基于雙面金屬包覆波導的硫化氫氣體檢測方法和檢測裝置與流程

本發明涉及一種硫化氫檢測方法和檢測裝置，特別是涉及一種基于雙面金屬包覆波導的硫化氫氣體檢測方法和檢測裝置。

背景技術：

硫化氫(h2s)是一種無色、劇毒、強酸性，且具有刺激性和窒息性的無色氣體，是環境空氣中的主要污染成分。它分布范圍廣，來源于天然氣、煤、石油的燃燒和含硫化合物等。硫化氫對人與環境具有強烈的破壞性，即使是微量的氣體對人體的危害也是非常嚴重的。其毒性是一氧化碳co的5-6倍，低濃度接觸對呼吸道及眼產生局部刺激作用，高濃度時對全身作用較明顯，表現為中樞神經系統癥狀和窒息。硫化氫還具有強烈的腐蝕性，對石油、化工行業的開采設備和運輸管線容易造成破壞，引起嚴重的生產事故。隨著我國對能源和自然資源需求的增加，硫化氫氣體的污染日趨嚴重。因此，建立靈敏、準確而簡便的硫化氫氣體濃度測定方法具有重要意義。

現有的硫化氫測量方法主要有電化學傳感器，包括標準碘量、快速測定管和醋酸鉛試紙等方法。這些測量方法具有價格便宜易于使用的優點，但電解質容易與混在硫化氫氣體里的其他氣體雜質反應，輸出交叉靈敏度使檢測精度降低，同時其他氣體雜質與電解質反應使傳感器中毒，失去對硫化氫氣體濃度的檢測作用。另外還有利用硫化氫氣體的吸收譜，采用調制激光束穿過檢測管中的被測氣體，通過分析激光強度的衰減而獲得所測氣體濃度的激光法。該技術具有現場測量、快速響應、可靠性高和維護量小等優點。但這種方法靈敏度十分有限，無法達到安全環境要求的最低指標(10ppm)。

技術實現要素：

針對上述現有技術的缺陷，本發明提供了一種基于雙面金屬包覆波導的硫化氫氣體檢測方法，以達到實時檢測且具有高靈敏度的目的。本發明還提供了一種基于雙面金屬包覆波導的硫化氫氣體檢測裝置。

本發明技術方案如下：一種基于雙面金屬包覆波導的硫化氫氣體檢測方法，包括步驟：將已知濃度的標準硫化氫氣體輸入至棱鏡耦合雙面金屬包覆波導的樣品室，激光器發射波長為1575nm的平行光以一定角度入射于棱鏡耦合雙面金屬包覆波導的表面，確保反射光中包含一個導模的衰減全反射吸收峰，由ccd探測元件接收所述衰減全反射吸收峰，并測定衰減全反射吸收峰顏色最深處的灰度，獲得灰度與標準硫化氫氣體濃度對應標尺；將待測硫化氫氣體輸入至棱鏡耦合雙面金屬包覆波導的樣品室，激光器發射波長為1575nm的平行光以一定角度入射于棱鏡耦合雙面金屬包覆波導的表面，確保反射光中包含一個導模的衰減全反射吸收峰，由ccd探測元件接收所述待測硫化氫氣體的衰減全反射吸收峰，測定待測硫化氫氣體的衰減全反射吸收峰顏色最深處的灰度，根據灰度與標準硫化氫氣體濃度對應標尺獲得待測硫化氫氣體的濃度。

進一步的，所述測定衰減全反射吸收峰顏色最深處的灰度，獲得灰度與標準硫化氫氣體濃度對應標尺時，先根據灰度計算標準硫化氫氣體的消光系數，然后獲得消光系數與標準硫化氫氣體濃度對應標尺；所述測定待測硫化氫氣體的衰減全反射吸收峰顏色最深處的灰度，根據灰度與標準硫化氫氣體濃度對應標尺獲得待測硫化氫氣體的濃度時，先根據灰度計算待測硫化氫氣體的消光系數，然后根據標準硫化氫氣體消光系數與標準硫化氫氣體濃度對應標尺獲得待測硫化氫氣體的濃度。

