專利名稱：光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器及測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測量儀器技術(shù)領(lǐng)域的傳感器及由其組成的系統(tǒng)，特別是一種無棱鏡的基于自由空間耦合的光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器結(jié)構(gòu)及測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氣體傳感器在環(huán)境監(jiān)測、生產(chǎn)過程監(jiān)控、氣體成份分析及氣體泄漏報警等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前常用的氣體傳感器按原理主要分為電學(xué)類、光學(xué)類、電化學(xué)類等幾大類。其中，光纖氣體傳感器80年代后出現(xiàn)的一種新型光學(xué)傳感器，它是利用氣體在紅外波段的特征譜線來鑒別氣體和分析其濃度的。其測量原理是不同氣體的特征紅外吸收光譜不同，在一定的濃度范圍內(nèi)，每種氣體的紅外吸光度值與氣體的濃度呈線性關(guān)系。這種傳感器一般由分布反饋式(DFB)激光器作為激發(fā)源，光由光纖傳輸并通過一氣室，由于氣體的吸收，光強(qiáng)會發(fā)生衰減，根據(jù)衰減的比例就可以測出氣體的濃度值。由于光纖本身的特點，這類傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾等優(yōu)點。缺點是①使用分布反饋式(DFB)激光器，體格昂貴，系統(tǒng)成本較高。②使用光纖傳輸信號，光信號的頻率必須處于光纖的低損耗窗口內(nèi)，因此要求氣體的特征頻率也必須處于這個范圍，這使得此傳感器所能探測的氣體種類有限。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號為1396445A，名稱為雙面金屬波導(dǎo)測量方法及其裝置，該發(fā)明專利中提出了用雙面金屬包覆波導(dǎo)作為傳感元件，來實現(xiàn)對導(dǎo)波層介質(zhì)成分的測量。該雙面金屬波導(dǎo)裝置利用棱鏡等耦合器件將激光從外面耦合進(jìn)入傳感器探測腔，利用金屬包覆層的優(yōu)良性質(zhì)實現(xiàn)探測。但是由于采用棱鏡結(jié)構(gòu)，使得器件小型化以及利用導(dǎo)波高階模方面有一定困難。另外因為其探測量為導(dǎo)波層介質(zhì)折射率的變化，這使得測量對樣品不具有選擇性，不能作為氣體分析儀器使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種光波導(dǎo)氣體吸收式傳感器及測量系統(tǒng)。使其無需耦合器件，入射光在小角度處入射，從而利用波導(dǎo)高階模靈敏度高的優(yōu)良特性和實現(xiàn)對樣品的選擇性探測，進(jìn)一步降低成本、同時提高儀器的靈敏度。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明技術(shù)方案一為光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器包括上層金屬膜、上層光學(xué)玻璃片、氣室、下層金屬膜、下層光學(xué)玻璃片、平臺，墊塊、螺旋測微計。上層金屬膜沉積在上層光學(xué)玻璃片的外側(cè)，下層金屬膜沉積在下層光學(xué)玻璃片的內(nèi)側(cè)。兩塊光學(xué)玻璃片中間放置環(huán)形墊片形成氣室，墊片側(cè)面對稱地開有兩個小孔，分別作為進(jìn)氣口和出氣口。各部分按照上層金屬膜、上層光學(xué)玻璃片、墊片、下層金屬膜、下層光學(xué)玻璃片、墊塊的順序依次放置在平臺上，并用螺旋測微計通過墊塊抵緊。其中上層光學(xué)玻璃片與氣室共同構(gòu)成雙面金屬包覆波導(dǎo)的導(dǎo)波層。待測氣體樣品通過進(jìn)氣口進(jìn)入氣室，通過出氣口排出。
