气体传感器、气体传感器的制备方法和气体检测装置与流程

本发明涉及气体传感技术领域，具体是一种气体传感器、气体传感器的制备方法和气体检测装置。

背景技术：

能源是人类生存和发展的重要物质基础，关系着国计民生和国家安全。在能源的开采利用过程中，安全生产成为经济发展中的一项重要课题。近年来，国家对安全生产给予了极大的重视，安全生产事故总量呈下降趋势，但是重特大事故频发且危害严重。

在我国煤炭领域，瓦斯和自然发火是煤矿安全生产中的两种主要灾害。针对瓦斯灾害，瓦斯监测监控系统是监测预警的主要手段。当前煤矿瓦斯监测监控系统的主要问题在于所用的催化燃烧式传感器存在可靠性差、频繁校准、寿命短、量程小等问题。从而导致现有的传感器不能适应矿山安全的需求。煤矿自然发火的预测预警主要采取气体指标分析预报办法。传统自然发火所用的痕量气体检测设备主要是色谱分析系统，存在着设备复杂、操作复杂、分析速度慢、不能实现在线监测等问题，限制了其应用范围。随着技术进步，改进的束管系统采用红外分析仪来代替部分色谱分析仪，加快了检测速度，但存在的缺陷是测量气体种类少，无法实现存在较大交叉干扰的烯烃类痕量气体检测。因此现有检测技术的缺陷限制了火灾预测预报技术的发展。

在中远红外存在大量的分子指纹区，这其中就包括瓦斯气体中含量相当高的甲烷等气体的强吸收区域。例如，根据气体的中红外光透过谱图，3.3～3.6μm波长对应为甲烷气体在中红外的强吸收区域，其中在波长3.31μm处的吸收强度是1.33μm处的吸收强度的1300多倍，是1.66μm处的吸收强度的160多倍。目前光纤气体传感器主要是采用石英光纤针对气体物质在近红外区域(波长小于2μm)的光谱吸收进行设计的，其检测的波长范围有限，且极可能引入气体之间的交叉响应，因此限制了光纤气体传感器的应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种气体传感器、气体传感器的制备方法和气体检测装置，该气体传感器由硫系玻璃悬吊芯光纤制成，该硫系玻璃悬吊芯光纤的吊芯裸光纤由外管保护，可靠性好，且外管上开设的空气孔有利于待检测的气体快速穿过外管与外管内的裸光纤直接接触，保证高灵敏度，确保检测结果的准确度；该气体传感器的制备方法通过搭建空气孔加工平台实现空气孔的打孔操作，方便打孔，打孔时不需要对光纤进行其他额外的处理，可精确地控制空气孔的孔径、排数和间距；该气体检测装置结构简单、易于搭建，能够对包括瓦斯气体在内的多种气体进行定性、定量分析和检测，可广泛应用于煤矿瓦斯监测预警、煤矿自然发火监测预警、有毒有害气体或危险气体监测预警等领域。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：气体传感器，包括硫系玻璃悬吊芯光纤，所述的硫系玻璃悬吊芯光纤包括一体设置的外管、吊芯和多片隔离片，所述的吊芯悬设于所述的外管的内侧，所述的吊芯与所述的外管经所述的多片隔离片连接，所述的多片隔离片位于所述的外管的内侧并沿所述的外管的长度方向设置，所述的外管的管壁上开设有若干排空气孔，每排所述的空气孔由沿所述的外管的长度方向间隔设置的多个空气孔构成。

本发明气体传感器由硫系玻璃悬吊芯光纤制成，硫系玻璃悬吊芯光纤具有1～20μm的宽透过谱和超高的非线性，能够实现对瓦斯气体的高灵敏度检测。该硫系玻璃悬吊芯光纤的吊芯裸光纤由外管保护，可靠性好，且外管上开设的空气孔有利于待检测的气体快速穿过外管与外管内的裸光纤直接接触，保证高灵敏度，确保检测结果的准确度。

作为优选，所述的外管的管壁厚度为40～60μm，所述的空气孔的孔径为50～80μm，在所述的外管的长度方向相邻的两个所述的空气孔之间的间距为10～40μm。

作为优选，所述的外管的管壁上开设有四排空气孔，所述的四排空气孔沿所述的外管的周向等间隔设置。

上述气体传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用挤压法制备得到硫系玻璃悬吊芯光纤半成品，备用；

