激光激发新型声表面波气体传感器课件.ppt

1、激光激发新型声表面波气体传感器 Gas sensor based on detecting the SAW generated by laser论文结构摘要摘要引言引言 结果与分析结果与分析讨论讨论 原理摘要 提出了一种利用激光激发声表面波，通过气体吸附性薄膜对被测气体进行检测的传感原理。激光在覆有选择性气体吸附膜的铝块表面激发出声表面波，后者沿铝块表面传播。在吸附性薄膜与被测气体发生反应后，声表面波的强度被改变；然后利用PMT(光电倍增管)，通过单芯光纤耦合的反射式光束偏转法探测由半导体激光器发出的探测光束，所检测的光强的变化反映了被检测气体的浓度，从而实现被测气体的浓度测量。引言引言 随着

2、工业化的进程和人们生活水平的提高，空气质量成为人们日益关注的问题，气体传感器也因此成为倍受人们关注的研究课题。在众多的气体传感器中，SAW气体传感器的开发和应用受到了广泛的关注并获得了长足的进步。传统的SAW气体传感器大多采用金属叉指换能器(IDT)制成的，但传统的声电换能器由于固有的缺点，如频响低，接触式等，越来越多的被这二十年来发展起来的光学方法来代替，光学方法可以分为干涉法和非干涉法。并且有一个趋势，即光纤化，光纤传感器由于固有的诸多优点，例如小巧灵活，抗干扰强，易于微型化和集成化，已越来越多的被用在超声检测中，替代己有的复杂光路检测手段。由于光学技术的不断提高，这方面的研究也在飞速发展

3、。为实验研究提供了更好的手段和工具。激光超声检测技术以其非接触和适合运动检测等显著优点，已成为无损检测领域中的一种重要技术和手段。在此结合传统SAW气体传感器的吸附性薄膜与气体作用的原理与激光超声检测技术，我们提出一种新的气体传感器原理。采用激光在覆有吸附性薄膜的金属表面激发声表面波，用单芯光纤耦合的反射式光束偏转法在薄膜处对所激发声表面波进行探测，进而准确检测出气体的浓度。此气体传感器的优点在于采用光学方法来检测由激光激发的声脉冲，不仅非接触，而且也为气体监测提供了一种新的途径。激光激发声表面波新型气体传感器原理 检测装置原理图如图1。瑞利波是由Nd:YAG激光器来激发,波长1.06m,脉宽

4、30ns,单脉冲的能量可以达到70mJ,激光脉冲通过滤光片滤波后,被一个聚焦透镜(焦距40mm)聚焦在靶材上,当靶材受到脉冲激光的作用时,由于热弹以及融蚀等多种效应,会在材料中激发出各种波型,如体波(纵波,横波),瑞利波,薄板材料中的Lamb波,以及多层材料的Love波等.本实验通过柱状透镜聚焦成一线光源,所激发的是瑞利波,瑞利波（Raleigh wave）是一种常见的界面弹性波,是沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波.由英国学者瑞利于1887年首先指出其存在而得名.它在固体的表面产生并沿着表面传播,其振幅随离表面深度而迅速衰减.瑞利波在垂直于线光源方向传播占绝对优势.探测光束由半导体激光器(

5、波长为0.651m，功率为5mW)发出，通过光电倍增管(PMT)接收激光反射光实现。探测光束由聚焦透镜聚焦到靶材表面，反射光再由一个显微透镜聚焦。从光纤输出的光通过光电倍增管转化为电信号,信号经放大滤波后,由AD采样并通过串口存储到PC机进行处理。当瑞利波脉冲在靶材表面传播时，会产生微小的表面形变，如图2所示，近似认为光束发生镜面反射。设表面形变的倾斜角为,那么，光束反射时偏移原路径的角度即为2相应的，反射光束经显微透镜聚焦后形成光斑偏移的距离可以表示为:探测光束的聚焦光斑的半径为:式中r1是检测光束的半径；f1，f2分别是透镜Ll、L2的焦距(rl=2mm，f1=40mm，f2=4mm)；单

