CN204177733U - 基于声表面波原理的激发式无源气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，包括声表面波发生装置、声表面波激发装置、探测光束发射装置以及光束强度检测装置，所述声表面波发生装置包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性吸附膜，所述声表面波激发装置向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述探测光束发射装置向声表面波发生装置发射探测光束，所述光束强度检测装置接收探测光束的反射光并检测探测光束的强度。本实用新型改变了传统声表面波传感器一些固有的缺点。

Description

基于声表面波原理的激发式无源气体传感器

技术领域

本实用新型涉及一种气体传感器。

背景技术

随着工业化的进程和人们生活水平的提高，气体传感器在工业应用与人们日常生活中都得到了广泛的应用，也成为倍受人们关注的研究课题。在众多的气体传感器中，声表面波(SAW)气体传感器的开发和应用受到了广泛的关注并获得了长足的进步。声表面波(SAW)传感器的研究起源于70年代，当时人们在研究SAW电子器件的时候发现表面沉积物、应力、温度、电场、磁场等外界因素均会对器件的特性产生较大的影响，这些影响是电子器件所不希望的，然而却十分适用于传感器的研究。由于这种传感器具有高精度、高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰能力强，不需要模/数转换，敏感器件采用半导体平面工艺制作，易于集成及大规模生产等优点，30多年来，以SAW延迟线或谐振器作为核心敏感组件的SAW传感器技术得到了很大发展。到目前为止，人们不但已经研制了温度、压力、质量传感器。特别是在气体传感器方面已经取得了可喜的科研成果。

声表面波(SAW)气体传感器的基本结构是在以压电材料为衬底的表面上，一端为输入叉指换能器(IDT1)，另一端为输出叉指换能器(IDT2)，两者之间的区域淀积了针对特定气体敏感的薄膜。此薄膜与被测气体发生相互作用，导致界面膜的物理性质发生变化，从而改变了SAW的速度或频率，因此通过测量声波的频率偏移或相位延迟可以反演得到气体的种类、浓度等待测量。

然而，传统的SAW气体传感器大多采用金属叉指换能器(IDT)制成，但传统的SAW气体传感器也具有固有的缺点，如频响低，接触式等。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，解决传统声表面波传感器频响低、接触式等固有缺点，方便气体检测，提高检测的精确度。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，包括声表面波发生装置、声表面波激发装置、探测光束发射装置以及光束强度检测装置，所述声表面波发生装置包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性吸附膜，所述声表面波激发装置向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述探测光束发射装置向声表面波发生装置发射探测光束，所述光束强度检测装置接收探测光束的反射光并检测探测光束的强度。

优选的，所述声表面波激发装置包括激光器、光束分离器以及柱面透镜，激光器激发激光脉冲，激光脉冲通过光束分离器后被柱面透镜聚焦到声表面波发生装置上。

优选的，所述探测光束发射装置包括半导体激光器，所述半导体激光器激发的探测光束由聚焦透镜聚焦在声表面波发生装置表面。

优选的，所述光束强度检测装置包括光电倍增管，探测光束的反射光由一个显微透镜聚焦并通过光电倍增管转化为电信号。

本实用新型采用上述技术方案，首先，传感器基于声表面波原理，实现了无源无线的状态监测方式，有效的解决了传统在线监测装置存在的在安全性、可靠性、稳定性等方面存在的问题。而且体积小，与采集器之间数据无线传输，安装方便灵活，不受设备结构和空间影响；不受灰尘、电磁场等环境因素影响，可长期稳定工作；无线射频信号具有一定的穿透绕射能力，可广泛用于测量可视范围内及存在障碍物的各种物体参数。

其次，可以很大程度上节约成本以及提高设备安全运行水平。基于声表面波技术的无源无线传感器与被监测设备同寿命，具有极高的可靠性和稳定性；还有利于实现一些新的更真实反映设备运行状态的特征量的监测，从而更加及时、准确、全面掌握设备状态。

更为突出的是，本实用新型结合传统SAW气体传感器的吸附性薄膜与气体作用的原理与激光超声检测技术，激光超声检测技术以其非接触和适合运动检测等显著优点，已成为无损检测领域中的一种重要技术和手段，采用激光在覆有吸附性薄膜的金属表面激发声表面波，用单芯光纤耦合的反射式光束偏转法在薄膜处对所激发声表面波进行探测，进而准确检测出气体的浓度。此气体传感器的优点在于采用光学方法来检测由激光激发的声脉冲，不仅非接触，而且也为气体监测提供了一种新的途径。

