激光激發(fā)新型聲表面波氣體傳感器

1、激光激發(fā)新型聲表面波氣體傳感器 Gas sensor based on detecting the SAW generated by laser論文結(jié)構(gòu)摘要摘要引言引言 結(jié)果與分析結(jié)果與分析討論討論 原理摘要 提出了一種利用激光激發(fā)聲表面波，通過氣體吸附性薄膜對被測氣體進行檢測的傳感原理。激光在覆有選擇性氣體吸附膜的鋁塊表面激發(fā)出聲表面波，后者沿鋁塊表面?zhèn)鞑?。在吸附性薄膜與被測氣體發(fā)生反應(yīng)后，聲表面波的強度被改變；然后利用PMT(光電倍增管)，通過單芯光纖耦合的反射式光束偏轉(zhuǎn)法探測由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的探測光束，所檢測的光強的變化反映了被檢測氣體的濃度，從而實現(xiàn)被測氣體的濃度測量。引言引言 隨著

2、工業(yè)化的進程和人們生活水平的提高，空氣質(zhì)量成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題，氣體傳感器也因此成為倍受人們關(guān)注的研究課題。在眾多的氣體傳感器中，SAW氣體傳感器的開發(fā)和應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注并獲得了長足的進步。 傳統(tǒng)的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(xué)方法來代替，光學(xué)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(fù)雜光路檢測手段。由于光學(xué)技術(shù)的不斷提高，這方面的研究也在飛速發(fā)

3、展。為實驗研究提供了更好的手段和工具。 激光超聲檢測技術(shù)以其非接觸和適合運動檢測等顯著優(yōu)點，已成為無損檢測領(lǐng)域中的一種重要技術(shù)和手段。在此結(jié)合傳統(tǒng)SAW氣體傳感器的吸附性薄膜與氣體作用的原理與激光超聲檢測技術(shù)，我們提出一種新的氣體傳感器原理。采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，進而準(zhǔn)確檢測出氣體的濃度。此氣體傳感器的優(yōu)點在于采用光學(xué)方法來檢測由激光激發(fā)的聲脈沖，不僅非接觸，而且也為氣體監(jiān)測提供了一種新的途徑。激光激發(fā)聲表面波新型氣體傳感器原理 檢測裝置原理圖如圖1。 瑞利波是由Nd:YAG激光器來激發(fā),波長1.06m

4、,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,被一個聚焦透鏡(焦距40mm)聚焦在靶材上,當(dāng)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(yīng),會在材料中激發(fā)出各種波型,如體波(縱波,橫波),瑞利波,薄板材料中的Lamb波,以及多層材料的Love波等.本實驗通過柱狀透鏡聚焦成一線光源,所激發(fā)的是瑞利波,瑞利波（Raleigh wave）是一種常見的界面彈性波,是沿半無限彈性介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ钠癫?由英國學(xué)者瑞利于1887年首先指出其存在而得名.它在固體的表面產(chǎn)生并沿著表面?zhèn)鞑?其振幅隨離表面深度而迅速衰減.瑞利波在垂直于線光源方向傳播占絕對優(yōu)勢. 探測光束由半導(dǎo)體

5、激光器(波長為0.651m，功率為5mW)發(fā)出，通過光電倍增管(PMT)接收激光反射光實現(xiàn)。探測光束由聚焦透鏡聚焦到靶材表面，反射光再由一個顯微透鏡聚焦。 從光纖輸出的光通過光電倍增管轉(zhuǎn)化為電信號,信號經(jīng)放大濾波后,由AD采樣并通過串口存儲到PC機進行處理。當(dāng)瑞利波脈沖在靶材表面?zhèn)鞑r，會產(chǎn)生微小的表面形變，如圖2所示，近似認(rèn)為光束發(fā)生鏡面反射。 設(shè)表面形變的傾斜角為,那么，光束反射時偏移原路徑的角度即為2相應(yīng)的，反射光束經(jīng)顯微透鏡聚焦后形成光斑偏移的距離可以表示為: 探測光束的聚焦光斑的半徑為: 式中r1是檢測光束的半徑；f1，f2分別是透鏡Ll、L2的焦距(rl=2mm，f1=40mm，f

