[实用新型]一种基于表面透射增强型倾斜光纤光栅的超细颗粒物传感器

说明书

本实用新型公开了一种基于表面透射增强型倾斜光纤光栅的超细颗粒物传感器，包括倾斜光纤光栅，倾斜光纤光栅的表面设有金属膜，所述金属膜上开设有孔阵列，孔阵列中的每个孔沿金属膜的厚度方向贯穿金属膜并止于倾斜光纤光栅的表面。本实用新型不仅拥有平面基底上金属孔阵列结构高灵敏度、尺寸可选择探测的特点，而且还保留了TFBG体积小、结构紧凑、可在线传输、不受电磁干扰的优势。两者的结合有效克服了由环境参量如温度、压力、湿度等变化引入的探测误差。本实用新型的实现为大气中超细颗粒物浓度探测提供了新的手段，有助于实现大气中超细颗粒物浓度的实时监测，为大气环境治理提供可靠参考数据。此外，EOT‑TFBG传感器也可应用到生物病毒检测领域。

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，涉及一种基于表面透射增强型倾斜光纤光栅的超细颗粒物传感器。

背景技术

煤炭燃烧过程产生的颗粒物是主要大气污染源之一。其中，超细颗粒物(粒径小于0.1μm)具有最高的过滤难度和危害，其浓度与死亡率存在明显关系。因此，监测煤炭燃烧大气中超细颗粒物浓度对评估大气环境污染程度、研究超细颗粒物污染特征与影响因素及制定监管体制具有重要意义。

煤炭燃烧产生的超细颗粒物浓度与其燃烧量相关，大约在10⁴-10⁷cm^-1。超细颗粒物具有粒径小和不稳定等特点，因而对其浓度实时准确监测时传感器需满足以下四点：(1)探测灵敏度高，有效感测低浓度超细颗粒物，实现高分辨率信息获取；(2)尺寸可选择性探测，即当粒径大于100nm的颗粒物接触探测端时，传感器无响应；只有当粒径小于或等于100nm的颗粒物(即超细颗粒物)接触探测端时，传感器响应明显；(3)耐高温且结构稳定，探测结果不受外界环境影响，实现高温下浓度信息的准确获取；(4)响应速度快，实现浓度的在线动态监测。

目前，气溶胶静电计、电迁移率法和光散射法是较为成熟的颗粒物浓度测量方法。气溶胶静电计是在气流作用下将带有同性电荷的粒子送至装有静电计的法拉第杯室中，在空间电荷效应的作用下带有电荷的粒子形成电流回路。利用回路中的电流值与颗粒数量浓度关系，通过静电计测得的电流值从而计算得到待测颗粒物的测量。该方法原理可靠、颗粒物检测效率高，但测量前需要对仪器进行相应的校准。电迁移率测量法是通过对比待测颗粒物与标准球形粒子在电场中迁移速度来获取颗粒物浓度信息。该方法的检测仪器对颗粒物的粒径检测范围较广能实现微米级至纳米级颗粒物，但待测颗粒物需具有良好的电迁移率且该测量仪器结构复杂，生产成本高。光学测量法是基于Mie散射理论，通过接收和处理散射后的光信号就可分析出大气中被测颗粒物的浓度信息。光散射法测量颗粒物尺寸的下限约在几百纳米左右。该方法相对较成熟，在颗粒物测量中得到了广泛应用。

超细颗粒物在环境科学领域被视为纳米颗粒物，因此可将纳米颗粒物检测方法用于超细颗粒物的检测。回音壁模式(Whispering-gallery mode,WGM)光学微腔具有高品质因子和低模式体积的优点，极大增强了光学微腔内光场与物质的相互作用，具有超高灵敏度，可用来检测纳米量级颗粒(如：病毒、聚苯乙烯、金纳米球等)。WGM微腔传感技术不仅提高了探测灵敏度而且有效降低了测量颗粒物的尺寸下限。但是对大气中超细颗粒物浓度检测而言，基于WGM光学微腔传感器存在便携性差和颗粒物尺寸范围难以控制的问题。