6、的光纤的半径为r(5m)，且有Rr。22 f211(/)Rfrf探测激光光束的光强服从Gaussian分布：式中是光束光强的最大值，A为常数。2202exp()IIA如图3,光纤耦合的光通量为:222222()02()exp()a rraa rraId dA 式中a为聚焦光斑的中心到光纤中心的距离。光纤的耦合通量随靶材表面形变而发生改变，因为Rr，则近似有：式中和之间的相应关系可看作服从高斯函数，如图4。22200022(2)()expexpafaIsAA 为了有最佳的近似线性效果，首先调节光纤使耦合光通量初值为最大值的一半，如图4，把工作点取在曲线上的A点。由于工作区在点A附近很小的区域，可

7、取A点的导数作为线性系数。于是，方程可以简化为：通过对光通量变化的测量，很容易的确定倾斜角0。而光通量的变化转化为交流电信号：式中是转化因子(单位v/w)。020.833(2)afA 021.666fUA 在本SAW气体传感器中，除了利用单芯光纤探测光束的偏转来反映声表面波信息外，关键的部分在于在靶材的中间位置覆了一层很薄的气体选择性吸附膜，该膜只对所需敏感的气体有吸附作用。本SAW气体传感器输出的可靠性在很大程度上取决于敏感膜的稳定性。具有可逆性和高稳定性也是对敏感膜的基本要求。可逆性指的是敏感膜对气体既有吸附作用，又有解吸作用，当待测的气体浓度升高时，薄膜所吸收的气体量随之增加；当浓度降低

8、时，薄膜还应该能够解吸待测气体。吸附过程和解吸过程是严格互逆的。这也是此气体传感器正常可靠工作的前提。它的敏感机理随气敏薄膜的种类不同而不同，当薄膜用各向同性绝缘材料时，它对气体的吸附作用转变为覆盖层密度的变化，于是SAW传播路径上的质量负载效应使得SAW波速发生变化。从而引起材料表面倾角的变化，变化幅度记为。气体吸附膜引发倾角变化如图5。则表面倾角变为：倾角改变，光通量也会产生相应的变化，从而得到新的交流电信号为：则，通过检测可得：从而可以反映出的大小，进而定量分析检测出被检测气体的浓度。021.666fUA 021.666fUUUA结果与分析结果与分析 由于铝是各向同性的金属材料,对脉冲激

9、光容易吸收,光声转换效率较高,因此本实验装置实验中选择它为实验样品。使用了抛光铝材作为靶材，采用聚苯胺(PAn)薄膜(敏感S02气体)作为吸附膜，当被测环境中SO2气体浓度升高时，PAn薄膜所吸收的气体量也随之增加，从而使倾角变小，输出交流电压幅度降低；当被测环境中SO2气体浓度降低时，薄膜所吸收的气体量也随之减少，倾角增大，输出交流电压幅度增大。整个装置置于密封气室中进行实验。聚苯胺气敏薄膜的制备方法：分别将本征态、掺杂态聚苯胺粉末按气敏膜面积称取，溶解在N-二甲基酰胺溶剂中，球磨后，使其充分溶解、分散，然后将溶液小心旋涂于铝块表面，溶剂挥发后即形成气敏膜。2.12.1聚苯胺气敏薄膜的制备方

10、法聚苯胺气敏薄膜的制备方法2.22.2测试结果测试结果 图6至8为探测距离d=8mm(激发源中心到信号光束反射点之间的距离)测得的波形。图6中，波形图1为气室中无SO2气体时(气压1Pa)测得的交流电压输出波形；图7中，波形图2为在气室中充入少量SO2气体后(气压1Pa)的输出波形；图8中，波形图3为增加气室中SO2气体的浓度后(气压1Pa)的输出波形。从输出波形的变化中可以看出输出交流电压幅度随着气室中SO2气体的浓度的增加会发生相应减小。讨论讨论这里只是定性给出了此方法的原理与应用，通过合理的算法，就可以定量分析出待测气体浓度与输出电压之间的关系。文中仅对SO2气体做了讨论，此传感器也同样适用于检测其它气体，关键在于寻找到合适的气敏膜。谢谢 谢！谢！