CN101871885A - 基于光催化氧化的倾斜光纤光栅氢气传感器制作方法 - Google Patents

基于光催化氧化的倾斜光纤光栅氢气传感器制作方法 Download PDF

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邵理阳
董新永
金尚忠
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Abstract

本发明涉及一种基于光催化氧化的倾斜光纤光栅氢气传感器制作方法。传统的传感器受温度影响明显。本发明是采用溶胶-凝胶法在倾斜光纤光栅表面周向上镀掺铂氧化钨薄膜。首先用带钨酸钠的质子化阳离子交换树脂制备溶胶-凝胶状的钨酸，将制作好的钨酸用去离子水清洗并离心N次；加热至50℃～60℃，静置5～7小时，使其干燥成粉；然后加入铂氯酸，搅拌并加热至400℃～500℃，静置1～2小时，得到表面被铂吸附的掺铂氧化钨粉末，其中铂与钨的摩尔比为1∶14；最后把掺铂氧化钨粉末加到乙醇胺溶剂中，再用浸蘸涂覆的方法使其均匀的沉积在倾斜光纤光栅表面。本发明制作的传感器能提高氢气测量的灵敏度，缩短响应时间。

Description

基于光催化氧化的倾斜光纤光栅氢气传感器制作方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于光催化氧化的倾斜光纤光栅氢气传感器制作方法。
背景技术
氢气作为新型燃料越来越被广泛应用。固态或者液态氢具很强的挥发性，当空气中泄露的氢气浓度大于4％，极易产生空气爆炸。光纤氢气传感器由于其高灵敏度及不产生火花等特点，非常适合用于检测这种危险气体。其中使用最多的是在光纤端面镀一层钯膜形成微透镜，通过钯膜与氢气反应引起的发射光强变化可以测出氢气浓度；使用钯膜和氧化钨作为敏感材料是一种提高检测灵敏度的方法，这种传感器对850nm的光波具有很强的吸收，缺点是响应时间太长；利用光纤倏逝场和光纤表面等离子体结构的氢气传感器也有报导，这类氢气传感器可探测的最低氢气浓度为1％；近年来，基于光纤光栅的氢气传感器也有报道，其原理是在光纤光栅上镀上一层钯膜，钯膜吸收氢气产生反应生成氢化钯，其体积随氢气浓度变化产生膨胀或收缩，进而引起光纤光栅的波长变化。基于波长检测的光纤光栅氢气传感器具有较高的精度，其缺点是光栅的波长同时也受温度变化的影响，因此测量中需要进行温度补偿。另外所有用钯做氢敏感膜的传感器都有一个共同问题就是在钯膜反复对氢气进行吸附和脱附后会形成钯的晶格错位，从而造成钯膜的损坏甚至脱落。
另一方面，倾斜光纤光栅以其独特的包层模耦合特性，逐渐成为光纤光栅传感领域的研究热点之一。加拿大、法国、比利时、韩国、新加坡等国的研究人员报道了大量基于倾斜光纤光栅传感方面的工作。国内南开大学、东南大学、厦门大学、北京交通大学、武汉理工大学等国内众多高校也开展了倾斜光纤光栅传感器方面的研究。但是这些传感器主要应用在应变、微弯、折射率等物理量的测量上。目前还没有报道用倾斜光纤光栅用于氢气传感。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于光催化氧化的倾斜光纤光栅氧气传感器制作方法。
本发明的制作方法是采用溶胶-凝胶法在倾斜光纤光栅表面周向上镀掺铂氧化钨薄膜，所述的掺铂氧化钨薄膜厚度为20nm～50nm。
所述的溶胶-凝胶法镀膜的具体方法为：
首先用带钨酸钠的质子化阳离子交换树脂制备溶胶-凝胶状的钨酸，将制作好的钨酸用去离子水清洗并离心N次，3≤N≤8；加热至50℃～60℃，静置5～7小时，使其干燥成粉；然后加入铂氯酸，搅拌并加热至400℃～500℃，静置1～2小时，得到表面被铂吸附的掺铂氧化钨粉末，其中铂与钨的摩尔比为1∶14；最后把掺铂氧化钨粉末加到乙醇胺溶剂中，再用浸蘸涂覆的方法使其均匀的沉积在倾斜光纤光栅表面，形成氢气敏感膜。
利用本发明方法制作的传感器能大大提高氢气测量的灵敏度，缩短响应时间，解决传统氢敏催化剂中毒和环境温度补偿等问题，同时具有制作容易，成本低的特点。
