[發明專利]基于平面環形微腔的氣體檢測方法及氣體傳感器

無效

• 申請號: 200810079658.0
• 申請日: 2008-10-24
• 公開（公告）號: CN101419161A
• 公開（公告）日: 2009-04-29
• 發明（設計）人: 熊繼軍;嚴英占;閆樹斌;楊玉華;吉喆;王少輝;王寶花;姜國慶;任小紅
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31
• 代理公司: 山西五維專利事務所（有限公司）
• 代理人: 李印貴

技術領域

本發明屬于光信號檢測氣體的方法傳感器，具體來說是基于平面環形微腔的氣體檢測方法及氣體傳感器。

背景技術

隨著社會的發展和工業的進步，特別是石油、煤炭、汽車工業和化工業的發展，在生活、工業中排放的氣體種類、數量都日益增多。因此，對氣體濃度和種類的檢測在生產、生活中有著重要的意義。如煤礦、礦井對瓦斯的檢測；化工車間等對有害化學氣體的檢測；室內裝潢有害氣體的測試等等。尤其是有害劇毒的氣體，空氣中很小的含量就會對人身造成巨大傷害甚至威脅生命。例如：砷化氫是一種劇毒氣體，每立方米空氣中其濃度達到0.5毫克時，就會引起急性中毒。新華網貴州頻道7月7日報到了一起砷化氫中毒事件：一個年產鋅量只有幾千噸的小電解鋅廠，一周時間里先后有20余名工人集體中毒，其中3人因搶救無效死亡。因此，制造高靈敏度的氣體傳感器，特別是針對有害氣體的傳感器有著重要的意義。

氣體檢測方法和傳感器分為光學檢測、半導體檢測、固體電解檢測、電化學檢測等等。光學檢測與其他幾種類型相比有靈敏度高、響應速度快、防干擾性能高等優點。光學氣體傳感器最重要的一類就是吸收光譜型。此類傳感器基于著名的“比爾-朗伯”定理，氣體濃度可以從光的出入輸出的變化量來求得。傳感的介質多選擇普通光纖、特種光纖等等。例如：中國專利申請號為200410037099的專利公開了一種采用納米級微孔結構光纖的氣體濃度傳感器，“分別設有玻璃光纖和納米光纖，一路經過透鏡進入玻璃光纖，另一路光經過透鏡進入納米光纖，兩光纖的另一端分別接探測器。”“所采用的納米級微孔結構的光纖是一種內部布滿納米級的連同或部分連同的微孔，可傳輸光”；中國專利申請號為200510012344.5的專利公開了一種光纖氣體傳感器，特征是“所述的氣體吸收池中的光纖和對比光纖是微結構空心光線”；中國專利申請號為200610012988.9的公開了一種空心光子晶體光纖氣體傳感器，特征是“導光氣室采用其上開有微米級大小透氣微孔的空心光子晶體光纖”。

上述傳感器的氣體探測原理都是基于直接吸收的探測原理，具有結構簡單，便于應用的優點。區別就是采用了不同的吸收介質。在用“比爾-朗伯”定理推導氣體濃度的過程中不易控制吸收光程，當待測氣體濃度很低時，此探測方法就不能快速準確的測量氣體濃度。因此其探測受到待測氣體濃度的制約。而極低濃度的有害劇毒氣體則需要低濃度、高靈敏度、快速響應。因此怎樣把極低濃度氣體通過有效手段檢測出來成為檢測的關鍵。

發明內容

本發明的目的是在克服上述氣體傳感器不足的基礎上，而設計和提供一種靈敏度極高、響應時間短、結構相對簡單，除針對普通有害氣體外，就是對于濃度極低的劇毒有害氣體也有極高的靈敏性的基于平面環形微腔的氣體檢測方法及氣體傳感器。

本發明是采用如下技術方案實現的：

基于平面環形微腔的氣體檢測方法，其特征在于：采用兩個平面環形微腔與雙錐光纖構成的耦合器，一個為檢測氣體耦合器，另一個為真空環境中耦合器；該氣體檢測方法是基于倏逝波對不同氣體的吸收作用改變了透射光譜峰值的原理，利用待檢測氣體的檢測氣體耦合器所透射光譜與真空環境中耦合器所透射光譜進行對比，并由二者的光譜變化來實現檢測待測氣體的種類和濃度。

基于平面環形微腔的氣體檢測傳感器，包括光纖、激光發射器、光學濾波器、分束器、吸收氣室、真空氣室、光電探測器及信號處理器；其特征在于：

●所述的光纖為雙錐形光纖；所述的吸收氣室與真空氣室內各有一個由平面環形微腔與雙錐形光纖構成的耦合器，耦合器的平面環形微腔位于所述的雙錐形光纖的錐區；所述的吸收氣室內的耦合器為檢測氣體耦合器，真空氣室內的耦合器為真空環境中耦合器；

●所述的吸收氣室是由檢測氣體耦合器與防塵透氣罩組成；

●所述的真空氣室是由真空環境中耦合器和真空罩組成；

●所述的激光發射器接光學濾波器，然后接分束器的輸入端，分束器的輸出端通過單模光纖，一路連接氣體吸收室的雙錐形光纖輸入端，另外一路連接對比信號用的真空氣室的雙錐形光纖輸入端；吸收氣室與真空氣室的雙錐形光纖輸出端通過單模光纖分別連接兩個光電探測器，由兩個光電探測器將光信號轉換為電信號并接到信號處理器。

本發明與現有技術比較，具有如下優點：

1.采用平面環形微腔和雙錐形光纖耦合器的結構作為檢測的核心技術，可以實現高靈敏探測氣體。

2.耦合器的耦合過程是通過兩者表面的倏逝波完成，從而實現實時檢測，節省了以往光纖氣體傳感器氣體的擴散時間，提高了響應速度。