一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器制造技术

本发明专利技术涉及气体探测技术领域，尤其涉及一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，包括气室、红外热辐射光源、起偏器、准平行光组件、异常反射式超表面和热释电探测器；所述红外热辐射光源设置在所述起偏器的入射端；所述准平行光组件的入射端与所述起偏器的出射端连接；所述准平行光组件的出射端伸入所述气室；所述异常反射式超表面设置于所述气室内；所述热释电探测器设置在所述气室上。本发明专利技术利用异常反射式超表面的分光特性，能够实现对多种气体的同时测量，结构简单，体积小，并且能够避免衍射光谱的级次重叠的问题，具有较高的测量精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气体探测
，尤其涉及一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器。
技术介绍
随着人们生活水平的提高和对环保的日益重视，现今对各种有毒有害气体的探测，以及对大气污染、工业废气的监控、人居环境质量的检测都提出了更高的要求。在煤矿、石油、化工等行业的生产过程中存在大量的易燃、易腐蚀、有毒气体。当这些气体超出一定的浓度值时，不仅会对环境造成一定的影响，还会对人民的生命与财产等造成严重的威胁。因此，为了防止事故的发生，对易燃、有毒有害气体进行及时、准确的检测刻不容缓。其中，CH4、SO2、CO2、CO的安全隐患尤为普遍，因此需要对这几种气体的浓度进行实时监控、精确测量。目前常见的气体传感器按工作原理来分主要有半导体传感器、绝缘体传感器、电化学式、基于光学原理型、石英振荡型、热传导型、声表面波型、气体色谱法以及基于微机电系统(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)的微结构气敏传感器。与其它类别气体传感器相比，基于光学原理的气体传感器具有应用广泛、使用寿命长、灵敏度高、稳定性好、适合气体种类多、性价比高、维护成本低、可在线分析等一系列优点。基于光学原理的气体传感器，可以通过红外吸收光谱法、表面等离激元共振频移、反射率变化、干涉条纹的变化、荧光效应等来判别、测量气体的种类与浓度。其中，红外吸收光谱法是利用气体分子对红外光区电磁辐射的选择性吸收特性来对气体进行定性和定量分析。不同种类的气体对应不同的本征吸收波长，利用不同波长被吸收的情况可以判别气体的种类，并且依据朗伯-比尔定律，通过测量某一本征吸收波长处光强的变化就可以确定气体浓度，这在光学气体传感器中具有重要的应用。然而，常用的红外吸收型气体传感器在气体探测过程中，往往只能对单种气体进行测量，而对于多种气体的测量，需要利用傅里叶分析仪和多个不同波长的半导体激光器，或者切换多个滤波器，才能够完成。因此，现有技术中的红外吸收型气体传感器实现对多种气体的测量时，结构复杂，体积庞大，并不利于多种气体的同时测量。另外，基于闪耀光栅的红外吸收型气体探测器，由于衍射光栅光谱的级次重叠，即衍射光栅在同一位置有不同级次的不同波长的光谱线，将会给气体的测量带来误差。
技术实现思路
本专利技术通过提供一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，解决了现有技术中的红外吸收型气体传感器在测量多种气体时，结构复杂、体积庞大，并且测量存在误差的技术问题。本专利技术实施例提供了一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，包括气室、红外热辐射光源、起偏器、准平行光组件、异常反射式超表面和热释电探测器；所述红外热辐射光源设置在所述起偏器的入射端；所述准平行光组件的入射端与所述起偏器的出射端连接；所述准平行光组件的出射端伸入所述气室；所述异常反射式超表面设置于所述气室内；所述热释电探测器设置在所述气室上；其中，所述气室用于盛装待测量气体，所述红外热辐射光源发出的宽带红外光依次经过所述起偏器和所述准平行光组件后获得准平行偏振光，所述准平行偏振光正入射到所述异常反射式超表面上，所述异常反射式超表面将所述准平行偏振光分光并反射至所述热释电探测器，所述热释电探测器用于将经过所述异常反射式超表面分光之后的反射光转换为电信号，根据所述电信号能够确定所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。优选的，所述气室上设置有进气口和出气口。优选的，在所述进气口和所述出气口上分别设置一阀门。优选的，当所述待测量气体包括多种不同的气体时，所述红外吸收型多气体浓度测量传感器包括：多个所述热释电探测器，所述多个热释电探测器设置在所述气室上的不同的反射角度位置处，其中，所述不同的反射角度位置与所述不同的气体特征吸收波长相对应。优选的，所述反射角度位置通过以下公式进行确定：θr＝arcsin(λ/Γ)其中，θr为所述反射角度位置，λ为所述气体的特征吸收波长，Γ为所述异常反射式超表面中超晶胞沿相位梯度方向的晶格常数。优选的，所述异常反射式超表面的结构为金属-绝缘体-金属。优选的，还包括光电信号处理模块；所述光电信号处理模块与所述热释电探测器相连；其中，所述光电信号处理模块用于对所述电信号进行处理，获得所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。