(2)测量计算出硫系玻璃悬吊芯光纤半成品的外管的管壁厚度；

(3)搭建一空气孔加工平台，该空气孔加工平台包括飞秒激光器、半波片、格兰棱镜、衰减片、电子快门、第一小孔光阑、功率计、第一分束镜、ccd、长筒目镜、双色镜、照明器、第二分束镜、第二小孔光阑、聚焦物镜、光纤夹具、三维移动平台、第一裸纤适配器、第二裸纤适配器、控制器和计算机，依次在光学平台上搭建所述的飞秒激光器、半波片、格兰棱镜、衰减片、电子快门、第一小孔光阑、第一分束镜、双色镜、第二分束镜、第二小孔光阑、聚焦物镜和三维移动平台，在所述的三维移动平台上安装所述的光纤夹具，将所述的电子快门与所述的计算机连接，并将所述的三维移动平台经所述的控制器与所述的计算机相连，同时将所述的功率计与所述的第一分束镜连接，将所述的双色镜与所述的长筒目镜和ccd依次连接，将所述的第二分束镜与所述的照明器连接；

(4)将步骤(1)中挤压得到的硫系玻璃悬吊芯光纤半成品固定在所述的光纤夹具上，然后将硫系玻璃悬吊芯光纤半成品两端分别与所述的第一裸纤适配器和第二裸纤适配器连接；调节三维移动平台，使硫系玻璃悬吊芯光纤半成品处于准直状态，然后调整三维移动平台的俯仰，使硫系玻璃悬吊芯光纤半成品处于一个平整面上，确保硫系玻璃悬吊芯光纤半成品能够清晰地显示在ccd的成像屏幕上；启动飞秒激光器，调节激光光路，飞秒激光器的中心光斑最终经聚焦物镜聚焦并垂直作用在硫系玻璃悬吊芯光纤半成品的侧壁上，同时上下移动三维移动平台，直至将硫系玻璃悬吊芯光纤半成品的侧壁打穿，得到一个空气孔，然后左右移动三维移动平台，沿硫系玻璃悬吊芯光纤半成品的侧壁的长度方向不断打孔，得到一排空气孔；之后将硫系玻璃悬吊芯光纤半成品旋转一定角度，重复执行上述打孔操作，得到另一排空气孔；重复旋转和打孔操作，直至得到硫系玻璃悬吊芯光纤成品。

本发明气体传感器的制备方法，其硫系玻璃悬吊芯光纤半成品所用硫系玻璃原料的选材采用现有技术，吊芯选用高纯硫系玻璃，如as2s3、as2se3、ge-as-se、ge-as-s等，外管的选材可以与吊芯相同或不同，但外管对纯度要求相对较低，可不预先进行提纯处理。该硫系玻璃悬吊芯光纤半成品通过现有挤压法制备，不会引入杂质和造成析晶现象，同时表面光洁度高，可有效降低传感器的散射损耗。该制备方法通过搭建空气孔加工平台实现在外管的管壁上的空气孔的打孔操作。该空气孔加工平台搭建方法简单，方便打孔，且打孔时不需要对光纤进行其他额外的处理，同时可精确地控制空气孔的孔径、排数和间距。

基于上述气体传感器的气体检测装置，包括ftir光谱仪、聚焦透镜、光纤夹具、硫系玻璃悬吊芯光纤、气体室、探测器、光放大器和计算机，所述的ftir光谱仪、聚焦透镜、硫系玻璃悬吊芯光纤、气体室、探测器和光放大器沿光路走向依次设置，所述的ftir光谱仪与所述的计算机相连，所述的光放大器的输出端与所述的ftir光谱仪相连，所述的硫系玻璃悬吊芯光纤固定在所述的光纤夹具上，所述的光纤夹具安装在三维调节架上，所述的气体室为中空结构，所述的气体室的两侧分别开设有光纤入口和光纤出口，所述的气体室的侧壁上开设有若干气体入口，所述的硫系玻璃悬吊芯光纤的输出端穿过所述的光纤入口并从所述的光纤出口穿出，所述的硫系玻璃悬吊芯光纤的输出端正对所述的聚焦透镜的输出端，所述的硫系玻璃悬吊芯光纤的输出端正对所述的探测器的输入端，所述的计算机上安装有labview软件，所述的labview软件用于记录待检测的气体的光透过谱并与预先建立的不同浓度气体标准透过谱比对得出待检测的气体种类和浓度。

