專利名稱：氣體和液體濃度檢測傳感器及檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測裝置，特別是一種氣體和液體濃度檢測傳感器及由其組成的檢測系統，適用于精密分析與測量技術領域。
背景技術：
自二十世紀八十年代以來，以表面等離子共振(SPR)、光波導和光纖技術為基礎的傳感器得到了相當廣泛的應用。這類傳感器使用方便、結構簡單、性能可靠，并能探測待測樣品多個參量。他們的共同特點是待測樣品處于共振模(表面等離子波和光導波)的迅衰場區域。亦被稱之為迅衰場傳感器。適用于物理、化學、生物、醫學等領域對多個參量的測量。目前，對這類傳感器的研究有成倍增長之勢，已有很多諸類傳感器實現了商品化。而這種迅衰場傳感器的靈敏度主要由以下兩個因素的乘積決定(1)共振模衰減全反射(ATR)吸收峰的寬度，吸收峰寬度越窄，則靈敏度越高。(2)共振模在探測區的光能密度越大，則靈敏度越高。對以泄露光波導和光纖技術為基礎的傳感器而言，共振模ATR吸收峰的寬度可能很窄，但其樣品通常作為光波導或光纖的覆蓋層，而覆蓋層中的光能僅占共振模光能的極小部分，探測效率很低。因此，以泄露光波導和光纖技術為基礎的迅衰場傳感器的靈敏度通常不可能做得很高。而對SPR型傳感器而言，雖然有大于一半的光能處于探測區范圍內，具有較高的探測效率，但由于金屬膜的吸收，導致其ATR吸收峰的寬度很大，同樣難以達到很高的探測靈敏度。使用以光纖技術為基礎的光纖傳感器，要求待測樣品的特征波長必須處于光纖傳輸的低損耗窗口中，因此使得傳感器所能探測的樣品種類局限于某一定波長范圍內。這都是迅衰場傳感器難以廣泛應用的致命缺點。
發明內容
本發明的目的是提供一種采用雙面金屬包覆光波導結構的新型光波導振蕩場氣體和液體濃度檢測傳感器及由其組成的檢測系統，適合于檢測無害或有害的各種氣體和液體的濃度。
本發明是通過以下技術方案實現的；由密封緊粘在氣液室之上、底部沉積有上層金屬薄膜的小角度低折射率棱鏡和密封緊粘在氣液室之下、并與進氣管及出氣管密封連結的下層金屬塊構成雙面金屬包覆光波導結構的新型光波導振蕩場氣體濃度檢測傳感器，后者定位在臺板上。
采用雙面金屬包覆光波導型氣體濃度檢測傳感器的檢測系統，包括傳感器和光源及光電接收裝置；定位在氣體濃度檢測傳感器左上方臺板支架上的激光器與光學小孔串聯共軸，光軸指向氣體濃度檢測傳感器上層金屬薄膜的中心，保證氣體濃度檢測傳感器上層金屬薄膜的中心位置和激光器發出的光在同一水平高度；光電探測器與激光器以垂直金屬薄膜并通過其中心的中心軸對稱，它們的位置都是可調的。光電探測器通過導線與計算機相連接，光電探測器接收由激光器經光學小孔發射、經雙面金屬包覆光波導型氣體濃度檢測傳感器反射的光強值；當氣體室中待測氣體濃度值發生變化時，光電探測器探測到氣體濃度檢測傳感器反射回來的光強值發生改變，通過計算機對光強值的大小進行采集、轉換、分析和存儲，就可以測定和顯示氣體濃度的數值及其變化情況。
本發明的有益技術效果為1.包覆層為金屬，作為波導芯子層的樣品折射率可不受到限制，既可以是液體，也可以是氣體；2.芯子層厚度可達亞毫米量級，不僅擴大了樣品的存放空間，而且為激發光波導的超高階導模提供了可能；3.雖然包覆層采用金屬薄膜，會引起吸收，但理論指出，吸收隨著芯子層的厚度增加而減小，在此結構中，ATR吸收峰的寬度比SPR傳感器減小1-2個量級；4.超高階導模的傳播常數對樣品的折射率(樣品濃度和吸收)的變化極為敏感；5.樣品處于光能密度極大的振蕩場中，探測效率極高；6.光導波共振模的靈敏度比現有的迅衰場傳感器高一個數量級以上；7.可以利用高階導模，而高階導模是偏振無關的，因此對光源不需經過偏振處理，極大方便了此傳感器的使用。本發明用全新的方法實現對氣體和液體的檢測與分析、結構簡單、成本低、易于加工和組合、且不需單偏振光源，對氣體和液體的折射率范圍要求低，探測靈敏度高，實用性強，有廣闊的市場前景。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是氣體和液體濃度檢測傳感器的結構示意圖。
圖2是圖1的左視3是圖1的俯視4是本發明檢測系統示意圖具體實施方式