本發(fā)明技術(shù)方案二為由光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器組成的測量系統(tǒng)，包括光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器、激發(fā)光源部分以及光信號探測與處理部分。激發(fā)光源部分以及光信號探測與處理部分固定于光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器的同側(cè)，激發(fā)光源的位置應(yīng)保證激光從正面小角度(4°左右)射入氣體傳感器的中心，光信號探測與處理部分位于激光從氣體傳感器的出射位置。激發(fā)光源在固定位置以一定會聚角射入光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器，光信號被導(dǎo)波層氣體調(diào)制后由探測器接收并由計算機(jī)進(jìn)行處理。
所述的激發(fā)光源部分，包括半導(dǎo)體激光器、光學(xué)小孔、第一透鏡、第二透鏡。半導(dǎo)體激光器的輸出頻率范圍應(yīng)包含待測氣體的特征頻率。各器件依次放置并保證等軸同高。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光通過經(jīng)光學(xué)小孔濾波后射入第一透鏡進(jìn)行擴(kuò)束，再經(jīng)第二透鏡后形成會聚光束進(jìn)入傳感器。
所述的信號探測與處理部分，包括光電二極管陣列和計算機(jī)，會聚光束從激光器出射后形成擴(kuò)散光束進(jìn)入光電二極管陣列，不同角度的強(qiáng)度值由光電二極管陣列探測并轉(zhuǎn)化為電信號，計算機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(A/D)同光電二極管陣列通過導(dǎo)線相連，將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后由計算機(jī)進(jìn)行分析處理。
由于普通半導(dǎo)體激光器的單色性不好，為了利用半導(dǎo)體激光器得到與氣體吸收線相匹配的激發(fā)光，首先利用光譜分析儀確定激光的最佳入射角。利用雙面金屬包覆波導(dǎo)的濾波功能，微調(diào)激光的入射角使光譜吸收線與待測氣體吸收線相匹配，固定激光器及傳感器，則以此角度入射時可得到最高的靈敏度。此時加入光學(xué)小孔、第一透鏡、第二透鏡調(diào)整光路，形成一會聚角度(1°左右)的會聚光束射入光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器，光電二極管陣列將探測到在此會聚角度范圍內(nèi)的導(dǎo)波峰，計算機(jī)則可記錄導(dǎo)波峰的最低點光強(qiáng)值。當(dāng)樣品氣體由進(jìn)氣口進(jìn)入氣室，由于氣體的吸收，導(dǎo)波峰最低點的光強(qiáng)值將發(fā)生明顯的變化，通過監(jiān)測最低點的光強(qiáng)值就可反演出氣體的濃度值。由于利用了超高階導(dǎo)模的優(yōu)良特性以及雙面包覆波導(dǎo)自身具有的濾波功能，本探測器的精度可以比普通探測器提高一個數(shù)量級以上。
本發(fā)明光波導(dǎo)氣體傳感器具有以下優(yōu)點基于自由空間耦合，無需棱鏡作為耦合單元，因以可以實現(xiàn)小角度測量以及探測元件小型化；導(dǎo)波層厚度可達(dá)毫米量級，不僅擴(kuò)大了氣室的體積，也使得利用導(dǎo)波的超高階導(dǎo)模成為可能；導(dǎo)波層包含一層薄玻璃板，對熱噪聲有一定的抑制作用；充分利用了雙面金屬包覆波導(dǎo)所具有的濾波功能，采用普通半導(dǎo)體激光器就可調(diào)諧出與氣體吸收線相匹配的激發(fā)源，從而避免使用價格昂貴的分布發(fā)饋式激光器；整個結(jié)構(gòu)固定，使用過程中無須調(diào)整，可避免機(jī)械振動引起的干擾，并且利于集成；利用氣體的特征吸收級進(jìn)行測量，使得探測器的對氣體有精確的選擇性；樣品氣體處于光能密度很大的振蕩場中，探測的靈敏度極高。本發(fā)明用全新的方法實現(xiàn)氣體的分析與測量，結(jié)構(gòu)簡單，對氣體的選擇性好，測量靈敏度高，實用性強(qiáng)，有一定的市場應(yīng)用前景。


圖1本發(fā)明光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器俯視3本發(fā)明光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器主視4本發(fā)明測量系統(tǒng)示意圖具體實施方式
