一种用于废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，是一种用于废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器。

背景技术

由于废旧动力电池还具有一定的利用价值，为了提高资源的利用率，会对废旧动力电池进行回收处理。在对废旧动力电池进行回收处理时，会产生大量的粉尘和有毒气体，现有的回收设备一般仅仅是通过滤网或喷液的方式对废气进行简单过滤，这种过滤方式不能将粉尘和有毒气体完全去除，还是容易造成粉尘和有毒气体的外溢，进而容易造成空气污染，危害人类的身体健康。

废旧动力电池若不处理或处理不当，会严重污染环境，危害人体健康，也有可能产生安全隐患。动力电池正极材料中三元材料和磷酸铁锂会对水体和土壤造成污染；负极材料中的石墨粉，因其颗粒很小，易产生粉尘污染；电解液中的有机溶剂大多为醇类，易被人体皮肤吸收以及挥发性吸入，对人体造成危害；电解液中的溶质如六氟磷酸锂具有强腐蚀性，遇水或高温能够产生有毒气体氟化氢(HF)等，经由皮肤、呼吸接触对人体组织，粘膜和上呼吸道造成刺激，对动植物也有严重的腐蚀作用。因此，如何对对废旧动力电池妥善回收处理成为伴随着新能源产业发展的一个不容忽视的现实课题。

气体压强传感器是用于测量气体压强的仪器，气体压强的本质是气体原子或气体分子对容器壁的碰撞，反映气体的稀薄程度，对人们的生活、生产活动有非常重要的现实意义。目前应用比较广泛的一种气体压强传感器是水银气体压强计，利用水银重力与气体压力的平衡来测量，但人眼读数的精度是非常有限的，而且容易受到环境中其他因素的影响，另一种应用比较广泛的气体压强传感器是电子气体压强计，相较于水银气体压强计，其灵敏度更高、稳定性更好，但缺点也十分明显，例如容易受电磁干扰、制备工艺复杂、成本高等，同时其抗腐蚀性能差，在生物和化学领域，只能用于测量干燥、无腐蚀性环境中的气体压强。

气体浓度传感器是用来检测气体含量或浓度的传感器，可用于检测车体内气体、或废气排放等。目前常用的气体浓度传感器有半导体式气体传感器，它是利用一些金属氧化物半导体材料，在一定温度下，电导率随着环境气体成分或浓度的变化而改变的原理制造的，这种传感器成本低廉，适宜于民用气体检测的需求，但缺点也十分明显，如稳定性较差、受环境影响较大，尤其是，传感器的输出参数不是确定，不宜应用于计量准确要求的场所；再如热导池式气体传感器，利用气体自身特定的热导率制成，这种气体传感器可应用范围较窄，限制因素较多，只能测量少数几种气体。总之，目前的气体浓度传感器存在结构复杂、难以制作、灵敏度低、反应慢等问题。

随着现代光电子学的发展，光学器件在众多领域的应用越来越广泛，传统的光学衍射极限从理论上限制了光学器件的小型化和集成化，因此，研究学者们提出了表面等离子激元(SPPs)波导技术，这种技术在亚波长尺度打破了衍射极限的束缚，推动了纳米光子学在光学器件领域的运用与发展。金属-介质-金属(MIM)波导结构可以有效的激发出SPPs，且具有频率范围宽、损耗小、制作简单等优点，在纳米光学器件领域有广阔的发展前景。在不同的等离子激元模式下，SPPs会产生Fano共振效应，Fano共振是一种尖锐非对称线形的散射共振现象，对结构本身及外部环境十分敏感，因此，基于Fano共振的MIM波导结构可用于微纳光学传感器的设计与调试，具有结构简单、灵敏度高、传播损耗小等优良特性，并且在生物医学、化学检测、环境监测等领域具有重要应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器，克服了目前的气体浓度传感器噪声大、响应慢、灵敏度低、集成困难的问题。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供了一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器，本发明提供了以下技术方案：

一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器，所述传感器包括：基底层、金属层、空气波导、第一金属挡板、第二金属挡板、第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔；

基于x轴、y轴、z轴构成直角坐标系，在xy平面内：空气波导的几何中心为O

在xy平面内：虚线a为过O

在xy平面内：第一金属挡板的几何中心O

在xy平面内：第一半碗形谐振腔6由一个四分之一扇环、一个矩形和一个正方形并集而成，扇环的圆心为O

优选地，在xy平面内：第二半碗形谐振腔由一个四分之一扇环、一个矩形和一个正方形并集而成，扇环的圆心为O

优选地，所述的第一半碗形谐振腔与第二半碗形谐振腔关于虚线a呈轴对称；

所述的空气波导为空气，空气波导被第一金属挡板和第二金属挡板分割为三段。

优选地，所述的基底层为二氧化硒；

所述的金属层、第一金属挡板和第二金属挡板均为金。

一种废电池拆解的气体浓度检测装置，所述检测装置基于一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器。