本发明气体检测装置结构简单、易于搭建，其设计专门的气体室对硫系玻璃悬吊芯光纤进行有效保护，根据待检测的气体对应的强吸收区域对应的波长范围不同，可实现对气体的种类区分和浓度测量。该气体检测装置基于硫系玻璃悬吊芯光纤气体传感器搭建，检测光信号的灵敏度高，能够检测到微小的光谱变化，并能将光透过谱的变化以形象化的曲线图像表达出来。本发明气体检测装置能够对包括瓦斯气体在内的多种气体进行定性、定量分析和检测，可广泛应用于煤矿瓦斯监测预警、煤矿自然发火监测预警、有毒有害气体或危险气体监测预警等领域。

本发明气体检测装置工作时，硫系玻璃悬吊芯光纤直接暴露于检测环境中，环境气体进入气体室后，通过硫系玻璃悬吊芯光纤上的空气孔渗入硫系玻璃悬吊芯光纤内部，环境气体会对硫系玻璃悬吊芯光纤中传输的光产生特定波长的吸收，硫系玻璃悬吊芯光纤的输出端输出的光将会被探测器检测到，检测信号经过放大，回到ftir光谱仪，由计算机上的labview软件记录光透过谱，与预先建立的不同浓度气体标准透过谱比对得出待检测的气体种类和浓度。

作为优选，所述的气体室上连接有抽真空装置，所述的光纤入口处和所述的光纤出口处分别安装有橡胶密封圈，所述的硫系玻璃悬吊芯光纤穿设在两个所述的橡胶密封圈上，所述的若干气体入口处分别安装有橡胶密封塞。橡胶密封圈和橡胶密封塞可将气体室封闭，在检测环境下为浓度已知的标准气体气体营造封闭的气体环境，不易受到外界干扰，从而方便标准透过谱的建立。

作为优选，所述的探测器为美国thermoscientific公司制造的mct-a型hdcdte探测器。

作为优选，所述的labview软件为美国thermoscientific公司开发的omnic图像处理软件。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明气体传感器由硫系玻璃悬吊芯光纤制成，硫系玻璃悬吊芯光纤具有1～20μm的宽透过谱和超高的非线性，能够实现对瓦斯气体的高灵敏度检测。该硫系玻璃悬吊芯光纤的吊芯裸光纤由外管保护，可靠性好，且外管上开设的空气孔有利于待检测的气体快速穿过外管与外管内的裸光纤直接接触，保证高灵敏度，确保检测结果的准确度。

2、本发明气体传感器的制备方法通过搭建空气孔加工平台实现在外管的管壁上的空气孔的打孔操作。该空气孔加工平台搭建方法简单，方便打孔，且打孔时不需要对光纤进行其他额外的处理，同时可精确地控制空气孔的孔径、排数和间距。

3、本发明气体检测装置结构简单、易于搭建，其设计专门的气体室对硫系玻璃悬吊芯光纤进行有效保护，根据待检测的气体对应的强吸收区域对应的波长范围不同，可实现对气体的种类区分和浓度测量。该气体检测装置基于硫系玻璃悬吊芯光纤气体传感器搭建，检测光信号的灵敏度高，能够检测到微小的光谱变化，并能将光透过谱的变化以形象化的曲线图像表达出来。本发明气体检测装置能够对包括瓦斯气体在内的多种气体进行定性、定量分析和检测，可广泛应用于煤矿瓦斯监测预警、煤矿自然发火监测预警、有毒有害气体或危险气体监测预警等领域。

附图说明

图1为本发明气体传感器的外观示意图；

图2为本发明气体传感器的截面示意图；

图3为本发明制备气体传感器所用空气孔加工平台的结构连接示意图；

图4为本发明气体检测装置的结构连接示意图；

图5为不同浓度甲烷的透过度曲线；

图6为透过率与甲烷浓度的关系图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：气体传感器，包括硫系玻璃悬吊芯光纤1，硫系玻璃悬吊芯光纤1包括一体设置的外管11、吊芯12和四片隔离片13，本实施例中，外管11的外径为320μm、管壁厚度为50μm，吊芯12悬设于外管11的内侧，吊芯12的直径为45μm，吊芯12与外管11经四片隔离片13连接，四片隔离片13位于外管11的内侧并沿外管11的长度方向设置，外管11的管壁上开设有四排空气孔，四排空气孔沿外管11的周向等间隔设置，每排空气孔由沿外管11的长度方向等间隔设置的多个孔径为50μm的空气孔14构成，在外管11的长度方向相邻的两个空气孔14之间的间距为20μm。实施例1的气体传感器的外观示意图见图1，截面示意图见图2。

