微腔单元9的温度，使其满足气体检测的温度要求；利用气泵经由进气口214、出气口215将气体抽入光波导微腔单元9中；利用外加的压力控制器控制光波导微腔单元9中压强；
2)在DSP处理器模块101作用下，激光器控制模块102驱动中红外光源模块2产生调制的中红外光信号，经分束后耦合进入参考波导腔205的第一耦合狭缝波导228、探测波导腔206的第二耦合狭缝波导229；
3)在DSP处理器模块101作用下，腔调谐单元103在第一Ω电极218、第二Ω电极219上施加调谐信号，动态调整参考波导腔205和探测波导腔206的谐振波长，使中红外激光能在第一狭缝波导微环230、第二狭缝波导微环231中发生谐振，从而使第一狭缝波导微环230、第二狭缝波导微环231分别探测片上环境中光传输的噪声、目标气体232；
4)第一狭缝波导微环230和第二狭缝波导微环231中的光经耦合后进入第一输出波导208和第二输出波导209，经由第一探测器7和第二探测器8转变为第一电信号和第二电信号；第一电信号和第二电信号经前置放大、滤波、主放大后，分别由第一信号采集单元12和第二信号采集单元13采样后，转换为数字信号，并输出至DSP处理器模块101中；
5)DSP处理器模块101采用数字锁相放大技术提取第一电信号和第二电信号的幅度，对二者做比值处理，消除片上噪声的影响；再根据标定的浓度和比值的关系，计算待测目标气体的浓度。
优选的，DSP处理器模块101的工作流程是；
1)初始化IO口、寄存器以及变量，并显示初始化信息；
2)读取参数设置模块的输入信息，查询“启动气体检测”命令；
3)若查询到“启动气体检测”命令，读取热敏电阻信号并反馈调整TEC控制信号，直至光波导微腔单元的温度恒定；
4)输出中红外激光器的驱动信号以及Ω电极1和Ω电极2的腔调谐信号，读取第一探测器7、第二探测器8的输出信号，反馈调整腔调谐信号，直至第一探测器7、第二探测器8的输出信号达到最大，实现微腔谐振模式和中红外激光模式的匹配；
5)DSP处理器模块101经由第一ADC接口114和第二ADC接口115的读取第一信号采集单元12和第二信号采集单元13的转换数据；
6)DSP处理器模块进行数字锁相放大计算，提取两路信号的幅值，进一步做参比后转换成气体浓度，并将结果输出显示；
7)DSP处理器模块读取参数设置模块的输入信息，查询“停止气体检测”命令；若未查询到该命令，则执行步骤5)-步骤7)；若查询到该命令，则向显示模块输出初始化信息，并执行步骤2)-步骤7)。
综上，本发明实施例具备如下有益效果：首先，采用维纳尺度的集成波导微腔代替传统分立式谐振腔，更适用于微小型化、低功耗的气体检测；其次，采用狭缝波导将光波限制在填充待测目标气体的狭缝区域，增加了气体浓度场与光场的重叠积分因子；同时，借助于中红外激光在微环谐振腔的谐振作用，进一步增强了目标气体与中红外光的相互作用，提高了有效吸收光程和传感器的灵敏度；再次，提出了双狭缝波导微腔结构，利用参考波导腔感知片上环境的传感噪声，通过差分(或参比)操作消除探测波导腔中的噪声，提高信噪比；解决了现有分立式腔增强吸收光谱气体传感器存在的体积、成本、功耗、稳定性的技术难题，为现场、实时、并行、原位气体精确测量提供了新型解决方案。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器，包括主控单元，其特征在于，所述中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器还包括中红外光源模块、第一聚焦镜、第二聚焦镜、第三聚焦镜、光纤、第一探测器、第二探测器、光波导微腔单元、第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第一信号采集单元、第二信号采集单元；
