CN101059443A

CN101059443A - 一种光纤气体传感器

Info

Publication number: CN101059443A
Application number: CN 200710078560
Authority: CN
Inventors: 侯长军; 霍丹群; 张红英; 廖海洋; 郑小林; 侯文生; 杨军; 皮喜田
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: CN100567965C

Abstract

一种光纤气体传感器，涉及检测光气及挥发性有机气体的光纤气体传感器。本发明传感器主要包括入射光线和出射光纤、反应池及金属卟啉溶液等。由于本发明传感器具有操作简单、成本低廉；能使待测气体与金属卟啉溶液敏感物质充分反应，显著提高检测的灵敏度；同一反应池能对多种目标气体同时进行有效检测；从反应池的加料口加入不同的金属卟啉溶液，就能对不同的目标气体进行有效检测，检测范围广等特点，故本发明传感器可广泛应用于厂房装修、室内装修、工业生产及精细化工等行业中检测光气及挥发性有机物气体，有利于环境保护和人们的身心健康。

Description

一种光纤气体传感器

技术领域：

本发明属于有害气体检测的技术领域，特别涉及检测光气及挥发性有机物气体的光纤气体传感器。

背景技术：

光气及挥发性有机物(VOCs)气体，如：苯、甲苯、二甲苯、乙醛、丙醛、甲醇、乙醇、乙烷、三乙胺等是人类生存环境和工业生产中，如化学及化学制品、石油及煤制品、印刷业、鞋及成衣制品和橡胶制品中普遍存在的有机污染物，需要检测分析。VOCs气体易通过呼吸道、消化道和皮肤进入人体而产生毒害，可引起人体感官刺激以及其他许多不适症状，VOCs气体长期暴露对人体具有致畸、致突变和致癌等危害，也是产生不良建筑物综合征(SBS)的主要原因之一。光气是一种特殊的工业生产原料，它具有极大的毒性，十分微量的光气就足以使一名成年人丧命。因此开发一种灵敏度高、结构简单、实用安全方便的检测光气及VOCs气体的光纤气体传感器对治理污染，保护环境具有实际重要的意义。

现有检测光气及挥发性有机物(VOCs)气体的方法，主要有气相色谱法、色谱-质谱联用仪和传感器技术。但直读式色谱-质谱联用价格昂贵，不易推广应用，而直读仪器的检测误差较大，不能准确定量。热解吸-气相色谱法在实施该方法中发现热解吸率较低，达不到所规定的准确度。检测气体的传感器一般有压电传感器和吸收光谱型传感器。压电传感器难以实现单一物质选择性检测，但与色谱分离技术结合后，有望克服这一缺陷，实现物质的选择性检测，工作温度高，功耗大，器件制作工艺复杂，选择性差等缺点；吸收光谱型传感器利用不同物质的吸收光波长不同，采用不同波长的光入射，可以测定不同的物质，该波长的光与其它物质相互作用后，波长会发生移动，通过信号采集和处理系统计算从而确定该物质的浓度。在吸收型传感器中光纤传感器又具有独特的优点：灵敏度高，质量轻，传输损耗少，可传输信号的频带宽，电绝缘性能好，耐火、耐水性好，抗电磁干扰性强，可绕行好，可实现不带电的全光纤探头等优点。

如申请号为200510012344.5的“一种光纤气体传感器”专利，公开的光纤气体传感器包括：有普通实心光纤连接的光源、耦合器、气体吸收池、对比光纤、光电探测器，信号采集和处理系统。该专利是气体直接与光纤传感器的固体敏感物质接触，存在着气体吸附量有限，气体物质与敏感物质不能充分接触和充分反应，从而使灵敏度降低；敏感物质为一次性使用，由于敏感物质与气体不能充分接触和充分反应，会造成资源浪费；光纤采用单进单出的形式，检测的是目标物质的某个信息，存在着选择性识别能力差等缺点而影响此类传感器的推广和应用。

发明内容：

本发明的目的是针对现有光纤气体传感器的不足之处，提供一种光纤气体传感器。该传感器具有气体敏感性好、性能稳定、选择性识别能力强、灵敏度高、响应时间短、使用安全方便及可检测光气及多种易挥发性的有机化合物等特点。通过构建金属卟啉溶液光纤气体传感器，克服了现有光纤传感器敏感物质与气体不能充分接触和充分反应，造成资源浪费选择性识别能力差，灵敏度低等缺点。

