光波导吸收式气体传感器及测量系统

摘要

一种用于精密分析与测量仪器领域的基于自由空间耦合的光波导吸收式气体传感器及测量系统。传感器包括：上层金属膜、上层光学玻璃片、气室、下层金属膜、下层光学玻璃片、垫块、平台、螺旋测微计。测量系统包括：光波导吸收式气体传感器、激发光源部分与光信号探测与处理部分，激发光源部分以及光信号探测与处理部分固定于光波导吸收式气体传感器的同侧，并保证各部分中心高度相等，金属膜沉积在玻璃片上，玻璃片依次放在平台上并用螺旋测微计通过垫块抵紧。激光源通过光学小孔和透镜后以一定会聚角射入传感器形成导波，用光电二极管阵列探测出射光强度变化情况以感知气室中气体成分的变化。本发明结构简单，成本低，灵敏度高，易于集成。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种测量仪器技术领域的传感器及由其组成的系统，特别是一种无棱镜的基于自由空间耦合的光波导吸收式气体传感器结构及测量系统。

背景技术

气体传感器在环境监测、生产过程监控、气体成份分析及气体泄漏报警等领域有着广泛的应用。目前常用的气体传感器按原理主要分为电学类、光学类、电化学类等几大类。其中，光纤气体传感器80年代后出现的一种新型光学传感器，它是利用气体在红外波段的特征谱线来鉴别气体和分析其浓度的。其测量原理是：不同气体的特征红外吸收光谱不同，在一定的浓度范围内，每种气体的红外吸光度值与气体的浓度呈线性关系。这种传感器一般由分布反馈式(DFB)激光器作为激发源，光由光纤传输并通过一气室，由于气体的吸收，光强会发生衰减，根据衰减的比例就可以测出气体的浓度值。由于光纤本身的特点，这类传感器具有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰等优点。缺点是：①使用分布反馈式(DFB)激光器，体格昂贵，系统成本较高。②使用光纤传输信号，光信号的频率必须处于光纤的低损耗窗口内，因此要求气体的特征频率也必须处于这个范围，这使得此传感器所能探测的气体种类有限。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号为：1396445A，名称为：双面金属波导测量方法及其装置，该发明专利中提出了用双面金属包覆波导作为传感元件，来实现对导波层介质成分的测量。该双面金属波导装置利用棱镜等耦合器件将激光从外面耦合进入传感器探测腔，利用金属包覆层的优良性质实现探测。但是由于采用棱镜结构，使得器件小型化以及利用导波高阶模方面有一定困难。另外因为其探测量为导波层介质折射率的变化，这使得测量对样品不具有选择性，不能作为气体分析仪器使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种光波导气体吸收式传感器及测量系统。使其无需耦合器件，入射光在小角度处入射，从而利用波导高阶模灵敏度高的优良特性和实现对样品的选择性探测，进一步降低成本、同时提高仪器的灵敏度。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明技术方案一为：光波导吸收式气体传感器包括：上层金属膜、上层光学玻璃片、气室、下层金属膜、下层光学玻璃片、平台，垫块、螺旋测微计。上层金属膜沉积在上层光学玻璃片的外侧，下层金属膜沉积在下层光学玻璃片的内侧。两块光学玻璃片中间放置环形垫片形成气室，垫片侧面对称地开有两个小孔，分别作为进气口和出气口。各部分按照上层金属膜、上层光学玻璃片、垫片、下层金属膜、下层光学玻璃片、垫块的顺序依次放置在平台上，并用螺旋测微计通过垫块抵紧。其中上层光学玻璃片与气室共同构成双面金属包覆波导的导波层。待测气体样品通过进气口进入气室，通过出气口排出。

本发明技术方案二为：由光波导吸收式气体传感器组成的测量系统，包括：光波导吸收式气体传感器、激发光源部分以及光信号探测与处理部分。激发光源部分以及光信号探测与处理部分固定于光波导吸收式气体传感器的同侧，激发光源的位置应保证激光从正面小角度(4°左右)射入气体传感器的中心，光信号探测与处理部分位于激光从气体传感器的出射位置。激发光源在固定位置以一定会聚角射入光波导吸收式气体传感器，光信号被导波层气体调制后由探测器接收并由计算机进行处理。

所述的激发光源部分，包括：半导体激光器、光学小孔、第一透镜、第二透镜。半导体激光器的输出频率范围应包含待测气体的特征频率。各器件依次放置并保证等轴同高。半导体激光器发出的光通过经光学小孔滤波后射入第一透镜进行扩束，再经第二透镜后形成会聚光束进入传感器。

所述的信号探测与处理部分，包括：光电二极管阵列和计算机，会聚光束从激光器出射后形成扩散光束进入光电二极管阵列，不同角度的强度值由光电二极管阵列探测并转化为电信号，计算机的数模转换器(A/D)同光电二极管阵列通过导线相连，将电信号转换为数字信号后由计算机进行分析处理。

