1、激光激發新型聲表面波氣體傳感器 Gas sensor based on detecting the SAW generated by laser論文結構摘要摘要引言引言 結果與分析結果與分析討論討論 原理摘要 提出了一種利用激光激發聲表面波，通過氣體吸附性薄膜對被測氣體進行檢測的傳感原理。激光在覆有選擇性氣體吸附膜的鋁塊表面激發出聲表面波，后者沿鋁塊表面傳播。在吸附性薄膜與被測氣體發生反應后，聲表面波的強度被改變；然后利用PMT(光電倍增管)，通過單芯光纖耦合的反射式光束偏轉法探測由半導體激光器發出的探測光束，所檢測的光強的變化反映了被檢測氣體的濃度，從而實現被測氣體的濃度測量。引言引言 隨著

2、工業化的進程和人們生活水平的提高，空氣質量成為人們日益關注的問題，氣體傳感器也因此成為倍受人們關注的研究課題。在眾多的氣體傳感器中，SAW氣體傳感器的開發和應用受到了廣泛的關注并獲得了長足的進步。 傳統的SAW氣體傳感器大多采用金屬叉指換能器(IDT)制成的，但傳統的聲電換能器由于固有的缺點，如頻響低，接觸式等，越來越多的被這二十年來發展起來的光學方法來代替，光學方法可以分為干涉法和非干涉法。并且有一個趨勢，即光纖化，光纖傳感器由于固有的諸多優點，例如小巧靈活，抗干擾強，易于微型化和集成化，已越來越多的被用在超聲檢測中，替代己有的復雜光路檢測手段。由于光學技術的不斷提高，這方面的研究也在飛速發

3、展。為實驗研究提供了更好的手段和工具。 激光超聲檢測技術以其非接觸和適合運動檢測等顯著優點，已成為無損檢測領域中的一種重要技術和手段。在此結合傳統SAW氣體傳感器的吸附性薄膜與氣體作用的原理與激光超聲檢測技術，我們提出一種新的氣體傳感器原理。采用激光在覆有吸附性薄膜的金屬表面激發聲表面波，用單芯光纖耦合的反射式光束偏轉法在薄膜處對所激發聲表面波進行探測，進而準確檢測出氣體的濃度。此氣體傳感器的優點在于采用光學方法來檢測由激光激發的聲脈沖，不僅非接觸，而且也為氣體監測提供了一種新的途徑。激光激發聲表面波新型氣體傳感器原理 檢測裝置原理圖如圖1。 瑞利波是由Nd:YAG激光器來激發,波長1.06m

4、,脈寬30ns,單脈沖的能量可以達到70mJ,激光脈沖通過濾光片濾波后,被一個聚焦透鏡(焦距40mm)聚焦在靶材上,當靶材受到脈沖激光的作用時,由于熱彈以及融蝕等多種效應,會在材料中激發出各種波型,如體波(縱波,橫波),瑞利波,薄板材料中的Lamb波,以及多層材料的Love波等.本實驗通過柱狀透鏡聚焦成一線光源,所激發的是瑞利波,瑞利波（Raleigh wave）是一種常見的界面彈性波,是沿半無限彈性介質自由表面傳播的偏振波.由英國學者瑞利于1887年首先指出其存在而得名.它在固體的表面產生并沿著表面傳播,其振幅隨離表面深度而迅速衰減.瑞利波在垂直于線光源方向傳播占絕對優勢. 探測光束由半導體

5、激光器(波長為0.651m，功率為5mW)發出，通過光電倍增管(PMT)接收激光反射光實現。探測光束由聚焦透鏡聚焦到靶材表面，反射光再由一個顯微透鏡聚焦。 從光纖輸出的光通過光電倍增管轉化為電信號,信號經放大濾波后,由AD采樣并通過串口存儲到PC機進行處理。當瑞利波脈沖在靶材表面傳播時，會產生微小的表面形變，如圖2所示，近似認為光束發生鏡面反射。 設表面形變的傾斜角為,那么，光束反射時偏移原路徑的角度即為2相應的，反射光束經顯微透鏡聚焦后形成光斑偏移的距離可以表示為: 探測光束的聚焦光斑的半徑為: 式中r1是檢測光束的半徑；f1，f2分別是透鏡Ll、L2的焦距(rl=2mm，f1=40mm，f