本发明的原理是：卟啉为大环π电子离域体系、外环上可接多种取代基、中心金属可以改变、即分子具有可修饰性，有很强的吸光特性，尤其是与过渡金属络合后。由于卟啉含有一大共轭体系，拥有生色基团，所以利用紫外、红外、荧光、磷光、拉曼等光谱技术都可以检测到它的微小变化。当遇到光气及挥发性有机物时，波长发生移动，遇到不同的挥发性有机物，波长移动的距离不同，从而确定具体的物质。例如，已有的研究发现：钴卟啉对甲醇和乙醇等类物质和己烷等烷类具有有灵敏性，锌卟啉对光气、苯、甲苯、二甲苯等芳香类和三甲胺等胺类物质具有有灵敏性，锰卟啉对乙醛、丙醛等醛类物质和胺类物质具有敏感性，铑卟啉对己烷等烷类具有有灵敏性，铅卟啉对氨和胺类物质具有灵敏性，铁卟啉对芳香类、胺类和烷烃类物质具有灵敏性。因此用钴、锌、锰、铑、铅和铁卟啉及一些其他金属卟啉制成的敏感元件能成功地对光气、三乙胺、己烷、乙醇、甲醇、苯等气体进行检测。

本发明的目的是这样实现的：一种光纤气体传感器主要包括入射光纤和出射光纤、反应池和金属卟啉溶液等。入射光纤和出射光纤分别为2～4根，并分别对称而均匀地固定连接在反应池的两侧，2～4根入射光纤的另一端与光源系统连接，用作传入光信号，2～4根出射光纤的另一端与微型光谱仪及信号处理系统连接，以便将反应池内反应后的光信号传出进行分析处理，从而实现对目标气体识别。反应池为长方形或对称双锥型或椭圆形的玻璃壳体，其长度为10～15mm，宽4～12mm，其内均匀分隔为2～4个小反应池，各小反应池内分别装有不同的金属卟啉溶液，作为敏感物质与待测的目标物质进行反应。在各小反应池的上端壳体的一端上，分别设置一排气口，在排气口上固接一排气管，在排气管内装设一单向阀，以便自动控制小反应池内气、夜压力。当小反应池内待测气体的压力大于金属卟啉溶液的液压时，单向阀自动关闭，从而保证待测气体与金属卟啉溶液的接触反应。在各小反应池下端壳体的另一端上，分别设置一通气口，在通气口上固接一通气管，在通气管内装设有加气泵及单向阀，以便向各小反应池内送入待测的目标气体，并使气体与金属卟啉溶液充分接触，以提高检测的灵敏度。在各小反应池上端壳体对应于排气口的另一端上，分别设置一加料口，在加料口上固接一加料管，在加料管的顶端装设一弹性塞子，用以方便地向反应池内加入不同的金属卟啉溶液敏感物质及清洗各小反应池的清洗液。在各小反应池下端壳体对应于通气管的另一端上设置一排液口，在排液口上固接一排液管，在排液管内装设一单向阀，以便排放出各小反应池内的金属卟啉溶液及清洗液。排液与加料的配合就完成了方便地清洗小反应池及更换各小反应池内的金属卟啉溶液的功能，并保证各小反应池检测的精度。放置于各小反应池内的金属卟啉溶液为将钴卟啉、锌卟啉、锰卟啉、铑卟啉、铅卟啉和铁卟啉等中的2～4种金属卟啉分别溶于有机溶剂中，其有机溶剂为氯仿或氯苯或二甲基甲酰胺，溶液浓度为3×10^-8～8×10^-8mol/l，金属卟啉的具体种类和数量根据需检测的目标气体确定。由于钴卟啉对甲醇和乙醇等醇类物质和己烷等烷类具有有灵敏性，锌卟啉对光气、苯、甲苯、二甲苯等芳香类和三甲胺等胺类物质具有有灵敏性，锰卟啉对乙醛、丙醛等醛类物质和胺类物质具有敏感性，铑卟啉对己烷等烷类具有有灵敏性，铅卟啉对氨和胺类物质具有灵敏性，铁卟啉对芳香类、胺类和烷烃类物质具有灵敏性。因此本发明传感器用钴、锌、锰、铑、铅和铁卟啉及一些其他金属卟啉制成的敏感元件，对光气、三乙胺、己烷、乙醇、甲醇、苯等气体进行检测。

