一种基于光学材料的甲烷气体传感器及监测系统

1.本发明涉及微纳光学技术领域，具体涉及一种基于光学材料的甲烷气体传感器及监测系统。


背景技术：

2.纳光学技术是当前光学学科发展最活跃的前沿之一，结合了光子学与纳米技术的前沿成果，主要优点是能在局域电磁相互作用的基础上实现许多全新的功能。
3.近年来，随着微纳光学技术的发展，光学超材料在传感监测领域的应用得到了广泛的关注。光学超材料能够对局部电磁场经行增强，形成特点的谐振响应；并且这些谐振响应对周围介质环境折射率的变化十分敏感，而气体分子能引起气敏材料折射率的变化，故通过监测光学超材料谐振响应的变化，便可反演出被检查气体的浓度。
4.对比目前所知的能够监测甲烷的技术，比如气相色谱仪，电化学传感器，气体光声光谱技术，光谱吸收式光纤气体传感器等。由于煤矿环境复杂，现有监测技术存在灵敏度低、精度差、使用寿命短等问题，难以实现对ch4气体浓度的精准监测。因此，研究更加灵敏、检测精度更高的ch4气体浓度监测设备是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.基于此，本发明提供了一种基于光学材料的甲烷气体传感器及监测系统，以解决现有监测技术存在灵敏度低、精度差、使用寿命短等问题，难以实现对ch4气体浓度的精准监测的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于光学材料的甲烷气体传感器，其包括自下至上呈层叠结构依次设置的衬底、纳米介质柱层和气敏层，所述纳米介质柱层由若干呈阵列分布的纳米介质柱组成，每个所述纳米介质柱的上下两端分别与所述气敏层和所述衬底连接，所述气敏层为对甲烷气体敏感的材质，所述纳米介质柱为在1530-1565nm红外波段具有介电常数大于10的材质，所述衬底为在1530-1565红外波段且无吸收损耗的材质。
7.作为本发明的进一步优选技术方案，若干所述纳米介质柱呈周期性阵列分布。
8.作为本发明的进一步优选技术方案，所述纳米介质柱呈长方体结构，若干所述纳米介质柱在x-y水平面呈阵列分布以形成纳米介质柱层，且每个所述纳米介质柱在x方向宽度为 10～300nm，y方向长度为100～700nm，以及垂直于x-y水平面的高度为00～300nm，所述气敏层的厚度为100～1000nm，所述衬底的厚度为10～500um。
9.作为本发明的进一步优选技术方案，所述纳米介质柱与所述衬底为一体式结构，所述纳米介质柱在所述衬底的表面通过外延生长或离子束沉积形成。
10.作为本发明的进一步优选技术方案，所述气敏层对光线的折射率随甲烷气体的浓度变化而变化，满足以下公式：
11.n
eff
＝1.4478-0.0038c
12.其中，n
eff
为气敏层的折射率，c为甲烷气体的浓度。
13.作为本发明的进一步优选技术方案，所述衬底的材料为石英、三氧化二铝、玻璃中的一种；所述纳米介质柱的纳米级材料为硅、二氧化钛、氧化锰、氧化锆中的一种；所述气敏层的材料为穴番-a、穴番-e、二氧化钛、二氧化锡中的一种。
14.根据本发明的另一方案，本发明还提供了一种采用上述任一项所述的基于光学材料的甲烷气体传感器的监测系统，所述监测系统包括气体池、宽普光源、光谱仪、耦合器和光纤，所述宽普光源和所述耦合器分设于所述气体池外部的两侧，所述气体池上开设有与所述宽普光源相对应的入光孔，以及开设有与所述耦合器相对应的出光孔，所述入光孔与所述宽普光源之间以及所述出光孔与所述耦合器之间均设于会聚透镜，所述光纤的两端分别连接所述耦合器和所述光谱仪；
15.所述宽普光源发射的光线经对应侧的所述会聚透镜后再经所述入光孔射入到所述气体池的内腔中，射入到所述气体池的内腔中经过所述出光孔及对应侧的所述会聚透镜射入到耦合器上，所述甲烷气体传感器设置在所述气体池的内腔内且位于所述入光孔与所述出光孔之间的光路中，经该光路传输的光线在经过所述甲烷气体传感器时，甲烷气体传感器根据甲烷气体浓度改变光线的谐振波长。
16.作为本发明的进一步优选技术方案，所述入光孔和所述出光孔均嵌装有对气体池的内腔进行密封的且可透光的平凸透镜，所述气体池还设于出气口和进气口，待测的甲烷气体经所述进气口流入并经所述出气口流出。
