一種基於長周期光纖光柵的甲烷傳感裝置的製作方法

2023-05-11 04:47:56

專利名稱：一種基於長周期光纖光柵的甲烷傳感裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光纖傳感技術領域，具體涉及一種獲取甲烷濃度的基於敏感膜折射率變化的長周期光纖光柵甲烷傳感裝置。
背景技術：
甲烷是礦井瓦斯主要成分，在空氣中極易發生爆炸，被視為煤礦事故的「頭號殺手」。同時，甲烷也是天然氣、沼氣和多種液體燃料的主要成分，是重要工業原料和日常生活燃氣。因此，及時檢測甲烷氣體的濃度，對於煤礦安全生產和甲烷安全使用具有重要作用。目前，用於甲烷氣體濃度檢測的方法有多種，主要包括半導體型、接觸燃燒型、電化學型、光學型等氣體傳感器。光纖傳感器是一種具有電絕緣性好、抗電磁幹擾能力強、防爆、可遠距離長期在線測量、傳感單元結構簡單、穩定可靠、易於組成光纖傳感網絡等特點的光學型氣體傳感器，特別適宜惡劣和危險環境下甲烷濃度測量。Mit, Suozhu Wu^CAnalytica Chimica Acta, 2009, 633: 238^243; Chinese Chemical Letters, 2009, 20: 21(T212)提出一種基於籠形分子A的模式濾光甲烷傳感方法，其傳感裝置主要由He-Ne雷射二極體光源(635nm)、纖芯直徑300 μ m的光纖傳感器、含籠形分子A的矽樹脂甲烷敏感膜(該矽樹脂即為聚矽氧烷，其折射率1. 41左右)、電荷耦合器件(CCD)和計算機等組成，其甲烷傳感過程對傳感器塗覆敏感膜的均勻性和雷射入射至光纖纖芯角度的穩定性具有較高的要求。M. Benounis等(Sensors and Actuators B, 2005, 107: 32 39)提出一種基於塑料包層石英纖芯(PCS)的光纖甲烷傳感方案，傳感裝置主要由雷射二極體光源(670nm)、護套直徑為400 μ m的PCS光纖傳感器、厚度5 μ m的含籠形分子的聚矽氧烷甲烷敏感膜、光電探測器(320 IlOOnm矽光電二極體)和計算機組成，其甲烷檢出限僅2%，且PCS光纖存在遠距離傳輸損耗大、與普通標準通訊光纖不匹配、 成本高、工程應用困難等問題。楊建春等(ZL200710093035. 4)提出一種基於纖芯失配的光纖甲烷傳感系統，傳感裝置主要由發光二極體光源(1310nm)、纖芯失配型光纖傳感器、含籠形分子的聚矽氧烷甲烷敏感膜、光電探測器(700 1700nm光功率計)和計算機組成；該傳感系統採用價廉的標準通訊光纖作為傳感材料，代替上述價格昂貴的PCS光纖，具有傳輸損耗小、成本低、使用方便等特點，但這種方法的傳感信號屬於強度調製，工作時易受電源、 電壓、溫度和溼度等因素影響。同時，CN101183076A(—種薄膜螢光檢測甲烷的方法)提出將含籠形分子A、聚氯乙烯、葵二酸二辛酯的四氫呋喃溶液旋塗於石英片上形成甲烷敏感膜， 該傳感器的檢測信號為螢光強度，不涉及敏感膜折射率。長周期光纖光柵是一種新型的光致纖芯折射率變化的光纖器件，其周期遠大於一般的光纖光柵，它具有插入損耗小、背向反射低、傳感特性好以及製作工藝簡單、成本低等優點；且其傳感信號屬于波長調製，可避免測量過程中光強波動及光纖損耗的影響；長周期光纖光柵折射率敏感特性非常高，特別適合化學傳感，尤其適宜易燃、易爆、強電磁幹擾環境中有毒有害物質的檢測。
