基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构，包括V型梁、半导体激光器和第一全反射镜以及第二全反射镜和光电二极管；第一全反射镜和半导体激光器之间设置分光板，第一全反射镜安装在V型梁的中部；V型梁包括第一变形层、第二变形层、加热层和设置在加热层上且用于与甲烷气体发生无焰燃烧的催化剂层；第一全反射镜与分光板之间设置有第一传输光纤，第二全反射镜与分光板之间设置有第二传输光纤，半导体激光器与分光板之间设置有第三传输光纤，分光板与光电二极管之间设置有第四传输光纤。该甲烷浓度传感结构的结构简单、能够将甲烷浓度转换为光干涉后明暗条纹的变换次数，为间接测量甲烷浓度提供了基础。
【专利说明】基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种甲烷浓度传感结构，特别是涉及一种基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构。
【背景技术】
[0002]目前对煤矿安全生产最严重的灾害之一就是由瓦斯爆炸引起的人员和生产事故。瓦斯的主要成分是甲烷(CH4)，目前井下主要采用监测甲烷气体浓度的方法作为瓦斯含量的主要参考指标。按照煤矿安全工作要求，对矿井瓦斯含量必须进行连续准确及时地监测，它也成为指导煤矿安全生产的重要指标和保证措施之一。检测瓦斯含量的方法很多，如热导法、光干涉法、红外光谱吸收法、超声波测量法、气敏半导体法以及瓦斯催化剂元件法等，但都存在检测仪器体积大，精度低，连续工作时间短，检测结果易受环境影响。
[0003]催化燃烧型瓦斯检测仪是当前煤矿中使用最广泛、最普遍的瓦斯检测仪器，是煤矿动态监视矿井瓦斯浓度的有效工具。由于其技术的不断发展与完善，这类仪器近年来发展迅猛，种类繁多，无论从报警矿灯、便携式瓦斯报警仪还是到安全监控系统中的低瓦斯传感器，都占据了煤矿瓦斯检测仪器的主导地位，对煤矿安全生产起到了至关重要的作用。但是由于目前市场上便携式瓦斯报警仪在检测原理以及软件算法上还存在着一定的设计缺陷，使得瓦检仪的测量误差较大以及定期校准时间。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构。该甲烷浓度传感结构的结构简单、能够将甲烷浓度转换为光干涉后明暗条纹的变换次数，为间接测量甲烷浓度提供了基础，且其灵敏度高，结构简单，便于推广应用。
[0005]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是:基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构，其特征在于:包括V型梁、相对设置的半导体激光器和第一全反射镜以及相对设置的第二全反射镜和光电二极管；所述第二全反射镜位于所述半导体激光器和第一全反射镜连线的一侧，所述光电二极管位于所述半导体激光器和第一全反射镜连线的另一侧，所述第一全反射镜和半导体激光器之间设置有分光板，且所述分光板位于第二全反射镜和光电二极管之间，所述第一全反射镜安装在所述V型梁的中部；所述V型梁包括第一变形层、设置在第一变形层上且与第一变形层热膨胀系数不同的第二变形层、设置在第二变形层上的加热层和设置在加热层上且用于与甲烷气体发生无焰燃烧的催化剂层；所述第一全反射镜与分光板之间设置有第一传输光纤，所述第二全反射镜与分光板之间设置有第二传输光纤，所述半导体激光器与分光板之间设置有第三传输光纤，所述分光板与光电二极管之间设置有第四传输光纤。
[0006]上述的基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构，其特征在于:包括基板，所述半导体激光器、第一全反射镜、第二全反射镜、光电二极管、V型梁、第一传输光纤、第二传输光纤、第三传输光纤和第四传输光纤均设置在基板上。
[0007]上述的基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构，其特征在于:所述基板上设置有第一固定柱和第二固定柱，所述V型梁的一端与第一固定柱相铆接，所述V型梁的另一端与第二固定柱相铆接。
[0008]上述的基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构，其特征在于:所述基板由硅制成。
[0009]本实用新型与现有技术相比具有以下优点: [0010]1、本实用新型的结构简单，设计新颖合理。
[0011]2、本实用新型V型梁对温度极其敏感，而且移动距离大，因此避免了大面积使用催化剂，并且非常容易小型化，结构简单，可以通过增加V型梁数量进一步增加浓度检测量程和灵敏度。
[0012]3、本实用新型的实现成本低，使用效果好，便于推广使用。
[0013]综上所述，本实用新型结构简单，设计新颖合理，工作可靠性高，使用寿命长，使用效果好，便于推广使用。
[0014]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型的结构示意图。
[0016]图2为本实用新型V型梁的结构示意图。
[0017]附图标记说明:
[0018]I 一基板；2—第一全反射镜；3—第一传输光纤；
[0019]4一第二全反射镜；5—第二传输光纤；6—第三传输光纤；
[0020]7—半导体激光器；8—第四传输光纤；9 一光电二极管；
[0021]10—分光板； 11 一第一固定柱；12—V型梁；
[0022]12-1—第一变形层；12-2—第二变形层；12-3—加热层；
[0023]12-4一催化剂层；13—第二固定柱。
【具体实施方式】