如圖1-圖4所示，本發(fā)明光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器1包括上層金屬薄膜4、上層光學(xué)玻璃片5、氣室6、下層金屬薄膜7、下層光學(xué)玻璃片8、進(jìn)氣口9、出氣口10、墊塊11、平臺12、螺旋測微計13。上層金屬膜4沉積在上層光學(xué)玻璃片5上，并朝向外側(cè)；下層金屬膜7沉積在下層玻璃片8上，并朝向內(nèi)側(cè)。兩玻璃片之間放置中空的帶有兩個小孔的墊片，兩小孔分別用作進(jìn)氣口9和出氣口10，中空部分形成氣室6。各部分按照上層金屬薄膜4、上層光學(xué)玻璃片5、氣室6、下層金屬薄膜7、下層光學(xué)玻璃片8、墊塊11的順序依次放在平臺12上，并用與平臺12連結(jié)在一起的螺旋測微計13抵緊。上層金屬薄膜4、上層光學(xué)玻璃片5、氣室6、下層金屬薄膜7構(gòu)成雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中上層光學(xué)玻璃片5與氣室6為導(dǎo)波層。
光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器組成的測量系統(tǒng)包括光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器1、激發(fā)光源部分2與光信號探測與處理部分3。激發(fā)光源部分2以及光信號探測與處理部分3固定于光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器1的同側(cè)，激發(fā)光源部分2的位置應(yīng)保證激光從正面小角度(4°左右)射入氣體傳感器1的中心，光信號探測與處理部分3位于激光從氣體傳感器的出射位置。各部分中心高度保持相等。
激發(fā)光源部分2包括半導(dǎo)體激光器14、光學(xué)小孔15、第一透鏡16、第二透鏡17，各器件依次放置并保持等軸同高。首先利用光譜分析儀在4°左右確定半導(dǎo)體激光器14的最佳入射角，然后固定半導(dǎo)體激光器14及氣體傳感器1的位置，在半導(dǎo)體激光器14及氣體傳感器1之間加入光學(xué)小孔15、第一透鏡16、第二透鏡17并調(diào)整它們的位置使出射光以1°左右的會聚角射入氣體傳感器的中心，然后固定光學(xué)小孔15、第一透鏡16、第二透鏡17。
光信號探測與處理部分3包括光電二極管陣列18和計算機(jī)19，會聚光束從光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器1出射后以相同發(fā)散角打到光電二極管陣列18上，光電二極管陣列18記錄各點光強(qiáng)度值(導(dǎo)波峰)并輸送到計算機(jī)19進(jìn)行處理。當(dāng)氣室中待測氣體濃度值發(fā)生變化時，則光電二極管陣列18記錄的各點光強(qiáng)值發(fā)生改變，通過對光強(qiáng)的大小進(jìn)行分析，就可以反演出氣體濃度的變化情況。
半導(dǎo)體激光器14發(fā)出的激光與光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器1成固定的角度，角度的大小可借助光譜分析儀來確定。確定的原則是使以此角度入射的激光的導(dǎo)波共振頻率與待測氣體的吸收頻率相匹配。
光電二極管陣列18記錄的是各角度對應(yīng)的光強(qiáng)值，當(dāng)氣室中待測氣體濃度值發(fā)生變化時，則光電二極管陣列18記錄的各點光強(qiáng)值發(fā)生改變，通過對光強(qiáng)的大小進(jìn)行分析，就可以反演出氣體濃度的變化情況。
權(quán)利要求
1.一種基于自由空間耦合的光波導(dǎo)氣體傳感器，包括上層金屬薄膜(4)、上層光學(xué)玻璃片(5)、氣室(6)、下層金屬薄膜(7)、下層光學(xué)玻璃片(8)、進(jìn)氣口(9)、出氣口(10)、墊塊(11)、平臺(12)、螺旋測微計(13)，其特征在于，上層金屬薄膜(4)沉積在上層光學(xué)玻璃片(5)上，并朝向外側(cè)；下層金屬膜(7)沉積在下層玻璃片(8)上，并朝向內(nèi)側(cè)，兩玻璃片之間放置中空的帶有兩個小孔的墊片，兩小孔分別用作進(jìn)氣口(9)和出氣口(10)，中空部分形成氣室(6)，各部分按照上層金屬薄膜(4)、上層光學(xué)玻璃片(5)、氣室(6)、下層金屬薄膜(7)、下層光學(xué)玻璃片(8)、墊塊(11)的順序依次放在平臺(12)上，并用與平臺(12)連結(jié)在一起的螺旋測微計(13)抵緊，上層金屬薄膜(4)、上層光學(xué)玻璃片(5)、氣室(6)、下層金屬薄膜(7)構(gòu)成雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中上層光學(xué)玻璃片(5)與氣室(6)為導(dǎo)波層。
