无人机防化探测：核辐射、毒害气体定制检测

核辐射、毒害气体定制检测必要性

有毒有害气体会对人和动物产生不利影响，或使人和动物感到不舒服。有毒有害气体来源面广，渗透到到人们的生产生活中。

燃料的燃烧，工业生产过程中，交通运输，地下采矿挖掘施工过程都是毒害气体的来源渠道。

此外，核辐射泄漏毒害气体的污染也不容忽视，比如较为著名的核泄漏事件，2011年3月11日在日本福岛第一核电厂发生的核事故，由日本东北地方太平洋近海地震和伴随而来的海啸所引发。事故在国际核事件分级表中被分类为最严重的7级。福岛核电站灾难发生后，无人机评估了受损反应堆的状况。

较为可怕的是核电站泄漏的有毒气体，对人体伤害是不间断的。对于毒害气体监测，认为进入高浓度污染区域是极其危险的。

无人机已经在全球辐射监测和核工业中发挥着重要作用。无人机配备放射性检测系统帮助作业人员对事故进行评估和处理。检测辐射泄漏、对核设施进行目视检查以及进行无人监督的放射性测量。结合有毒气体传感器模块对毒害气体进行针对性探测，及时对毒害气体进行监测预警，避免人员伤亡。

探测方案

根据气体检测需求定制毒害气体检测模块，采用进口电化学传感器和微控制器技术.，响应速度快、测量精度高、稳定性和重复性好等优点，兼容各种控制报警器, PLC, DCS等控制系统， 4-20mA标准信号输出，完美输出各项技术指标和气体浓度值；同时具有多种极强的电路保护功能, 有效防止各种人为因素、不可控因素导致的仪器损坏。

1.产品配置

2.方案优势

1)可检测空气中上百种可燃及有毒有害气体的浓度和泄漏；

2)采用先进微处理技术, 响应速度快, 测量精度高, 稳定性好；

3)具有良好的抗干扰性能, 使用寿命长达3年;

4)电压和串口同时输出特点, 方便客户调试使用；

5)现场无须标定, 关键参数自动识别；

6)全量程范围温度数字自动跟踪补偿, 保证测量准确性；

7)安全型电路设计, 可带电热拔插操作;

8)PPM, %VOL, mg/m3三个单位显示；

9)防高浓度气体冲击的自动保护功能。

应用场景

石油石化、化工厂、冶炼厂、钢铁厂、煤炭厂、热电厂、医药科研、制药生产车间、烟草公司、环境监测、学校科研、楼宇建设、消防报警、污水处理、工业气体过程控制、锅炉房、垃圾处理厂、隧道施工、输油管道、加气站、地下燃气管道检修、室内空气质量检测、危险场所安全防护、重要场所设备监测等。

实际案例

福州某部开展防化检测，有害气体模块定制。

芥子气体传感器模组 芥子气体传感器模组,适用于各种环境中的芥子气体浓度和泄漏实时准确检测。

光气气体传感器模组 光气气体传感器模组,适用于各种环境中的光气气体浓度和泄漏实时准确检测。

沙林毒气气体传感器模组 沙林毒气气体传感器模组,适用于各种环境中的沙林毒气气体浓度和泄漏实时准确检测。

一种新的光气传感技术，使用太赫兹波在分层介质中的光气传感器

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文 |溪知许a

编辑|溪知许a

前言

在环境问题越来越引起人们对呼吸健康的关注时，气体传感用于污染监测和泄漏分子检测变得十分重要。目前有许多基于不同原理的气体传感器，如气相色谱-质谱联用、电化学传感器和光学传感器。

对于电化学传感器，由于需要高温操作以获得高灵敏度，这在检测易爆气体时存在高电极功耗的风险。光学传感方案可以解决由于室温操作且无电接触而造成的安全问题。太赫兹辐射位于红外线和微波区域之间，它可以通过与气体分子的转动或振动能级跃迁发生强烈的相互作用。