17.作为本发明的进一步优选技术方案，所述宽普光源、光谱仪、耦合器、平凸透镜和会聚透镜分设于同一轴线上。
18.作为本发明的进一步优选技术方案，所述光谱仪还连接有数据处理器。
19.本发明的基于光学材料的甲烷气体传感器及监测系统，通过采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：
20.1)本发明利用气敏机理实现ch4气体浓度的监测，检测数据精准、稳定、可靠，解决了现有ch4气体浓度检测不足之处的缺陷；
21.2)本发明可应用于煤矿等行业中对ch4气体浓度的监测，甲烷气体传感器的气敏层与 ch4气体接触导致气敏层折射率变化，使得存在于气体池中的反应能够极大限度的避免煤矿中温度、湿度等环境因素对于检测的影响；
22.3)本发明采用的宽普光源为固定光源，不会因为外界光源或其他环境因素而影响检测效果，甲烷气体传感器是通过宽普光源的谐振波长及透射谷的偏移来进行检测，不会受外界仪器布设和环境因素的影响，即适用性强。
附图说明
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
24.图1为本发明基于光学材料的甲烷气体传感器提供的一实例的层叠结构示意图；
25.图2为本发明的纳米介质柱层在x-y水平面的俯视图；
26.图3为本发明的监测系统的系统组成结构图；
27.图4为本发明的监测系统的数据及曲线图。
28.图中：1、衬底，2、纳米介质柱层，3、气敏层，4、纳米介质柱，100、甲烷气体传感器，101、宽普光源，102、会聚透镜，103、进气口，104、出气口，105、平凸透镜，106、气体池，107、
耦合器，108、光纤，109、光谱仪，110、数据处理器。
29.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
30.下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
31.如图1和2所示，本发明提供了一种基于光学材料的甲烷气体传感器，包括自下至上呈层叠结构依次设置的衬底1、纳米介质柱层2和气敏层3，所述纳米介质柱层2由若干呈阵列分布的纳米介质柱4组成，每个所述纳米介质柱4的上下两端分别与所述气敏层3和所述衬底1连接，所述气敏层3为对甲烷气体敏感的材质，所述纳米介质柱4为在1530-1565 nm红外波段具有介电常数大于10的材质，所述衬底1为在1530-1565红外波段且无吸收损耗(这里指对吸收损耗可忽略不计)的材质，所述气敏层3对光线的折射率随甲烷气体的浓度变化而变化，满足以下公式：
32.n
eff
＝1.4478-0.0038c
33.其中，n
eff
为气敏层3的折射率，c为甲烷气体的浓度。
34.本发明的甲烷气体传感器的工作原理如下：
35.由于纳米介质柱层2的阵列分布结构，且为周期性结构，因此其可以在近红外波段激发一个q值高且对气敏层3的介电常数敏感的谐振信号，当纳米介质柱4周围环境中甲烷气体浓度改变时会导致气敏层3材料的折射率发生变化，即气敏层3的介电常数发生变化，该谐振信号的谐振波长随之发生变化，通过外部光学测量设备对谐振波长改变的谐振信号进行分析，即可实现对甲烷气体浓度的监测。
36.所述纳米介质柱4与所述衬底1为一体式结构，所述纳米介质柱4在所述衬底1的表面通过外延生长或离子束沉积形成。其中，外延生长得到一体式结构的纳米介质柱4与衬底1，以纳米介质柱4的材质为硅，衬底1的材质为石英为例，氢(h2)气携带四氯化硅(sicl4) 或三氯氢硅(sihcl3)、硅烷(sih4)或二氯氢硅(sih2cl2)等进入置有石英衬底1的反应室，在反应室进行高温化学反应，使含硅反应气体还原或热分解，所产生的硅原子在衬底1表面上外延生长，从而生成纳米介质柱4。离子束沉积得到一体式结构的纳米介质柱4与衬底1，属气相沉积方法，即用离子源将用作沉积的材料离子化，在电场作用下射向工件(衬底1)表面沉积成膜层，目的是改变工件表面性能。例如在作为衬底1的石英上(sio2)的表面沉积 si膜层得到纳米介质柱4，从而达到纳米介质柱4与衬底1呈一体式结构。
