[发明专利]一种气体浓度测量方法及测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体浓度测量方法及装置，具体涉及一种通过改变入射光角度测量气体传感器薄膜光学厚度变化，从而计算气体浓度的方法及装置。

背景技术

将一定材料的聚合物涂敷在固体基底（如硅圆晶片或玻璃）上即形成一个类似于法布里-珀罗腔(FP)的气体传感器，该类传感器常用于实现对气体成分及浓度的非破坏性的、快速的、高灵敏的检测。特别地，适用于微气相色谱测量中。

当聚合物与气体的相互作用时，聚合物的折射率或厚度发生相应的变化从而改变了反射光的特性。

I_r(k,n,h,θ)＝I_d+I_acos(2knhcosθ)    （1）

式（1）中，I_d为干涉直流项即等于膜层上表面和下表面各自反射光光强之和；I_a为干涉项的幅度；k光波波数；n膜的折射率；h为薄膜厚度；θ为光的入射角。

不考虑直流项，反射光强表达式表明从膜上反射的干涉光强是光波波数、薄膜折射率、膜层厚度和入射角的函数。薄膜折射率和膜层厚度合在一起，作为一个新的量，定义为薄膜的光学厚度:T＝nh。

若入射光为宽带光，光源入射角固定，则当厚度或折射率变化时，经传感器反射的光谱将产生相应的平移，基于该原理的光谱测量法，我们称之为光谱测量法。该方法已成功应用于微气体浓度的检测中。但是由于薄膜光学厚度变化量小，引起的谱移小，为了精确测量微小的谱移需要采用高性能的光谱仪设备，这增加了系统的复杂度和成本。

第二类测量方法是固定入射角和波长，测量输出光强的变化；该方法实施时，需要首先分析初始薄膜光学厚度，根据光强与薄膜光学厚度T的线性工作点，合理选择最佳入射角。该类方法结构简单、成本低，但是，为了减小误差，需要保证入射角位置的精确性。系统调节上存在一定的困难。且由于不可避免的初始薄膜光学厚度误差存在，从而给薄膜光学厚度变化测量也带来了误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能有效测出微气体浓度的测量方法及测量装置。

为了达到上述目的，本发明提供了一种气体浓度测量方法，气体浓度测量方法通过将气体通入气体传感器，与气体传感器上聚合物相互作用改变聚合物薄膜的厚度；利用光源输出入射光在聚合物薄膜上下两表面反射后再经会聚透镜形成干涉光，通过测量气体通入前后干涉光的变化，计算聚合物薄薄膜光学厚度的改变量，从而计算出气体浓度；上述气体浓度测量方法通过改变所述入射光的入射角，测量随入射角变化的干涉光光强变化曲线，根据光强变化曲线确定干涉光光强峰值时的入射角，测量气体通入前后干涉光光强峰值时入射角的改变，计算出聚合物薄薄膜光学厚度的改变量。

其中入射光在所述聚合物薄膜上的入射角优选变化范围为45°～65°。

本发明还提供了一种气体浓度测量装置，包括气体分离器、光源、气体传感器盒、气体传感器、光源、光束角度扫描装置、会聚透镜、图像传感器、图像采集卡和计算机；气体传感器设于气体传感器盒内；气体分离器与气体传感器盒相连通；光束角度扫描装置包括单片机、扫描振镜驱动器和扫描振镜；扫描振镜依次通过扫描振镜驱动器、单片机与计算机相连；光源输出光束依次通过扫描振镜、气体传感器、会聚透镜会聚至图像传感器上；图像传感器通过图像采集卡与计算机相连。

上述气体浓度测量装置还包括准直透镜；光源输出光束通过准直透镜入射扫描振镜。

其中，扫描振镜初始位置优选与水平面夹角为22.5°；扫描振镜的扫描角度为10°。

会聚透镜口径D≥(d₁+d₂)(tan65°－tan45°)，d₁为气体传感器至所述扫描振镜上光束反射点的距离，d₂为气体传感器至所述会聚透镜的距离。

本发明具体测量方法的原理，分析过程如下：

薄膜光学厚度微分和角度余弦微分之间的关系为：