[實用新型]一種基于表面透射增強型傾斜光纖光柵的超細顆粒物傳感器

有效

• 申請號: 202320346567.9
• 申請日: 2023-02-28
• 公開（公告）號: CN219573850U
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發明（設計）人: 剛婷婷;林啟蒙;張春;尹遜莉;邊策
• 申請（專利權）人: 西安石油大學
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 張宇鴿

本實用新型公開了一種基于表面透射增強型傾斜光纖光柵的超細顆粒物傳感器，包括傾斜光纖光柵，傾斜光纖光柵的表面設有金屬膜，所述金屬膜上開設有孔陣列，孔陣列中的每個孔沿金屬膜的厚度方向貫穿金屬膜并止于傾斜光纖光柵的表面。本實用新型不僅擁有平面基底上金屬孔陣列結構高靈敏度、尺寸可選擇探測的特點，而且還保留了TFBG體積小、結構緊湊、可在線傳輸、不受電磁干擾的優勢。兩者的結合有效克服了由環境參量如溫度、壓力、濕度等變化引入的探測誤差。本實用新型的實現為大氣中超細顆粒物濃度探測提供了新的手段，有助于實現大氣中超細顆粒物濃度的實時監測，為大氣環境治理提供可靠參考數據。此外，EOT?TFBG傳感器也可應用到生物病毒檢測領域。

技術領域

本實用新型屬于傳感器技術領域，涉及一種基于表面透射增強型傾斜光纖光柵的超細顆粒物傳感器。

背景技術

煤炭燃燒過程產生的顆粒物是主要大氣污染源之一。其中，超細顆粒物(粒徑小于0.1μm)具有最高的過濾難度和危害，其濃度與死亡率存在明顯關系。因此，監測煤炭燃燒大氣中超細顆粒物濃度對評估大氣環境污染程度、研究超細顆粒物污染特征與影響因素及制定監管體制具有重要意義。

煤炭燃燒產生的超細顆粒物濃度與其燃燒量相關，大約在10⁴-10⁷cm^-1。超細顆粒物具有粒徑小和不穩定等特點，因而對其濃度實時準確監測時傳感器需滿足以下四點：(1)探測靈敏度高，有效感測低濃度超細顆粒物，實現高分辨率信息獲取；(2)尺寸可選擇性探測，即當粒徑大于100nm的顆粒物接觸探測端時，傳感器無響應；只有當粒徑小于或等于100nm的顆粒物(即超細顆粒物)接觸探測端時，傳感器響應明顯；(3)耐高溫且結構穩定，探測結果不受外界環境影響，實現高溫下濃度信息的準確獲取；(4)響應速度快，實現濃度的在線動態監測。

目前，氣溶膠靜電計、電遷移率法和光散射法是較為成熟的顆粒物濃度測量方法。氣溶膠靜電計是在氣流作用下將帶有同性電荷的粒子送至裝有靜電計的法拉第杯室中，在空間電荷效應的作用下帶有電荷的粒子形成電流回路。利用回路中的電流值與顆粒數量濃度關系，通過靜電計測得的電流值從而計算得到待測顆粒物的測量。該方法原理可靠、顆粒物檢測效率高，但測量前需要對儀器進行相應的校準。電遷移率測量法是通過對比待測顆粒物與標準球形粒子在電場中遷移速度來獲取顆粒物濃度信息。該方法的檢測儀器對顆粒物的粒徑檢測范圍較廣能實現微米級至納米級顆粒物，但待測顆粒物需具有良好的電遷移率且該測量儀器結構復雜，生產成本高。光學測量法是基于Mie散射理論，通過接收和處理散射后的光信號就可分析出大氣中被測顆粒物的濃度信息。光散射法測量顆粒物尺寸的下限約在幾百納米左右。該方法相對較成熟，在顆粒物測量中得到了廣泛應用。

超細顆粒物在環境科學領域被視為納米顆粒物，因此可將納米顆粒物檢測方法用于超細顆粒物的檢測。回音壁模式(Whispering-gallery?mode,WGM)光學微腔具有高品質因子和低模式體積的優點，極大增強了光學微腔內光場與物質的相互作用，具有超高靈敏度，可用來檢測納米量級顆粒(如：病毒、聚苯乙烯、金納米球等)。WGM微腔傳感技術不僅提高了探測靈敏度而且有效降低了測量顆粒物的尺寸下限。但是對大氣中超細顆粒物濃度檢測而言，基于WGM光學微腔傳感器存在便攜性差和顆粒物尺寸范圍難以控制的問題。