CN114509417A - 一种集成化气室荧光气体检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种集成化气室荧光气体检测装置，包括半导体激光器、激光通道、凹面反射镜、检测气室、滤波器和探测器，所述激光通道、凹面反射镜和检测气室集成在同一基底材料上形成集成化气室，所述集成化气室中在与检测气室相对应的位置处还集成有滤波器，所述半导体激光器输出的激发光波长小于待测气体的吸收波长，所述半导体激光器输出的激光通过激光通道到达凹面反射镜并聚焦到检测气室内，待测气体在检测气室内被激发而辐射出的荧光能够通过滤波器，所述滤波器反射半导体激光器输出的激光，所述探测器用于探测待测气体辐射出的荧光的功率，本发明提供了一种结构紧凑且装配要求低的集成化荧光气体检测装置。

Description

一种集成化气室荧光气体检测装置
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种集成化气室荧光气体检测装置。
背景技术
基于光学的气体检测技术具有测量范围广、与信息系统兼容而实现在线监测预判，且灵敏度高可靠性高。目前可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)检测是目前气体检测的主流技术方案之一。因为气体分子的转动与振动，形成对特定波长光的吸收。通过可调谐激光器扫描波长，对分子吸收谱信息进行分析，从而判断气体分子的类别和浓度。该技术具有非接触式、响应快、与信息系统兼容等优势。目前该技术在具有甲烷场景的天然气管道遥测、煤矿与城市管廊的点测量等方面得到了广泛的应用。但是该技术因为需要确保激光波长严格对准气体吸收峰，导致结构复杂，成本整体比较高。荧光法是另一种有效的气体检测方案。该方案利用探测待测气体辐射的荧光功率来判断气体的浓度。因为激发光波长要求低，所以整个系统的成本可以相对低。不过因为需要滤波器、透镜等多种元件，装配成本依旧比较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成化气室荧光气体检测装置以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种集成化气室荧光气体检测装置，包括半导体激光器、激光通道、凹面反射镜、检测气室、滤波器和探测器，所述激光通道、凹面反射镜和检测气室集成在同一基底材料上形成集成化气室，所述集成化气室中在与检测气室相对应的位置处还集成有滤波器，所述半导体激光器输出的激发光波长小于待测气体的吸收波长，所述半导体激光器输出的激光通过激光通道到达凹面反射镜并聚焦到检测气室内，待测气体在检测气室内被激发而辐射出的荧光能够通过滤波器，所述滤波器反射半导体激光器输出的激光，所述探测器用于探测待测气体辐射出的荧光的功率。
进一步的，所述集成化气室采用硅、塑料或除汞以外的金属。
进一步的，所述集成化气室为刻蚀槽结构，且刻蚀槽表面镀金属膜，所述金属膜为除汞以外的金属膜。
进一步的，所述集成化气室采用光刻结合刻蚀和镀膜工艺制成或通过模具压制一次成型。
进一步的，所述滤波器为布拉格光栅滤波器。
进一步的，还包括载体，所述集成化气室倒装焊接在载体上或正面贴在载体上。
进一步的，集成化气室正面贴在载体上时，在检测气室上面封盖。
进一步的，所述检测气室内设置有热敏电阻或热敏电阻和温度控制器。
进一步的，半导体激光器、集成化气室和探测器可以贴片在同一个安装载体上从而实现小型化的检测单元。
进一步的，所述激光器和探测器一起贴片在制作集成化气室的相同基底材料上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