所述中红外光源模块用于产生中红外波段的光波信号，经由第一聚光镜汇聚后输入至光纤中；
所述光波导微腔单元具有一个输入端和两个输出端，输入端用于与光纤的输出端相连，两个输出端分别用于经由第二聚光镜、第三聚光镜汇聚后，入射到第一探测器和第二探测器上，转换为电信号，然后输出；
所述第一探测器和第二探测器分别用于将输出的电信号输入到第一放大滤波单元和第二放大滤波单元，进行滤波与放大处理，然后输出；
所述的第一信号采集单元和第二信号采集单元分别用于接收第一放大滤波单元和第二放大滤波单元的信号，经采样、保持和模数转换后，转换为数字信号后，然后输出；
所述的主控单元用于产生中红外光源模块、光波导微腔单元的控制信号；接收第一信号采集单元和第二信号采集单元输出的数字信号进行处理，并根据处理结果确定待测气体的浓度；
所述的光波导微腔单元包括光波导微腔外壳、入射窗口、输入波导、波导分束器、参考波导腔、探测波导腔、分束波导、第一连接波导、第一输出波导、第一出射窗口、第二连接波导、第二输出波导、第二出射窗口、进气口、出气口、TEC、热敏电阻、第一Ω电极、第二Ω电极、热沉、电学接口；
所述波导分束器的输入端通过输入波导、入射窗口和光纤的输出端相连；
所述波导分束器具有两个输出端，经由分束波导分别和参考波导腔和探测波导腔的输入端相连；
所述参考波导腔的输出端经由第一连接波导、第一输出波导、第二聚光镜和第一探测器相连；
所述探测波导腔的输出端经由第二连接波导、第二输出波导、第三聚光镜和第二探测器相连；
所述第一Ω电极、第二Ω电极均为一端接地，另一端与主控单元相连；
所述光波导微腔外壳用于密封光波导微腔单元并形成传感气室，通过进气口和出气口将待测气体抽入并泵出光波导微腔单元；
所述入射窗口、第一出射窗口、第二出射窗口均为透红外光的窗口，镶嵌在光波导微腔外壳上；
所述热敏电阻、TEC均通过电学接口与主控单元相连，且电学接口镶嵌在光波导微腔外壳上；
所述参考波导腔和探测波导腔、热敏电阻、TEC、热沉按照从上到下依次集成放置；
所述参考波导腔采用微环谐振腔结构，包括第一耦合狭缝波导、第一狭缝波导微环，均采用狭缝波导结构且相互弧形耦合；所述探测波导腔采用微环谐振腔结构，包括第二耦合狭缝波导、第二狭缝波导微环，均采用狭缝波导、相互呈弧形耦合，且狭缝区填充待测的目标气体；所述输入波导、第一输出波导、第二输出波导均采用条形波导结构；所述分束器采用多模波导结构；所述分束波导采用楔形波导结构且连接第一耦合狭缝波导、第二耦合狭缝波导和分束器；所述的第一连接波导为楔形波导，连接第一耦合狭缝波导和第一输出波导；所述第二连接波导为楔形波导，连接第二耦合狭缝波导和第二输出波导；所述的第一狭缝波导微环、第二狭缝波导微环上分别附着第一Ω电极和第二Ω电极；
所述的探测波导腔的第二耦合狭缝波导、第二狭缝波导微环均采用狭缝波导结构，衬底材料为SiO2-Si，下包层材料为Ge-Sb-S，狭缝波导的高折射率材料为As-Se，狭缝波导的上包层材料为Ge-Sb-S，狭缝中填充的材料为待测的目标气体，附着的第二Ω电极为Au电极；
所述的参考波导腔的第一耦合狭缝波导、第一狭缝波导微环均采用狭缝波导结构，衬底材料为SiO2-Si，下包层材料为Ge-Sb-S，狭缝波导的高折射率材料为As-Se，狭缝波导的上包层材料为Ge-Sb-S，狭缝中填充的材料为Ge-Sb-S，附着的第一Ω电极为Au电极。