实施例1中，外管11采用geas39s60硫系玻璃，吊芯12采用as40s60硫系玻璃。

实施例2：实施例1的气体传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用挤压法制备得到硫系玻璃悬吊芯光纤半成品，备用；

(2)测量计算出硫系玻璃悬吊芯光纤半成品的外管的管壁厚度；

(3)搭建一空气孔加工平台，如图3所示，该空气孔加工平台包括飞秒激光器2、半波片31、格兰棱镜32、衰减片33、电子快门34、第一小孔光阑35、功率计37、第一分束镜36、ccd43、长筒目镜42、双色镜41、照明器45、第二分束镜44、第二小孔光阑46、聚焦物镜47、光纤夹具51、三维移动平台5、第一裸纤适配器52、第二裸纤适配器53、控制器54和计算机55，依次在光学平台上搭建飞秒激光器2、半波片31、格兰棱镜32、衰减片33、电子快门34、第一小孔光阑35、第一分束镜36、双色镜41、第二分束镜44、第二小孔光阑46、聚焦物镜47和三维移动平台5，在三维移动平台5上安装光纤夹具51，将电子快门34与计算机55连接，并将三维移动平台5经控制器54与计算机55相连，同时将功率计37与第一分束镜36连接，将双色镜41与长筒目镜42和ccd43依次连接，将第二分束镜44与照明器45连接；

(4)将步骤(1)中挤压得到的硫系玻璃悬吊芯光纤半成品10固定在光纤夹具51上，然后将硫系玻璃悬吊芯光纤半成品10两端分别与第一裸纤适配器52和第二裸纤适配器53连接；调节三维移动平台5，使硫系玻璃悬吊芯光纤半成品10处于准直状态，然后调整三维移动平台5的俯仰，使硫系玻璃悬吊芯光纤半成品10处于一个平整面上，确保硫系玻璃悬吊芯光纤半成品10能够清晰地显示在ccd43的成像屏幕上；启动飞秒激光器2，调节激光光路，飞秒激光器2的中心光斑最终经聚焦物镜47聚焦并垂直作用在硫系玻璃悬吊芯光纤半成品10的侧壁上，同时上下移动三维移动平台5，直至将硫系玻璃悬吊芯光纤半成品10的侧壁打穿，得到一个空气孔14，然后左右移动三维移动平台5，沿硫系玻璃悬吊芯光纤半成品10的侧壁的长度方向每隔20μm不断打孔，得到一排空气孔；之后将硫系玻璃悬吊芯光纤半成品10旋转90°，重复执行上述打孔操作，得到另一排空气孔；重复旋转和打孔操作，直至得到硫系玻璃悬吊芯光纤成品，其外观示意图见图1，截面示意图见图2。

上述空气孔加工平台工作时，激光脉冲能量首先通过半波片31、格兰棱镜32和衰减片33进行功率调节，将激光脉冲的功率调节至24mw；然后进入电子快门34，控制曝光时间，再经过第一小孔光阑35去除光路中的杂散光、提升光束质量；随后飞秒激光经过第一分束镜36分为反射光和透射光，其中反射光进入功率计37，由功率计37检测飞秒激光的功率，透射光传递至双色镜41，由双色镜41将飞秒激光反射至第二分束镜44，同时照明器45的光也打在第二分束镜44上，第二分束镜44将飞秒激光和照明光分别分为两束，即向下的光束和透过第二分束镜44向上的光束，其中，向下的光束经过第二小孔光阑46进一步提高光束质量，再经过聚焦物镜47作用至置于三维移动平台5上的硫系玻璃悬吊芯光纤半成品10的侧壁上进行打孔操作，硫系玻璃悬吊芯光纤半成品10反射的光经聚焦物镜47、第二小孔光阑46、第二分束镜44，连同透过第二分束镜44向上的光束一起经双色镜41和长筒目镜42进入ccd43，由ccd43实时监测飞秒激光的打孔过程。

