基于双面金属包覆波导的硫化氢气体检测方法和检测装置与流程

本发明涉及一种硫化氢检测方法和检测装置，特别是涉及一种基于双面金属包覆波导的硫化氢气体检测方法和检测装置。

背景技术：

硫化氢(h2s)是一种无色、剧毒、强酸性，且具有刺激性和窒息性的无色气体，是环境空气中的主要污染成分。它分布范围广，来源于天然气、煤、石油的燃烧和含硫化合物等。硫化氢对人与环境具有强烈的破坏性，即使是微量的气体对人体的危害也是非常严重的。其毒性是一氧化碳co的5-6倍，低浓度接触对呼吸道及眼产生局部刺激作用，高浓度时对全身作用较明显，表现为中枢神经系统症状和窒息。硫化氢还具有强烈的腐蚀性，对石油、化工行业的开采设备和运输管线容易造成破坏，引起严重的生产事故。随着我国对能源和自然资源需求的增加，硫化氢气体的污染日趋严重。因此，建立灵敏、准确而简便的硫化氢气体浓度测定方法具有重要意义。

现有的硫化氢测量方法主要有电化学传感器，包括标准碘量、快速测定管和醋酸铅试纸等方法。这些测量方法具有价格便宜易于使用的优点，但电解质容易与混在硫化氢气体里的其他气体杂质反应，输出交叉灵敏度使检测精度降低，同时其他气体杂质与电解质反应使传感器中毒，失去对硫化氢气体浓度的检测作用。另外还有利用硫化氢气体的吸收谱，采用调制激光束穿过检测管中的被测气体，通过分析激光强度的衰减而获得所测气体浓度的激光法。该技术具有现场测量、快速响应、可靠性高和维护量小等优点。但这种方法灵敏度十分有限，无法达到安全环境要求的最低指标(10ppm)。

技术实现要素：

针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于双面金属包覆波导的硫化氢气体检测方法，以达到实时检测且具有高灵敏度的目的。本发明还提供了一种基于双面金属包覆波导的硫化氢气体检测装置。

本发明技术方案如下：一种基于双面金属包覆波导的硫化氢气体检测方法，包括步骤：将已知浓度的标准硫化氢气体输入至棱镜耦合双面金属包覆波导的样品室，激光器发射波长为1575nm的平行光以一定角度入射于棱镜耦合双面金属包覆波导的表面，确保反射光中包含一个导模的衰减全反射吸收峰，由ccd探测元件接收所述衰减全反射吸收峰，并测定衰减全反射吸收峰颜色最深处的灰度，获得灰度与标准硫化氢气体浓度对应标尺；将待测硫化氢气体输入至棱镜耦合双面金属包覆波导的样品室，激光器发射波长为1575nm的平行光以一定角度入射于棱镜耦合双面金属包覆波导的表面，确保反射光中包含一个导模的衰减全反射吸收峰，由ccd探测元件接收所述待测硫化氢气体的衰减全反射吸收峰，测定待测硫化氢气体的衰减全反射吸收峰颜色最深处的灰度，根据灰度与标准硫化氢气体浓度对应标尺获得待测硫化氢气体的浓度。

进一步的，所述测定衰减全反射吸收峰颜色最深处的灰度，获得灰度与标准硫化氢气体浓度对应标尺时，先根据灰度计算标准硫化氢气体的消光系数，然后获得消光系数与标准硫化氢气体浓度对应标尺；所述测定待测硫化氢气体的衰减全反射吸收峰颜色最深处的灰度，根据灰度与标准硫化氢气体浓度对应标尺获得待测硫化氢气体的浓度时，先根据灰度计算待测硫化氢气体的消光系数，然后根据标准硫化氢气体消光系数与标准硫化氢气体浓度对应标尺获得待测硫化氢气体的浓度。

进一步的，所述标准硫化氢气体和待测硫化氢气体通过蠕动泵泵入样品室。

一种基于双面金属包覆波导的硫化氢气体检测装置，包括棱镜耦合双面金属包覆波导，发射波长为1575nm的激光器，用于接收反射光的ccd探测元件以及用于计算待测硫化氢气体浓度的计算模块，所述棱镜耦合双面金属包覆波导包括依次叠置的玻璃衬底、玻璃垫圈和柱面棱镜，所述玻璃衬底与柱面棱镜之间构成样品室，所述玻璃衬底开设与所述样品室连通的进样通道和出样通道，所述玻璃衬底的上表面沉积下层金属膜，所述柱面棱镜的下表面沉积上层金属膜；所述激光器以一定入射角入射所述柱面棱镜的下表面、上层金属膜的上表面使反射光包含一个导模的衰减全反射吸收峰。

进一步的，包括蠕动泵，所述蠕动泵通过软管与进样通道以及出样通道连接。

优选的，所述上层金属膜的材料为金，厚度为25nm。

优选的，所述下层金属膜的材料为金，厚度为200nm。

优选的，所述玻璃衬底材料为光学玻璃，厚度为1000μm。

优选的，所述玻璃垫圈材料为光学玻璃，厚度为1000μm。

本发明所提供的技术方案的优点在于：(1)用棱镜耦合双面金属包覆波导作为样品室和共振腔，具有高功率密度和高品质因子(q值)；(2)采用波长为硫化氢气体强吸收峰处1575nm的激光光源，激发含有硫化氢气体的波导的超高阶导模，具有高灵敏度；(3)仪器结构简单，无移动部件小型、便携、价格低廉、便与推广。