本发明采用上述技术方案后，主要特点是：本发明传感器具有结构简单、成本低廉；敏感物质金属卟啉溶于有机溶剂并形成金属卟啉溶液加入反应池中，反应池的长度为10～15mm，宽4～12mm，即每次加入的卟啉溶液的总量很少；待测气体从反应池下方的通气口加入，又因光气及VOCs气体易溶于有机溶剂，从而使光气及VOCs气体与金属卟啉溶液敏感物质充分反应，显著提高检测的灵敏度；同一反应池能对多种目标气体同时进行有效检测；从反应池的加料口加入不同的金属卟啉溶液，就能对不同的目标气体进行有效检测，检测范围广等。本发明可广泛应用于厂房装修、室内装饰、工业生产和精细化工等行业中光气及挥发性有机物气体的检测，有利于环境保护和人们的身心健康。

附图说明

图1：为本实施例1的结构图；

图2：为图1的俯视图；

图3：为用本实施例1的传感器检测气体的原理图。

图中：1入射光纤，2反应池，3排液管，4单向阀，5通气管，6单向阀，7加气泵，8出射光纤，9金属卟啉溶液，10加料管，11弹性塞子，12单向阀，13排气管，14光源系统，15微型光谱仪，16信号采集处理系统。

具体实施方式

下面结合具体实施方式进一步说明本发明。

实施例1

如图1～2所示，一种光纤气体传感器，主要包括入射光纤1和出射光纤8、反应池2和金属卟啉溶液9等。入射光纤1和出射光纤8分别为4根，并分别对称而均匀地胶粘结在反应池2的两侧，4根入射光纤1的另一端与光源系统14连接，用作传入光信号，4根出射光纤8的另一端与微型光谱仪15及信号处理系统16连接，以便将反应池2内反应后的光信号传出进行分析处理，从而实现对目标气体识别。反应池2为长方形的玻璃壳体，其长度为10mm，宽12mm，其内均匀分隔为4个小反应池，各小反应池内分别装有不同的金属卟啉溶液9，作为敏感物质与待测的目标物质进行反应。在各小反应池的上端壳体的一端上，分别设置一排气口，在排气口上用胶粘结一排气管13，在排气管13内装设一单向阀12，以便自动控制小反应池内气、液压力。当小反应池内待测气体的压力大于金属卟啉溶液9的液压时，单向阀12自动关闭，从而保证待测气体与金属卟啉溶液9的接触反应。在各小反应池下端壳体的另一端上，分别设置一通气口，在通气口上用胶粘结一通气管5，在通气管5内装设有加气泵7及单向阀6，以便向各小反应池内送入待测的目标气体，并使气体与金属卟啉溶液9充分接触，以提高检测的灵敏度。在各小反应池上端壳体对应于排气口的另一端上，分别设置一加料口，在加料口上用胶粘结一加料管10，在加料管10的顶端装设一弹性塞子11，用以方便地向反应池2内加入不同的金属卟啉溶液9敏感物质，及清洗各小反应池的氯仿。在各小反应池下端壳体对应于通气管的另一端上设置一排液口，在排液口上用胶粘结一排液管3，在排液管3内装设一单向阀4，以便排放出各小反应池内的金属卟啉溶液9及氯仿清洗液。排液与加料的配合就完成了方便地清洗小反应池及更换各小反应池内的金属卟啉溶液9的功能，并保证各小反应池检测的精度，检测限达ppm级。放置于各小反应池内的金属卟啉溶液9为将钴卟啉、锌卟啉、锰卟啉、铑卟啉4种金属卟啉分别溶于有机溶剂氯仿中，溶液的浓度为3×10^-8mol/l。对光气、乙醇、甲醇、苯、甲苯、二甲苯、乙醛、丙醛等气体进行检测。