实施例3：气体检测装置，如图4所示，包括ftir光谱仪61、zns聚焦透镜62、光纤夹具63、硫系玻璃悬吊芯光纤1、气体室7、探测器81、光放大器82和计算机83，ftir光谱仪61、聚焦透镜62、硫系玻璃悬吊芯光纤1、气体室7、探测器81和光放大器82沿光路走向依次设置，ftir光谱仪61与计算机83相连，光放大器82的输出端与ftir光谱仪61相连，硫系玻璃悬吊芯光纤1固定在光纤夹具63上，光纤夹具63安装在三维调节架64上，气体室7为中空结构，本实施例中，气体室7为长5cm、截面直径为2cm的圆筒状结构，气体室7的两侧分别开设有光纤入口71和光纤出口72，硫系玻璃悬吊芯光纤1的输出端穿过光纤入口71并从光纤出口72穿出，气体室7的侧壁上开设有两个气体入口(即气体入口a和气体入口b)，硫系玻璃悬吊芯光纤1的输出端正对聚焦透镜62的输出端，硫系玻璃悬吊芯光纤1的输出端正对探测器81的输入端，本实施例中，探测器81为美国thermoscientific公司制造的mct-a型hdcdte探测器，计算机83上安装有labview软件，本实施例中，labview软件为美国thermoscientific公司开发的omnic图像处理软件，labview软件用于记录待检测的气体的光透过谱并与预先建立的不同浓度气体标准透过谱比对得出待检测的气体种类和浓度。

上述气体检测装置工作时，ftir光谱仪61发射的宽带红外光源经zns聚焦透镜62聚焦耦合，zns聚焦透镜62输出的宽红外光准直地输入到硫系玻璃悬吊芯光纤1内部。待检测的气体通过气体室7侧壁上的气体入口a和气体入口b进入气体室7内，并通过硫系玻璃悬吊芯光纤1上的空气孔14渗入硫系玻璃悬吊芯光纤1内部。待检测的气体对硫系玻璃悬吊芯光纤1中传输的光产生特定波长的吸收，硫系玻璃悬吊芯光纤1的输出端输出的光将会被探测器81检测到，检测信号经过放大，回到ftir光谱仪61，由计算机83上的labview软件记录光透过谱，与预先建立的不同浓度气体标准透过谱比对得出待检测的气体种类和浓度。

由于每种待检测的气体对应的强吸收区域对应的波长范围不同，从而上述气体检测装置可实现对气体种类的区分，此外，由于气体浓度不同，对光的吸收度也不同，从而上述气体检测装置可实现对气体浓度的高灵敏度测量。该气体检测装置能够对包括瓦斯气体在内的多种气体进行定性、定量分析和检测，可广泛应用于煤矿瓦斯监测预警、煤矿自然发火监测预警、有毒有害气体或危险气体监测预警等领域。

实施例4的气体检测装置，与实施例3的区别在于，实施例4中，气体室上连接有真空泵(图中未示出)，光纤入口71处和光纤出口72处分别安装有橡胶密封圈(图中未示出)，硫系玻璃悬吊芯光纤1穿设在两个橡胶密封圈上，气体入口a和气体入口b处分别安装有橡胶密封塞73。橡胶密封圈和橡胶密封塞73可将气体室7封闭，为待检测的气体提供一密闭的充填空间，方便标准透过谱的建立。预先建立标准透过谱的过程，以甲烷为例，例如：气体室7预先抽真空后，将甲烷体积浓度为1.5％的气体通过气体入口a和气体入口b通入气体室7，再用两个橡胶密封塞73分别密封气体入口a和气体入口b，等待10分钟，利用计算机83上的labview软件记录该甲烷浓度下的光透过谱。重复上述操作，分别检测记录其他不同甲烷浓度下(气体中甲烷体积浓度分别为6％、10％、14％)的光透过谱。建立的不同甲烷浓度下的标准透过谱见图5和图6，其中图5为不同浓度甲烷的透过度曲线，图6为透过率与甲烷浓度的关系图。图6中，自上而下的五条曲线对应的甲烷体积浓度分别为0、1.5％、6％、10％、14％。