CN104880435B - 用于测量tnt类爆炸物的传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量TNT类爆炸物的传感装置，包括：宽带光源、柚子型光子晶体光纤长周期光栅、光谱分析仪和计算机、金属毛细管、单模光纤；所述柚子型光子晶体光纤长周期光栅置于金属毛细管内，单模光纤分别从金属毛细管的两端插入，金属毛细管的前端通过单模光纤与宽带光源连接，后端通过单模光纤与光谱分析仪和计算机连接；在金属毛细管的两段分别开有凹槽，单模光纤与柚子型光子晶体光纤长周期光栅的两端面分别形成一间隙，所述凹槽与该间隙连通；所述柚子型光子晶体光纤长周期光栅的包层区设置有包层空气孔，该包层空气孔内表面涂有一层含敏感物质的聚合物薄。本发明灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑。

Description

用于测量TNT类爆炸物的传感装置

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种用于测量TNT类爆炸物的传感装置。

背景技术

21世纪以来人类文明有了更高的发展，但恐怖活动反而更加频繁。在恐怖活动中，爆炸仍然是恐怖分子使用的主要方式，恐怖分子把爆炸物安放在隐蔽的地方，实施恐怖活动。硝基化合物如梯恩梯(2,4,6-Trinitrotoluene,TNT)因其爆炸威力大和价格便宜，常被恐怖分子使用。检测空气中硝基化合物蒸汽的含量，可以确定恐怖分子安装的爆炸装置的位置，从而防止爆炸的发生。目前在机场、边境、港口、车站等许多公共场所常用嗅爆犬监测爆炸物的位置，但是嗅爆犬工作约1小时就需适当休息，而且训练嗅爆犬也需要花费许多人力财力。因此，开发有效的检测硝基化合物气体的传感器和装置已成为当务之急。

TNT类爆炸物的感测科学和技术对于国土安全和国家防御有着至关重要的地位，爆炸物探测技术分为两类，一类是利用爆炸物与其它物品电介质的差别来发现爆炸物的能量型探测技术，如红外线、太赫兹波、微波、X射线、γ射线、中子探测技术；另一类是通过爆炸物蒸汽、微粒进行嗅别的微量型传感探测技术，其探测装置的灵敏度高、体积小、重量轻、便于携带、操作简单，在反恐怖斗争中具有广阔的应用前景。对TNT爆炸物的检测主要通过荧光、质谱等方法，也可通过压电传感器、聚合膜传感器等方法。这些方法具有一定的优点，但是也存在着仪器昂贵、处理过程复杂以及稳定性较差等缺点；而且，很多方法还只能应用于对液相中爆炸物的检测，难以达到小型、实时、迅速分析的要求，在实际使用过程中存在明显的不足。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers,简称PCF)的应用在很多方面改善了传统光纤传感器的性能。这种包层由周期排列空气孔组成的新型光纤具有卓越的性能，在传感器领域有着巨大的应用潜力。用电弧或CO2激光器等将长周期光栅(Long PeriodGratings,简称LPGs)写入PCF，形成光子晶体光纤长周期光栅(PCF-LPGs)，满足光栅谐振条件的光子会被剧烈地耦合到包层模与纤芯模发生干涉。PCF周围环境的变化如应力、弯曲、包层渗入液体和气体等都会影响LPGs的谐振波长，监测谐振波长位置变化即可实现对各种物理量的光学传感。

然而，普通长周期光栅结构的光子晶体光纤对进入其空气孔的低折射率物质的灵敏度较低、且测量精确不够准确。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑的用于测量TNT类爆炸物的传感装置。

一种用于测量TNT类爆炸物的传感装置，包括：宽带光源、柚子型光子晶体光纤长周期光栅、光谱分析仪和计算机、金属毛细管、单模光纤；所述柚子型光子晶体光纤长周期光栅置于金属毛细管内，单模光纤分别从金属毛细管的两端插入，金属毛细管的前端通过单模光纤与宽带光源连接，后端通过单模光纤与光谱分析仪和计算机连接；在金属毛细管的两段分别开有凹槽，单模光纤与柚子型光子晶体光纤长周期光栅的两端面分别形成一间隙，所述凹槽与该间隙连通；

所述柚子型光子晶体光纤长周期光栅的包层区设置有包层空气孔，该包层空气孔内表面涂有一层含敏感物质的聚合物膜。

进一步地，如上所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，所述苯并菲缩酮基受体分子膜对TNT敏感，对氧气、氮气、二氧化碳等非三硝基甲苯类分子气体无响应。