6、2=4mm)；單的光纖的半徑為r(5m)，且有Rr。22 f211( /)Rfrf探測激光光束的光強服從Gaussian分布：式中是光束光強的最大值，A為常數(shù)。2202exp()IIA如圖3,光纖耦合的光通量為:222222()02()exp()a rraa rraId dA 式中a為聚焦光斑的中心到光纖中心的距離。 光纖的耦合通量隨靶材表面形變而發(fā)生改變，因為Rr，則近似有：式中和之間的相應(yīng)關(guān)系可看作服從高斯函數(shù)，如圖4。22200022(2)()expexpafaIsAA 為了有最佳的近似線性效果，首先調(diào)節(jié)光纖使耦合光通量初值為最大值的一半，如圖4，把工作點取在曲線上的A點。 由于工作區(qū)在

7、點A附近很小的區(qū)域，可取A點的導(dǎo)數(shù)作為線性系數(shù)。 于是，方程可以簡化為： 通過對光通量變化的測量，很容易的確定傾斜角0。而光通量的變化轉(zhuǎn)化為交流電信號： 式中是轉(zhuǎn)化因子(單位v/w)。020.833(2)afA 021.666fUA 在本SAW氣體傳感器中，除了利用單芯光纖探測光束的偏轉(zhuǎn)來反映聲表面波信息外，關(guān)鍵的部分在于在靶材的中間位置覆了一層很薄的氣體選擇性吸附膜，該膜只對所需敏感的氣體有吸附作用。本SAW氣體傳感器輸出的可靠性在很大程度上取決于敏感膜的穩(wěn)定性。 具有可逆性和高穩(wěn)定性也是對敏感膜的基本要求?？赡嫘灾傅氖敲舾心怏w既有吸附作用，又有解吸作用，當(dāng)待測的氣體濃度升高時，薄膜所吸

8、收的氣體量隨之增加；當(dāng)濃度降低時，薄膜還應(yīng)該能夠解吸待測氣體。吸附過程和解吸過程是嚴(yán)格互逆的。這也是此氣體傳感器正?？煽抗ぷ鞯那疤?。它的敏感機理隨氣敏薄膜的種類不同而不同，當(dāng)薄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SAW傳播路徑上的質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)使得SAW波速發(fā)生變化。從而引起材料表面傾角的變化，變化幅度記為。氣體吸附膜引發(fā)傾角變化如圖5。則表面傾角變?yōu)椋簝A角改變，光通量也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而得到新的交流電信號為：則，通過檢測可得：從而可以反映出的大小，進而定量分析檢測出被檢測氣體的濃度。021.666fUA 021.666fUUUA結(jié)果與分析結(jié)果與分析 由于鋁

9、是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, 因此本實驗裝置實驗中選擇它為實驗樣品。 使用了拋光鋁材作為靶材，采用聚苯胺(PAn)薄膜(敏感S02氣體)作為吸附膜，當(dāng)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(dāng)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。整個裝置置于密封氣室中進行實驗。 聚苯胺氣敏薄膜的制備方法： 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)后即形成氣敏膜。2.12.1聚苯胺氣敏薄膜的制備方法聚苯胺氣敏薄膜的制備方法2.22.2測試結(jié)果測試結(jié)果 圖6至8為探測距離d=8mm(激發(fā)源中心到信號光束反射點之間的距離)測得的波形。圖6中，波形圖1為氣室中無SO2氣體時(氣壓1Pa)測得的交流電壓輸出波形；圖7中，波形圖2為在氣室中充入少量SO2氣體后(氣壓1Pa)的輸出波形；圖8中，波形圖3為增加氣室中SO2氣體的濃度后(氣壓1Pa)的輸出波形。從輸出