一种基于石墨烯微球腔的多参量气体传感系统技术方案

本发明专利技术属于生化传感技术领域，具体提供一种基于石墨烯微球腔的多参量气体传感系统，用以解决现有光纤气体传感器存在的灵敏度低以及无法进行多参量传感的问题。本发明专利技术包括：真空腔1、石墨烯微球腔2、微纳光纤3、夹具4、可调谐窄线宽激光器5、偏振控制器6、单模环形器7、2

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯微球腔的多参量气体传感系统


[0001]本专利技术属于生化传感
，具体提供一种基于石墨烯微球腔的多参量气体传感系统，利用多阶布里渊信号对不同类型气体的频率响应差异实现多参量气体传感功能。

技术介绍

[0002]传感器作为信息获取的前端，是现代信息通信系统的眼睛、鼻子和耳朵，在现代科学技术中具有十分重要的地位；而气体传感器作为传感器领域一个重要的发展方向越来越受到人们的重视，不同于生化传感，气体传感所具备的一个主要特征是探测气体小分子的浓度；但由于气体是纳米小分子，其于传统材料的相互作用非常弱，难以响应。
[0003]目前，气体传感器主要包括了几个主要方向：气相色谱、电化学和基于新材料的光电子探测；其中，气相色谱方案通过FTIR技术探测气体的吸收谱，有着多参量可分辨的优点，但是该方法灵敏度相对较低、积分速度慢、整体仪器体积较大；电化学方案也同样存在着响应速度慢、灵敏度低、抗电磁干扰能力差、难以具备多参量传感能力等缺点。因此，设计同时具备高灵敏度、响应速度快、多参量传感能力的气体传感器非常重要。
[0004]基于光纤传感技术的光纤传感器由于其高灵敏度、抗电磁干扰、响应速度快等优点越来越受到人们的重视，将不同的光纤结构与具有不同性质的二维材料结合所设计出的传感器具有高灵敏度、生物兼容性好、微型化和集成化等优势，在多功能高灵敏现场快速检测领域、尤其是气体探测中具有非常重要的价值。目前，具有代表性的是基于微纳光纤结构的气体传感器以及基于D形光纤的气体传感器，二者在微型化、集成化及抗电磁干扰能力等方面都有比较明显的优势，但是由于器件本身结构限制，光与物质相互作用长度有限，限制了光纤气体传感器灵敏度的进一步提升；同时，当前基于光纤传感技术面临着信道数量少、待测气体浓度与其他信号(温度、湿度、震动)会同时对传输的光信号产生影响等问题，降低了待测气体的传感灵敏度，不便于进行多参量的测量。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有光纤气体传感器存在的灵敏度低以及无法进行多参量传感的问题，提供一种基于石墨烯微球腔的多参量气体传感系统；本专利技术采用石墨烯微球腔与微纳光纤构成传感器，利用石墨烯微球腔多模特性激发的多阶布里渊信号，基于不同类型气体对多阶布里渊信号造成的频率漂移量的差异，最终通过多参量交叉求解实现高灵敏度的多参量气体传感功能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于石墨烯微球腔的多参量气体传感系统，包括：真空腔1、石墨烯微球腔2、微纳光纤3、夹具4、可调谐窄线宽激光器5、偏振控制器6、单模环形器7、2
×
2单模耦合器8、光电探测器9、频谱分析仪10及光谱分析仪11；其特征在于，
[0008]所述石墨烯微球腔2、微纳光纤3与夹具4均置于真空腔内，石墨烯微球腔放置于夹具上；所述可调谐窄线宽激光器5发出泵浦光信号，光信号经过偏振控制器6后由单模环形
器7的第一端口传输至第二端口并进入微纳光纤3，经微纳光纤3传输的光信号耦合进入石墨烯微球腔2，石墨烯微球腔2产生多阶布里渊信号，偶数阶布里渊信号随正向光信号输出至2
×
2单模耦合器8，奇数阶布里渊信号随反向光信号由单模环形器7的第二端口传输至第三端口并输出至2
×
2单模耦合器8，2
×
2单模耦合器8将正向光信号与反向光信号耦合输出至光电探测器9与光谱分析仪11，光电探测器9连接频谱分析仪10。
[0009]进一步的，所述石墨烯微球腔与微纳光纤构成基于石墨烯微球腔的气体传感器，所述石墨烯微球腔由微球腔2
‑
1与单层石墨烯2
‑
2构成，微球腔的直径为600～800微米，单层石墨烯贴附于微球腔的上半球表面、与赤道面的垂直距离为150～250微米，单层石墨烯的面积大于2
×
103平方微米，微纳光纤与石墨烯微球腔的距离小于0.5纳米。
[0010]更进一步的，所述石墨烯微球腔的品质因子大于5
×
107。所述微纳光纤的半径小于1微米，微纳光纤的损耗低于0.1dB/km。
[0011]进一步的，所述可调谐窄线宽激光器发出光信号的频率位于石墨烯微球腔的任一谐振模式。