进一步地，如上所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，所述金属毛细管的内径比单模光纤的外径大2～5μm，金属毛细管的长度比柚子型光子晶体光纤长周期光栅长2～5cm，所述凹槽设置在超出柚子型光子晶体光纤长周期光栅的金属毛细管两端。

进一步地，如上所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，所述含有长周期光栅结构的柚子型光子晶体光纤的包层区包括6个直径为30～40μm的葡萄型空气孔，所述苯并菲缩酮基受体分子膜分布在该空气孔的内表面上。

进一步地，如上所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，所述柚子型光子晶体光纤长周期光栅为在柚子型光子晶体光纤上用二氧化碳激光器刻有长周期光栅。

进一步地，如上所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，所述金属毛细管与单模光纤和柚子型光子晶体光纤长周期光栅采用金属粘玻璃胶水固定。

进一步地，如上所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，苯并菲缩酮基受体分子膜为将受体分子溶解于聚碳酸酯树脂或苯乙烯-丙烯腈树脂的四氢呋喃溶液后形成苯并菲缩酮基受体液，然后将该苯并菲缩酮基受体液通过电喷雾法或注入法或毛细管吸入法在包层空气孔内表面进行涂膜而成。

进一步地，如上所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，所述含敏感物质的聚合物膜为对痕量TNT分子敏感的苯并菲缩酮基受体分子膜。本发明的有益效果如下：

1.本发明在写有长周期光栅结构的PCF空气孔内表面形成一层对TNT气体选择性敏感的苯并菲缩酮基受体分子薄膜，这种敏感膜的折射率的变化将会导致光纤包层模的倏逝波的变化，从而形成一种PCF-LPGs-敏感膜气体传感器，这种传感器对TNT具有高度选择性和敏感型。

2.对于柚子型PCF，由于其空气孔比普通PCF大得多，可以很容易地在其包层空气孔内部构建敏感膜，采用这种柚子型光子晶体光纤长周期光栅(GPCF-LPGs)，可以通过测量透射谱谐振波长的移动形成基于包层空气孔内敏感膜折射率变化的气体传感器，因此，本发明传感装置易于制造，具有灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化特征。

3.本发明传感装置作为一种新的传感技术具有不受电磁干扰、灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用灵活、适于在高温、腐蚀性或危险性环境应用等优点。因此，本发明传感装置可适用于快速、灵敏地现场检测爆炸物。

附图说明

图1为本发明用于测量TNT类爆炸物的传感装置结构示意图；

图2为图1中柚子型光子晶体光纤长周期光栅结构示意图；

图3为图2中A-A向剖面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于苯并菲缩酮基受体分子对TNT特定敏感(Sensors 2010,10,6788-6795)，M.C.Schopohl等(Eur.J.Org.Chem.2005,14,2987-2999)研究了苯并菲缩酮基受体化合物的通用合成方法。如果在写有长周期光栅结构的PCF空气孔中形成一层对TNT气体选择性敏感的苯并菲缩酮基受体分子薄膜(厚度从纳米级到亚微米级)，这种敏感膜的折射率的变化将会导致光纤包层模的倏逝波的变化，从而形成一种PCF-LPGs-敏感膜气体传感器。当被测物TNT气体分子进入PCF空气孔后，它们不仅被吸附到敏感膜表面而使敏感膜表面折射率改变，而且被敏感膜吸收而引起敏感膜折射率的改变，从而导致光纤包层模有效折射率发生变化，进而改变其谐振波长。通过实时监测谐振波长的变化，可以获取TNT气体分子浓度的信息。

但是普通PCF的空气孔极小(从不到1μm到数微米)，难以在孔内形成有效的、均匀的薄膜，需要采用具有较大孔径空气孔的PCF。柚子型光子晶体光纤(Grapefruit PhotonicCrystal Fibers,GPCF)是一种折射率引导型光纤，它的包层区包括6个直径约为30-40μm的大葡萄型空气孔，将传导的能量主要限制在纤芯中。GPCF目前已应用于光纤传感，对于柚子型PCF，由于其空气孔较大，可以很容易地在其包层空气孔内部构建聚合物敏感膜(苯并菲缩酮基受体分子膜)，采用这种柚子型光子晶体光纤长周期光栅(GPCF-LPGs)，可以通过测量透射谱谐振波长的移动形成基于包层空气孔内敏感膜折射率变化的气体传感器，所述菲缩酮基受体分子的结构式如下式：

