[發(fā)明專利]一種氣體濃度傳感器和氣體濃度檢測裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210988814.5
• 申請(qǐng)日: 2022-08-17
• 公開（公告）號(hào): CN115326757A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 靳偉;鮑海泓;郭林浩;姜壽林;何海律
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 香港理工大學(xué)深圳研究院
• 主分類號(hào): G01N21/45
• 分類號(hào): G01N21/45
• 代理公司: 深圳市君勝知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44268
• 代理人: 謝松;吳志益

本發(fā)明適用于氣體測量傳感裝置技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種氣體濃度傳感器和氣體濃度檢測裝置，氣體濃度傳感器包括入射波導(dǎo)和反射元件，入射波導(dǎo)與反射元件對(duì)接形成光纖琺珀干涉儀，入射波導(dǎo)和反射元件兩相對(duì)端面的間隙不高于500μm。待測氣體填充至光纖琺珀干涉儀后，將探測光和泵浦光輸入光纖琺珀干涉儀內(nèi)，掃描泵浦光的波長經(jīng)過待測氣體的吸收線，產(chǎn)生光熱相位調(diào)制，通過解調(diào)探測光相位信息，獲得待測氣體的濃度。本申請(qǐng)傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，氣體檢測響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)十億分之一量級(jí)的氣體濃度檢測下限。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣體測量傳感裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氣體濃度傳感器和氣體濃度檢測裝置。

背景技術(shù)

高精度氣體檢測在疾病診斷、環(huán)境污染物監(jiān)控和工業(yè)氣體泄露報(bào)警等諸多領(lǐng)域起到非常重要的作用。基于氣體吸收光譜的高精度氣體檢測技術(shù)，通過對(duì)準(zhǔn)待測氣體吸收線的激光和氣體的相互作用，檢測通過氣體后透射激光性質(zhì)的變化，確定待測氣體的濃度。其中，可調(diào)二極管激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)基于入射光的強(qiáng)度檢測進(jìn)行氣體濃度測量，但是背景噪聲水平較高，氣體檢測的靈敏度不高。而基于激光光熱效應(yīng)的氣體檢測技術(shù)，通過對(duì)準(zhǔn)待測氣體吸收線的泵浦光和氣體相互作用的同時(shí)，將另一波長的探測光通過氣體，通過檢測探測光的光熱相位變化可以實(shí)現(xiàn)氣體濃度的高靈敏度檢測。早期的光熱干涉法在自由空間光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行，系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，氣體檢測靈敏度受到低效光熱相位和大的低頻噪聲的限制。近年來，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，基于光纖傳感系統(tǒng)的氣體檢測得到廣泛研究。其中，基于微納結(jié)構(gòu)光纖的氣體檢測技術(shù)，將待測氣體填充到光纖中，通入泵浦光和探測光后，實(shí)現(xiàn)氣體的高靈敏度檢測。但該類方法的高靈敏度要求光纖的長度足夠長，從幾厘米到幾米不等，以實(shí)現(xiàn)較高的累積光熱相位，但長距離增加了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)長距離光纖的穩(wěn)定性較差，使用過程中需要伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)定光熱干涉的工作點(diǎn)。探頭體積大、響應(yīng)時(shí)間長和穩(wěn)定性差，限制了這類光熱干涉技術(shù)在特定場景下的應(yīng)用。因此，急需一種能夠?qū)崿F(xiàn)高精度氣體檢測的同時(shí)，響應(yīng)時(shí)間短、探頭體積小和穩(wěn)定性好的氣體濃度傳感器和氣體濃度檢測裝置，能夠用于痕量氣體實(shí)時(shí)檢測和小空間檢測。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種氣體濃度傳感器，旨在解決傳統(tǒng)的高精度氣體檢測中探頭體積大、響應(yīng)時(shí)間長和穩(wěn)定性差的技術(shù)問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種氣體濃度傳感器，包括入射波導(dǎo)和反射元件，所述入射波導(dǎo)的端面與所述反射元件的端面相對(duì)設(shè)置形成光纖琺珀干涉儀，所述入射波導(dǎo)的端面和所述反射元件的端面之間的間隙不高于500μm。

所述入射波導(dǎo)內(nèi)的泵浦光自所述入射波導(dǎo)的端面出射，并與所述間隙內(nèi)的待測氣體產(chǎn)生光熱相位調(diào)制?？蛇x地，所述入射波導(dǎo)內(nèi)的檢測光自所述入射波導(dǎo)的端面出射，在所述間隙內(nèi)發(fā)生多次反射，并多次透射回所述入射波導(dǎo)，以根據(jù)透射回的探測光的相位信息得到所述待測氣體的濃度。

待測氣體填充至光纖琺珀干涉儀的間隙(即微腔或光纖諧振腔)后，將探測光和泵浦光輸入光纖琺珀干涉儀內(nèi)，掃描泵浦光的波長經(jīng)過待測氣體的吸收線，產(chǎn)生光熱相位調(diào)制，通過解調(diào)探測光的相位信息，獲得待測氣體的濃度。現(xiàn)有技術(shù)的端面間隙在幾厘米和幾米之間，不利于泵浦光與氣體作用后光熱效率的提升。本發(fā)明形成光纖琺珀干涉儀并將端面的間隙降低至500μm以內(nèi)，能夠有效提高光熱效率，從而提高檢測精度，同時(shí)縮小傳感器的體積。

可選地，所述入射波導(dǎo)為單模光纖，通過采用單模光纖，能夠減少模式干涉，提高檢測精度，同時(shí)單模光纖獲取方便，價(jià)格便宜。所述入射波導(dǎo)還可以采用光子晶體光纖或光學(xué)波導(dǎo)。

可選地，所述反射元件為端面具有一定反射率的物體，反射率位于1-100％，通過反射一部分的探測光到入射波導(dǎo)，與入射波導(dǎo)端面反射的探測光形成干涉。