科普｜乐甫波传感器——瓦斯爆炸预警的新方法
2019/6/6 20:00:00范淑瑶 中国科学院北京分院
我国煤矿资源丰富，为工业发展提供了充沛燃料以及各种化学化工原料。然而，矿井生产环境复杂，以瓦斯为代表的井下有毒有害气体中毒或者爆炸导致的矿难事故频繁发生，造成了巨大的人员伤亡与财产损失。
2018年10月15日，重庆市綦江区石壕镇梨园坝煤矿发生瓦斯爆炸，造成5人死亡。
2018年10月25日，四川省内江市双鹰煤炭老鹰岩井发生瓦斯爆炸事故，致4人死亡。
2018年12月24日，陕西省延安市华龙煤业公司贯屯煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成5人死亡。
2017年全国煤矿事故超过200起，致死375人。2018年1-8月全国共发生煤矿事故169起，死亡211人。由此可见，瓦斯中毒与爆炸是煤矿安全的“第一杀手”。
什么是瓦斯？
甲烷(CH4)是井下瓦斯的主要成分，约占 83%~89%。它是一种无色无味、易燃易爆的气体，空气中爆炸的下限体积浓度约为5%。煤矿开采中，瓦斯爆炸是造成矿难的主要原因，因此，空气中甲烷浓度是生产中最重要的监测对象。
这里，我们隆重推出今天的主角，一种基于乐甫(Love)波的新型声学瓦斯传感器，它反应快速，可以帮助我们提前预警瓦斯浓度，从而避免财产损失和重大爆炸事故。
小伙伴们可能会问：“听说过声波、电磁波，这个乐甫波，究竟是什么啊？”
其实，乐甫波就是声波的一种，具体来说，它是声表面波的一种。
什么是声表面波？
大家都知道地震的强大影响力，可以称之为“惊天动地”，那么，其中最大的黑手是什么呢？很多小伙伴们可能知道在固体里传播的声波有横波，有纵波。其实，这俩在地震过程中所带来的危害还是比较温和的，最活跃、破坏值最大的是声表面波。地震中的表面波好比是同时作用的纵波和横波，让建筑物上下前后地摇摆扭曲，最后支离破碎了.....
图1 地震中的声波
声表面波在地震中是个小魔头，但是，如果把它利用起来，就可以“变害为宝”帮上大忙。
怎么利用呢？有种叫“压电晶体”的材料很有意思，它可以将电变成一种力的作用，然后质点振动就形成了沿压电晶体表面传播的声表面波。随着科技的进步，人们逐渐可以制作微小机械的工艺，因此，小型的声表面波器件就诞生了。
当你用手机接听清晰语音、收听美妙音乐的时候，其实都有各种各样的声表面波器件在默默工作哦。
图2 用于手机的声表面波器件
那声表面波还可以做什么？乐甫波跟声表面波有什么关系呢？
一片树叶掉到水里波纹上，水波很快就会有变化；那如果有一片“小树叶”掉到了声表面波上会出现什么结果呢？
图3 声表面波传感原理
树叶对水面产生了力的作用，导致了水波纹振动的变化。那么，声表面波传播的时候，如果出现外力作用，声表面波也会有瞬时反应的哦，比如它的速度变了，振动幅度变了。把这些变化收集起来，它就摇身一变，成为功能强大的传感器了。当然，如果在它表面加一层能捕捉气体分子的敏感材料，也可以做成气体传感器。现在已经出现了各种各样的传感器，声表面波很厉害吧？
图4 声表面波传感器
乐甫(LOVE)波是什么？
声波在空气、水里、墙壁里传播的速度是不一样的，究其原因，还是传播介质的差异。同样，声表面波在不同的压电晶体里传播也会有不同，所以，声表面波这个小家庭里面的成员不少，有瑞利波、表面掠射波、伪表面波，当然，还有咱们前面提到的乐甫(LOVE)波。
图5 声波的分类
Love波是因为英国科学家A.E.H.Love建立了这种波的数学模型而得名的，故它又称为乐甫波。
乐甫波的激励是需要条件的。我们需要在压电晶体的表面加一层波导层，而且，波导层的声波速度要小于压电晶体。就像水往低处流一样，声波能量也会往低速的介质集中，这就是波导效应，形成的声波模式也就是乐甫波。
图6 表面掠射波转化成乐甫波的过程
乐甫波瓦斯传感器怎么工作？
瓦斯传感器的基本要求首先是要能捕捉到瓦斯气体分子，而且还不能抓错了。这个时候，一个叫穴番A(cryptophane-A，一种超分子化合物，对甲烷有良好的特异选择性)的小帮手出现了，因为它自己有个小口袋，正好可以把瓦斯气体分子塞进去；“吃饱了”瓦斯气体分子的穴番A发胖了，让穴番A身后的乐甫波感受到了压力，然后就赶紧向人类报告：有瓦斯，瓦斯浓度多少多少……
图7 穴番-A 吸附甲烷分子
乐甫波瓦斯传感器跟别的传感器有什么不一样呢？
首先，它的灵敏度比较高，因为就跟水波纹一样，它对一丁点的作用力都会有很大的反应；
然后，它反应很快，只要提供作用力，就会产生瞬时反应；
还有，它说温度对工作状态的影响不大，因为它自己可以通过跟压电晶体温度响应相反的波导层来抵消温度的影响；
最后，它需要的能量很少，一节小电池就可以工作很久，特别是在煤矿井下这种复杂环境里，很有优势。
现在，你知道乐甫波瓦斯传感器是怎样工作了吗？你还能想到用乐甫波检测其他气体吗？
作者：范淑瑶/中科院声学所 超声技术中心
王文、王荣泉对本文亦有贡献
来源：中科院声学所供稿
http://weixin.100md.com
返回 中国科学院北京分院 返回首页 返回百拇医药