将凹面反射镜、检测气室以及滤波器集成在一起，半导体激光器发射激发光，通过待测气体后，激发态得气体发射荧光，荧光通过滤波器被探测器探测到，由于集成化的滤波器，激发光造成得杂散光被滤波器反射回来，增加信噪比；因为该装置集成了凹面反射镜、检测气室和滤波器，所以在制造过程中减小了装配难度，降低成本；该装置可以基于硅材料，也可以是塑料或除汞以为的金属材质实现。本发明的优点在于该装置结构紧凑、小型化、减缓装配精度要求，适合大规模批量生产。
附图说明
图1是本发明的结构原理图；
图2是本发明集成化气室的结构示意图；
图3是本发明滤波器的结构视图；
图4是本发明滤波器的光栅发射谱示意图；
图5是本发明的倒装焊示意图；
图6是本发明的刻蚀槽示意图；
图7是本发明的凹面反射镜结构视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
参见图1～7所示，一种集成化气室荧光气体检测装置，包括半导体激光器、激光通道、凹面反射镜、检测气室、滤波器和探测器，激光通道、凹面反射镜和检测气室集成在同一基底材料上形成集成化气室，集成化气室中在与检测气室相对应的位置处还集成有滤波器，半导体激光器输出的激发光波长小于待测气体的吸收波长，半导体激光器输出的激光通过激光通道到达凹面反射镜并聚焦到检测气室内，待测气体在检测气室内被激发而辐射出的荧光能够通过滤波器，滤波器反射半导体激光器输出的激光，探测器用于探测待测气体辐射出的荧光的功率。
集成化气室采用硅、塑料或除汞以外的金属。
集成化气室为刻蚀槽结构，且刻蚀槽表面镀金属膜，金属膜为除汞以外的金属膜。
集成化气室采用光刻结合刻蚀和镀膜工艺制成或通过模具压制一次成型。
滤波器为布拉格光栅滤波器。
还包括载体，集成化气室倒装焊接在载体上或正面贴在载体上。
集成化气室正面贴在载体上时，在检测气室上面封盖。
检测气室内设置有热敏电阻或热敏电阻和温度控制器。
半导体激光器、集成化气室和探测器可以贴片在同一个安装载体上从而实现小型化的检测单元。
激光器和探测器一起贴片在制作集成化气室的相同基底材料上。
本发明中，集成化气室包含激光通道、凹面反射镜、集成在集成化气室内的滤波器以及气体的入口和出口，半导体激光器出射激发光，波长小于待测气体的吸收峰，通过激光通道到达凹面反射镜，聚焦到一点；待测气体通过入口进入检测气室内，吸收特定波长的激光，气体处于激发态并辐射荧光；滤波器可以通过荧光，并反射半导体激光器发射的激光，这样荧光通过滤波器后进入探测器被探测功率，从而得到待测气体的浓度信息。
该集成化气室制作在同一个基底材料上，如图2所示，通过刻蚀槽结构，得到一个腔体类似自由空间传播光。如图3所示，凹面反射镜可以优化设计成一个合理的凹面弧形实现光束的汇聚。一般设计成聚焦点在滤波器的前面，有利于探测器接收到更多的荧光。因为凹面镜的侧壁也是垂直，所以可以通过刻蚀同时实现。待测气体的入口和出口的可以设计成倾斜结构，目的是气体、汇聚的光束正好重合在滤波器前方。如图4所示，最后形成的集成化气室。为了光有效传播，除开了滤波器，整个槽中需要镀除汞以外的金属膜。基底材料可以采用硅实现。这样可以基于现有的半导体加工工艺，比如光刻、刻蚀和镀膜等传统低成本工艺实现。当然也可以采用塑料实现。可以采用膜具对于槽的结构一次成形。光栅滤波器尤其周期性结构，精度要求高，可以单独刻蚀制作。由于气体的浓度同时受到温度和气压的影响。集成化气室上可以装配热敏电阻采集温度信息，并对检测到的信号进行修正。