6、2=4mm)；單的光纖的半徑為r(5m)，且有Rr。22 f211( /)Rfrf探測激光光束的光強服從Gaussian分布：式中是光束光強的最大值，A為常數。2202exp()IIA如圖3,光纖耦合的光通量為:222222()02()exp()a rraa rraId dA 式中a為聚焦光斑的中心到光纖中心的距離。 光纖的耦合通量隨靶材表面形變而發生改變，因為Rr，則近似有：式中和之間的相應關系可看作服從高斯函數，如圖4。22200022(2)()expexpafaIsAA 為了有最佳的近似線性效果，首先調節光纖使耦合光通量初值為最大值的一半，如圖4，把工作點取在曲線上的A點。 由于工作區在

7、點A附近很小的區域，可取A點的導數作為線性系數。 于是，方程可以簡化為： 通過對光通量變化的測量，很容易的確定傾斜角0。而光通量的變化轉化為交流電信號： 式中是轉化因子(單位v/w)。020.833(2)afA 021.666fUA 在本SAW氣體傳感器中，除了利用單芯光纖探測光束的偏轉來反映聲表面波信息外，關鍵的部分在于在靶材的中間位置覆了一層很薄的氣體選擇性吸附膜，該膜只對所需敏感的氣體有吸附作用。本SAW氣體傳感器輸出的可靠性在很大程度上取決于敏感膜的穩定性。 具有可逆性和高穩定性也是對敏感膜的基本要求。可逆性指的是敏感膜對氣體既有吸附作用，又有解吸作用，當待測的氣體濃度升高時，薄膜所吸

8、收的氣體量隨之增加；當濃度降低時，薄膜還應該能夠解吸待測氣體。吸附過程和解吸過程是嚴格互逆的。這也是此氣體傳感器正常可靠工作的前提。它的敏感機理隨氣敏薄膜的種類不同而不同，當薄膜用各向同性絕緣材料時，它對氣體的吸附作用轉變為覆蓋層密度的變化，于是SAW傳播路徑上的質量負載效應使得SAW波速發生變化。從而引起材料表面傾角的變化，變化幅度記為。氣體吸附膜引發傾角變化如圖5。則表面傾角變為：傾角改變，光通量也會產生相應的變化，從而得到新的交流電信號為：則，通過檢測可得：從而可以反映出的大小，進而定量分析檢測出被檢測氣體的濃度。021.666fUA 021.666fUUUA結果與分析結果與分析 由于鋁

9、是各向同性的金屬材料 ,對脈沖激光容易吸收 ,光聲轉換效率較高, 因此本實驗裝置實驗中選擇它為實驗樣品。 使用了拋光鋁材作為靶材，采用聚苯胺(PAn)薄膜(敏感S02氣體)作為吸附膜，當被測環境中SO2氣體濃度升高時，PAn薄膜所吸收的氣體量也隨之增加，從而使傾角變小，輸出交流電壓幅度降低；當被測環境中SO2氣體濃度降低時，薄膜所吸收的氣體量也隨之減少，傾角增大，輸出交流電壓幅度增大。整個裝置置于密封氣室中進行實驗。 聚苯胺氣敏薄膜的制備方法： 分別將本征態、摻雜態聚苯胺粉末按氣敏膜面積稱取，溶解在N-二甲基酰胺溶劑中，球磨后，使其充分溶解、分散，然后將溶液小心旋涂于鋁塊表面，溶劑揮發后即形成氣敏膜。2.12.1聚苯胺氣敏薄膜的制備方法聚苯胺氣敏薄膜的制備方法2.22.2測試結果測試結果 圖6至8為探測距離d=8mm(激發源中心到信號光束反射點之間的距離)測得的波形。圖6中，波形圖1為氣室中無SO2氣體時(氣壓1Pa)測得的交流電壓輸出波形；圖7中，波形圖2為在氣室中充入少量SO2氣體后(氣壓1Pa)的輸出波形；圖8中，波形圖3為增加氣室中SO2氣體的濃度后(氣壓1Pa)的輸出波形。從輸出