基于平面环形微腔的气体检测方法及气体传感器技术

基于平面环形微腔的气体检测方法，其特征在于：采用两个平面环形微腔（１）与双锥光纤（２）构成的耦合器，一个为检测气体耦合器，另一个为真空环境中耦合器；该气体检测方法是基于倏逝波对不同气体的吸收作用改变了透射光谱峰值的原理，利用待检测气体的检测气体耦合器所透射光谱与真空环境中耦合器所透射光谱进行对比，并由二者的光谱变化来实现检测待测气体的种类和浓度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光信号检测气体的方法传感器，具体来说是基于平面环形微腔 的气体检测方法及气体传感器。二
技术介绍
随着社会的发展和工业的进步，特别是石油、煤炭、汽车工业和化工业的 发展，在生活、工业中排放的气体种类、数量都日益增多。因此，对气体浓度 和种类的检测在生产、生活中有着重要的意义。如煤矿、矿井对瓦斯的检测； 化工车间等对有害化学气体的检测；室内装潢有害气体的测试等等。尤其是有 害剧毒的气体，空气中很小的含量就会对人身造成巨大伤害甚至威胁生命。例 如砷化氢是一种剧毒气体，每立方米空气中其浓度达到0.5毫克时，就会引 起急性中毒。新华网贵州频道7月7日报到了一起砷化氢中毒事件 一个年产 锌量只有几千吨的小电解锌厂， 一周时间里先后有20余名工人集体中毒，其 中3人因抢救无效死亡。因此，制造高灵敏度的气体传感器，特别是针对有害 气体的传感器有着重要的意义。气体检测方法和传感器分为光学检测、半导体检测、固体电解检测、电化 学检测等等。光学检测与其他几种类型相比有灵敏度高、响应速度快、防干扰 性能高等优点。光学气体传感器最重要的一类就是吸收光谱型。此类传感器基 于著名的"比尔-朗伯"定理，气体浓度可以从光的出入输出的变化量来求得。 传感的介质多选择普通光纤、特种光纤等等。例如中国专利申请号为 200410037099的专利公开了一种采用纳米级微孔结构光纤的气体浓度传感 器，"分别设有玻璃光纤和纳米光纤， 一路经过透镜进入玻璃光纤，另一路光 经过透镜进入纳米光纤，两光纤的另一端分别接探测器。""所采用的纳米级微孔结构的光纤是一种内部布满纳米级的连同或部分连同的微孔，可传输光"； 中国专利申请号为200510012344.5的专利公开了一种光纤气体传感器，特征 是"所述的气体吸收池中的光纤和对比光纤是微结构空心光线"；中国专利申 请号为200610012988.9的公开了一种空心光子晶体光纤气体传感器，特征是 "导光气室采用其上开有微米级大小透气微孔的空心光子晶体光纤"。上述传感器的气体探测原理都是基于直接吸收的探测原理，具有结构简 单，便于应用的优点。区别就是采用了不同的吸收介质。在用"比尔-朗伯" 定理推导气体浓度的过程中不易控制吸收光程，当待测气体浓度很低时，此探 测方法就不能快速准确的测量气体浓度。因此其探测受到待测气体浓度的制 约。而极低浓度的有害剧毒气体则需要低浓度、高灵敏度、快速响应。因此怎 样把极低浓度气体通过有效手段检测出来成为检测的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是在克服上述气体传感器不足的基础上，而设计和提供一种 灵敏度极高、响应时间短、结构相对简单，除针对普通有害气体外，就是对于 浓度极低的剧毒有害气体也有极高的灵敏性的基于平面环形微腔的气体检测 方法及气体传感器。本专利技术是采用如下技术方案实现的基于平面环形微腔的气体检测方法，其特征在于采用两个平面环形微腔 与双锥光纤构成的耦合器， 一个为检测气体耦合器，另一个为真空环境中耦合 器;该气体检测方法是基于倏逝波对不同气体的吸收作用改变了透射光谱峰值 的原理，利用待检测气体的检测气体耦合器所透射光谱与真空环境中耦合器所 透射光谱进行对比，并由二者的光谱变化来实现检测待测气体的种类和浓度。基于平面环形微腔的气体检测传感器，包括光纤、激光发射器、光学滤波 器、分束器、吸收气室、真空气室、光电探测器及信号处理器；其特征在于參所述的光纤为双锥形光纤;所述的吸收气室与真空气室内各有一个由平面环形微腔与双锥形光纤构成的耦合器，耦合器的平面环形微腔位于所述的双锥形光纤的锥区；所述的吸收气室内的耦合器为检测气体耦合器，真空气室内 的耦合器为真空环境中耦合器；*所述的吸收气室是由检测气体耦合器与防尘透气罩组成； 參所述的真空气室是由真空环境中耦合器和真空罩组成； 參所述的激光发射器接光学滤波器，然后接分束器的输入端，分束器的输 出端通过单模光纤， 一路连接气体吸收室的双锥形光纤输入端，另外一路连接 对比信号用的真空气室的双锥形光纤输入端;吸收气室与真空气室的双锥形光 纤输出端通过单模光纤分别连接两个光电探测器，由两个探测器将光信号转换 为电信号并接到信号处理单元。