综上，本实用新型改变了传统声表面波传感器一些固有的缺点，如频响低，接触式等，采用光学方法来代替，不仅可应用于气体测量领域，还可实现压力、湿度、液相等多种无源无线传感器，在变压器油介损在线监测、SF6气体压力、微水及组分在线监测等方面有着广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型的结构原理图；

图2为本实用新型的气体测量光路倾角变化图。

具体实施方式

本方案结合传统SAW气体传感器的吸附性薄膜与气体作用的原理与激光超声检测技术，提出一种新的气体传感器。如图1和图2所示，具体包括声表面波发生装置1、声表面波激发装置2、探测光束发射装置3以及光束强度检测装置4。其中，声表面波发生装置1包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性吸附膜11，所述声表面波激发装置2向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述声表面波激发装置2包括激光器21、光束分离器22以及柱面透镜23，激光器激发激光脉冲，激光脉冲通过光束分离器后被柱面透镜聚焦到声表面波发生装置上。所述探测光束发射装置3包括半导体激光器31，所述半导体激光器激发的探测光束由聚焦透镜32聚焦在声表面波发生装置表面。所述光束强度检测装置4包括光电倍增管41，探测光束的反射光由一个显微透镜44聚焦并通过光电倍增管41转化为电信号，在显微透镜44与光电倍增管41之间设有滤光片43和光纤准直器42，探测光束的反射光经过显微透镜44聚焦后再经过滤光片和光纤准直器42进入光电倍增管41，光电倍增管41连接示波器45，通过示波器45对检测结果进行显示。

采用激光在覆有吸附性薄膜的金属表面激发声表面波，用单芯光纤耦合的反射式光束偏转法在薄膜处对所激发声表面波进行探测，进而准确检测出气体的浓度。此气体传感器的优点在于采用光学方法来检测由激光激发的声脉冲，不仅非接触，而且也为气体监测提供了一种新的途径。

在本SAW气体传感器中，在利用单芯光纤探测光束的偏转来反映声表面波信息外，关键的部分在于在靶材的中间位置覆了一层很薄的气体选择性吸附膜，该膜只对所需敏感的气体有吸附作用。本SAW气体传感器输出的可靠性在很大程度上取决于敏感膜的稳定性。

吸附敏感膜具有可逆性和高稳定性，可逆性指的是敏感膜对气体既有吸附作用，又有解吸作用，当待测的气体浓度升高时，薄膜所吸收的气体量随之增加；当浓度降低时，薄膜还应该能够解吸待测气体。吸附过程和解吸过程是严格互逆的。这也是此气体传感器正常可靠工作的前提。它的敏感机理随气敏薄膜的种类不同而不同，当薄膜用各向同性绝缘材料时，它对气体的吸附作用转变为覆盖层密度的变化，于是SAW传播路径上的质量负载效应使得SAW波速发生变化。从而引起材料表面倾角的变化，表面倾角改变，光通量也会产生相应的变化，从而得到新的交流电信号，通过检测可得表面倾角改变的大小，进而定量分析检测出被检测气体的浓度。

其所应用的检测原理为：

当激光脉冲在靶材表面传播时，会产生微小的表面形变，近似认为光束发生镜面反射。设表面形变的倾斜角为θ,那么，光束反射时偏移原路径的角度即为2θ相应的，反射光束经显微透镜聚焦后形成光斑偏移的距离可以表示为:

δ＝2f₂·θ

探测光束的聚焦光斑的半径为:

R＝f₂(r₁/f₁)

式中r1是检测光束的半径；f1，f2分别是透镜Ll、L2的焦距(rl＝2mm，f1＝40mm，f2＝4mm)；单的光纤的半径为r(5μm)，且有R>>r。

探测激光光束的光强分布为：

$I=I_0\exp (-\frac{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}{A^2})$

式中是光束光强的最大值，A为常数。光纤耦合的光通量为:

$\mathrm{\Φ}=I_0{\∫}_{a-r}^{a+r}{\∫}_{-\sqrt{r^2-{(\mathrm{\ξ}-a)}^2}}^{\sqrt{r^2-{(\mathrm{\ξ}-a)}^2}}\exp (-\frac{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}{A^2})\mathrm{d\ηd\ξ}$

式中a为聚焦光斑的中心到光纤中心的距离。方程可以简化为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{0.833{\mathrm{\Φ}}_0(a+2\mathrm{\θ}{f}_2)}{A}$

