基于声表面波原理的激发式无源气体传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，包括声表面波发生装置、声表面波激发装置、探测光束发射装置以及光束强度检测装置，所述声表面波发生装置包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性吸附膜，所述声表面波激发装置向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述探测光束发射装置向声表面波发生装置发射探测光束，所述光束强度检测装置接收探测光束的反射光并检测探测光束的强度。本实用新型专利技术改变了传统声表面波传感器一些固有的缺点。

【技术实现步骤摘要】
基于声表面波原理的激发式无源气体传感器
本技术涉及一种气体传感器。
技术介绍
随着工业化的进程和人们生活水平的提高，气体传感器在工业应用与人们日常生 活中都得到了广泛的应用，也成为倍受人们关注的研究课题。在众多的气体传感器中，声表 面波（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。声表面波 (SAW)传感器的研究起源于70年代，当时人们在研究SAW电子器件的时候发现表面沉积物、 应力、温度、电场、磁场等外界因素均会对器件的特性产生较大的影响，这些影响是电子器 件所不希望的，然而却十分适用于传感器的研究。由于这种传感器具有高精度、高灵敏度、 高分辨率、抗电磁干扰能力强，不需要模/数转换，敏感器件采用半导体平面工艺制作，易 于集成及大规模生产等优点，30多年来，以SAW延迟线或谐振器作为核心敏感组件的SAW传 感器技术得到了很大发展。到目前为止，人们不但已经研制了温度、压力、质量传感器。特 别是在气体传感器方面已经取得了可喜的科研成果。 声表面波（SAW)气体传感器的基本结构是在以压电材料为衬底的表面上，一端为 输入叉指换能器（IDT1)，另一端为输出叉指换能器（IDT2)，两者之间的区域淀积了针对特 定气体敏感的薄膜。此薄膜与被测气体发生相互作用，导致界面膜的物理性质发生变化，从 而改变了SAW的速度或频率，因此通过测量声波的频率偏移或相位延迟可以反演得到气体 的种类、浓度等待测量。 然而，传统的SAW气体传感器大多采用金属叉指换能器（IDT)制成，但传统的SAW 气体传感器也具有固有的缺点，如频响低，接触式等。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题就是提供一种基于声表面波原理的激发式无源 气体传感器，解决传统声表面波传感器频响低、接触式等固有缺点，方便气体检测，提高检 测的精确度。 为解决上述技术问题，本技术采用如下技术方案：基于声表面波原理的激发 式无源气体传感器，包括声表面波发生装置、声表面波激发装置、探测光束发射装置以及光 束强度检测装置，所述声表面波发生装置包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性 吸附膜，所述声表面波激发装置向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激 发出各种波型，所述探测光束发射装置向声表面波发生装置发射探测光束，所述光束强度 检测装置接收探测光束的反射光并检测探测光束的强度。 优选的，所述声表面波激发装置包括激光器、光束分离器以及柱面透镜，激光器激 发激光脉冲，激光脉冲通过光束分离器后被柱面透镜聚焦到声表面波发生装置上。 优选的，所述探测光束发射装置包括半导体激光器，所述半导体激光器激发的探 测光束由聚焦透镜聚焦在声表面波发生装置表面。 优选的，所述光束强度检测装置包括光电倍增管，探测光束的反射光由一个显微 透镜聚焦并通过光电倍增管转化为电信号。 本技术采用上述技术方案，首先，传感器基于声表面波原理，实现了无源无线 的状态监测方式，有效的解决了传统在线监测装置存在的在安全性、可靠性、稳定性等方面 存在的问题。而且体积小，与采集器之间数据无线传输，安装方便灵活，不受设备结构和空 间影响；不受灰尘、电磁场等环境因素影响，可长期稳定工作；无线射频信号具有一定的穿 透绕射能力，可广泛用于测量可视范围内及存在障碍物的各种物体参数。 其次，可以很大程度上节约成本以及提高设备安全运行水平。基于声表面波技术 的无源无线传感器与被监测设备同寿命，具有极高的可靠性和稳定性；还有利于实现一些 新的更真实反映设备运行状态的特征量的监测，从而更加及时、准确、全面掌握设备状态。 更为突出的是，本技术结合传统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，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，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。 综上，本技术改变了传统声表面波传感器一些固有的缺点，如频响低，接触式 等，采用光学方法来代替，不仅可应用于气体测量领域，还可实现压力、湿度、液相等多种无 源无线传感器，在变压器油介损在线监测、SF6气体压力、微水及组分在线监测等方面有着 广泛的应用前景。 【附图说明】 下面结合附图和【具体实施方式】对本技术作进一步描述： 图1为本技术的结构原理图； 图2为本技术的气体测量光路倾角变化图。 【具体实施方式】 本方案结合传统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，提出一种新的气体传感器。如图1和图2所示，具体包括声表面波发生装置1、声 表面波激发装置2、探测光束发射装置3以及光束强度检测装置4。其中，声表面波发生装 置1包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性吸附膜11，所述声表面波激发装置2 向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述声表面波激 发装置2包括激光器21、光束分离器22以及柱面透镜23,激光器激发激光脉冲，激光脉冲 通过光束分离器后被柱面透镜聚焦到声表面波发生装置上。所述探测光束发射装置3包括 半导体激光器31，所述半导体激光器激发的探测光束由聚焦透镜32聚焦在声表面波发生 装置表面。所述光束强度检测装置4包括光电倍增管41，探测光束的反射光由一个显微透 镜44聚焦并通过光电倍增管41转化为电信号，在显微透镜44与光电倍增管41之间设有 滤光片43和光纤准直器42,探测光束的反射光经过显微透镜44聚焦后再经过滤光片和光 纤准直器42进入光电倍增管41，光电倍增管41连接示波器45,通过示波器45对检测结果 进行显示。 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。 在本SAW气体传感器中，在利用单芯光纤探测光束的偏转来反映声表面波信息 夕卜，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。 吸附敏感膜具有可逆性和高稳定性，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，表面倾角改变，光通量也会 产生相应的变化，从而得到新的交流电信号，通过检测可得表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，其特征在于：包括声表面波发生装置、声表面波激发装置、探测光束发射装置以及光束强度检测装置，所述声表面波发生装置包括金属靶材和设于金属靶材表面的气体选择性吸附膜，所述声表面波激发装置向声表面波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述探测光束发射装置向声表面波发生装置发射探测光束，所述光束强度检测装置接收探测光束的反射光并检测探测光束的强度。

【技术特征摘要】
1. 基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，其特征在于：包括声表面波发生装 置、声表面波激发装置、探测光束发射装置以及光束强度检测装置，所述声表面波发生装置 包括金属祀材和设于金属祀材表面的气体选择性吸附膜，所述声表面波激发装置向声表面 波发生装置发射激光并在声表面波发生装置中激发出各种波型，所述探测光束发射装置向 声表面波发生装置发射探测光束，所述光束强度检测装置接收探测光束的反射光并检测探 测光束的强度。2. 根据权利要求1所述的基于声表面波原理的激发式无源气体传感器，其特征在于： 所述声表...

【专利技术属性】
技术研发人员：章义军，金国亮，高久国，丁海华，郑城，周俊杰，何锋，何寅，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网浙江省电力公司湖州供电公司，国网浙江安吉县供电公司，
类型：新型
国别省市：北京;11