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(guò)氣體吸附性薄膜對(duì)被測(cè)氣體進(jìn)行檢測(cè)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(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)后，聲表面波的強(qiáng)度被改變；然后利用PMT(光電倍增管)，通過(guò)單芯光纖耦合的反射式光束偏轉(zhuǎn)法探測(cè)由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的探測(cè)光束，所檢測(cè)的光強(qiáng)的變化反映了被檢測(cè)氣體的濃度，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)氣體的濃度測(cè)量。引言引言 隨著

2、工業(yè)化的進(jìn)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(wèn)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注并獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)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(diǎn)，如頻響低，接觸式等，越來(lái)越多的被這二十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的光學(xué)方法來(lái)代替，光學(xué)方法可以分為干涉法和非干涉法。并且有一個(gè)趨勢(shì)，即光纖化，光纖傳感器由于固有的諸多優(yōu)點(diǎn)，例如小巧靈活，抗干擾強(qiáng)，易于微型化和集成化，已越來(lái)越多的被用在超聲檢測(cè)中，替代己有的復(fù)雜光路檢測(cè)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(shí)驗(yàn)研究提供了更好的手段和工具。 激光超聲檢測(cè)技術(shù)以其非接觸和適合運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為無(wú)損檢測(cè)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(cè)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(duì)所激發(fā)聲表面波進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)而準(zhǔn)確檢測(cè)出氣體的濃度。此氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于采用光學(xué)方法來(lái)檢測(cè)由激光激發(fā)的聲脈沖，不僅非接觸，而且也為氣體監(jiān)測(cè)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(cè)裝置原理圖如圖1。 瑞利波是由Nd:YAG激光器來(lái)激發(fā),波長(zhǎng)1.06m

4、,脈寬30ns,單脈沖的能量可以達(dá)到70mJ,激光脈沖通過(guò)濾光片濾波后,被一個(gè)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(shí),由于熱彈以及融蝕等多種效應(yīng),會(huì)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(shí)驗(yàn)通過(guò)柱狀透鏡聚焦成一線(xiàn)光源,所激發(fā)的是瑞利波,瑞利波（Raleigh wave）是一種常見(jiàn)的界面彈性波,是沿半無(wú)限彈性介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ钠癫?由英國(guó)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(xiàn)光源方向傳播占絕對(duì)優(yōu)勢(shì). 探測(cè)光束由半導(dǎo)體

5、激光器(波長(zhǎng)為0.651m，功率為5mW)發(fā)出，通過(guò)光電倍增管(PMT)接收激光反射光實(shí)現(xiàn)。探測(cè)光束由聚焦透鏡聚焦到靶材表面，反射光再由一個(gè)顯微透鏡聚焦。 從光纖輸出的光通過(guò)光電倍增管轉(zhuǎn)化為電信號(hào),信號(hào)經(jīng)放大濾波后,由AD采樣并通過(guò)串口存儲(chǔ)到PC機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)瑞利波脈沖在靶材表面?zhèn)鞑r(shí)，會(huì)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(shí)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(cè)光束的聚焦光斑的半徑為: 式中r1是檢測(cè)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(cè)激光光束的光強(qiáng)服從Gaussian分布：式中是光束光強(qiáng)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?yàn)镽r，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(xiàn)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(diǎn)取在曲線(xiàn)上的A點(diǎn)。 由于工作區(qū)在

7、點(diǎn)A附近很小的區(qū)域，可取A點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)作為線(xiàn)性系數(shù)。 于是，方程可以簡(jiǎn)化為： 通過(guò)對(duì)光通量變化的測(cè)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(hào)： 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(cè)光束的偏轉(zhuǎn)來(lái)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(duì)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(duì)敏感膜的基本要求?？赡嫘灾傅氖敲舾心?duì)氣體既有吸附作用，又有解吸作用，當(dāng)待測(cè)的氣體濃度升高時(shí)，薄膜所吸

8、收的氣體量隨之增加；當(dāng)濃度降低時(shí)，薄膜還應(yīng)該能夠解吸待測(cè)氣體。吸附過(guò)程和解吸過(guò)程是嚴(yán)格互逆的。這也是此氣體傳感器正?？煽抗ぷ鞯那疤帷Ｋ拿舾袡C(jī)理隨氣敏薄膜的種類(lèi)不同而不同，當(dāng)薄膜用各向同性絕緣材料時(shí)，它對(duì)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(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而得到新的交流電信號(hào)為：則，通過(guò)檢測(cè)可得：從而可以反映出的大小，進(jìn)而定量分析檢測(cè)出被檢測(cè)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(duì)脈沖激光容易吸收 ,光聲轉(zhuǎn)換效率較高, 因此本實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)中選擇它為實(shí)驗(yàn)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(cè)環(huán)境中SO2氣體濃度升高時(shí)，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(cè)環(huán)境中SO2氣體濃度降低時(shí)，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(gè)裝置置于密封氣室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 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(chēng)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(cè)試結(jié)果測(cè)試結(jié)果 圖6至8為探測(cè)距離d=8mm(激發(fā)源中心到信號(hào)光束反射點(diǎn)之間的距離)測(cè)得的波形。圖6中，波形圖1為氣室中無(wú)SO2氣體時(shí)(氣壓1Pa)測(cè)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