附图说明

图1为基于双面金属包覆波导的硫化氢气体检测装置结构示意图。

图2为痕量硫化氢浓度ccd检测示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

请结合图1所示，本实施例所采用的基于双面金属包覆波导的硫化氢气体检测装置包括棱镜耦合双面金属包覆波导，发射波长为1575nm、发散角小于0.3mrad的激光器9，用于接收反射光的ccd探测元件10、用于接收ccd探测元件10的数据计算待测硫化氢气体浓度的计算模块以及用于将气体样品泵入样品室或从样品室排出的蠕动泵(蠕动泵和计算模块在图上未示出)。

棱镜耦合双面金属包覆波导的结构是这样的，其由柱面棱镜1、上层金属膜2、玻璃垫圈3、下层金属膜4、玻璃衬底5、进样通道6和出样通道7等部件组成。其中玻璃衬底5、玻璃垫圈3和柱面棱镜1依次叠置，在玻璃衬底5的上表面和柱面棱镜1的下表面之间构成了样品室8。上层金属膜2沉积在柱面棱镜1的下表面，下层金属膜4沉积在玻璃衬底5的上表面。为保证样品室8的平行度，首先，玻璃垫圈3要求有较高的平行度；其次，柱面棱镜1、玻璃垫圈3和玻璃衬底5必须用光胶技术组装在一起。玻璃垫圈3的厚度即为样品室8的厚度。玻璃衬底5以及玻璃垫圈3的材料为光学玻璃，厚度均为1000μm。上层金属膜2的材料为金，厚度为25nm。下层金属膜4的材料为金，厚度为200nm。玻璃衬底5上开两个通孔，分别构成样品室8的进样通道6和出样通道7，蠕动泵通过软管与进样通道6以及出样通道7连通。待测样品通过进样通道6进入样品池，而废弃样品通过出样通道7排出。

激光器9以及ccd探测元件10的的布置位置是这样确定的：要求激光器9发射的平行光以一定角度入射于棱镜耦合双面金属包覆波导的表面，形成反射，在入射角附近能确保激发一个超高阶导模，即反射光中包含一个导模的衰减全反射吸收峰，该反射光由ccd探测元件10接收。

气体痕量硫化氢浓度的检测过程是这样的，将已知浓度的标准硫化氢气体输入至棱镜耦合双面金属包覆波导的样品室8，激光器9发射波长为1575nm的平行光以一定角度入射于棱镜耦合双面金属包覆波导的表面，确保反射光中包含一个导模的衰减全反射吸收峰，由ccd探测元件10接收衰减全反射吸收峰，并测定衰减全反射吸收峰颜色最深处的灰度，获得灰度与标准硫化氢气体浓度对应标尺。

将待测硫化氢气体输入至棱镜耦合双面金属包覆波导的样品室，激光器发射波长为1575nm的平行光以一定角度入射于棱镜耦合双面金属包覆波导的表面，确保反射光中包含一个导模的衰减全反射吸收峰，由ccd探测元件接收待测硫化氢气体的衰减全反射吸收峰，测定待测硫化氢气体的衰减全反射吸收峰颜色最深处的灰度，根据灰度与标准硫化氢气体浓度对应标尺获得待测硫化氢气体的浓度。

假设入射激光的波长为1575nm，柱面棱镜1的折射率n1＝1.75，上层金属膜2的介电系数ε2＝-99.7+i11.8，厚度h2＝25nm，玻璃垫圈3和样品室8的厚度h3＝1000μm，下层金属膜4的介电系数ε4＝ε2＝-99.7+i11.8，厚度h4＝200nm。初始样品的折射率n3＝1.0，在不含硫化氢情况下，样品折射率的虚部为0，是无色透明的气体。若激光在棱镜耦合双面金属包覆波导表面的中心入射角定为θin＝5.1744°，则由软件计算可得如图2所示的衰减全反射(atr)曲线，atr峰底的初始反射率rmin＝0.0261，则在反射光中显现一灰度最大的黑线。atr吸收峰的极小值rmin由下式给出：

其中，im(β⁰)表示本征损耗，本征损耗与样品的消光系数κ密切相关，im(δβ^l)表示辐射损耗。β⁰＝k0n1sinθ为导模传播常数，而k0＝2π/λ为空气中的传播常数，n1为柱面棱镜的折射率，θ为入射角。当本征损耗等于辐射损耗im(β⁰)＝im(δβ^l)时，有rmin＝0。但这要求上层金属膜的厚度达到一确定值，实验上难以完成。实际的初始条件是让辐射损耗稍小于本征损耗，这时有rmin>0，这时，样品为硫化氢气体浓度为0时的大气。随着大气中硫化氢的浓度的增加，本征损耗im(β⁰)也随着增加，而辐射损耗基本保持不变，从而使本征损耗和辐射损耗的差加大，由公式(1)可知，rmin也随着变大。本征损耗由两部份组成，第一部分由金属介电系数的虚部引起，这部分损耗与样品浓度变化无关；而第二部分纯粹来自于样品的消光系数，本征损耗与样品的消光系数成正比关系。随着硫化氢浓度的增大，样品折射率的虚部(消光系数κ)由0逐渐变大，ccd探测元件10探测到的黑线的灰度也由大变小(rmin由小变大)。若以1％的反射率变化作为ccd探测元件10的分辨率，则由图可知，消光系数变化的极限分辨率小于δκ＝2.5×10^-7，对应的硫化氢浓度的分辨率为0.2ppm。

由于本征损耗与样品的消光系数成正比关系，因此由衰减全反射吸收峰颜色最深处的灰度，获得灰度与标准硫化氢气体浓度对应标尺。也可进一步由标准硫化氢气体灰度计算标准硫化氢气体的消光系数，然后获得消光系数与标准硫化氢气体浓度对应标尺，进而再根据待测硫化氢气体灰度计算待测硫化氢气体的消光系数，依照上述标尺测得待测硫化氢气体浓度。