實施例1如圖1-3所示一種定位在臺板(11)上的雙面金屬包覆光波導型氣，氣體和液體濃度檢測傳感器(10)，由密封緊粘在氣液室(3)之上的小角度低折射率棱鏡(1)和密封緊粘在氣液室(3)之下的下層金屬塊(4)構成；在小角度低折射率棱鏡(1)的底部沉積有上層金屬薄膜(2)，下層金屬塊(4)與進氣管(5)和出氣管(6)密封連結。本發明具有雙面金屬包覆光波導的新型光波導振蕩場，這種振蕩場傳感器在結構上，作為樣品空間的導波層的厚度可達到亞毫米量級，而且可以容易激發亞毫米尺度金屬包覆波導中的高階模，所用激光也不需單偏振光源。在傳感方法上，利用待測氣體的特征吸收，可實現對樣品的選擇性測量。另外，可使用普通半導體激光器作為光源，因此可進一步降低成本、同時提高儀器的靈敏度。
實施例2如圖4所示一種采用實施例1所述的氣體和液體濃度檢測傳感器的檢測系統，包括傳感器和光源及光電接收裝置其特征在于定位在氣體濃度檢測傳感器(10)左上方臺板支架(8)上的激光器(7)與光學小孔(9)串聯共軸，光軸指向金屬薄膜(2)的中心(0)；光電探測器(14)與激光器(7)以垂直金屬薄膜(2)并通過其中心(0)的中心軸對稱，它們的位置都是可調的。光電探測器(14)通過導線(13)與計算機(12)相連接。光電探測器(14)接收由激光器(7)經光學小孔(9)發射和雙面金屬包覆光波導型氣體濃度檢測傳感器(10)反射的光強值，當氣體室中待測氣體濃度值發生變化時，光電探測器(14)探測到雙面金屬包覆光波導型氣體濃度檢測傳感器(10)反射回來的光強值發生改變，通過計算機(12)對光強值的大小進行采集、轉換、分析和存儲，就可以測定和顯示氣體濃度的數值及其變化情況。由于本發明可以采用普通半導體激光器，激光通過濾波后入射到雙面金屬包覆光波導，調整光電探測器的位置使經過雙面金屬包覆光波導反射的光射到該光電探測器上，該探測器將探測到在此反射光強內的導波峰，分析儀器可讀出導波峰的最低點光強。當樣品氣體由進氣口進入氣體室，由于氣體的吸收，導波峰最低點的光強值將發生明顯的變化，通過監測最低點的光強值就可反演出氣體的濃度值變化。
權利要求
1.一種氣體和液體濃度檢測傳感器，包括棱鏡、共振膜和氣體室，其特征在于由密封緊粘在氣液室(3)之上的小角度低折射率棱鏡(1)和密封緊粘在氣液室(3)之下的下層金屬塊(4)構成雙面金屬包覆光波導型氣體濃度檢測傳感器(10)，后者定位在臺板(11)上。
2.根據權利要求1所述的氣體和液體濃度檢測傳感器，其特征在于在小角度低折射率棱鏡(1)的底部沉積有上層金屬薄膜(2)，下層金屬塊(4)與進氣管(5)和出氣管(6)密封連結。
3.一種采用權利要求1所述的氣體和液體濃度檢測傳感器的檢測系統，包括傳感器、光源和光電接收裝置其特征在于定位在氣體濃度檢測傳感器(10)左上方臺板支架(8)上的激光器(7)與光學小孔(9)串聯共軸，光軸指向金屬薄膜(2)的中心(O)；光電探測器(14)與激光器(7)以垂直金屬薄膜(2)并通過其中心(O)的中心軸對稱，它們的位置都是可調的。
4.根據權利要求3所述的檢測系統，其特征在于光電探測器(14)通過導線(13)與計算機(12)相連接。
5.根據權利要求3所述的檢測系統，其特征在于光電探測器(14)接收由激光器(7)經光學小孔(9)發射和雙面金屬包覆光波導型氣體濃度檢測傳感器(10)反射的光強值，當氣體室中待測氣體濃度值發生變化時，光電探測器(14)探測到雙面金屬包覆光波導型氣體濃度檢測傳感器(10)反射回來的光強值發生改變，通過計算機(12)對光強值的大小進行采集、轉換、分析和存儲，就可以測定和顯示氣體濃度的數值及其變化情況。
全文摘要
本發明涉及一種氣體和液體濃度檢測傳感器及其檢測系統，由密封緊粘在氣液室之上、底部沉積有上層金屬薄膜的小角度低折射率棱鏡和密封緊粘在氣液室之下、并與進氣管及出氣管密封連結的下層金屬塊構成氣體濃度檢測傳感器；其檢測系統中、定位在氣體濃度檢測傳感器左上方臺板支架上的激光器與光學小孔串聯共軸，光軸指向氣體濃度檢測傳感器上層金屬薄膜的中心，光電探測器與激光器以金屬薄膜的中心軸對稱，光電探測器通過導線與計算機相連接；電探測器接收由激光器發射、經雙面金屬包覆光波導型氣體濃度檢測傳感器反射的光強值。本發明結構簡單、靈敏度高、成本低、安裝容易、易于加工組合，適合于檢測無害或有害的各種氣體和液體的濃度。
文檔編號G01N21/17GK1896720SQ200510061238
公開日2007年1月17日 申請日期2005年10月20日 優先權日2005年10月20日
發明者汪勝前, 桑明煌, 段碧明, 袁文 申請人:汪勝前
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