2.一種由基于自由空間耦合的光波導(dǎo)氣體傳感器組成的測量系統(tǒng)，包括光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器(1)、激發(fā)光源部分(2)與光信號探測與處理部分(3)，其特征在于，激發(fā)光源部分(2)以及光信號探測與處理部分(3)固定于光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器(1)的同側(cè)，并保證各部分中心高度相等，激發(fā)光源部分(2)包括半導(dǎo)體激光器(14)、光學(xué)小孔(15)、第一透鏡(16)、第二透鏡(17)，各器件依次放置并保持等軸同高，半導(dǎo)體激光器(14)發(fā)出的激光經(jīng)光學(xué)小孔(15)濾波后進(jìn)入第一透鏡(16)，光學(xué)小孔(15)在第一透鏡(16)焦點內(nèi)側(cè)，所以從第一透鏡(16)出射的光具有發(fā)散角，再經(jīng)會聚透鏡(17)聚焦形成會聚光束射入光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器(1)的導(dǎo)波層，調(diào)整小孔與透鏡的位置使會聚角在1度，光信號探測與處理部分(3)包括光電二極管陣列(18)和計算機(jī)(19)，會聚光束從光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器1出射后以相同發(fā)散角打到光電二極管陣列(18)上，光電二極管陣列(18)記錄各點光強(qiáng)度值并輸送到計算機(jī)(19)進(jìn)行處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于自由空間耦合的光波導(dǎo)氣體傳感器組成的測量系統(tǒng)，其特征是，半導(dǎo)體激光器(14)發(fā)出的激光與光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器(1)成固定的角度，角度的大小可借助光譜分析儀來確定，確定的原則是使以此角度入射的激光的導(dǎo)波共振頻率與待測氣體的吸收頻率相匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于自由空間耦合的光波導(dǎo)氣體傳感器組成的測量系統(tǒng)，其特征是，光電二極管陣列(18)記錄的是各角度對應(yīng)的光強(qiáng)值，當(dāng)氣室中待測氣體濃度值發(fā)生變化時，則光電二極管陣列(18)記錄的各點光強(qiáng)值發(fā)生改變，通過對光強(qiáng)的大小進(jìn)行分析，就可以反演出氣體濃度的變化情況。
全文摘要
一種用于精密分析與測量儀器領(lǐng)域的基于自由空間耦合的光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器及測量系統(tǒng)。傳感器包括上層金屬膜、上層光學(xué)玻璃片、氣室、下層金屬膜、下層光學(xué)玻璃片、墊塊、平臺、螺旋測微計。測量系統(tǒng)包括光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器、激發(fā)光源部分與光信號探測與處理部分，激發(fā)光源部分以及光信號探測與處理部分固定于光波導(dǎo)吸收式氣體傳感器的同側(cè)，并保證各部分中心高度相等，金屬膜沉積在玻璃片上，玻璃片依次放在平臺上并用螺旋測微計通過墊塊抵緊。激光源通過光學(xué)小孔和透鏡后以一定會聚角射入傳感器形成導(dǎo)波，用光電二極管陣列探測出射光強(qiáng)度變化情況以感知?dú)馐抑袣怏w成分的變化。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低，靈敏度高，易于集成。
文檔編號G01N21/64GK1696662SQ200510026598
公開日2005年11月16日 申請日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者顧江華, 曹莊琪, 陳洸, 沈啟舜, 鄧曉旭 申請人:上海交通大學(xué)