CN101713726A - 用于氨氮污水降解监测的级联光纤光栅传感器封装体及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于氨氮污水降解监测的级联光纤光栅传感器封装体及制作方法，是光纤传感区域的发明设计。用一种负温度系数的复合材料作为基底，将级联长周期光纤光栅和另一根单模光纤分别置于其上一对平行间隔为1cm的槽道中，用双组分环氧树脂分别固定单模光纤和级联长周期光纤光栅的同一端，级联长周期光纤光栅和单模光纤的另一端通过设置的一个可调节的固定片固定。放置级联光纤光栅段的第一槽道中间一部分刻成液槽，液体通过封盖上具有与上述液槽贯通的通孔流入，传感部分悬空与液体充分接触。所封装的级联长周期光纤光栅因组装了聚合物膜而具有更高的折射率敏感性，封装过程简单，成品率高，传感器具有温度补偿功能，使用寿命长，便于清洗等优点。
Description
技术领域：
一种用于氨氮污水降解监测的级联长周期光纤光栅传感器的封装及制作方法，属于光纤光栅封装和光纤传感技术。
背景技术：
氨氮废水对环境的影响已引起环保领域和全球范围的重视，氨氮是一类普遍存在于生活污水、养殖场废水和一些特殊工业废水(如化肥、焦化、石化、制药、食品等)中的有毒物质，由于其普遍性和顽固性，很难将其去除。氨极易溶于水，在水中浓度高于0.1mg/L时就会危害水生生物生存，氮是一种植物营养素，富含氨氮的水中藻类将大量繁殖，造成水体富营养化，严重者还会引起水质恶化甚至湖泊退化。
近20年来国内外对氨氮废水处理方面开展了较多的研究。研究范围涉及生物、物理、化学等方法。其中三维电极电化学技术以其电极面积大、面/体比高、传质速度快等优势逐渐成为研究的热点。而超声催化氧化技术作为一种高级氧化技术，与三维电极技术结合更是会产生非常好的降解效果。
测定及控制氨氮含量已成为污水排放中的一项重要指标，废水中氨氮尤其是高浓度氨氮的降解监测有着重要的意义。目前，主要应用的氨氮浓度检测方法有气相分子吸收光谱法、纳式试剂分光度法等。两种方法虽然都能较准确的测量出氨氮含量，但是都是离线测量，即通过化学方法处理后单独采样测定，操作复杂且实时性差，不适于大规模快速测量。
长周期光纤光栅(long-period fiber grating简称LPG)因其具有比光纤布拉格光栅(Bragg fiber grating简称FBG)更高的温度、弯曲灵敏度使其在传感领域发挥了重要作用，但由于LPG的损耗峰的带宽一般较宽，以致其分辨率降低，这在很多情况下影响了LPG的传感应用。将两个参数完全相同的LPG刻写在同一根光纤上即可实现LPG级联，级联后的LPG光谱特性较单个LPG有很大的变化，级联长周期光栅作为长周期光栅的一个特殊结构形式，除拥有长周期光栅诸多优点外，还具有很多特殊性质。级联长周期光纤光栅是一种新型的光纤光栅，国内在此方面的研究尚处于起步阶段，
级联长周期光纤光栅具有光纤光栅传感器所共同的一系列优点：灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、本质防爆、耐腐蚀、质量轻、体积小、可埋入复合材料制成智能结构等。级联长周期光纤光栅与单个长周期光纤光栅相比，级联LPG有着较高的消光比，具有多个干涉峰，且每个干涉峰具有很窄的带宽，比单个长周期光纤光栅的带宽要窄很多倍。这些特点能大大提高测量的分辨率和灵敏度。这使得级联LPG在光纤传感领域能有着更加广泛的应用。
级联长周期光纤光栅由于其高响应速度和易操作性非常适合于氨氮浓度的测量。用级联长周期光纤光栅测量液体的浓度和折射率结构简单，操作方便，整个系统实现全光纤化，具有良好的应用前景。
据报道，级联长周期光纤光栅的液体有NaCl溶液，蔗糖溶液等。大多采用裸光纤光栅直接进行检测。无论是国内还是国外，应用级联长周期光纤光栅对氨氮进行检测尚无先例。
现有的常规光纤光栅的封装方式有光纤光栅封装技术从功能上大致可以分为三类：1.保护性封装，2.敏化封装，3.补偿性封装。