2.一种根据权利要求1所述的中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器，其特征在于，所述主控单元包括DSP处理器模块、激光器控制模块、腔调谐模块、TEC控制模块、电桥电路模块、供电模块、LCD显示模块、参数设置模块、数据存储模块和辅助模块；所述的DSP处理器模块产生三路驱动信号，分别输出至激光器控制模块、腔调谐模块、TEC控制模块；DSP处理器模块通过LCD接口与LCD显示模块电连接，DSP处理器模块通过按键接口与参数设置模块电连接，DSP处理器模块分别与第一信号采集单元和第二信号采集单元通过第一ADC接口、第二ADC接口电连接，DSP处理器模块分别与数据存储模块、辅助模块电连接，DSP处理器模块通过第三ADC接口与电桥电路模块电连接。
3.一种根据权利要求2所述的中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器，其特征在于，所述第一放大滤波单元包括第一前置放大模块、第一滤波模块、第一主放大模块；所述第二放大滤波单元包括第二前置放大模块、第二滤波模块、第二主放大模块；所述第一前置放大模块与第一探测器电连接，所述第一前置放大模块与所述第一滤波模块电连接，所述第一滤波模块和所述第一主放大模块电连接，用于对第一探测器输出的电信号进行滤波和放大；所述第二前置放大模块与第二探测器电连接，所述第二前置放大模块与所述第二滤波模块电连接，所述第二滤波模块和所述第二主放大模块电连接，用于对第二探测器输出的电信号进行滤波和放大。
4.一种根据权利要求3所述的中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器，其特征在于，所述第一信号采集单元和第二信号采集单元结构相同，所述第一信号采集单元包括第一采样保持模块、第一AD转换模块；所述第二信号采集单元包括第二采样保持模块、第二AD转换模块；第一采样保持模块、第二采样保持模块分别用于接收来自于第一放大滤波单元、第二放大滤波单元的信号，进行采样，并输出；所述第一AD转换模块、第二AD转换模块分别用于接收来自所述第一采样保持模块、第二采样保持模块的信号，将电信号转换成数字信号，并将结果输出到主控单元。
5.一种根据权利要求4所述的中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器的使用方法，其特征在于，利用所述传感器检测气体的主要步骤包括：
步骤一 主控单元的DSP处理器模块通过电桥电路模块读取光波导微腔单元的温度，并通过TEC控制模块控制光波导微腔单元的温度，使其满足气体检测的温度要求；利用气泵经由进气口、出气口将气体抽入光波导微腔单元中；利用外加的压力控制器控制光波导微腔单元中压强；
步骤二 在DSP处理器模块作用下，激光器控制模块驱动中红外光源产生调制的中红外光信号，经分束后耦合进入参考波导腔的第一耦合狭缝波导、探测波导腔的第二耦合狭缝波导；
步骤三 在DSP处理器模块作用下，腔调谐模块在第一Ω电极、第二Ω电极上施加调谐信号，动态调整参考波导腔和探测波导腔的谐振波长，使中红外激光能在第一狭缝波导微环、第二狭缝波导微环中发生谐振，从而使第一狭缝波导微环、第二狭缝波导微环分别探测片上环境中光传输的噪声、目标气体；
步骤四 第一狭缝波导微环、第二狭缝波导微环中的光经耦合后进入第一连接波导、第二连接波导和第一输出波导、第二输出波导，经由第一探测器、第二探测器转变为第一电信号和第二电信号；第一电信号、第二电信号经前置放大、滤波、主放大后，分别由第一信号采集单元和第二信号采集单元采样后，转换为数字信号，并输出至DSP处理器模块中；
步骤五 DSP处理器模块采用数字锁相放大技术提取第一电信号和第二电信号的幅度，对二者做差分处理，消除片上噪声的影响；再根据仪器的标定曲线，计算待测目标气体的浓度。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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