实施例2

一种光纤气体传感器，主要包括入射光纤1和出射光纤8、反应池2和金属卟啉溶液9等。入射光纤1和出射光纤8分别为2根，并分别对称而均匀地胶粘结在反应池2的两侧，2根入射光纤1的另一端与光源系统14连接，用作传入光信号，2根出射光纤8的另一端与微型光谱仪15及信号处理系统16连接，以便将反应池2内反应后的光信号传出进行分析处理，从而实现对目标气体识别。反应池2为对称双锥型的玻璃壳体，其长度为15mm，宽4mm，其内均匀分隔为2个小反应池，各小反应池内分别装有不同的金属卟啉溶液9，作为敏感物质与待测的目标物质进行反应。在各小反应池的上端壳体的一端上，分别设置一排气口，在排气口上用胶粘结一排气管13，在排气管13内装设一单向阀12，以便自动控制小反应池内气、液压力。当小反应池内待测气体的压力大于金属卟啉溶液9的液压时，单向阀12自动关闭，从而保证待测气体与金属卟啉溶液9的接触反应。在各小反应池下端壳体的另一端上，分别设置一通气口，在通气口上用胶粘结一通气管5，在通气管5内装设有加气泵7及单向阀6，以便向各小反应池内送入待测的目标气体，并使气体与金属卟啉溶液9充分接触，以提高检测的灵敏度。在各小反应池上端壳体对应于排气口的另一端上，分别设置一加料口，在加料口上用胶粘结一加料管10，在加料管10的顶端装设一弹性塞子11，用以方便地向反应池2内加入不同的金属卟啉溶液9敏感物质及清洗各小反应池的氯苯。在各小反应池下端壳体对应于通气管的另一端上设置一排液口，在排液口上用胶粘结一排液管3，在排液管3内装设一单向阀4，以便排放出各小反应池内的金属卟啉溶液9及氯苯清洗液。排液与加料的配合就完成了方便地清洗小反应池及更换各小反应池内的金属卟啉溶液9的功能，并保证各小反应池检测的精度，检测限达ppm级。放置于各小反应池内的金属卟啉溶液9为将铅卟啉和铁卟啉2种金属卟啉分别溶于有机溶剂氯苯中，溶液的浓度为8×10^-8mol/l。对三乙胺、己烷、苯、甲苯、二甲苯、等挥发性有机物气体进行检测。

实施例3

一种光纤气体传感器，主要包括入射光纤1和出射光纤8、反应池2和金属卟啉溶液9等。入射光纤1和出射光纤8分别为3根，并分别对称而均匀地胶粘结在反应池2的两侧，3根入射光纤1的另一端与光源系统14连接，用作传入光信号，3根出射光纤8的另一端与微型光谱仪15及信号处理系统16连接，以便将反应池2内反应后的光信号传出进行分析处理，从而实现对目标气体识别。反应池2为椭圆形的玻璃壳体，其长度为13mm，宽9mm，其内均匀分隔为3个小反应池，各小反应池内分别装有不同的金属卟啉溶液9，作为敏感物质与待测的目标物质进行反应。在各小反应池的上端壳体的一端上，分别设置一排气口，在排气口上用胶粘结一排气管13，在排气管13内装设一单向阀12，以便自动控制小反应池内气、液压力。当小反应池内待测气体的压力大于金属卟啉溶液9的液压时，单向阀12自动关闭，从而保证待测气体与金属卟啉溶液9的接触反应。在各小反应池下端壳体的另一端上，分别设置一通气口，在通气口上用胶粘结一通气管5，在通气管5内装设有加气泵7及单向阀6，以便向各小反应池内送入待测的目标气体，并使气体与金属卟啉溶液9充分接触，以提高检测的灵敏度。在各小反应池上端壳体对应于排气口的另一端上，分别设置一加料口，在加料口上用胶粘结一加料管10，在加料管10的顶端装设一弹性塞子11，用以方便地向反应池2内加入不同的金属卟啉溶液9敏感物质及清洗各小反应池的二甲基甲酰胺。在各小反应池下端壳体对应于通气管的另一端上设置一排液口，在排液口上用胶粘结一排液管3，在排液管3内装设一单向阀4，以便排放出各小反应池内的金属卟啉溶液9及二甲基甲酰胺清洗液。排液与加料的配合就完成了方便地清洗小反应池及更换各小反应池内的金属卟啉溶液9的功能，并保证各小反应池检测的精度，检测限达ppm级。放置于各小反应池内的金属卟啉溶液9为将钴卟啉、铑卟啉和铁卟啉3种金属卟啉分别溶于有机溶剂二甲基甲酰胺中，溶液的浓度为5×10^-8nmol/l。对乙醇、甲醇、苯等挥发性有机物气体进行检测。