图1为本发明用于测量TNT类爆炸物的传感装置结构示意图；图2为图1中柚子型光子晶体光纤长周期光栅结构示意图；图3为图2中A-A向剖面图，请参阅图1-图3，本发明提供的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，包括：宽带光源1、柚子型光子晶体光纤长周期光栅2、光谱分析仪和计算机3、金属毛细管6、单模光纤4；所述柚子型光子晶体光纤长周期光栅2置于金属毛细管6内，所述的金属毛细管6前端通过单模光纤4连接宽带光源1，后端通过单模光纤4连接光谱分析仪和计算机3，所述柚子型光子晶体光纤长周期光栅2设置有含有长周期光栅结构的柚子型光子晶体光纤5(如图2所示)，该光纤的包层空气孔9(如图3所示)内表面涂有对痕量TNT分子敏感的苯并菲缩酮基受体分子膜10，所述的苯并菲缩酮基受体分子膜10通过将受体分子溶解于聚碳酸酯树脂或苯乙烯-丙烯腈树脂的四氢呋喃溶液，并通过电喷雾法或注入法或毛细管吸入法在包层空气孔9内表面进行涂膜而成。其中，柚子型光子晶体光纤长周期光栅8是在柚子型光子晶体光纤上用二氧化碳激光器刻写长周期光栅8。

所述的苯并菲缩酮基受体分子膜(苯并菲缩酮基受体分子合成方法与文献M.C.Schopohl,et al.Eur.J.Org.Chem.2005,14,2987-2999相同)，该膜对TNT特定敏感，对氧气、氮气、二氧化碳等非三硝基甲苯类分子气体无响应，选择性良好。

所述的柚子型光子晶体光纤是一种折射率引导型光纤，它的包层区包括6个直径约为30-40μm的大葡萄型空气孔9，将传导的能量主要限制在纤芯中。

本发明传感装置是将柚子型光子晶体光纤长周期光栅2完全置于金属毛细管6内，两根康宁SMF-28单模光纤4分别从金属毛细管6两端插入，与柚子型光子晶体光纤长周期光栅2端面保持一定距离，形成不接触对接耦合，确保环境空气能够自由进出柚子型光子晶体光纤的包层空气孔9，两根单模光纤4的另一端分别与宽带光源1的输出端和光谱分析仪3的输入端口光纤连接。

所述的金属毛细管6内径比康宁SMF-28单模光纤125μm内径略大2～5μm，金属毛细管长度比光纤光栅长2～5cm，超出光纤光栅长度的两端部分加工有狭缝结构(即所述凹槽7)，金属毛细管6与SMF-28单模光纤4和柚子型光子晶体光纤长周期光栅2采用金属粘玻璃胶水固定。

该传感装置的工作过程如下：

柚子型光子晶体光纤长周期光栅2的包层空气孔9内涂层采用一种特殊的基于苯并菲缩酮的受体膜。受体分子溶解于聚碳酸酯树脂或苯乙烯-丙烯腈树脂的四氢呋喃溶液，并通过电喷雾法或注入法或毛细管吸入法涂膜进行包层空气孔内表面覆盖。受体分子有能力通过一种“钥匙-锁”原理选择性结合三硝基甲苯(TNT)分子。

宽带光源1发出的光在柚子型光子晶体光纤长周期光栅的光纤中传播并经长周期光栅作用，出射光会有谐振峰，其谐振波长与柚子型光子晶体光纤包层空气孔9内表面的对痕量TNT分子敏感的苯并菲缩酮基受体分子膜10的折射率有关。当环境空气中含有的痕量TNT分子与柚子型光子晶体光纤的包层空气孔9内表面的敏感膜发生作用时，改变了敏感膜折射率，影响光在柚子型光子晶体光纤光栅内的传播，从而改变谐振波长，通过监测谐振波长的移动量可以实现对痕量TNT分子探测。光栅谐振波长λres是由以下公式给出：

λres＝(nco-ncl)Λ

其中，nco为柚子型光子晶体光纤芯模的有效折射率，ncl为柚子型光子晶体光纤包层模的有效折射率，它们与柚子型光子晶体光纤包层空气孔内TNT分子浓度有关，Λ为长周期光栅周期。因此，当TNT分子经由裂缝对接耦合结构处扩散进入柚子型光子晶体光纤的包层空气孔，会改变包层模和纤芯模的有效折射率，从而观测到谐振波长的变化，通过监测谐振波长的移动可以实现对TNT浓度的检测。

