一种检测多组分气体的光压传感器及其检测方法技术

本发明专利技术公开了一种检测多组分气体的光压传感器及其检测方法，其特征是设置一筒体，在所述筒体的一端支撑有纳米银膜，在筒体的另一端插入有柱状插芯，贯穿柱状插芯内固定有光纤,光纤的插入端光纤端面为斜面；在纳米银膜和柱状插芯之间、位于筒体的侧壁上，沿筒体径向设置有气流通孔；在筒体内、位于纳米银膜和气流通孔之间支撑有一透明晶体板，晶体板和纳米银膜之间形成密封腔，晶体板、光纤的插入端光纤端面及气流通孔之间形成气体吸收腔；通过光纤同时传输检测光和由不同声频频率调制的不同波长的激发光，当不同波长的激发光穿过气体利用光压驱动纳米银膜产生振动时，从而获得气体的组分及其浓度信息。本发明专利技术体积微型化，检测灵敏度高，且为全光结构，可应用于易燃、易爆环境下的气体浓度检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种检测气体的光压传感器及其检测方法，特别是同时检测多组分气体的光压传感器及其检测方法。
技术介绍
19世纪，英国物理学家麦克斯韦创立了电磁理论，指出光的本质是电磁波。同时他还预言：光射到物质表面时，将对这一表面施加压力。在1901年，俄国物理学家彼得·尼古拉耶维奇·列别捷夫首次实验测量出光压。随着现代工业化生产和人们生活方式的改变，生存环境中存在着各种各样有毒有害气体，空气质量的变化对人类健康及公共安全带来了巨大的隐患。世界各国都在发展各种气体检测技术，以满足大气环境监测、温室效应变化、空气污染状况、医学健康诊断、工业生产安全，甚至国防军事、国家安全以及反恐等领域对及时、准确、高效的气体检测技术的需求。常用的测量气体方法主要有红外吸收光谱法、电化学法和化学传感器法等。红外光谱法是近十多年来迅速发展的新型检测技术。与其它方法相比较，有测量范围宽、灵敏度高、选择性良好、不中毒、寿命长、响应快等一系列优点，受到国内外广泛重视，具有良好的技术发展前景。红外吸收光谱的原理是根据量子力学原理，光是由光子所组成，当气体受到红外光束照射时，光子作用于该气体分子，该分子选择性地吸收某些频率的光子，并从低能态跃迁到高能态；从宏观上看，表现为透射光的强度变小，这种现象称为吸收。根据上述原理，特定气体吸收特定频率的光波，且不同气体浓度，气体吸收的光波强度是不同的。通过红外吸收光谱，我们可以检测气体的组成及各组成气体的浓度。目前，采用红外吸收光谱检测多组分气体的系统的吸收池体积体积较大，空间光路结构复杂，光路调整难度大，如公开号CN102183482A、CN202421064U；同时，现有大多数检测多组分气体的系统多采用光电检测器来实现对光信号的直接拾取，光信号需要经过光电检测器转换成电信号再经过放大处理，这一光信号拾取过程必然引入电噪声，影响检测精度，如公开号CN102053070A、CN102654455A，并且由于吸收池体积大、含有电信号，因而限制了其在空间环境狭小、易燃、易爆等环境下的气体检测应用；此外，现有大多数检测多组分气体的系统不能同一时间检测气体多组分，必须逐一检测气体各组分，如公开号CN1908623A、CN102095699A。
技术实现思路
为解决上述现有技术所存在的不足之处，本专利技术提供一种全光结构的检测多组分气体的光压传感器及其检测方法，以期可以提高检测灵敏度，实时检测多组分气体的组分及其浓度，并且实现检测系统体积微型化，检测探头无电信号，可应用于易燃、易爆环境下的气体浓度检测。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术检测多组分气体的光压传感器，其特点是：设置一筒体，在所述筒体的一端支撑有纳米银膜，在筒体的另一端插入有柱状插芯，贯穿柱状插芯内固定有光纤,所述光纤的插入端光纤端面为斜面；在纳米银膜和柱状插芯之间、位于所述筒体的侧壁上，沿所述筒体径向设置有气流通孔；在筒体内、位于纳米银膜和气流通孔之间支撑有一透明晶体板，所述晶体板和所述纳米银膜之间形成密封腔，所述晶体板、光纤的插入端光纤端面及气流通孔之间形成气体吸收腔。本专利技术检测多组分气体的光压传感器，其特点也在于：所述纳米银膜为厚度在100-500nm的平面薄膜。所述光纤的插入端光纤端面为倾角不小于8°的斜面。所述晶体板的厚度不大于100μm，所述晶体板的透光率不小于93%。所述晶体板与所述光纤的插入端光纤端面的夹角不大于3.78°。