激光觸發(fā)式無源氣體傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明具體為一種激光觸發(fā)式無源氣體傳感器，解決了缺乏一種基于光學方法的氣體傳感器的問題。激光觸發(fā)式無源氣體傳感器，包括靶面，靶面上中間位置覆蓋有選擇性吸附膜，與靶面相對設有激發(fā)器和接收端，接收端連出有顯示端，激發(fā)器包括依次連接的柱面透鏡、分束器和激光發(fā)生器，接收端包括激光二極管和依次連接的光線準直器、干涉膜、吸收式濾波器，顯示端包括依次連接的光電管、A/D轉(zhuǎn)換模塊、處理及顯示模塊。本發(fā)明避免了裝置工作可靠性低的問題，既保障了可持續(xù)穩(wěn)定的對主設備進行狀態(tài)監(jiān)測，同時也避免了對主設備的運行維護產(chǎn)生不良影響，具有極高的安全性，非常適用于在高壓、強電磁環(huán)境中工作。
【專利說明】激光觸發(fā)式無源氣體傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及變電站溫度參數(shù)傳感檢測設備，具體為一種激光觸發(fā)式無源氣體傳感器。
【背景技術】
[0002]隨著工業(yè)化的進程和人們生活水平的提高，氣體傳感器在工業(yè)應用與人們?nèi)粘Ｉ钪卸嫉玫搅藦V泛的應用，也成為倍受人們關注的研究課題。在眾多的氣體傳感器中，聲表面波(SAW)氣體傳感器的開發(fā)和應用受到了廣泛的關注并獲得了長足的進步。聲表面波(SAW)傳感器的研究起源于七十年代，當時人們在研究聲表面波(SAW)電子器件的時候發(fā)現(xiàn)表面沉積物、應力、溫度、電場、磁場等外界因素均會對器件的特性產(chǎn)生較大的影響，這些影響是電子器件所不希望的，然而卻十分適用于傳感器的研究。由于這種傳感器具有高精度、高靈敏度、高分辨率、抗電磁干擾能力強，不需要模/數(shù)轉(zhuǎn)換，敏感器件采用半導體平面工藝制作，易于集成及大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，三十多年來，以聲表面波(SAW)延遲線或諧振器作為核心敏感組件的聲表面波(SAW)傳感器技術得到了很大發(fā)展。到目前為止，人們不但已經(jīng)研制了溫度、壓力、質(zhì)量傳感器。特別是在氣體傳感器方面已經(jīng)取得了可喜的科研成果。
[0003]聲表面波(SAW)氣體傳感器的基本結(jié)構(gòu)是在以壓電材料為襯底的表面上,一端為輸入叉指換能器(IDT1)，另一端為輸出叉指換能器(IDT2)，兩者之間的區(qū)域淀積了針對特定氣體敏感的薄膜。此薄膜與被測氣體發(fā)生相互作用，導致界面膜的物理性質(zhì)發(fā)生變化，從而改變了聲表面波(SAW)的速度或頻率，因此通過測量聲波的頻率偏移或相位延遲可以反演得到氣體的種類、濃度等待測量。傳統(tǒng)的聲表面波(SAW)氣體傳感器大多采用金屬叉指換能器(IDT)制成的，但傳統(tǒng)的聲電換能器由于固有的缺點，如頻響低，接觸式等，越來越多的被這二十年來發(fā)展起來的光學方法來代替，光學方法可以分為干涉法和非干涉法。并且有一個趨勢，即光纖化，光纖傳感器由于固有的諸多優(yōu)點，例如小巧靈活，抗干擾強，易于微型化和集成化，已越來越多的被用在超聲檢測中，替代己有的復雜光路檢測手段。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明為了解決缺乏一種基于光學方法的氣體傳感器的問題，提供了一種激光觸發(fā)式無源氣體傳感器。
[0005]本發(fā)明是采用如下技術方案實現(xiàn)的:激光觸發(fā)式無源氣體傳感器，包括靶面，靶面上中間位置覆蓋有選擇性吸附膜，與靶面相對設有激發(fā)器和接收端，接收端連出有顯示端，激發(fā)器包括依次連接的柱面透鏡、分束器和激光發(fā)生器，接收端包括激光二極管和依次連接的光線準直器、干涉膜、吸收式濾波器，顯示端包括依次連接的光電管、A/D轉(zhuǎn)換模塊、處理及顯示模塊。
[0006]本發(fā)明采用激光在覆有選擇性吸附膜的金屬靶面表面激發(fā)聲表面波，用單芯光纖耦合的反射式光束偏轉(zhuǎn)法在薄膜處對所激發(fā)的聲表面波進行探測，進而準確檢測出氣體的濃度。選擇性吸附膜只對所需敏感的氣體有吸附作用。選擇性吸附膜具有可逆性和高穩(wěn)定性，可逆性指的是選擇性吸附膜對敏感氣體既有吸附作用，又有解吸作用，當待測的敏感氣體濃度升高時，選擇性吸附膜所吸收的氣體量隨之增加；當濃度降低時，選擇性吸附膜還應該能夠解吸待測氣體。吸附過程和解吸過程是嚴格互逆的。當選擇性吸附膜用各向同性絕緣材料時，它對氣體的吸附作用轉(zhuǎn)變?yōu)楦采w層密度的變化，于是聲表面波傳播路徑上的質(zhì)量負載效應使得聲表面波波速發(fā)生變化。從而引起材料表面傾角的變化，表面傾角改變，光通量也會產(chǎn)生相應的變化，從而得到新的交流電信號，通過檢測可得表面傾角改變的大小，進而定量分析檢測出被檢測氣體的濃度。本發(fā)明中的探測光束由激光發(fā)生器發(fā)出，通過光電管(PMT)接收激光反射光轉(zhuǎn)化為電信號實現(xiàn)，信號經(jīng)放大濾波后，由A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣并通過串口存儲到處理及顯示模塊進行處理，實現(xiàn)對外的傳感、顯示等功能。
