[发明专利]基于聚一氯对二甲苯的膜片共振式气体传感器及检测系统

说明书

本发明属于光纤传感和微量气体检测技术领域，基于聚一氯对二甲苯的膜片共振式气体传感器及检测系统。该气体传感器采用F‑P干涉仪的结构，F‑P干涉仪的F‑P腔也是光声系统的非共振光声池。Parylene‑C具有较低的杨氏模量和较大的断裂延伸率，通过真空气相聚合沉积的方法制备的Parylene‑C膜具有敷形性强和沉积均匀性好的特点，因此采用真空气相聚合沉积的方法制备的Parylene‑C膜可以同时兼具半径大和厚度薄的特点。而F‑P干涉仪的固有共振频率与膜片的厚度成正比，与膜片半径的平方成反比，因此该F‑P干涉仪的共振频率可以低至几十赫兹。本发明为狭小空间内高灵敏度远距离气体遥测提供一种新的技术手段。

技术领域

本发明属于光纤传感和微量气体检测技术领域，涉及到一种基于聚一氯对二甲苯的膜片共振式气体传感器及检测系统。

背景技术

痕量气体检测在大气环境检测、工业过程控制以及生命科学领域有着广泛的应用需求。随着激光技术的发展，光谱技术已经成为一种具有灵敏度高、响应时间快和选择性强等优势的气体检测方法。光声光谱检测技术是一种直接测量物质因吸收光能而产生热能的光谱量热技术。在密闭光声池内，气体分子由于吸收特定波长的光被激发到高能态，高能态分子间的相互碰撞使部分受激分子通过无辐射跃迁返回基态，吸收的光能转变为热能，腔内气体受热膨胀产生声波。通过传声器，如微音器、光纤声波传感器和石英音叉等，将声波信号转换为电信号实现气体浓度的测量。

由于声波的产生场所在密闭的光声池中，而传统的光声池要与微音器和激励光源相匹配，因此导致整个光声光谱系统的体积较大，并难以实现远距离的遥测。文献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设计了小型化的光声光谱气体检测系统，利用光纤法布里珀罗(F-P)声波传感器的F-P腔作为光声系统的非共振光声池，将光声激励光源和光纤F-P声波传感器探测光源耦合到一根光纤中，利用光纤声波传感器的传输距离远、可遥测的特征实现光声光谱气体检测系统的小型化和远距离遥测。由于非共振光声系统中光声信号的大小与调制频率成近似反比关系，因此为了提高光声信号的大小，该系统中激励光源的调制频率设置为200Hz，但是该系统中F-P声波传感器的敏感膜片的共振频率远远大于激励光源的调制频率，导致该光纤F-P声波传感器在调制频率处的灵敏度较低，该系统的气体检测灵敏度与传统的光声光谱系统相差几个数量级。综上所述，设计一种既能够远距离遥测，又具有高灵敏度的小型化光声光谱气体传感器具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于聚一氯对二甲苯的膜片共振式小型化气体传感器及检测系统，旨在解决传统光声光谱气体检测系统远距离遥测和高灵敏度探测不能同时实现的问题，为光声光谱检测技术在微量气体远距离遥测领域的应用拓展了更大的空间。

本发明的技术方案是：

一种基于聚一氯对二甲苯的膜片共振式气体传感器，包括单模光纤1、F-P腔2、聚一氯对二甲苯(Parylene-C)膜3、通气孔4和壳体5；该膜片共振式气体传感器采用F-P干涉仪的结构，F-P干涉仪的F-P腔2也是光声系统的非共振光声池；Parylene-C具有较低的杨氏模量和较大的断裂延伸率，通过真空气相聚合沉积的方法制备的Parylene-C膜3具有敷形性强和沉积均匀性好的特点，因此采用真空气相聚合沉积的方法制备的Parylene-C膜3可以同时兼具半径大和厚度薄的特点。而F-P干涉仪的固有共振频率与膜片的厚度成正比，与膜片半径的平方成反比，因此基于Parylene-C膜3的F-P干涉仪的共振频率可以低至几十赫兹。待测气体通过通气孔4充满F-P腔2后，将激励激光器7的调制频率设置在F-P干涉仪的共振频率处，此时光纤气体传感器工作在共振模式状态，产生的光声信号可以达到极大值，实现膜片共振式光声气体传感系统。