一种废电池拆解的废气气体浓度检测装置，所述废气气压检测装置基于一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器。

一种应用于再生有机树脂复合型材装置上的废气浓度检测装置，所述检测装置基于一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器。

一种废电池拆解的气体浓度检测方法，所述方法基于一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器，其特征是：包括以下步骤：

第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔中均填充待测气体；在500nm～2000nm波长范围内，产生了四个Fano共振，由任一Fano共振峰的移动量，可得到待测气体的浓度；

第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔的结构参数影响Fano共振的波长；

第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔的扇环外径R

第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔的扇环内径R

第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔的矩形高度h增大时，四个Fano共振均发生蓝移，且共振峰的透射率均升高，其中FR1的蓝移幅度最小，FR2的蓝移幅度最大；

第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔中均填充待测气体，当待测气体的折射率n增大时，四个Fano共振均发生红移，其中FR1的红移幅度最小，FR4的红移幅度最大。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种废电池拆解的气体检测方法。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种废电池拆解的气体检测方法。

本发明具有以下有益效果：

本发明构建了一个对称劈裂碗形波导，该波导由两个半碗形谐振腔构成，对称劈裂碗形波导可引入多个光学共振，从而形成了多个尖锐的Fano共振峰，当谐振腔中充满待测气体时，通过测量Fano共振峰的移动量，即可得到待测气体的浓度，因此，本发明具有损耗小、品质因数高、噪声小、灵敏度高、集成化程度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明在xy平面内的结构示意图，为了便于结构的描述，保留了第一半碗形谐振腔6中矩形和正方形的内部边界，也保留了第二半碗形谐振腔7中矩形和正方形的内部边界；

图3是本发明在500nm～2000nm波长范围内的透射谱，透射谱中包含四个Fano共振，从左到右依次将四个Fano共振记为FR1、FR2、FR3、FR4；

图4是当第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的扇环外径R1由245nm变化至265nm，R1每次变化长度为5nm时，本发明的透射谱；

图5是当第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的扇环内径R2由200nm变化至220nm，R2每次变化长度为5nm时，本发明的透射谱；

图6是当第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的矩形高度h由35nm变化至75nm，h每次变化长度为10nm时，本发明的透射谱；

图7是当第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7中均填充待测气体，待测气体的折射率n由1.00变化至1.08，n每次变化量为0.02时，本发明的透射谱。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至图7所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本发明涉及一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器。

本发明的目的是这样实现的：一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器，对称劈裂碗形波导气体浓度传感器是由基底层1、金属层2、空气波导3、第一金属挡板4、第二金属挡板5、第一半碗形谐振腔6、第二半碗形谐振腔7组成的；

x轴、y轴、z轴构成直角坐标系；

在xy平面内：空气波导3的几何中心为O

在xy平面内：虚线a为过O

在xy平面内：第一金属挡板4的几何中心O

在xy平面内：第一半碗形谐振腔6由一个四分之一扇环、一个矩形和一个正方形并集而成，扇环的圆心为O

在xy平面内：第二半碗形谐振腔7由一个四分之一扇环、一个矩形和一个正方形并集而成，扇环的圆心为O

所述的第一半碗形谐振腔6与第二半碗形谐振腔7关于虚线a呈轴对称；

所述的空气波导3为空气，空气波导3被第一金属挡板4和第二金属挡板5分割为三段；

所述的基底层1为二氧化硒；

所述的金属层2、第一金属挡板4和第二金属挡板5均为金；

工作原理：本发明的材料和结构尺寸构成金属-介质-金属波导结构，因此，本发明可以激发表面等离子激元，并使表面等离子激元在本发明中传播；

入射光波从空气波导3的任一端进入本发明、并激发出表面等离子激元，表面等离子激元在空气波导3内沿x轴方向传播，当表面等离子激元传播到第一金属挡板4和第二金属挡板5处时，表面等离子激元由空气波导3耦合进入第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7，表面等离子激元可在第一半碗形谐振腔6与第二半碗形谐振腔7间相互耦合，然后表面等离子激元再由第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7耦合进入空气波导3，并从空气波导3的另一端输出；

本发明在500nm～2000nm波长范围内，产生了四个Fano共振，如附图3所示，从左到右依次将四个Fano共振记为FR1、FR2、FR3、FR4；

由于表面等离子激元在第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7发生共振，因此，第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的结构参数影响Fano共振的波长；

第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的扇环外径R

第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的扇环内径R

第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的矩形高度h增大时，四个Fano共振均发生蓝移，且共振峰的透射率均升高，如附图6所示，当第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的扇环内径R