基于同一专利技术构思，本专利技术实施例还提供一种应用于上述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器中的气体测量方法，所述方法包括：利用所述红外热辐射光源发出宽带红外光，并使所述宽带红外光依次经过所述起偏器和所述准平行光组件后获得准平行偏振光；利用所述异常反射式超表面对所述准平行偏振光进行分光并反射；分别在所述气室未盛装和盛装所述待测量气体时，利用所述热释电探测器捕捉所述准平行偏振光经过所述异常反射式超表面分光之后的反射光，并将所述反射光转换为电信号，从而获得参考信号和测试信号；根据所述参考信号和所述测试信号，确定出所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。优选的，根据所述参考信号和所述测试信号，获得所述待测量气体中包含的气体的浓度，具体为：根据公式获得所述气体的浓度；其中，I为所述测试信号，I0为所述参考信号，α为所述气体的吸收系数，L为所述准平行偏振光通过所述气体的长度，C为所述气体的浓度。本专利技术实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本专利技术利用红外热辐射光源发出宽带红外光，经由起偏器和准平行光组件将宽带红外光转换为准平行偏振光后，通过异常反射式超表面对准平行偏振光进行色散分光，并通过热释电传感器将光信号转换为电信号，利用异常反射式超表面的分光特性，能够实现对多种气体的同时测量，结构简单，体积小，并且，能够避免衍射光谱的级次重叠的问题，具有较高的测量精度。又，本专利技术结构组成简单，仅需一个分光元件就可以实现多种气体种类及其浓度测量，该分光元件采用基于平面工艺的异常反射式超表面，其能够为进一步集成提供便利，可以批量制作，降低多气体浓度测量的成本。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例中一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器的结构示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，其特征在于，包括气室、红外热辐射光源、起偏器、准平行光组件、异常反射式超表面和热释电探测器；所述红外热辐射光源设置在所述起偏器的入射端；所述准平行光组件的入射端与所述起偏器的出射端连接；所述准平行光组件的出射端伸入所述气室；所述异常反射式超表面设置于所述气室内；所述热释电探测器设置在所述气室上；其中，所述气室用于盛装待测量气体，所述红外热辐射光源发出的宽带红外光依次经过所述起偏器和所述准平行光组件后获得准平行偏振光，所述准平行偏振光正入射到所述异常反射式超表面上，所述异常反射式超表面将所述准平行偏振光分光并反射至所述热释电探测器，所述热释电探测器用于将经过所述异常反射式超表面分光之后的反射光转换为电信号，根据所述电信号能够确定所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，其特征在于，
包括气室、红外热辐射光源、起偏器、准平行光组件、异常反射式超表面和热
释电探测器；
所述红外热辐射光源设置在所述起偏器的入射端；
所述准平行光组件的入射端与所述起偏器的出射端连接；
所述准平行光组件的出射端伸入所述气室；
所述异常反射式超表面设置于所述气室内；
所述热释电探测器设置在所述气室上；
其中，所述气室用于盛装待测量气体，所述红外热辐射光源发出的宽带红
外光依次经过所述起偏器和所述准平行光组件后获得准平行偏振光，所述准平
行偏振光正入射到所述异常反射式超表面上，所述异常反射式超表面将所述准
平行偏振光分光并反射至所述热释电探测器，所述热释电探测器用于将经过所
述异常反射式超表面分光之后的反射光转换为电信号，根据所述电信号能够确
定所述待测量气体中包含的气体的种类和浓度。
2.如权利要求1所述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，
其特征在于，所述气室上设置有进气口和出气口。
3.如权利要求2所述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，
其特征在于，在所述进气口和所述出气口上分别设置一阀门。
4.如权利要求1所述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，
其特征在于，当所述待测量气体包括多种不同的气体时，所述红外吸收型多气
体浓度测量传感器包括：
多个所述热释电探测器，所述多个热释电探测器设置在所述气室上的不同
的反射角度位置处，其中，所述不同的反射角度位置与所述不同的气体特征吸
收波长相对应。
5.如权利要求4所述的基于超表面的红外吸收型多气体浓度测量传感器，

\t其特征在于，所述反射角度位置通过以下公式进行确...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘桐君，黄黎蓉，令永红，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42