利用本专利技术检测多组分气体的光压传感器的检测方法，其特点是：若待测气体组分确定，则按如下方式a检测待测气体各组分的浓度：方式a：a1、根据待测气体每一组分的吸收波长确定激发光的波长组成，构成激发光组；赋予激发光组中每一波长的激发光一个声频频率，并以声频频率调制其所对应波长的激发光的光功率；a2、将纯度为99.99%的高纯氮气通过气流通孔通入气体吸收腔内；a3、将激发光组通过光纤传入气体吸收腔；所述激发光组穿过气体吸收腔、晶体板及密封腔照射在纳米银膜表面产生光压，驱动纳米银膜振动；a4、振动检测光源的光信号分成两路；第一路光信号经光纤输入光压传感器，并通过纳米银膜反射形成反射光；第二路光信号经压电陶瓷调制，形成相位调制光；所述反射光与所述相位调制光通过光纤耦合器耦合形成干涉光，光相位解调仪解调所述干涉光，从而获得干涉光的频谱图，根据所述频谱图，获得与声频频率相对应的信号强度，再根据所述信号强度与激发光的光功率改变值的线性关系，确定激发光组中每一波长的激发光的光功率改变值I0；a5、将待测气体通过气流通孔通入到气体吸收腔内，重复步骤a3和步骤a4，获得激发光组中每一波长的激发光的光功率改变值I1；a6、比较I0与I1，从而获得每一波长的激发光所对应待测气体的每一组分的浓度；若待测气体组分未知，则首先通过方式b确定待测气体的组分，再按方式a检测待测气体各组分的浓度；方式b：在近红外光谱范围内，调节激发光的波长，连续扫描光谱，并以不同声频频率调制每一波长的激发光的光功率；将激发光通过光纤传入气体吸收腔内；通过比较在气体吸收腔内通入纯度为99.99%的高纯氮气时与通入待测气体时每一波长的激发光产生的干涉光强度是否相同，获得干涉光强度发生变化时对应的激发光的波长，并与已知种类气体的吸收波长相比较，逐一确定待测气体的组分。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术一种检测多组分气体的光压传感器及其检测方法，采用纳米银膜作为振动感应膜片进行对光压信号的直接拾取，其感应灵敏度高，避免了因麦克风或音叉的引入产生的噪声，同时可以实现检测系统体积微型化；2、本专利技术一种检测多组分气体的光压传感器及其检测方法，采用光纤输入/输出光信号，光路结构简单可靠，避免了引入额外的噪声；3、本专利技术一种检测多组分气体的光压传感器及其检测方法，可实现多组分气体浓度的同时检测；4、本专利技术一种检测多组分气体的光压传感器及其检测方法，实现的检测系统为全光结构，避免了电信号的存在，因而检测系统能应用于易燃、易爆等特种环境中的气体检测。附图说明图1为本专利技术检测多组分气体的光压传感器的结构示意图；图2为本专利技术基于光压传感器的多组分气体检测系统装置示意图；图中标号：1振动检测光源，2a第一光纤耦合器，2b第二光纤耦合器，2c第三光纤耦合器，3光纤，4压电陶瓷，5电信号数据线，6光相位解调仪，7光纤环形器，8调制激发光源，9光压传感器，10柱状插芯，11筒体，12气体吸收腔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检测多组分气体的光压传感器，其特征是：设置一筒体(11)，在所述筒体(11)的一端支撑有纳米银膜(13)，在筒体的另一端插入有柱状插芯(10)，贯穿柱状插芯内固定有光纤(3),所述光纤的插入端光纤端面(14)为斜面；在纳米银膜（13）和柱状插芯（10）之间、位于所述筒体(11)的侧壁上，沿所述筒体(11)径向设置有气流通孔（16）；在筒体(11)内、位于纳米银膜(13)和气流通孔（16）之间支撑有一透明晶体板(17)，所述晶体板(17)和所述纳米银膜（13）之间形成密封腔(15)，所述晶体板(17)、光纤的插入端光纤端面(14)及气流通孔（16）之间形成气体吸收腔(12)。

【技术特征摘要】
1.一种检测多组分气体的光压传感器，其特征是：设置一筒体(11)，在所述筒体(11)的
一端支撑有纳米银膜(13)，在筒体的另一端插入有柱状插芯(10)，贯穿柱状插芯内固定有光纤
(3),所述光纤的插入端光纤端面(14)为斜面；在纳米银膜（13）和柱状插芯（10）之间、位于
所述筒体(11)的侧壁上，沿所述筒体(11)径向设置有气流通孔（16）；在筒体(11)内、位于纳米
银膜(13)和气流通孔（16）之间支撑有一透明晶体板(17)，所述晶体板(17)和所述纳米银膜（13）
之间形成密封腔(15)，所述晶体板(17)、光纤的插入端光纤端面(14)及气流通孔（16）之间形
成气体吸收腔(12)。
2.根据权利要求1所述的检测多组分气体的光压传感器，其特征是：所述纳米银膜(13)
为厚度在100-500nm的平面薄膜。
3.根据权利要求1所述的检测多组分气体的光压传感器，其特征是：所述光纤(3)的插
入端光纤端面(14)为倾角不小于8°的斜面。
4.根据权利要求1所述的检测多组分气体的光压传感器，其特征是：所述晶体板(17)的
厚度不大于100μm，所述晶体板(17)的透光率不小于93%。
5.根据权利要求1所述的检测多组分气体的光压传感器，其特征是：所述晶体板(17)与
所述光纤(3)的插入端光纤端面(14)的夹角不大于3.78°。
6.一种权利要求1所述检测多组分气体的光压传感器的检测方法，其特征是：
若待测气体组分确定，则按如下方式a检测待测气体各组分的浓度：
方式a：
a1、根据待测气体每一组分的吸收波长确定激发光的波长组成，构成激发光组；赋予激
发光组中每一波长的激发光一个声频频率，并以声频频率调制其所对应波长的激发光的光功
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【专利技术属性】
技术研发人员：徐峰，俞本立，李贺飞，曾雨珊，徐翠萍，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34