本发明中，集成化气室中包含的凹面反射镜等结构都是大尺度比较容易制作，一般槽的尺寸可以通过待测气体所需要的激发光波长已经传播距离决定；凹面反射镜的弧面根据光的汇聚点的位置做优化设计；对于滤波器，这里提出一种方案，即布拉格光栅滤波器结构，如图5所示，该结构主要是基于周期性结构，在基底材料的表面制作周期性结构，其周期大小根据布拉格波长决定。如果我们知道了激发光波长，该光需要被反射出去，禁止继续传播到探测器，所以激发光波长一般就是光栅布拉格波长。这样通过基底材料的折射率可以通过布拉格波长公式计算出光栅周期。此外这里需要注意，光栅整体长度和光栅耦合系数与反射谱的带宽有关，本发明设计成如图6所示的反射谱，即激发光被全部反射，荧光能透过光栅。光栅的制作可以采用传统的微加工工艺，即先采用光刻板光刻，显影制作掩埋，然后离子束等手段刻蚀周期性结构。刻蚀的深度和光栅耦合系数有关，刻蚀越深，耦合系数越大，所以通过实验结合理论设计得到。
本发明提出的集成化气室可以基于硅、塑料或除汞以外的金属材质。具体根据应用场合与加工手段而定。槽结构表面一般需要镀金属膜，减小激光在槽中传播损耗。集成化气室可以在槽结构的口向上贴片在载体上。这种情况需要槽结构上面封盖，从而避免外界杂散光的影响。也可以倒装焊，直接扣在载体上，如图7所示，这样避开了封盖等步骤。激光器贴片可以贴片在相同的载体上，发出的光入射进入激光通道，并将探测器装配在滤波器后面。从而实现整个检测系统的集成化小型化。由于该荧光方案对激光光的波长精度要求较低，虽然温度的改变会导致激光器波长的漂移，但是漂移量并不是很大，所以依旧可以正常工作。载体上需要贴片热敏电阻检测环境温度，从而对检测装置采集到的气体浓度信息进行修正。该装置可以实现制冷方案，当然也可以在载体下面装配温度控制器控温，实现较为稳定的局部环境。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成化气室荧光气体检测装置，其特征在于，包括半导体激光器、激光通道、凹面反射镜、检测气室、滤波器和探测器，所述激光通道、凹面反射镜和检测气室集成在同一基底材料上形成集成化气室，所述集成化气室中在与检测气室相对应的位置处还集成有滤波器，所述半导体激光器输出的激发光波长小于待测气体的吸收波长，所述半导体激光器输出的激光通过激光通道到达凹面反射镜并聚焦到检测气室内，待测气体在检测气室内被激发而辐射出的荧光能够通过滤波器，所述滤波器反射半导体激光器输出的激光，所述探测器用于探测待测气体辐射出的荧光的功率。
2.根据权利要求1所述的一种集成化气室荧光气体检测装置，其特征在于，所述集成化气室采用硅、塑料或除汞以外的金属。
3.根据权利要求1所述的一种集成化气室荧光气体检测装置，其特征在于，所述集成化气室为刻蚀槽结构，且刻蚀槽表面镀金属膜，所述金属膜为除汞以外的金属膜。
4.根据权利要求1所述的一种集成化气室荧光气体检测装置，其特征在于，所述集成化气室采用光刻结合刻蚀和镀膜工艺制成或通过模具压制一次成型。
5.根据权利要求1所述的一种集成化气室荧光气体检测装置，其特征在于，所述滤波器为布拉格光栅滤波器。
6.根据权利要求1所述的一种集成化气室荧光气体检测装置，其特征在于，还包括载体，所述集成化气室倒装焊接在载体上或正面贴在载体上。
7.根据权利要求6所述的一种集成化气室荧光气体检测装置，其特征在于，集成化气室正面贴在载体上时，在检测气室上面封盖。
8.根据权利要求1所述的一种集成化气室荧光气体检测装置，其特征在于，所述检测气室内设置有热敏电阻或热敏电阻和温度控制器。
9.根据权利要求1所述的一种集成化气室荧光气体检测装置，其特征在于，半导体激光器、集成化气室和探测器可以贴片在同一个安装载体上从而实现小型化的检测单元。
10.根据权利要求1所述的一种集成化气室荧光气体检测装置，其特征在于，所述激光器和探测器一起贴片在制作集成化气室的相同基底材料上。
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