[發(fā)明專利]基于聚一氯對二甲苯的膜片共振式氣體傳感器及檢測系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910657619.2
• 申請日: 2019-07-20
• 公開（公告）號: CN110346302B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宮振峰;陳燁偉;高田力;于清旭
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/01
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發(fā)明屬于光纖傳感和微量氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域，基于聚一氯對二甲苯的膜片共振式氣體傳感器及檢測系統(tǒng)。該氣體傳感器采用F?P干涉儀的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)?P干涉儀的F?P腔也是光聲系統(tǒng)的非共振光聲池。Parylene?C具有較低的楊氏模量和較大的斷裂延伸率，通過真空氣相聚合沉積的方法制備的Parylene?C膜具有敷形性強和沉積均勻性好的特點，因此采用真空氣相聚合沉積的方法制備的Parylene?C膜可以同時兼具半徑大和厚度薄的特點。而F?P干涉儀的固有共振頻率與膜片的厚度成正比，與膜片半徑的平方成反比，因此該F?P干涉儀的共振頻率可以低至幾十赫茲。本發(fā)明為狹小空間內(nèi)高靈敏度遠距離氣體遙測提供一種新的技術(shù)手段。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感和微量氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種基于聚一氯對二甲苯的膜片共振式氣體傳感器及檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)

痕量氣體檢測在大氣環(huán)境檢測、工業(yè)過程控制以及生命科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，光譜技術(shù)已經(jīng)成為一種具有靈敏度高、響應(yīng)時間快和選擇性強等優(yōu)勢的氣體檢測方法。光聲光譜檢測技術(shù)是一種直接測量物質(zhì)因吸收光能而產(chǎn)生熱能的光譜量熱技術(shù)。在密閉光聲池內(nèi)，氣體分子由于吸收特定波長的光被激發(fā)到高能態(tài)，高能態(tài)分子間的相互碰撞使部分受激分子通過無輻射躍遷返回基態(tài)，吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽粌?nèi)氣體受熱膨脹產(chǎn)生聲波。通過傳聲器，如微音器、光纖聲波傳感器和石英音叉等，將聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號實現(xiàn)氣體濃度的測量。

由于聲波的產(chǎn)生場所在密閉的光聲池中，而傳統(tǒng)的光聲池要與微音器和激勵光源相匹配，因此導(dǎo)致整個光聲光譜系統(tǒng)的體積較大，并難以實現(xiàn)遠距離的遙測。文獻Cao Y,Jin W,Ho H L,et al.Miniature fiber-tip photoacoustic spectrometer for tracegas detection[J].Optics letters,2013,38(4):434-436設(shè)計了小型化的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，利用光纖法布里珀羅(F-P)聲波傳感器的F-P腔作為光聲系統(tǒng)的非共振光聲池，將光聲激勵光源和光纖F-P聲波傳感器探測光源耦合到一根光纖中，利用光纖聲波傳感器的傳輸距離遠、可遙測的特征實現(xiàn)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的小型化和遠距離遙測。由于非共振光聲系統(tǒng)中光聲信號的大小與調(diào)制頻率成近似反比關(guān)系，因此為了提高光聲信號的大小，該系統(tǒng)中激勵光源的調(diào)制頻率設(shè)置為200Hz，但是該系統(tǒng)中F-P聲波傳感器的敏感膜片的共振頻率遠遠大于激勵光源的調(diào)制頻率，導(dǎo)致該光纖F-P聲波傳感器在調(diào)制頻率處的靈敏度較低，該系統(tǒng)的氣體檢測靈敏度與傳統(tǒng)的光聲光譜系統(tǒng)相差幾個數(shù)量級。綜上所述，設(shè)計一種既能夠遠距離遙測，又具有高靈敏度的小型化光聲光譜氣體傳感器具有重要的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于聚一氯對二甲苯的膜片共振式小型化氣體傳感器及檢測系統(tǒng)，旨在解決傳統(tǒng)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)遠距離遙測和高靈敏度探測不能同時實現(xiàn)的問題，為光聲光譜檢測技術(shù)在微量氣體遠距離遙測領(lǐng)域的應(yīng)用拓展了更大的空間。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于聚一氯對二甲苯的膜片共振式氣體傳感器，包括單模光纖1、F-P腔2、聚一氯對二甲苯(Parylene-C)膜3、通氣孔4和殼體5；該膜片共振式氣體傳感器采用F-P干涉儀的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)-P干涉儀的F-P腔2也是光聲系統(tǒng)的非共振光聲池；Parylene-C具有較低的楊氏模量和較大的斷裂延伸率，通過真空氣相聚合沉積的方法制備的Parylene-C膜3具有敷形性強和沉積均勻性好的特點，因此采用真空氣相聚合沉積的方法制備的Parylene-C膜3可以同時兼具半徑大和厚度薄的特點。而F-P干涉儀的固有共振頻率與膜片的厚度成正比，與膜片半徑的平方成反比，因此基于Parylene-C膜3的F-P干涉儀的共振頻率可以低至幾十赫茲。待測氣體通過通氣孔4充滿F-P腔2后，將激勵激光器7的調(diào)制頻率設(shè)置在F-P干涉儀的共振頻率處，此時光纖氣體傳感器工作在共振模式狀態(tài)，產(chǎn)生的光聲信號可以達到極大值，實現(xiàn)膜片共振式光聲氣體傳感系統(tǒng)。