级联长周期光纤光栅是无覆层的，而且级联长周期光纤光栅因为有两段光纤光栅及中间一段用作传感的光纤部分，整体长度相对于单个长周期光纤光栅要长的多，级联长周期光纤光栅应用在恶劣的环境中，纤细柔软，且因为较长的长度也很容易折断，因此需要采用一些封装方法，保护光栅。级联长周期光纤光栅的中心波长易受温度、应变、压力等物理量的影响而产生漂移，光纤光栅的温度补偿方法具体可以分为两类：其一，有源方式，即由外加电路控制光栅器件所在的工作环境温度，其二，无源方式，即以适当的结构与材料对光纤光栅进行封装，封装使光栅产生一定的应变，该应变引入的波长的漂移应可抵消由温度变化引起的波长的漂移。现有的封装一般仅实现一种功能，该封装集保护和与补偿于一体，根据级联长周期光纤光栅的结构，提出了相应的封装，更好地保护了级联长周期光纤光栅，提高其使用寿命，且大大降低了级联长周期光纤光栅对温度的灵敏度。因为测试的氨氮溶液相比于NaCl溶液，蔗糖溶液容易附着在光纤光栅上，按常规的方式整个级联长周期光纤光栅浸入液体，光栅段不仅很难清洗，而且清洗的过程很容易把级联长周期光纤光栅折断。封装中引入一个凹槽，使待测溶液通过通孔进入，用级联长周期光纤光栅的两端光栅之间的光纤作为传感部分接触液体，清洗时只需清洗光纤段即可，极大地提高了级联长周期光纤光栅的使用寿命。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种用于氨氮污水降解监测的级联长周期光纤光栅传感器的封装及制作方法，使其能够更好的应用于氨氮浓度和氨氮降解过程的检测，具有温度补偿功能，便于清洗，使用寿命延长。
一种用于氨氮污水降解监测的级联光纤光栅传感器封装体，其特征在于包括：基座，基座上设置有两平行槽道，即第一槽道和第二槽道，其中第一槽道放置单模光纤第二凹槽放置级联式光纤光栅，在基座上位于级联式光纤光栅传感器区开有液槽，上述级联式光纤光栅传感器区位于该级联式光纤光栅两段光栅中间的光纤部分；上述单模光纤的一端和级联式光纤光栅的同向端均与基体固定，上述单模光纤的另一端和级联式光纤光栅的另一端通过可调节的固定片固联在一起作为自由端；该封装体还包括与基座配合且保持单模光纤与级联式光纤光栅自由平直的封盖，该封盖上具有与上述液槽贯通的通孔；上述基座采用负温度系数的温度补偿复合材料。
上封装体的制作方法：(1)、利用负温度系数的温度补偿复合材料浇铸基座；(2)、在基座上刻出第一槽道和第二槽道以及液槽；(3)、制作具有通孔的封盖；(4)、将单模光纤置于第二槽道中；(5)、采用静电自组装法在级联长周期光纤光栅上组装聚合物膜以提高级联光纤光栅对外界折射率的敏感度；然后将其置于第一槽道中；(6)、将单模光纤的一端和级联式光纤光栅的同向端用双组分环氧树脂与基体固定；(7)将单模光纤的另一端和级联式光纤光栅的另一端通过可调节的固定片固联在一起作为自由端。
当环境温度上升时，光纤光栅体积膨胀，而封装材料的负温度效应会使光纤光栅随温度升高而体积缩小；相反，当环境温度降低时，光纤光栅体积收缩，而封装材料的负温度效应使光栅的体积膨胀。合理的材料选择会使光纤光栅的反射中心波长基本不变，达到温度补偿的效果。
该级联长周期光纤光栅的封装装置极有利地将光纤支撑和保护和补偿功能结合在单个封装内，能方便地对氨氮液体进行检测，它既能保护光纤使其免受物理变形，又能保护其免受温度的影响。封装过程简单，成品率高，传感器质量轻。
上述的检测氨氮浓度和氨氮降解过程的级联长周期光纤光栅传感器系统的检测方法：级联长周期光纤光栅的透射谱是光栅纤芯基模和包层模干涉的结果，模式耦合的变化将会导致级联长周期光纤光栅的干涉条纹发生偏移且干涉峰幅值也发生变化。
级联长周期光纤光栅包层有效折射率与外界折射率存在一定的非线性关系。将级联长周期光纤光栅置于溶液中，氨氮溶液的浓度变化会直接引起溶液折射率的变化，进而引起包层折射率的变化，从而给光纤中的传输模式(导模和包层模的传输常数和模场分布)带来影响，最终表现为光栅谐振峰中心波长和强度的变化。测量其透射谱谐振峰的变化可以直接获得溶剂的折射率，进而根据经验公式可以间接得到溶剂的浓度等化学参数。本发明中氨氮催化降解通过超声催化氧化技术和三维电极技术协同实现。
附图说明
图1是级联光纤光栅传感器封装结构剖面图。
图2是级联光纤光栅传感器封装结构立体图。
图3是级联长周期光纤光栅氨氮检测传感器系统组成示意图。
图中的标号名称：1.级联长周期光纤光栅，2.基座，3.单模光纤，4.凹槽，5.固定片，6.第一槽道，7.第二槽道，8.通孔，9.封盖，10.曝气器，11.直流稳压电源，12.宽带光源，13.光谱仪，14.超声清洗器，15.铁丝网阴极，16.活性炭颗粒，17.金属氧化物涂层阳极，18.封装的级联长周期光纤光栅，19.纱网。
具体实施方式
图1中级联长周期光纤光栅1对温度很敏感，这样会影响测试的准确性。发明中用一种负温度系数(热膨胀系数为-5.2*10-6)的复合材料灌注在制作好的模具内作为对光纤光栅进行温度补偿的基座2，经测量此时级联光纤光栅的温度灵敏度是裸级联光纤光栅的1/54，极大地减小了级联长周期光纤光栅对温度的敏感性。