[0007]上述激光發(fā)生器、分束器、柱面透鏡、光線準直器、干涉膜、吸收式濾波器、激光二極管、光電管、A/D轉(zhuǎn)換模塊、處理及顯示模塊為現(xiàn)有產(chǎn)品，其使用方法、相對位置設計和控制方式為本領域技術人員容易實現(xiàn)的。
[0008]本發(fā)明的有益效果如下:本發(fā)明利用激光在覆有吸附性薄膜的金屬表面激發(fā)聲表面波，用單芯光纖耦合的反射式光束偏轉(zhuǎn)法在薄膜處對所激發(fā)聲表面波進行探測，實現(xiàn)了氣體濃度的準確檢測。本發(fā)明避免了因電子元器件質(zhì)量及壽命導致裝置工作可靠性低的問題，其使用壽命可視為與被監(jiān)測設備同壽命。既保障了在線監(jiān)測裝置可持續(xù)穩(wěn)定的對主設備進行狀態(tài)監(jiān)測，同時也避免了因在線監(jiān)測裝置可靠性問題對主設備的運行維護產(chǎn)生不良影響，具有極高的安全性，非常適用于在高壓、強電磁環(huán)境中工作。本發(fā)明改變了傳統(tǒng)聲表面波傳感器一些固有的缺點，如頻響低，接觸式等，采用光學方法來代替，不僅可應用于氣體測量領域，還可應用于測量壓力、濕度、液相等多種介質(zhì)的無源無線傳感器，有著廣泛的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中:1-激發(fā)器，2-接收端，3-顯示端，4-靶面，5-選擇性吸附膜，11-激光發(fā)生器，12-分束器，13-柱面透鏡，21-光線準直器，22-干涉膜，23-吸收式濾波器，24-激光二極管，31-光電管，32-A/D轉(zhuǎn)換模塊，33-處理及顯示模塊。
【具體實施方式】
[0010]激光觸發(fā)式無源氣體傳感器，包括靶面4，靶面4上中間位置覆蓋有選擇性吸附膜5，與靶面4相對設有激發(fā)器I和接收端2，接收端2連出有顯示端3，激發(fā)器I包括依次連接的柱面透鏡13、分束器12和激光發(fā)生器11，接收端2包括激光二極管24和依次連接的光線準直器21、干涉膜22、吸收式濾波器23，顯示端3包括依次連接的光電管31、A/D轉(zhuǎn)換模塊32、處理及顯示模塊33。
[0011]具體實施過程中，檢測SO2氣體為例時，靶面金屬選擇鋁，這是一種各向同性的金屬材料，對脈沖激光容易吸收，光聲轉(zhuǎn)換效率較高，使用了拋光鋁材作為靶材，采用聚苯胺(PAn)薄膜(敏感SO2氣體)作為吸附膜，薄膜是分別將本征態(tài)、摻雜態(tài)聚苯胺粉末按氣敏膜面積稱取，溶解在N- 二甲基酰胺溶劑中，球磨后，使其充分溶解、分散，然后將溶液小心旋涂于鋁塊表面，溶劑揮發(fā)后形成的氣敏膜。
[0012]當被測環(huán)境中SO2氣體濃度升高時，PAn薄膜所吸收的氣體量也隨之增加，從而使傾角變小，輸出交流電壓幅度降低；當被測環(huán)境中SO2氣體濃度降低時，薄膜所吸收的氣體量也隨之減少，傾角增大，輸出交流電壓幅度增大。
[0013]通過柱狀透鏡聚焦成線光源，所激發(fā)的是瑞利波，瑞利波是由Nd:YAG激光器來激發(fā)，波長1.06 μ m，脈寬30ns，單脈沖的能量可以達到70mJ，激光脈沖通過濾光片濾波后，被一個焦距40mm的聚焦透鏡聚焦在靶材上，當靶材受到脈沖激光的作用時，由于熱彈以及融蝕等多種效應，會在材料中激發(fā)出各種波型。
【權利要求】
1.一種激光觸發(fā)式無源氣體傳感器，其特征在于:包括靶面(4)，靶面(4)上中間位置覆蓋有選擇性吸附膜(5)，與靶面(4)相對設有激發(fā)器(I)和接收端(2)，接收端(2)連出有顯示端(3)，激發(fā)器(I)包括依次連接的柱面透鏡(13)、分束器(12)和激光發(fā)生器(11)，接收端(2)包括激光二極管(24)和依次連接的光線準直器(21)、干涉膜(22)、吸收式濾波器(23)，顯示端(3)包括依次連接的光電管(31)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(32)、處理及顯示模塊(33)。
【文檔編號】G01N21/63GK104267005SQ201410593038
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權日:2014年10月30日
【發(fā)明者】李新, 李學勤, 張政 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司