對於直接與氣體或液體等介質接觸的長周期光纖光柵而言，其諧振波長對介質折射率的敏感區是1. 40 1. 45，而對低於1. 40的折射率變化幾乎不響應(Patrick H J et al. , Journal of Lightwave Technology, 1998，16(9) : 1606 1612)；而通常情況下氣體折射率近似為1，故長周期光纖光柵難以直接用於氣體檢測，這在很大程度上限制了其在化學檢測方面的應用。如果在長周期光纖光柵包層表面塗覆一層具有氣敏特性的化學敏感薄膜，則可突破長周期光纖光柵用於氣體檢測的局限性(Nicholas D R et al. , Optics Letters, 2002, 27(9) 686 688)。而對於甲烷氣體的檢測而言，若直接將上述的含籠形分子的聚矽氧烷甲烷敏感膜塗覆於長周期光纖光柵包層表面形成甲烷傳感器，則對甲烷氣體的靈敏度差，無法實現對甲烷氣體濃度的檢測。對此，徐豔平等(上海理工大學學報，2005，27(3): 215 218)採用耦合模理論建立了長周期光纖光柵薄膜傳感器的理論模型，分析其傳感機理，並進行氣敏實驗；表明敏感膜折射率1. 57、膜厚500nm時，傳感器靈敏度最佳，並以溶膠_凝膠法塗覆二氧化錫薄膜的長周期光纖光柵乙醇蒸氣傳感實驗進行了驗證。彭勇等(大連海事大學學報，2007，33(2) 27 31)採用溶膠-凝膠法將折射率大於包層折射率的二氧化矽-三氧化鎢複合薄膜塗覆於長周期光纖光柵包層表面，當敏感膜折射率1. 67、膜厚278nm時，長周期光纖光柵諧振波長變化率最大，靈敏度最高，並開展了長周期光纖光柵一氧化氮氣體傳感實驗。Zhi Wang等 (APOC'05, Shanghai, 2005，6019-48)提出聚合物敏感膜折射率為1. 4(Tl. 45的長周期光纖光柵氣體傳感器，但其需用氫氟酸腐蝕光纖來減小光柵包層直徑，以提高傳感器靈敏度， 然而腐蝕後的光柵包層直徑較小，實際應用困難，且只進行了理論分析，未開展氣體傳感實驗。因此，當建立一種包層未腐蝕的長周期光纖光柵甲烷傳感方法及裝置時，若甲烷敏感膜厚度約為500nm，則適宜的敏感膜折射率為1.57左右，此時的甲烷傳感器才具有較高的靈敏度。

發明內容
本發明目的在於克服現有技術的不足，充分發揮聚合物材料苯乙烯-丙烯腈樹脂 (即苯乙烯-丙烯腈共聚物，Styrene-acrylonitrile copolymer)折射率高、含籠形分子E 的苯乙烯-丙烯腈樹脂敏感膜對甲烷氣體高度選擇性、長周期光纖光柵的波長調製和折射率敏感等特點，提出一種基於長周期光纖光柵的甲烷傳感裝置，該傳感過程是以含籠形分子E的苯乙烯-丙烯腈樹脂敏感膜作為甲烷敏感材料，並塗覆於長周期光纖光柵包層表面形成甲烷傳感器，即可實現對甲烷氣體高靈敏度、高選擇性地檢測。為實現上述發明目的，本發明所採取的技術方案如下