在太赫兹频率范围内，气体分子的吸收强度通常与红外区域相当，并且比微波区域强度大约103-106倍。 太赫兹波的光子能量较红外波相对较低，比微波区域中的光子能量更强的相互作用响应。

太赫兹气体传感方法基于两种主要方式进行了展示。第一种方式是将太赫兹辐射直接照射在气态分析物上，并通过其光谱响应进行传感。例如特定频率处的强吸收线或在某一太赫兹光谱范围内的脉冲功率衰减已被应用于分析气态分析物。

这些传感方案通过光混频、异频检测和啁啾脉冲太赫兹光谱等， 成功地分析了超过30种化学物质的气体混合物并区分具有相似组成的气体。这种识别方案基于气体分子的转动、振动跃迁，提供了高选择性。

然而太赫兹光谱系统需要配备长的气体池、冷却、吸附预浓缩系统和加热装置，以将传感限度从ppm浓度提高到ppb水平。这种整体配置复杂、庞大、昂贵且功耗高。 虽然量子级联激光器被提出作为简化太赫兹波产生的气体传感应用的紧凑型太赫兹激光源。然而，太赫兹激光源需要在低温条件下运行，且受限于实际应用。

太赫兹气体传感的另一种方法是利用光子或周期结构中的太赫兹共振场。例如基于硅片和柱阵的一维和二维光子结构分别被验证用于太赫兹频率范围内的非特异性气体传感。所提出的光子结构具有高质量因子的太赫兹场共振，并对折射率的微小变化敏感。

对氢气的检测极限约为6%的浓度变化。氧气或氩气的最小可检测量约为1 μmol。虽然谐振器型太赫兹气体传感器相对较小、便携且功耗低，但其芯片内部的短交互长度基本上导致了有限的灵敏度和较差的选择性。

管状波导谐振器

将一个弯曲成圆柱形结构的介电层用作中空波导，以引导太赫兹波。这些用于太赫兹管状波导的介电管或管道可以从水电材料中获得。在研究中，使用30厘米长的玻璃管来装载0.05立方厘米液体分析物，以蒸发和填充管芯。当太赫兹波输入并穿过玻璃管芯时，蒸汽分子与太赫兹波进行相互作用，以实现传感目的。

蒸汽传感原理和结果

为了验证管状波导传感器的传感原理，使用水、盐酸、丙酮和氨液体的蒸汽分子作为标准分析物。传感结果显示，0.452太赫兹的谱谷在不同蒸汽填充管芯时明显向高频范围移动。

对于HCl、丙酮和氨的蒸汽，谱谷位置分别移动到0.461、0.465和0.477太赫兹。基于测量的谱谷和FDTD计算方法，得到了管芯的相关有效折射率。玻璃管的芯指数对应于HCl、丙酮和氨的蒸汽分别为1.016、1.035和1.102。

只有在0.452太赫兹的谐振谷处出现频率移动， 低频谱谷中的其他谐振谷不表现出任何谱移，用于传感蒸汽。低频谐振谷的零谱移来自于管芯处漏共振场的弱强度。它太弱无法感知蒸汽分子的存在。这种低灵敏度现象没有任何明显的谱移，与所有反共振场相关，即频率低于0.52太赫兹的谱峰。

不同蒸汽填充管芯内的谱谷频率与neff.core值之间的关系。谱谷频率随neff.core值增加而增加。neff.core值的增加效应来自于挥发性液体的各种蒸汽压力，这些蒸汽压力是由0.05立方厘米液体体积产生的。

高蒸汽压力表示管芯内大量蒸汽分子。因此，挥发性液体的蒸汽压力与封闭管芯内蒸汽分子的数量大致成正比。管芯内蒸汽分子的高密度导致较大的neff.core， 并且0.452太赫兹的谐振谷具有明显的蓝移。

这样的拟合曲线可以估算出微小的折射率变化，从而识别管芯内的分子。然而，管芯中的水分子无法产生任何谱移，因为水蒸气的密度非常低。这个传感结果是合理的，因为水、盐酸、丙酮和氨在常规大气和室温下的蒸汽压分别约为17 、38、202 和308 毫米汞柱。