附图说明
图1是利用本发明制作而成的传感器；
图2是本发明工作示意图。
具体实施方式
如图1所示，在光纤上刻制倾斜光纤光栅1，并用溶胶-凝胶法在倾斜光栅上镀上掺铂氧化钨薄膜2，膜厚在20nm～50nm之间。
实施例1.首先用带钨酸钠的质子化阳离子交换树脂制备溶胶-凝胶状的钨酸，将制作好的钨酸用去离子水清洗并离心3次；加热至50℃，静置5小时，使其干燥成粉；然后加入铂氯酸，搅拌并加热至400℃，静置1小时，得到表面被铂吸附的掺铂氧化钨粉末，其中铂与钨的摩尔比为1∶14；最后把掺铂氧化钨粉末加到乙醇胺溶剂中，再用浸蘸涂覆的方法使其均匀的沉积在倾斜光纤光栅表面，形成氢气敏感膜。
实施例2.首先用带钨酸钠的质子化阳离子交换树脂制备溶胶-凝胶状的钨酸，将制作好的钨酸用去离子水清洗并离心5次；加热至55℃，静置6小时，使其干燥成粉；然后加入铂氯酸，搅拌并加热至450℃，静置1.5小时，得到表面被铂吸附的掺铂氧化钨粉末，其中铂与钨的摩尔比为1∶14；最后把掺铂氧化钨粉末加到乙醇胺溶剂中，再用浸蘸涂覆的方法使其均匀的沉积在倾斜光纤光栅表面，形成氢气敏感膜。
实施例3.首先用带钨酸钠的质子化阳离子交换树脂制备溶胶-凝胶状的钨酸，将制作好的钨酸用去离子水清洗并离心8次；加热至60℃，静置7小时，使其干燥成粉；然后加入铂氯酸，搅拌并加热至500℃，静置2小时，得到表面被铂吸附的掺铂氧化钨粉末，其中铂与钨的摩尔比为1∶14；最后把掺铂氧化钨粉末加到乙醇胺溶剂中，再用浸蘸涂覆的方法使其均匀的沉积在倾斜光纤光栅表面，形成氢气敏感膜.
用溶胶-凝胶法在倾斜光栅表面制备掺铂氧化钨薄膜。当氢气存在时，氧化钨薄膜会产生如下的化学反应：
Figure BSA00000157258900031
Figure BSA00000157258900032
三氧化钨在被氢气还原的时候放出大量的热，使倾斜光纤光栅的反射波长产生漂移，通过检测其波长变化就能得到空气中的氢气含量。另一方面，该催化反应所需的能量为0.15eV。而1500nm附近的光子能量为0.7eV左右，利用倾斜光纤光栅耦合到包层外的部分光能量为三氧化钨的氧化还原反应提供激励能量。利用光催化氧化技术可以大大改善氢气的测量下限，拓展传感器的工作温度范围。
选用波长范围覆盖倾斜光栅透射损耗峰的宽带光源，通过光环行器把宽带光输入到温度补偿光栅和传感倾斜光栅，反射回来的光信号再次经过光环行器后进入波长检测仪后接数字信号处理系统。数字信号处理系统对两个反射波长的信号进行处理后，给出相应的氢气浓度。
如图2所示，本发明的工作过程为：宽带光源7发出的光经光环行器6和传输光纤5进入温度补偿布拉格光栅4和氢气传感器3，两个光栅的反射光再次经过传输光纤5和光环行器6由波长解调仪8检测出各自的反射波长。由于温度补偿光栅的反射波长漂移只对环境温度变化敏感而对氢气浓度不敏感，因此可以用来消除环境温度变化对传感光栅的影响。波长解调仪8测到的两个波长信号送入数字信号处理系统9进行处理，可以实现对环境温度变化进行补偿并且给出相应的氢气浓度。

Claims (1)

1.基于光催化氧化的倾斜光纤光栅氢气传感器制作方法，其特征在于：
该方法是在倾斜光纤光栅表面周向上利用溶胶-凝胶法镀掺铂氧化钨薄膜；
所述的掺铂氧化钨薄膜厚度为20nm～50nm；
所述的溶胶-凝胶法镀膜的具体方法是：
首先用带钨酸钠的质子化阳离子交换树脂制备溶胶-凝胶状的钨酸，将制作好的钨酸用去离子水清洗并离心N次，3≤N≤8；加热至50℃～60℃，静置5～7小时，使其干燥成粉；然后加入铂氯酸，搅拌并加热至400℃～500℃，静置1～2小时，得到表面被铂吸附的掺铂氧化钨粉末，其中铂与钨的摩尔比为1∶14；最后把掺铂氧化钨粉末加到乙醇胺溶剂中，再用浸蘸涂覆的方法使其均匀的沉积在倾斜光纤光栅表面，形成氢气敏感膜。
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