本发明测量时，第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7中均填充待测气体；

待测气体的折射率与待测气体的浓度成单调关系，待测气体的浓度越高，待测气体的折射率越大，当待测气体的浓度变化时，会改变待测气体的折射率，进而导致Fano共振波长的变化，即Fano共振峰的移动，如附图7所示，当第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的扇环内径R

因此，本发明通过外接一台光谱仪采集本发明的透射谱，测量透射谱中Fano共振峰的移动量，就可得出待测气体折射率的变化量，然后，依据待测气体折射率与浓度间的关系，最终得到待测气体浓度的变化量、以及待测气体浓度。

具体实施例二：

基于现有技术的不足，本发明提供了一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器，克服了目前的气体浓度传感器噪声大、响应慢、灵敏度低、集成困难的问题；

本发明构建了一个对称劈裂碗形波导，该波导由两个半碗形谐振腔构成，对称劈裂碗形波导可引入多个光学共振，从而形成了多个尖锐的Fano共振峰，当谐振腔中充满待测气体时，通过测量Fano共振峰的移动量，即可得到待测气体的浓度，因此，本发明具有损耗小、品质因数高、噪声小、灵敏度高、集成化程度高的优点。

本发明的目的是这样实现的：对称劈裂碗形波导气体浓度传感器，它是由基底层1、金属层2、空气波导3、第一金属挡板4、第二金属挡板5、第一半碗形谐振腔6、第二半碗形谐振腔7组成的；

x轴、y轴、z轴构成直角坐标系；

在xy平面内：空气波导3的几何中心为O

在xy平面内：虚线a为过O

在xy平面内：第一金属挡板4的几何中心O

在xy平面内：第一半碗形谐振腔6由一个四分之一扇环、一个矩形和一个正方形并集而成，扇环的圆心为O

在xy平面内：第二半碗形谐振腔7由一个四分之一扇环、一个矩形和一个正方形并集而成，扇环的圆心为O

所述的第一半碗形谐振腔6与第二半碗形谐振腔7关于虚线a呈轴对称；

所述的空气波导3为空气，空气波导3被第一金属挡板4和第二金属挡板5分割为三段；

所述的基底层1为二氧化硒；

所述的金属层2、第一金属挡板4和第二金属挡板5均为金；

本发明构建了一个对称劈裂碗形波导，该波导由两个半碗形谐振腔构成，对称劈裂碗形波导可引入多个光学共振，从而形成了多个Fano共振峰，当谐振腔中充满待测气体时，通过测量Fano共振峰的移动量，即可得到待测气体的浓度，因此，本发明具有损耗小、品质因数高、噪声小、灵敏度高、集成化程度高的优点。本发明的技术特征如下：

(1)本发明测量时，第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7中均填充待测气体；

(2)本发明在500nm～2000nm波长范围内，产生了四个Fano共振，由任一Fano共振峰的移动量，可得到待测气体的浓度；

(3)第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的结构参数影响Fano共振的波长；

(4)第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的扇环外径R

(5)第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的扇环内径R

(6)第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7的矩形高度h增大时，四个Fano共振均发生蓝移，且共振峰的透射率均升高，其中FR1的蓝移幅度最小，FR2的蓝移幅度最大；

(7)第一半碗形谐振腔6和第二半碗形谐振腔7中均填充待测气体，当待测气体的折射率n增大时，四个Fano共振均发生红移，其中FR1的红移幅度最小，FR4的红移幅度最大。

具体实施例三：

本发明提供一种废电池拆解的气体浓度检测装置，所述检测装置一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器。

具体实施例四：

本发明提供一种废电池拆解的废气浓度检测装置，所述废气气压检测装置基于一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器。

具体实施例五：

本发明提供一种应用于再生有机树脂复合型材装置上的废气浓度检测装置，所述检测装置一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器。

具体实施例五：

一种废电池拆解的气体浓度检测方法，所述方法基于如权利要求1所述的气体检测装置，其特征是：包括以下步骤：

第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔中均填充待测气体；在500nm～2000nm波长范围内，产生了四个Fano共振，由任一Fano共振峰的移动量，可得到待测气体的浓度；

第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔的结构参数影响Fano共振的波长；

第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔的扇环外径R

第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔的扇环内径R

第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔的矩形高度h增大时，四个Fano共振均发生蓝移，且共振峰的透射率均升高，其中FR1的蓝移幅度最小，FR2的蓝移幅度最大；

第一半碗形谐振腔和第二半碗形谐振腔中均填充待测气体，当待测气体的折射率n增大时，四个Fano共振均发生红移，其中FR1的红移幅度最小，FR4的红移幅度最大。

具体实施例六：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种废电池拆解的气体检测方法。

具体实施例七：

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种废电池拆解的气体检测方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

以上所述仅是一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器的优选实施方式，一种废电池拆解的对称劈裂碗形波导气体浓度传感器的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。