微孔聚合物结构

除了单一的圆柱形层，多层MPS可以用作太赫兹气体传感器。太赫兹波的传感机制是通过监测气体分子的太赫兹吸收来实现的，与管芯波导谐振器的折射率检测不同。MPS气体传感器由多层聚对苯二甲酸乙二醇酯网格组装而成。为了收集和密封气体分析物，MPS与一个由聚四氟乙烯材料制成的微流控腔室组合在一起。

PET网格柔韧，由周期性方形孔组成。PET网格层被堆叠并通过矩形丙烯酸盒子固定，形成MPS结构。一个MPS中有大量的微孔，在复合材料内部呈随机分布。

四种不同厚度和方形微孔尺寸的PET网格堆叠成两种MPS结构，即均匀和周期性结构。当PET层按随机方式逐层叠放时，每个MPS中的PET网格的微孔并不完全对齐，无论是均匀MPS还是周期性MPS。周期性MPS由交替堆叠具有不同微孔尺寸的两种PET网格而构成。另一方面，均匀MPS是由只堆叠一种PET网格而形成的。

不同的PET网格微孔尺寸代表不同的孔隙率或不同的有效折射率，为了研究对MPS尺寸依赖的传感性能，使用四种PET网格制备了小孔和大孔MPS，并分别在均匀和周期性结构中使用。

挥发性气体传感能力

采用Periodic-90-249 MPS器件研究了MPS的挥发性气体传感能力，并观察了在不同丙酮蒸汽浓度暴露下的αeff响应。不同丙酮蒸汽浓度暴露前后的太赫兹功率传输谱图。THz谱图可以明显地识别浓度在2.5至100％之间的丙酮水溶液。

所有丙酮水溶液自然蒸发直到腔室中的蒸汽压饱和。根据劳厄尔定律，丙酮水溶液的浓度大致与蒸汽压成正比。即浓丙酮水溶液产生大的丙酮蒸汽压力。 丙酮蒸汽量的增加导致0.1-0.45 THz频率范围内的功率降低。

在不同丙酮蒸汽浓度暴露下提取的αeff光谱，该光谱是从光谱透射率、MPS厚度为3.46毫米和微孔填充率为40.5％的参数中提取的。吸收系数随着太赫兹频率和蒸汽分子密度的增加而增加。根据理想气体公式和丙酮水溶液的蒸汽压，可以获得丙酮的蒸汽密度。不同浓度的丙酮水溶液的蒸汽压是根据中的实验数据库估算的，而不是使用劳厄尔定律。

采用太赫兹时域光谱将MPS器件整合以观察0.10-0.45 THz波的传感性能。提取的αeff值在0.4 THz处明显达到最大区别。在0.4 THz频率以上，信噪比太低，无法用于蒸汽传感。因此，我们应用0.4 THz波来探测响应于MPS器件中的蒸汽分子的αeff和Δneff。

检测不同丙酮蒸汽浓度的0.4 THz波的传感结果，其中a为使用Periodic-90-249 MPS，b为不使用Periodic-90-249 MPS的空腔的传感结果。蓝色方块代表0.4 THz的有效吸收系数，红色圆圈代表折射率变化，这些结果是在不同丙酮蒸汽密度下测得的。

蓝色和青色曲线分别表示与比例关系和Langmuir吸附等温线的数学拟合，拟合R²值均大于97%。Langmuir拟合表明，丙酮蒸汽分子在亲水性微孔表面的单层吸附主要是由物理吸附引起的。对于小于6 nmol、mm³的分子密度，0.4 THz波的吸收与丙酮蒸汽密度之间的比例响应可以线性拟合为α = 0.036 + 0.52ρ，并被认为是传感器的灵敏区域。

丙酮蒸汽的最低检测浓度为291 pmol、mm³，相当于17 ppm。根据线性拟合曲线的斜率和αeff的不确定性，丙酮蒸汽的最小可检测浓度变化小于108 pmol、mm³，相当于6.29 ppm。因此，MPS对于微小蒸汽的传感具有低ppm级别的检测极限。