[0024]如图1和图2所示的一种基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构，包括V型梁12、相对设置的半导体激光器7和第一全反射镜2以及相对设置的第二全反射镜4和光电二极管9 ;所述第二全反射镜4位于所述半导体激光器7和第一全反射镜2连线的一侧，所述光电二极管9位于所述半导体激光器7和第一全反射镜2连线的另一侧，所述第一全反射镜2和半导体激光器7之间设置有分光板10,且所述分光板10位于第二全反射镜4和光电二极管9之间，所述第一全反射镜2安装在所述V型梁12的中部；所述V型梁12包括第一变形层12-1、设置在第一变形层12-1上且与第一变形层12-1热膨胀系数不同的第二变形层12-2、设置在第二变形层12-2上的加热层12-3和设置在加热层12_3上且用于与甲烷气体发生无焰燃烧的催化剂层12-4 ;所述第一全反射镜2与分光板10之间设置有第一传输光纤3，所述第二全反射镜4与分光板10之间设置有第二传输光纤5，所述半导体激光器7与分光板10之间设置有第三传输光纤6,所述分光板10与光电二极管9之间设置有第四传输光纤8。[0025]本实施例中，所述催化剂层12-4由氧化钯或其合成物制成，所述第一变形层12-1和第二变形层12-2由热膨胀系数不同的两种金属制成，本实施例中，第一变形层12-1采用金制成，第二变形层12-2采用铝制成。
[0026]使用时，将该传感结构置于待传感区域，半导体激光器7发出的单色光经第三传输光纤6传输至分光板10,经分光后形成两列光,第一列光经分光板10反射后，并经第二传输光纤5传输至第二全反射镜4，经第二全反射镜4反射的反射光并经第二传输光纤5至分光板10,透射过反光板10后并由第四传输光纤8传输至光电二极管9 ;第二列光经分光板10的透射后并经第一传输光纤3传输至第一全反射镜2，接着，经第一全反射镜2反射后并经第一传输光纤3传输至分光板10，并在分光板10的反射作用下经第四传输光纤8传输至光电二极管9，上述两列光在光电二极管9上发生干涉现象。通过对加热层12-3内的电阻丝通电进行加热，当加热层12-3的温度升至500°C左右时，并当甲烷与催化剂层12-4接触时，如果甲烷浓度不为零，将在催化剂层12-4表面进行无焰燃烧，无焰燃烧放出热量使第一变形层12-1和第二变形层12-2的温度进一步升高，第一变形层12-1和第二变形层12-2发生弯曲变形，于是，所述V型梁12带动第一全反射镜2向靠近半导体激光器7的方向移动，根据光电二极管9检测的明暗条纹变化次数，可计算出第一全反射镜2的移动距离，该移动距离与温度改变成线性关系，可间接反应发生无焰燃烧时参与反映的甲烷浓度即间接测量甲烷浓度。
[0027]本实施例中，第一全反射镜2的移动距离和甲烷浓度通过以下方法建立关系:
[0028]首先，假设V型梁12的长度为L，夹角Θ为120度，第一变形层12_1和第二变形层12-2的线膨胀系数分别为a i和α 2，那么受热后梁膨胀伸长的长度为:
[0029]AL = (α「α 2) AT (I)
[0030]每I %浓度的甲烷气体发生无焰燃烧时使温度升高15°C，假设甲烷浓度为Μ，那么公式⑴就为:
[0031]AL=15(a「a2)M (2)
[0032]假设V型梁12中部的位移为Λ y，根据勾股定理，那么V型梁12中部位移为:[0033]
【权利要求】
1.基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构，其特征在于:包括V型梁(12)、相对设置的半导体激光器(7)和第一全反射镜(2)以及相对设置的第二全反射镜(4)和光电二极管(9)；所述第二全反射镜(4)位于所述半导体激光器(7)和第一全反射镜(2)连线的一侧，所述光电二极管(9)位于所述半导体激光器(7)和第一全反射镜(2)连线的另一侧，所述第一全反射镜(2)和半导体激光器(7)之间设置有分光板(10)，且所述分光板(10)位于第二全反射镜⑷和光电二极管(9)之间，所述第一全反射镜(2)安装在所述V型梁(12)的中部；所述V型梁(12)包括第一变形层(12-1)、设置在第一变形层(12-1)上且与第一变形层(12-1)热膨胀系数不同的第二变形层(12-2)、设置在第二变形层(12-2)上的加热层(12-3)和设置在加热层(12-3)上且用于与甲烷气体发生无焰燃烧的催化剂层(12-4);所述第一全反射镜(2)与分光板(10)之间设置有第一传输光纤(3)，所述第二全反射镜(4)与分光板(10)之间设置有第二传输光纤(5),所述半导体激光器(7)与分光板(10)之间设置有第三传输光纤(6),所述分光板(10)与光电二极管(9)之间设置有第四传输光纤(8)。
2.根据权利要求1所述的基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构，其特征在于:包括基板(I)，所述半导体激光器(7)、第一全反射镜(2)、第二全反射镜(4)、光电二极管(9)、V型梁(12)、第一传输光纤(3)、第二传输光纤(5)、第三传输光纤(6)和第四传输光纤(8)均设置在基板⑴上。
3.根据权利要求2所述的基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构，其特征在于:所述基板(I)上设置有第一固定柱(11)和第二固定柱(13)，所述V型梁(12)的一端与第一固定柱(11)相铆接，所述V型梁(12)的另一端与第二固定柱(13)相铆接。
4.根据权利要求2所述的基于光学干涉法的甲烷浓度传感结构，其特征在于:所述基板⑴由娃制成。
【文档编号】G01N21/45GK203786036SQ201420204258
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】张渤, 王守华 申请人:西安科技大学