進一步的，所述標準硫化氫氣體和待測硫化氫氣體通過蠕動泵泵入樣品室。

一種基于雙面金屬包覆波導的硫化氫氣體檢測裝置，包括棱鏡耦合雙面金屬包覆波導，發射波長為1575nm的激光器，用于接收反射光的ccd探測元件以及用于計算待測硫化氫氣體濃度的計算模塊，所述棱鏡耦合雙面金屬包覆波導包括依次疊置的玻璃襯底、玻璃墊圈和柱面棱鏡，所述玻璃襯底與柱面棱鏡之間構成樣品室，所述玻璃襯底開設與所述樣品室連通的進樣通道和出樣通道，所述玻璃襯底的上表面沉積下層金屬膜，所述柱面棱鏡的下表面沉積上層金屬膜；所述激光器以一定入射角入射所述柱面棱鏡的下表面、上層金屬膜的上表面使反射光包含一個導模的衰減全反射吸收峰。

進一步的，包括蠕動泵，所述蠕動泵通過軟管與進樣通道以及出樣通道連接。

優選的，所述上層金屬膜的材料為金，厚度為25nm。

優選的，所述下層金屬膜的材料為金，厚度為200nm。

優選的，所述玻璃襯底材料為光學玻璃，厚度為1000μm。

優選的，所述玻璃墊圈材料為光學玻璃，厚度為1000μm。

本發明所提供的技術方案的優點在于：(1)用棱鏡耦合雙面金屬包覆波導作為樣品室和共振腔，具有高功率密度和高品質因子(q值)；(2)采用波長為硫化氫氣體強吸收峰處1575nm的激光光源，激發含有硫化氫氣體的波導的超高階導模，具有高靈敏度；(3)儀器結構簡單，無移動部件小型、便攜、價格低廉、便與推廣。

附圖說明

圖1為基于雙面金屬包覆波導的硫化氫氣體檢測裝置結構示意圖。

圖2為痕量硫化氫濃度ccd檢測示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步說明，但不作為對本發明的限定。

請結合圖1所示，本實施例所采用的基于雙面金屬包覆波導的硫化氫氣體檢測裝置包括棱鏡耦合雙面金屬包覆波導，發射波長為1575nm、發散角小于0.3mrad的激光器9，用于接收反射光的ccd探測元件10、用于接收ccd探測元件10的數據計算待測硫化氫氣體濃度的計算模塊以及用于將氣體樣品泵入樣品室或從樣品室排出的蠕動泵(蠕動泵和計算模塊在圖上未示出)。

棱鏡耦合雙面金屬包覆波導的結構是這樣的，其由柱面棱鏡1、上層金屬膜2、玻璃墊圈3、下層金屬膜4、玻璃襯底5、進樣通道6和出樣通道7等部件組成。其中玻璃襯底5、玻璃墊圈3和柱面棱鏡1依次疊置，在玻璃襯底5的上表面和柱面棱鏡1的下表面之間構成了樣品室8。上層金屬膜2沉積在柱面棱鏡1的下表面，下層金屬膜4沉積在玻璃襯底5的上表面。為保證樣品室8的平行度，首先，玻璃墊圈3要求有較高的平行度；其次，柱面棱鏡1、玻璃墊圈3和玻璃襯底5必須用光膠技術組裝在一起。玻璃墊圈3的厚度即為樣品室8的厚度。玻璃襯底5以及玻璃墊圈3的材料為光學玻璃，厚度均為1000μm。上層金屬膜2的材料為金，厚度為25nm。下層金屬膜4的材料為金，厚度為200nm。玻璃襯底5上開兩個通孔，分別構成樣品室8的進樣通道6和出樣通道7，蠕動泵通過軟管與進樣通道6以及出樣通道7連通。待測樣品通過進樣通道6進入樣品池，而廢棄樣品通過出樣通道7排出。

激光器9以及ccd探測元件10的的布置位置是這樣確定的：要求激光器9發射的平行光以一定角度入射于棱鏡耦合雙面金屬包覆波導的表面，形成反射，在入射角附近能確保激發一個超高階導模，即反射光中包含一個導模的衰減全反射吸收峰，該反射光由ccd探測元件10接收。