本发明检测气体的工作过程：如图3所示，利用本发明传感器检测气体的完整装置由光源系统，光纤气体传感器，微型光谱议和信号采集和处理系统。从加料口加入金属卟啉溶液，使反应池上方有一定的空隙，当加气泵工作时，待测气体在加气泵的推动下加入反应池，使其在反应池中充分反应，压强超过气液平衡的压力时，气体由排空管经单向阀排出，当气液又达到平衡时，单向阀自动关闭。当反应完全后，光源系统开始工作，形成传感器的入射光部分。当入射光射到金属卟啉溶液上时，同目标气体反应后的金属卟啉溶液会对光源信号中某些固定波长光信号产生吸收作用。该段波长能量被吸收后，改变后的入射光由出射光纤传至微型光谱仪，再到信号采集和处理系统。金属卟啉溶液有一定的吸收波长，与光气及挥发性有机化合物作用，波长发生移动，当气体不同时，波长移动的距离不同，气体再通过信号采集和处理计算，模式识别，并得到最后的识别结果。最后，金属卟啉溶液由排液管排出。

Claims

1.一种光纤气体传感器，主要包括入射光纤(1)、出射光纤(8)、反应池(2)，其特征在于还有金属卟啉溶液(9)，入射光纤(1)和出射光纤(8)分别为2～4根，并分别对称而均匀地固定连接在反应池(2)的两侧，2～4根入射光纤(1)的另一端与光源系统(14)连接，2～4根出射光纤(8)的另一端与微型光谱仪(15)及信号处理系统(16)连接，反应池(2)为长方形或对称双锥型或椭圆形的玻璃壳体，其长度为10～15mm，宽4～12mm，其内均匀分隔为2～4个小反应池，各小反应池内分别装有不同的金属卟啉溶液(9)，在各小反应池的上端壳体的一端上，分别设置一排气口，在排气口上固接一排气管(13)，在排气管(13)内装设一单向阀(12)，在各小反应池下端壳体的另一端上，分别设置一通气口，在通气口上固接一通气管(5)，在通气管(5)内装设有加气泵(7)及单向阀(6)，在各小反应池上端壳体对应于排气口的另一端上，分别设置一加料口，在加料口上固接一加料管(10)，在加料管(10)的顶端装设一弹性塞子(11)，在各小反应池下端壳体对应于通气管的另一端上设置一排液口，在排液口上固接一排液管(3)，在排液管(3)内装设一单向阀(4)，放置于各小反应池内的金属卟啉溶液(9)为将钴卟啉、锌卟啉、锰卟啉、铑卟啉、铅卟啉和铁卟啉中的2～4种金属卟啉分别溶于有机溶剂中，其有机溶剂为氯仿或氯苯或二甲基甲酰胺，溶液浓度为3×10^-8～8×10^-8mol/l，金属卟啉的具体种类和数量根据需检测的目标气体确定。