一種基於長周期光纖光柵的甲烷傳感裝置，它包括寬帶光源、塗有聚合物敏感膜的光纖傳感器、測試氣室、開關閥門、質量流量控制器、光譜分析儀和計算機構成。所述塗有聚合物敏感膜的光纖傳感器前端連接寬帶光源，後端依次連接光譜分析儀和計算機；光纖傳感器位於測試氣室內，測試氣室有通入待測甲烷氣體的進氣口和出氣口，進氣口通過開關閥門連接控制待測甲烷氣體的質量流量控制器。所述光纖傳感器採用長周期光纖光柵，聚合物敏感膜塗覆於長周期光纖光柵包層表面。所述含籠形分子E的苯乙烯-丙烯腈樹脂甲烷敏感膜是將籠形分子E先溶於二氯甲烷，然後向該混合溶液中加入苯乙烯-丙烯腈樹脂，混合均勻而得。所述試劑用量分別為籠形分子E150 μ mol，二氯甲烷15mL，苯乙烯-丙烯腈樹脂lg。 該傳感裝置的工作過程如下
長周期光纖光柵諧振波長< 由下式給出
權利要求
1.一種基於長周期光纖光柵的甲烷傳感裝置，其包括有寬帶光源、塗有聚合物敏感膜的光纖傳感器、測試氣室、開關閥門、質量流量控制器、光譜分析儀和計算機；所述塗有聚合物敏感膜的光纖傳感器前端連接寬帶光源，後端依次連接光譜分析儀和計算機；所述光纖傳感器位於測試氣室內，測試氣室有通入待測甲烷氣體的進氣口和出氣口，進氣口通過開關閥門連接控制待測甲烷氣體的質量流量控制器；其特徵在於所述光纖傳感器採用長周期光纖光柵，聚合物敏感膜塗覆於長周期光纖光柵包層表面，所述聚合物敏感膜為含籠形分子E的苯乙烯-丙烯腈樹脂甲烷敏感膜，其膜厚為500 600nm ；所述含籠形分子E的苯乙烯-丙烯腈樹脂甲烷敏感膜是將籠形分子E先溶於二氯甲燒，然後向該混合溶液中加入苯乙烯-丙烯腈樹脂，混合均勻而得，所述試劑用量分別為籠形分子E150 μ mol，二氯甲烷15mL，苯乙烯-丙烯腈樹脂lg。
2.根據權利要求1所述的基於長周期光纖光柵的甲烷傳感裝置，其特徵在於所述長周期光纖光柵由康寧SMF-觀單模光纖製作，其參數為光柵周期40(Γ520μπι、光柵長度 l(T40mm、透射損耗2(T40dB、諧振波長初始值1520 1580歷。
3.根據權利要求1或2所述的基於長周期光纖光柵的甲烷傳感裝置，其特徵在於所述含籠形分子E的苯乙烯-丙烯腈樹脂甲烷敏感膜的折射率為1. 57。
4.根據權利要求1或2所述的基於長周期光纖光柵的甲烷傳感裝置，其特徵在於所述寬帶光源採用光譜範圍146(Tl620nm的寬帶光源。
5.根據權利要求1或2所述的基於長周期光纖光柵的甲烷傳感裝置，其特徵在於所述光譜分析儀為600 1700nm波長範圍的光譜分析儀。
全文摘要
一種基於長周期光纖光柵的甲烷傳感裝置，由寬帶光源、塗有聚合物敏感膜的光纖傳感器、測試氣室、開關閥門、質量流量控制器、光譜分析儀和計算機構成。塗有聚合物敏感膜的光纖傳感器前端連接寬帶光源，後端依次連接光譜分析儀和計算機。其中，光纖傳感器採用長周期光纖光柵；聚合物敏感膜為含籠形分子E的苯乙烯-丙烯腈樹脂甲烷敏感膜，其塗覆於長周期光纖光柵包層表面；當待測甲烷氣體與長周期光纖光柵包層表面的敏感膜發生作用時，改變敏感膜折射率，使長周期光纖光柵諧振波長發生移動，通過分析傳感器與甲烷氣體接觸前後光柵諧振波長的移動量，即可獲取待測甲烷氣體濃度。本發明具有結構簡單、靈敏度高和選擇性好等特點。
文檔編號G01N21/25GK102183485SQ20101059370
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者朱廣琴, 楊建春, 陳偉民, 陶傳義 申請人:重慶大學