[0012]进一步的，所述可调谐窄线宽激光器的扫频范围为：1550～1551纳米、激光器最小扫描精度小于100Hz、输出激光线宽小于1kHz。
[0013]进一步的，所述夹具配置温度控制器，以保证系统工作于恒温状态。
[0014]进一步的，根据上述基于石墨烯微球腔的多参量气体传感系统的多参量气体传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0015]步骤1、将干燥氮气通入真空腔内使腔内气压为标准大气压，测量得到初始状态下多阶布里渊信号的频谱图中拍频信号N为多阶布里渊信号的阶数；
[0016]步骤2、对待测多参量混合气体进行灵敏度系数矩阵标定；
[0017]针对第n种气体，在气体传感浓度范围内等间距设置M
n
个标定浓度，将每一个标定浓度的气体样本通入真空腔内进行测量，得到相应的拍频信号的气体样本通入真空腔内进行测量，得到相应的拍频信号
[0018]进而计算得到相应的频率漂移量
[0019]将分别与进行线性拟合，依次得到拟合系数将拟合系数作为灵敏度系数；
[0020]对所有气体分别进行灵敏度系数标定后，得到灵敏度系数矩阵S：
[0021][0022]步骤3、将待测多参量混合气体通入真空腔内，测量得到相应的拍频信号进而计算得到频率漂移量
[0023]将频率漂移量带入下式：
[0024][0025]则计算得到待测多参量混合气体中第1～N种气体的浓度依次为
[0026]进一步的，N的取值范围为1～6。
[0027]基于上述技术方案，本专利技术的有益效果在于：
[0028]一种基于石墨烯微球腔的多参量气体传感系统，采用石墨烯微球腔与微纳光纤构成传感器，基于光学布里渊效应，石墨烯微球腔的多模特性激发多阶布里渊信号；通过传感器中特定的结构参数设计(微球腔的直径为600～800微米，单层石墨烯贴附于微球腔的上半球表面、与赤道面的垂直距离为150～250微米，单层石墨烯的面积大于2
×
103平方微米，微纳光纤与石墨烯微球腔的距离小于0.5纳米)，使得石墨烯仅与产生多阶布里渊信号相关的高阶光学模式重合，当气体分子吸附于石墨烯上时，石墨烯的折射率发生改变，仅会造成布里渊信号频率的漂移；而不同类型的气体造成的布里渊信号频率的漂移量不同，基于频率漂移量的差异，最终通过多参量交叉求解实现高灵敏度的多参量气体传感功能。
[0029]并且，本专利技术中气体类型的数量与石墨烯微球腔产生多阶布里渊信号的阶数相同，通过调节输入泵浦光信号的频率，能够调节多阶布里渊信号的阶数，进而适配混合气体中待检测气体的类型数量。
[0030]同时，偶数阶与奇数阶的布里渊信号分别从微纳光纤的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯微球腔的多参量气体传感系统，包括：真空腔(1)、石墨烯微球腔(2)、微纳光纤(3)、夹具(4)、可调谐窄线宽激光器(5)、偏振控制器(6)、单模环形器(7)、2
×
2单模耦合器(8)、光电探测器(9)、频谱分析仪(10)及光谱分析仪(11)；其特征在于，所述石墨烯微球腔(2)、微纳光纤(3)与夹具(4)均置于真空腔内，石墨烯微球腔放置于夹具(4)上；所述可调谐窄线宽激光器(5)发出泵浦光信号，光信号经过偏振控制器(6)后由单模环形器(7)的第一端口传输至第二端口并进入微纳光纤(3)，经微纳光纤(3)传输的光信号耦合进入石墨烯微球腔(2)，石墨烯微球腔(2)会产生多阶布里渊信号，偶数阶布里渊信号随正向光信号输出至2
×
2单模耦合器(8)，奇数阶布里渊信号随反向光信号由单模环形器(7)的第二端口传输至第三端口并输出至2
×
2单模耦合器(8)，2
×
2单模耦合器(8)将正向光信号与反向光信号耦合输出至光电探测器(9)与光谱分析仪(11)，光电探测器(9)连接频谱分析仪(10)。2.根据权利要求1所述基于石墨烯微球腔的多参量气体传感系统，其特征在于，所述石墨烯微球腔与微纳光纤构成基于石墨烯微球腔的气体传感器，所述石墨烯微球腔由微球腔(2
‑
1)与单层石墨烯(2
‑
2)构成，微球腔的直径为600～800微米，单层石墨烯贴附于微球腔的上半球表面、与赤道面的垂直距离为150～250微米，单层石墨烯的面积大于2
×
103平方微米，微纳光纤与石墨烯微球腔的距离小于0.5纳米。3.根据权利要求1所述基于石墨烯微球腔的多参量气体传感系统，其特征在于，所述可调谐窄线宽激光器发出光信号的频率位于石墨烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚佰承，李照宇，安宁，郭晏宏，饶云江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：