2.按照权利要求1所述的一种光纤气体传感器，其特征在于一种光纤气体传感器，主要包括入射光纤(1)和出射光纤(8)、反应池(2)和金属卟啉溶液(9)，入射光纤(1)和出射光纤(8)分别为4根，并分别对称而均匀地胶粘结在反应池(2)的两侧，4根入射光纤(1)的另一端与光源系统(14)连接，4根出射光纤(8)的另一端与微型光谱仪(15)及信号处理系统(16)连接，反应池(2)为长方形的玻璃壳体，其长度为10mm，宽12mm，其内均匀分隔为4个小反应池，各小反应池内分别装有不同的金属卟啉溶液(9)，在各小反应池的上端壳体的一端上，分别设置一排气口，在排气口上用胶粘结一排气管(13)，在排气管(13)内装设一单向阀(12)，在各小反应池下端壳体的另一端上，分别设置一通气口，在通气口上用胶粘结一通气管(5)，在通气管(5)内装设有加气泵(7)及单向阀(6)，在各小反应池上端壳体对应于排气口的另一端上，分别设置一加料口，在加料口上用胶粘结一加料管(10)，在加料管(10)的顶端装设一弹性塞子(11)，在各小反应池下端壳体对应于通气管的另一端上设置一排液口，在排液口上用胶粘结一排液管(3)，在排液管(3)内装设一单向阀(4)，放置于各小反应池内的金属卟啉溶液(9)为将钴卟啉、锌卟啉、锰卟啉、铑卟啉4种金属卟啉分别溶于有机溶剂氯仿中，溶液的浓度为3×10^-8mol/l。

3.按照权利要求1所述的一种光纤气体传感器，其特征在于一种光纤气体传感器，主要包括入射光纤(1)和出射光纤(8)、反应池(2)和金属卟啉溶液(9)，入射光纤(1)和出射光纤(8)分别为2根，并分别对称而均匀地胶粘结在反应池(2)的两侧，2根入射光纤(1)的另一端与光源系统(14)连接，2根出射光纤(8)的另一端与微型光谱仪(15)及信号处理系统(16)连接，反应池(2)为对称双锥型的玻璃壳体，其长度为15mm，宽4mm，其内均匀分隔为2个小反应池，各小反应池内分别装有不同的金属卟啉溶液(9)，在各小反应池的上端壳体的一端上，分别设置一排气口，在排气口上用胶粘结一排气管(13)，在排气管(13)内装设一单向阀(12)，在各小反应池下端壳体的另一端上，分别设置一通气口，在通气口上用胶粘结一通气管(5)，在通气管(5)内装设有加气泵(7)及单向阀(6)，在各小反应池上端壳体对应于排气口的另一端上，分别设置一加料口，在加料口上用胶粘结一加料管(10)，在加料管(10)的顶端装设一弹性塞子(11)，在各小反应池下端壳体对应于通气管的另一端上设置一排液口，在排液口上用胶粘结一排液管(3)，在排液管(3)内装设一单向阀(4)，放置于各小反应池内的金属卟啉溶液(9)为将铅卟啉和铁卟啉2种金属卟啉分别溶于有机溶剂氯苯中，溶液的浓度为8×10^-8mol/l。

4.按照权利要求1所述的一种光纤气体传感器，其特征在于一种光纤气体传感器，主要包括入射光纤(1)和出射光纤(8)、反应池(2)和金属卟啉溶液(9)，入射光纤(1)和出射光纤(8)分别为3根，并分别对称而均匀地胶粘结在反应池(2)的两侧，3根入射光纤(1)的另一端与光源系统(14)连接，3根出射光纤(8)的另一端与微型光谱仪(15)及信号处理系统(16)连接，反应池(2)为椭圆形的玻璃壳体，其长度为13mm，宽9mm，其内均匀分隔为3个小反应池，各小反应池内分别装有不同的金属卟啉溶液(9)，在各小反应池的上端壳体的一端上，分别设置一排气口，在排气口上用胶粘结一排气管(13)，在排气管(13)内装设一单向阀(12)，在各小反应池下端壳体的另一端上，分别设置一通气口，在通气口上用胶粘结一通气管(5)，在通气管(5)内装设有加气泵(7)及单向阀(6)，在各小反应池上端壳体对应于排气口的另一端上，分别设置一加料口，在加料口上用胶粘结一加料管(10)，在加料管(10)的顶端装设一弹性塞子(11)，在各小反应池下端壳体对应于通气管的另一端上设置一排液口，在排液口上用胶粘结一排液管(3)，在排液管(3)内装设一单向阀(4)，放置于各小反应池内的金属卟啉溶液(9)为将钴卟啉、铑卟啉和铁卟啉3种金属卟啉分别溶于有机溶剂二甲基甲酰胺中，溶液的浓度为5×10^-8nmol/l。