通过对光通量变化的测量，很容易的确定倾斜角0。而光通量的变化转化为交流电信号：式中η是转化因子(单位v/w)。

气体吸附膜引发倾角变化如图2。则表面倾角变为：

θ′＝θ-Δθ

倾角改变，光通量也会产生相应的变化，从而得到新的交流电信号为：

$U=\mathrm{\η}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}^{\′}=\mathrm{\η}\·\frac{1.666{\mathrm{\Φ}}_0{\mathrm{\θ}}^{\′}{f}_2}{A}$

则通过检测可得：

$\mathrm{\ΔU}=U-U^{\′}=\frac{1.666{\mathrm{\Φ}}_0\mathrm{\Δ\θ}{f}_2}{A}$

从而可以反映出△θ的大小，进而定量分析检测出被检测气体的浓度。

以检测工业领域中较为常见的敏感S02气体为例，由于本传感器应用的是气体吸附性薄膜对被测气体进行检测的传感原理。激光在覆有选择性气体吸附膜的金属块表面激发出声表面波，后者沿金属块表面传播。在吸附性薄膜与被测气体发生反应后，声表面波的强度被改变；然后利用PMT(光电倍增管)，通过单芯光纤耦合的反射式光束偏转法探测由半导体激光器发出的探测光束，所检测的光强的变化反映了被检测气体的浓度，从而实现被测气体的浓度测量。

实际使用中，金属块可以选择铝，这是一种各向同性的金属材料，对脉冲激光容易吸收，光声转换效率较高,使用了抛光铝材作为靶材，采用聚苯胺(PAn)薄膜(敏感SO₂气体)作为吸附膜，当被测环境中SO₂气体浓度升高时，PAn薄膜所吸收的气体量也随之增加，从而使倾角变小，输出交流电压幅度降低；当被测环境中SO₂气体浓度降低时，薄膜所吸收的气体量也随之减少，倾角增大，输出交流电压幅度增大。

在实际应用中，可以通过柱状透镜聚焦成一线光源，所激发的是瑞利波，瑞利波是一种常见的界面弹性波，是沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波，它在固体的表面产生并沿着表面传播，其振幅随离表面深度而迅速衰减，瑞利波在垂直于线光源方向传播占绝对优势.

方案中对于敏感SO₂气体进行检测的气体吸附膜为聚苯胺气敏薄膜。这种薄膜是分别将本征态、掺杂态聚苯胺粉末按气敏膜面积称取，溶解在N-二甲基酰胺溶剂中，球磨后，使其充分溶解、分散，然后将溶液小心旋涂于铝块表面，溶剂挥发后形成的气敏膜。

瑞利波是由Nd:YAG激光器来激发，波长1.06μm，脉宽30ns，单脉冲的能量可以达到70mJ，激光脉冲通过滤光片滤波后，被一个聚焦透镜(焦距40mm)聚焦在靶材上，当靶材受到脉冲激光的作用时，由于热弹以及融蚀等多种效应，会在材料中激发出各种波型。本方案中的探测光束由半导体激光器(波长为0.651μm，功率为5mW)发出，通过光电倍增管(PMT)接收激光反射光实现。探测光束由聚焦透镜聚焦到靶材表面，反射光再由一个显微透镜聚焦，从光纤输出的光通过光电倍增管转化为电信号，信号经放大滤波后，由A/D采样并通过串口存储到处理器进行处理，实现对外的传感、显示等功能。

Claims (4)

1.基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，其特征在于：包括声表面波发生装置、声表面波激发装置、探测光束发射装置以及光束强度检测装置，所述声表面波发生装置包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性吸附膜，所述声表面波激发装置向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述探测光束发射装置向声表面波发生装置发射探测光束，所述光束强度检测装置接收探测光束的反射光并检测探测光束的强度。

2.根据权利要求1所述的基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，其特征在于：所述声表面波激发装置包括激光器、光束分离器以及柱面透镜，激光器激发激光脉冲，激光脉冲通过光束分离器后被柱面透镜聚焦到声表面波发生装置上。

3.根据权利要求1所述的基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，其特征在于：所述探测光束发射装置包括半导体激光器，所述半导体激光器激发的探测光束由聚焦透镜聚焦在声表面波发生装置表面。

4.根据权利要求1所述的基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，其特征在于：所述光束强度检测装置包括光电倍增管，探测光束的反射光由一个显微透镜聚焦并通过光电倍增管转化为电信号。