本专利技术与现有技术比较，具有如下优点1. 采用平面环形微腔和双锥形光纤耦合器的结构作为检测的核心技术，可 以实现高灵敏探测气体。2. 耦合器的耦合过程是通过两者表面的倏逝波完成，从而实现实时检测， 节省了以往光纤气体传感器气体的扩散时间，提高了响应速度。3. 可扩展性强，针对测试气体环境更换平面环形微腔(主要是直径参数) 和光源。在特殊环境下可以设置该传感器网络，从而详细把握气体的浓度分布 状态。四附图说明图1和图2为两种形式的本专利技术结构示意图； 图3为本专利技术的系统装置图。图中平面环形微腔l;双锥形光纤2;防尘透气罩3;激光发射器4; 光学滤波器5;分束器6;吸收气室7;真空气室8;光电探测器9;信号处理 电路10;单模光纤ll。五具体实施方式下面结合附图详细说明本专利技术的实施例。本专利技术基于平面环形微腔和锥形光纤结构的气体传感器，包括光纤、激光发射器4、光学滤波器5、分束器6、吸收气室7、真空气室8、光电探测器9 及信号处理器10;參所述的光纤为双锥形光纤;所述的吸收气室与真空气室内各有一个由平面环形微腔与双锥形光纤构成的耦合器,耦合器的平面环形微腔位于所述的双 锥形光纤的锥区，如图1和图2所示。所述的吸收气室内的耦合器为检测气体 耦合器，真空气室(8)内的耦合器为真空环境中耦合器。*所述的吸收气室是由检测气体耦合器与防尘透气罩组成。 *所述的真空气室是由真空环境中耦合器和真空罩组成。 *所述的激光发射器接光学滤波器，然后接分束器的输入端，分束器的输 出端通过单模光纤11， 一路连接气体吸收室的双锥形光纤输入端，另外一路 连接对比信号用的真空气室的双锥形光纤输入端；吸收气室与真空气室的双锥 形光纤输出端通过单模光纤分别连接两个光电探测器，由两个探测器将光信号 转换为电信号并接到信号处理单元，如图3所示。本专利技术的核心技术是用平面环形微腔1与双锥形光纤2构成的耦合器，平 面环形微腔位于双锥形光纤的锥区，双锥形光纤的两端分别接气体吸收室的普 通单模光纤。激光发射器与光纤间通过光纤配适器(法兰盘)连接。所述双锥 形光纤可以用纳米光纤，或光子晶体光纤，或耦合锥形光纤等，平面环形微腔 可以设计为圆盘微腔，如图1所示。或设计为跑道型微腔，如图2所示。所述平面环形微腔1利用现代MEMS加工技术而成，材料为Si02，直径 为60 200pm，形状为平面环形。所述双锥形光纤2的材料为Si02，利用氢氧 焰机，采用熔拉法制成。熔拉法制作的光纤锥的特点是光纤的包层和纤芯的直 径沿光纤轴向均逐渐变细,一般可认为在整个锥区，包层和纤芯的直径之比保持 恒定。所述双锥形光纤的锥形区长度为200nm，所用锥形光纤的尖端纤芯半径为lpm，包层半径为2.5拜，锥角为11度B寸，耦合效率约为86%。所述的吸收气 室7和真空气室8内都装有尺寸相同的平面环形微腔1与双锥形光纤2结构的 耦合器。两者的区别是吸收气室7外包有防尘透气罩3，让被测环境气体和耦 合器充分接触，而真空气室8是一个封闭的真空环境，真空气室8是为处于气 体吸收池中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于平面环形微腔的气体检测方法，其特征在于：采用两个平面环形微腔（１）与双锥光纤（２）构成的耦合器，一个为检测气体耦合器，另一个为真空环境中耦合器；该气体检测方法是基于倏逝波对不同气体的吸收作用改变了透射光谱峰值的原理，利用待检测气体的检测气体耦合器所透射光谱与真空环境中耦合器所透射光谱进行对比，并由二者的光谱变化来实现检测待测气体的种类和浓度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：熊继军，严英占，闫树斌，杨玉华，吉喆，王少辉，王宝花，姜国庆，任小红，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：14