所述的传感器能够形成有效探测极低蒸汽压TNT的装置，这是通过痕量TNT分子在柚子型光子晶体光纤包层空气孔内敏感膜上吸附并聚集，影响光在柚子型光子晶体光纤光栅内的传播，从而改变谐振波长。响应与浓度线性相关，并且能够使传感器可逆的在线测量而无需预处理待测气体。对TNT的检测限达到0.5ppb。

表一不同TNT浓度测量的谐振波长移动量

实验采用孔径30μm的薄壁柚子型光子晶体光纤长周期光纤光栅传感器，光栅周期480μm，中心波长1540.22nm。在室温下将含有TNT的载气流入传感器气室(即金属毛细管6内)，通过调节载气的流量精确控制TNT的浓度(稀释得到饱和蒸汽浓度0.5～5.3ppb)。测量结果表明，谐振波长移动量TNT浓度之间具有良好线性关系：Δλ＝217.64x+0.9744，相关系数r2＝0.9918。传感器响应时间约40s。另外，传感器对DNT等其他气体没有明显响应。

本发明通过在长周期光栅结构的柚子型光子晶体光纤的包层空气孔内表面形成一层含敏感物质的聚合物膜膜，结合光流控技术，构成一种新型光纤爆炸物气体传感装置，该传感装置具有灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化等特征。此光纤传感装置作为一种新的传感技术具有不受电磁干扰、灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用灵活、适于在高温、腐蚀性或危险性环境应用等优点。因此，本发明传感装置可适用于快速、灵敏地现场检测爆炸物。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种用于测量TNT类爆炸物的传感装置，其特征在于,包括：宽带光源(1)、柚子型光子晶体光纤长周期光栅(2)、光谱分析仪和计算机(3)、金属毛细管(6)、单模光纤(4)；所述柚子型光子晶体光纤长周期光栅(2)置于金属毛细管(6)内，单模光纤(4)分别从金属毛细管(6)的两端插入，金属毛细管(6)的前端通过单模光纤(4)与宽带光源(1)连接，后端通过单模光纤(4)与光谱分析仪和计算机(3)连接；在金属毛细管(6)的两段分别开有凹槽(7)，单模光纤(4)与柚子型光子晶体光纤长周期光栅(2)的两端面分别形成一间隙，所述凹槽(7)与该间隙连通；

所述柚子型光子晶体光纤长周期光栅(2)的包层区设置有包层空气孔(9)，该包层空气孔(9)内表面涂有一层含敏感物质的聚合物膜。

2.根据权利要求1所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，其特征在于,所述含敏感物质的聚合物膜为苯并菲缩酮基受体分子膜，所述苯并菲缩酮基受体分子膜对TNT敏感，对氧气、氮气及二氧化碳无响应。

3.根据权利要求1所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，其特征在于,所述金属毛细管(6)的内径比单模光纤(4)的外径大2～5μm，金属毛细管(6)的长度比柚子型光子晶体光纤长周期光栅(2)长2～5cm，所述凹槽(7)设置在超出柚子型光子晶体光纤长周期光栅(2)的金属毛细管(6)两端。

4.根据权利要求2所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，其特征在于,含有长周期光栅结构的柚子型光子晶体光纤(5)的包层区包括6个直径为30-40μm的葡萄型空气孔，所述苯并菲缩酮基受体分子膜分布在该空气孔的内表面上。

5.根据权利要求4所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，其特征在于,所述柚子型光子晶体光纤长周期光栅(2)为在柚子型光子晶体光纤上用二氧化碳激光器刻有长周期光栅(8)。

6.根据权利要求3所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，其特征在于,所述金属毛细管(6)与单模光纤(4)和柚子型光子晶体光纤长周期光栅(2)采用金属粘玻璃胶水固定。

7.根据权利要求2所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，其特征在于,苯并菲缩酮基受体分子膜为将受体分子溶解于聚碳酸酯树脂或苯乙烯-丙烯腈树脂的四氢呋喃溶液后形成苯并菲缩酮基受体液，然后将该苯并菲缩酮基受体液通过电喷雾法或注入法或毛细管吸入法在包层空气孔内表面进行涂膜而成。

8.根据权利要求1所述的用于测量TNT类爆炸物的传感装置，其特征在于,所述含敏感物质的聚合物膜为对痕量TNT分子敏感的苯并菲缩酮基受体分子膜(10)。