[发明专利]光电混合集成硫化氢气体浓度传感器装置及其测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电混合集成硫化氢气体浓度传感器装置及其测试方法，属于硫化氢气体浓度在线监测仪器领域，特别适用于聚合物光波导与硫化氢反应的光电混合集成式气体浓度传感器。

背景技术

硫化氢气体是一种危害性极大的剧毒气体，低浓度就能使人致命，是大气污染物中毒性较大的污染物之一。硫化氢气体主要来源于炼钢、炼油、造纸、染料、制药和制革等生产过程中，它具有强烈腐蚀特性，严重腐蚀生产设备，影响工人健康。

硫化氢气体有强烈的毒性和腐蚀性，国内外对硫化氢气体浓度检测采用多种方法进行了研究，其主要的研究方法为电化学法、光学法以及二者结合的光电化学法。电化学法是利用硫化氢气体分子在传感器的敏感电极上发生电化学反应，这种反应导致传感器的输出电信号发生改变，通过测量改变值的大小来反映气体浓度的变化。电化学法出现最早，技术成熟，但受交叉灵敏度影响其精度低。光学法最重要的检测方法是光谱吸收法，利用硫化氢气体在近红外波段的吸收特征谱来检测硫化氢气体的浓度。这种方法具有反应快、抗腐蚀抗电磁干扰能力强的优点。但经硫化氢气体吸收后的输出光强较弱，检测灵敏度很低、干扰严重。

光电化学法是检测硫化氢气体浓度的重要方法。它将硫化氢气体的与其他化合物反应的特性和光纤信号传输所具有的海量、快速以及抗电磁干扰的优点相结合，实现硫化氢气体浓度远距离安全检测。

经对现有的国内外公开文献报道检索发现，利用光波导混合集成检测硫化氢气体浓度的文献：高灵敏光波导传感器检测H₂S气体(传感技术学报.2007，20(9).-1937-1939)：将甲基绿一聚乙烯醇薄膜固定在钾离子交换玻璃光波导表面形成甲基绿一PVA薄膜，当薄膜与硫化氢气体作用时，引起波导中传播光消逝场的变化.检测这些变化可得到硫化氢气体浓度信息。该方法用消逝场的变化来检测硫化氢，但是消逝场较弱，信噪比很小，不能实现低浓度硫化氢气体检测。同时由于采用棱镜结构实现光耦合，光路稳定性差，传感器难以小型化。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足而提供一种光电混合集成硫化氢气体浓度传感器，其特点是解决低浓度硫化氢气体检测技术中信噪比小，灵敏度低的问题，同时利用光波导混合集成技术，使本发明的光电混合集成硫化氢气体浓度传感器体积小、稳定性好。

本发明的目的由以下技术措施实现：

光电混合集成硫化氢气体浓度传感器装置由激光器引出的激光经编振器通过透镜光纤将聚焦的偏振光传入气体盒内，输入耦合元件上实现光纤与波导耦合，耦合后的光进入马赫-曾德(M-Z)波导干涉仪，然后由分支波导分别与参考臂波导和信号臂波导并联连接，通过模场匹配确定两波导端面尺寸，以减少耦合损失，提高耦合效率，波导相位调制器为集总型波导相位调制器结构，设在参考臂波导和信号波导之间，经M-Z波导干涉仪干涉后的光由输出耦合元件耦合出气体盒，进入光电信号转换及处理系统，由光纤经透镜和检偏器后导入光电二极管，将光强转化为电信号输入微信号处理器，经运算得到待测的硫化氢气体的浓度值。

偏振器为TE或TM偏振。

耦合元件为V型槽端面对接耦合。

M-Z波导干涉仪在LiNbO₃晶体上制作；参考臂波导为Ni扩散LiNbO₃脊波导，波导为Ni/Ti/Si三层结构；信号臂波导为二茂铁基聚合物，并由湿法光刻腐蚀制作。

气体盒的一侧设硫化氢气体进口，气体盒的另一侧设硫化氢气体出气口。

光电混合集成硫化氢气体浓度传感器装置的测试方法包括以下步骤：

1、将激光器发出的激光波长为620nm经偏振器后形成线偏振光，由透镜耦合进入硫化氢气体浓度传感系统，硫化氢气体从进气口进入气体盒，在马赫-曾德波导干涉仪中传播，与干涉仪的信号臂反应，改变信号臂波导折射率，将硫化氢气体浓度的变化转换成信号臂中光相位变化，再将相位变化转换为光强变化；

2、将光强变化的光进入光电信号转换及处理系统，光电探测器检测光强变化得到相应的电信号，经信号处理单元处理后获得被测硫化氢气体的浓度值；

3、停止通入硫化氢气体后，马赫-曾德干涉仪的信号臂与持续通入空气的氧气进行聚合物还原反应。

整个检测过程中保证气体的密封性；干涉仪的耦合采用端面对接耦合，并且干涉仪将光按1∶1光强的比例分为信号光和干涉光，分别在信号臂和参考臂中传输。

本发明具有如下优点：