在没有MPS的空腔中测得的不同ρ值的传感结果。对于相同的ρ值，空腔中的αeff和Δneff值比使用MPS测得的值小。当我们获得空腔中的αeff和Δneff时，空气填充率（f）等于100％。与空腔相比，MPS增强了THz吸收约20倍。此外，对于相同的ρ值，MPS中的Δneff比空腔中的Δneff大两个数量级。在相同的ρ值下，空腔传感没有饱和效应，与MPS条件相反。

对于丙酮液浓度为100％，0.4 THz的吸收系数约为0.18 cm^-1，与中公布的0.45 cm^-1值大致相同且合理一致。线性拟合曲线的斜率和αeff的系统不确定性，丙酮蒸汽的最小可检测分子密度变化约为0.558 nmol、mm³，相当于32.37 ppm。

这个结果表明，通过MPS进行的挥发性气体检测的灵敏度高于传统THz-TDS系统。鉴于MPS可以使挥发性蒸汽聚集在微孔中并吸附在亲水性表面上，通过吸附剂介质增强太赫兹辐射与极性气体分子之间的相互作用，从而显著增加吸收和折射率变化。

MPS的传感能力还被证实可以检测其他挥发性有机化合物（VOC），包括甲醇、乙醇和氨。对于这三种蒸汽，0.4 THz的αeff和Δneff随蒸汽密度的增加而增加。这些趋势与丙酮蒸汽的传感结果近似，但αeff和Δneff的饱和响应不同。

Periodic-90-249 MPS在三种VOC中显示出明显的αeff和Δneff差异， 这是由于微孔中蒸汽吸附和渗透增强的效果。在这种MPS的传感配置中，所有蒸汽物种的微米级孔内不发生毛细现象。

结论

气体传感器的实验，当THz波在介质层介质中传播时，通过在光谱系统中监测THz折射率和吸收系数。圆柱形层是从玻璃介质管中应用的，用作波导谐振器。基于FP准则和FDTD模拟，可以近似得到玻璃管中管芯的折射率对应的THz频率。

表明只有高阶谐振模式对折射率变化敏感，这是由于高向内功率向管芯的传播。因此，通过管状波导谐振器可以识别不同具有不同蒸汽压力的样品，如水、盐酸、丙酮和氨。

为了进一步提高检测灵敏度和选择性，MPS结构被应用为一种THz人工材料来吸附蒸汽分子。基于有效介质概念定义了单位体积的THz吸收系数，并证明了该方法可以用于检测不同蒸汽分子。

在一个MPS传感器中，对几种分析物进行了测试，均能获得THz吸收和相位变化。THz吸收的增强主要是由于MPS中微孔内的蒸汽分子，它们限制在微孔中并吸附在孔面上，从而增加了THz波的吸收和相位延迟。

对于不同MPS的灵敏度可以通过将MPS暴露在不同VOC量下来测量，并且与VOC的分子偶极矩相关。 通过丙酮蒸汽分子的应用作为标准VOC，可以校准MPS的灵敏度性能。不同量的丙酮蒸汽通过丙酮水溶液的不同体积浓度制备，并通过加载在微流控腔内自然蒸发成蒸汽。根据实验设计，腔内的蒸汽压力约与丙酮水溶液的浓度成比例。

通过对Periodic-45-133和Periodic-90-249 MPS的测试，可以观察到吸收系数和相位变化的微孔尺寸效应。对于相同的微孔数量，将微孔尺寸缩小可以增加微孔内的分子占据密度，从而增加THz波的吸收和相位延迟。Periodic-45-133 MPS的灵敏度较高，与Periodic-90-249 MPS相比，其吸收系数和相位变化均显著增强。

综上所述，实验结果表明，MPS结构可以用于THz波的气体传感器，它可以通过吸附和吸附蒸汽分子来增强与极性气体分子的相互作用，从而增加吸收和相位变化，从而实现对不同气体的检测。MPS结构的灵敏度和选择性可以通过调整微孔尺寸和数量来控制，从而实现对不同气体的检测和区分。

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