氣體痕量硫化氫濃度的檢測過程是這樣的，將已知濃度的標準硫化氫氣體輸入至棱鏡耦合雙面金屬包覆波導的樣品室8，激光器9發射波長為1575nm的平行光以一定角度入射于棱鏡耦合雙面金屬包覆波導的表面，確保反射光中包含一個導模的衰減全反射吸收峰，由ccd探測元件10接收衰減全反射吸收峰，并測定衰減全反射吸收峰顏色最深處的灰度，獲得灰度與標準硫化氫氣體濃度對應標尺。

將待測硫化氫氣體輸入至棱鏡耦合雙面金屬包覆波導的樣品室，激光器發射波長為1575nm的平行光以一定角度入射于棱鏡耦合雙面金屬包覆波導的表面，確保反射光中包含一個導模的衰減全反射吸收峰，由ccd探測元件接收待測硫化氫氣體的衰減全反射吸收峰，測定待測硫化氫氣體的衰減全反射吸收峰顏色最深處的灰度，根據灰度與標準硫化氫氣體濃度對應標尺獲得待測硫化氫氣體的濃度。

假設入射激光的波長為1575nm，柱面棱鏡1的折射率n1＝1.75，上層金屬膜2的介電系數ε2＝-99.7+i11.8，厚度h2＝25nm，玻璃墊圈3和樣品室8的厚度h3＝1000μm，下層金屬膜4的介電系數ε4＝ε2＝-99.7+i11.8，厚度h4＝200nm。初始樣品的折射率n3＝1.0，在不含硫化氫情況下，樣品折射率的虛部為0，是無色透明的氣體。若激光在棱鏡耦合雙面金屬包覆波導表面的中心入射角定為θin＝5.1744°，則由軟件計算可得如圖2所示的衰減全反射(atr)曲線，atr峰底的初始反射率rmin＝0.0261，則在反射光中顯現一灰度最大的黑線。atr吸收峰的極小值rmin由下式給出：

其中，im(β⁰)表示本征損耗，本征損耗與樣品的消光系數κ密切相關，im(δβ^l)表示輻射損耗。β⁰＝k0n1sinθ為導模傳播常數，而k0＝2π/λ為空氣中的傳播常數，n1為柱面棱鏡的折射率，θ為入射角。當本征損耗等于輻射損耗im(β⁰)＝im(δβ^l)時，有rmin＝0。但這要求上層金屬膜的厚度達到一確定值，實驗上難以完成。實際的初始條件是讓輻射損耗稍小于本征損耗，這時有rmin>0，這時，樣品為硫化氫氣體濃度為0時的大氣。隨著大氣中硫化氫的濃度的增加，本征損耗im(β⁰)也隨著增加，而輻射損耗基本保持不變，從而使本征損耗和輻射損耗的差加大，由公式(1)可知，rmin也隨著變大。本征損耗由兩部份組成，第一部分由金屬介電系數的虛部引起，這部分損耗與樣品濃度變化無關；而第二部分純粹來自于樣品的消光系數，本征損耗與樣品的消光系數成正比關系。隨著硫化氫濃度的增大，樣品折射率的虛部(消光系數κ)由0逐漸變大，ccd探測元件10探測到的黑線的灰度也由大變小(rmin由小變大)。若以1％的反射率變化作為ccd探測元件10的分辨率，則由圖可知，消光系數變化的極限分辨率小于δκ＝2.5×10^-7，對應的硫化氫濃度的分辨率為0.2ppm。

由于本征損耗與樣品的消光系數成正比關系，因此由衰減全反射吸收峰顏色最深處的灰度，獲得灰度與標準硫化氫氣體濃度對應標尺。也可進一步由標準硫化氫氣體灰度計算標準硫化氫氣體的消光系數，然后獲得消光系數與標準硫化氫氣體濃度對應標尺，進而再根據待測硫化氫氣體灰度計算待測硫化氫氣體的消光系數，依照上述標尺測得待測硫化氫氣體濃度。