为了提高光纤光栅的化学传感的灵敏度及精确度，应用静电自组装法在级联长周期光纤光栅1上组装聚合物膜，以改变光纤端面的反射特性。组装过程是：将事先准备好的长周期光纤光栅固定在特定装置上之后浸入聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)溶液中5分钟之后取出用蒸馏水简单冲洗以去除表面杂质，之后再浸入聚4-苯乙烯璜酸钠(PSS)溶液中相同的时间，取出后再用蒸馏水冲洗。二者能交替吸附形成自组装薄膜，这样就组装上了一层双膜。如此反复进行，根据实验反复测试，我们组装了26层，相应的层数是适合氨氮浓度检测的最佳厚度，选择合适的组装材料和最佳厚度可实现对氨氮浓度高灵敏度的专属性检测。
基座的中间的刻两条相距为1cm槽道，基座2的长度应大于栅区裸露段的长度，用砂纸将材料粘结表面打磨粗糙，然后用脱脂棉蘸酒精清洁表面和预先刻制的第一槽道6和第二槽道7。在要放置单模光纤的第二槽道7中均匀涂上双组分环氧树脂，将光纤与基底紧密地粘在一起。然后对级联长周期光纤光栅1施加预张力放于第一槽道6中，级联光纤光栅置于槽道中，对光栅两端光纤施加一定的预拉伸力使光栅保持水平伸直状态，一端用双组分环氧树脂固定，为了增加粘贴强度，级联长周期光纤光栅要进行除油、敏化等预处理。另一端用固定片固定。
该级联光纤光栅长度一般为16cm，封装元件的结构尺寸是20×3×5cm3，在实验允许的情况下，封装元件的尺寸要尽可能的小。
测氨氮浓度的级联光纤光栅传感系统如图2，由下面一些仪器设备组成：级联长周期光纤光栅18、光谱分析仪13、宽带光源12、超声清洗机14、曝气器10、三维电极催化降解系统：阳极采用金属氧化物电极17，阴极采用铁丝网19，在两电极之间填充经过预吸附处理的柱状活性炭颗粒16作为第三极。
超声清洗机14用于产生频率在20kHz以上的声波，即超声波，形成空化核，使得水分子裂解为·H、·OH、·HO2和H2O2等强氧化自由基。这些强氧化自由基可以将氨氮污水中NH3和NH4 +氧化生成N2或N2O气体溢出，从而实现了氨氮降解。曝气器10的作用是在超声作用消耗空化核的同时不断提供空化核，使得溶液中空化核的浓度始终保持在一个较高水平，保证了反应的相对充分，因而使得氨氮降解率维持在高水平。
三维电极催化降解系统的电解作用主要是依靠溶液与阴阳电极形成导通电路，使得溶液中离子在两极上产生氧化还原反应，从而达到降解的目的。纱网19用于固定电极与活性炭。
降解过程中有氨氮的分解和水的分解，生成物质或以气体方式逸出，或重新合成水，并没有新的盐离子产生。氨氮降解过程中液体折射率的变化只由氨氮降解引起。应用封装的级联长周期光纤光栅18通过监测折射率变化来监测氨氮降解过程是可行的。
Claims (2)
1.一种用于氨氮污水降解监测的级联光纤光栅传感器封装体，其特征在于包括：
基座(2)，基座(2)上设置有两平行槽道，即第一槽道(6)和第二槽道(7)，其中第一槽道放置单模光纤(3)，第二凹槽放置级联式光纤光栅(1)，在基座(2)上位于级联式光纤光栅传感器区开有液槽(4)，上述级联式光纤光栅传感器区位于该级联式光纤光栅两段光栅中间的光纤部分；上述单模光纤(3)的一端和级联式光纤光栅(1)的同向端均与基体固定，上述单模光纤(3)的另一端和级联式光纤光栅(1)的另一端通过可调节的固定片(5)固联在一起作为自由端；该封装体还包括与基座配合且保持单模光纤(3)与级联式光纤光栅自由平直的封盖(9)，该封盖上具有与上述液槽贯通的通孔(8)；上述基座(2)采用负温度系数的温度补偿复合材料。
2.根据权利要求1所述的用于氨氮污水降解监测的级联光纤光栅传感器封装体的制作方法：
(1)、利用负温度系数的温度补偿复合材料浇铸基座；
(2)、在基座上刻出第一槽道和第二槽道以及液槽；
(3)、制作具有通孔的封盖；
(4)、将单模光纤置于第二槽道中；
(5)、采用静电自组装法在级联长周期光纤光栅上组装聚合物膜以提高级联光纤光栅对外界折射率的敏感度；然后将其置于第一槽道中；
(6)、将单模光纤的一端和级联式光纤光栅的同向端用双组分环氧树脂与基体固定；
(7)将单模光纤的另一端和级联式光纤光栅的另一端通过可调节的固定片固联在一起作为自由端。
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