37.优选地，若干所述纳米介质柱4以60*60的矩阵阵列呈周期性分布，当然，在具体实施中，其还可以根据区域限制的不同，纳米介质柱尺寸及间距的不同，选择其它数量的矩阵阵列。
38.在一具体实施中，所述纳米介质柱4呈长方体结构，若干所述纳米介质柱4在x-y水平面呈阵列分布以形成纳米介质柱层2，且每个所述纳米介质柱4在x方向宽度为10～300nm， y方向长度为100～700nm，以及垂直于x-y水平面的高度为00～300nm，所述气敏层3的厚度为100～1000nm，所述衬底1的厚度为10～500um。
39.优选地，所述衬底1的材料为石英、三氧化二铝、玻璃中的一种；所述纳米介质柱4 的纳米级材料为硅、二氧化钛、氧化锰、氧化锆中的一种；所述气敏层3的材料为穴番-a (cryptophane-a)、穴番-e(cryptophane-e)、二氧化钛、二氧化锡中的一种。
40.本发明，可通过结合如cryptophane-a的气敏特性和如硅基光学超材料的谐振特性，可实现对ch4气体浓度的精准监测，可应用在煤矿生产环境中有效监测ch4气体浓度，实现对瓦斯气体泄漏事故的识别预警，对促进煤矿行业安全生产具有重大现实意义。
41.如图3所示，本发明还提供了一种采用上述任一实施例的甲烷气体传感器的监测系统，所述监测系统包括气体池106、宽普光源101、光谱仪109、耦合器107和光纤108，所述宽普光源101和所述耦合器107分设于所述气体池106外部的两侧，所述气体池106上开设有与所述宽普光源101相对应的入光孔，以及开设有与所述耦合器107相对应的出光孔，所述入光孔与所述宽普光源101之间以及所述出光孔与所述耦合器107之间均设于会聚透镜102，所述光纤108的两端分别连接所述耦合器107和所述光谱仪109，所述光谱仪109 还连接有数据处理器110，数据处理器110用于对光谱仪109的数据进行处理分析以得到甲烷气体传感器100实际监测到的甲烷气体浓度值；
42.所述宽普光源101、光谱仪109、耦合器107、平凸透镜105和会聚透镜102分设于同一轴线上，所述宽普光源101发射的光线经对应侧的所述会聚透镜102后再经所述入光孔射入到所述气体池106的内腔中，射入到所述气体池106的内腔中经过所述出光孔及对应侧的所述会聚透镜102射入到耦合器107上，耦合器107会将射入其上的光线经光线传输给光谱仪109，所述甲烷气体传感器100设置在所述气体池106的内腔内且位于所述入光孔与所述出光孔之间的光路中，经该光路传输的光线在经过所述甲烷气体传感器100时，甲烷气体传感器100根据甲烷气体浓度改变光线的谐振波长。
43.在一具体实施中，所述入光孔和所述出光孔均嵌装有对气体池106的内腔进行密封的且可透光的平凸透镜105，所述气体池106还设于出气口104和进气口103，待测的甲烷气体经所述进气口103流入并经所述出气口104流出。
44.在又一具体实施中，以卤钨灯光源作为宽普光源101，气敏层3的材料选为穴番-a (cryptophane-a)，纳米介质柱4的材料选为硅，衬底1的材料为石英，按图3所示系统图对气体池106内流动的甲烷气体浓度进行监测。参阅图4所示，当气敏层3与ch4接触，由于气敏层3 的折射率(n
eff
)与ch4气体浓度(c)的关系为：n
eff
＝1.4478-0.0038c，如图4中(d)所示。当气敏层3的折射率变化时，会引起宽普光源101的谐振波长变化，出现透射谷，如图4 中(a)所示，即可在光谱仪109上进行观察，当ch4浓度越高时，透射谷会向左进行偏移，如图4中(c)所示，即甲烷浓度变化会导致气敏层的折射率发生变化，从而使光学超材料的纳米介质柱层2的谐振信号的频谱位置发生变化，通过监测谐振信号频谱位置，可以反推出气体池106(环境)中甲烷气体浓度。
45.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。