由于普通半导体激光器的单色性不好，为了利用半导体激光器得到与气体吸收线相匹配的激发光，首先利用光谱分析仪确定激光的最佳入射角。利用双面金属包覆波导的滤波功能，微调激光的入射角使光谱吸收线与待测气体吸收线相匹配，固定激光器及传感器，则以此角度入射时可得到最高的灵敏度。此时加入光学小孔、第一透镜、第二透镜调整光路，形成一会聚角度(1°左右)的会聚光束射入光波导吸收式气体传感器，光电二极管阵列将探测到在此会聚角度范围内的导波峰，计算机则可记录导波峰的最低点光强值。当样品气体由进气口进入气室，由于气体的吸收，导波峰最低点的光强值将发生明显的变化，通过监测最低点的光强值就可反演出气体的浓度值。由于利用了超高阶导模的优良特性以及双面包覆波导自身具有的滤波功能，本探测器的精度可以比普通探测器提高一个数量级以上。

本发明光波导气体传感器具有以下优点：基于自由空间耦合，无需棱镜作为耦合单元，因以可以实现小角度测量以及探测元件小型化；导波层厚度可达毫米量级，不仅扩大了气室的体积，也使得利用导波的超高阶导模成为可能；导波层包含一层薄玻璃板，对热噪声有一定的抑制作用；充分利用了双面金属包覆波导所具有的滤波功能，采用普通半导体激光器就可调谐出与气体吸收线相匹配的激发源，从而避免使用价格昂贵的分布发馈式激光器；整个结构固定，使用过程中无须调整，可避免机械振动引起的干扰，并且利于集成；利用气体的特征吸收级进行测量，使得探测器的对气体有精确的选择性；样品气体处于光能密度很大的振荡场中，探测的灵敏度极高。本发明用全新的方法实现气体的分析与测量，结构简单，对气体的选择性好，测量灵敏度高，实用性强，有一定的市场应用前景。

图1本发明光波导吸收式气体传感器结构示意图

图2本发明光波导吸收式气体传感器俯视图

图3本发明光波导吸收式气体传感器主视图

图4本发明测量系统示意图

具体实施方式

如图1-图4所示，本发明光波导吸收式气体传感器1包括：上层金属薄膜4、上层光学玻璃片5、气室6、下层金属薄膜7、下层光学玻璃片8、进气口9、出气口10、垫块11、平台12、螺旋测微计13。上层金属膜4沉积在上层光学玻璃片5上，并朝向外侧；下层金属膜7沉积在下层玻璃片8上，并朝向内侧。两玻璃片之间放置中空的带有两个小孔的垫片，两小孔分别用作进气口9和出气口10，中空部分形成气室6。各部分按照上层金属薄膜4、上层光学玻璃片5、气室6、下层金属薄膜7、下层光学玻璃片8、垫块11的顺序依次放在平台12上，并用与平台12连结在一起的螺旋测微计13抵紧。上层金属薄膜4、上层光学玻璃片5、气室6、下层金属薄膜7构成双面金属包覆波导结构，其中上层光学玻璃片5与气室6为导波层。

光波导吸收式气体传感器组成的测量系统包括：光波导吸收式气体传感器1、激发光源部分2与光信号探测与处理部分3。激发光源部分2以及光信号探测与处理部分3固定于光波导吸收式气体传感器1的同侧，激发光源部分2的位置应保证激光从正面小角度(4°左右)射入气体传感器1的中心，光信号探测与处理部分3位于激光从气体传感器的出射位置。各部分中心高度保持相等。

激发光源部分2包括半导体激光器14、光学小孔15、第一透镜16、第二透镜17，各器件依次放置并保持等轴同高。首先利用光谱分析仪在4°左右确定半导体激光器14的最佳入射角，然后固定半导体激光器14及气体传感器1的位置，在半导体激光器14及气体传感器1之间加入光学小孔15、第一透镜16、第二透镜17并调整它们的位置使出射光以1°左右的会聚角射入气体传感器的中心，然后固定光学小孔15、第一透镜16、第二透镜17。

光信号探测与处理部分3包括光电二极管阵列18和计算机19，会聚光束从光波导吸收式气体传感器1出射后以相同发散角打到光电二极管阵列18上，光电二极管阵列18记录各点光强度值(导波峰)并输送到计算机19进行处理。当气室中待测气体浓度值发生变化时，则光电二极管阵列18记录的各点光强值发生改变，通过对光强的大小进行分析，就可以反演出气体浓度的变化情况。

半导体激光器14发出的激光与光波导吸收式气体传感器1成固定的角度，角度的大小可借助光谱分析仪来确定。确定的原则是使以此角度入射的激光的导波共振频率与待测气体的吸收频率相匹配。

光电二极管阵列18记录的是各角度对应的光强值，当气室中待测气体浓度值发生变化时，则光电二极管阵列18记录的各点光强值发生改变，通过对光强的大小进行分析，就可以反演出气体浓度的变化情况。