CN106442409A - 基于氧化石墨烯的酒精浓度光纤传感器 - Google Patents

基于氧化石墨烯的酒精浓度光纤传感器 Download PDF

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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

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Abstract

本发明公开了基于氧化石墨烯的酒精浓度光纤传感器，由钨灯、分光光度计、多模光纤、电脑、比色皿构成；其中多模光纤含有双锥形光纤传感头结构，双锥形光纤传感头上镀有氧化石墨烯薄膜。氧化石墨烯薄膜，因其表面有非常规则的蜂窝状结构，使得该材料很容易吸收有机分子。氧化石墨烯薄膜吸收乙醇分子膨胀，释放则会消溶胀，相应的折射率也会发生变化。光通过双锥形光纤传感头后，多数低阶模式的光泄露，高阶模式的光由于外界折射率与纤芯折射率之间的变化产生不同程度的泄露，部分模式光很难满足全反射条件，通过监测透射荧光光强，可以得到折射率的改变量，从而达到探测外界浓度的变化，为酒精浓度的检测提供了一种切实可行的方案。

Description

基于氧化石墨烯的酒精浓度光纤传感器
技术领域
本发明提出了基于氧化石墨烯的酒精浓度光纤传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
石墨烯是一种新型的二维碳材料，具有比表面积大、导热系数高、机械强度大等优良性能。氧化石墨烯属于石墨烯最重要的衍生物，它通常在电化学的传感领域有着很大的发展空间。
氧化石墨烯可以检测不同类型的化学物质比如乙醇，它具有较高的导热导电性，非常高的表面积与体积比。通过热干燥的方法来使双锥形光纤传感探头镀上氧化石墨烯薄膜，使其可以牢固的吸附在光纤表面，可制成酒精光纤传感器用来检测不同浓度的酒精。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出基于氧化石墨烯的酒精浓度光纤传感器，通过对吸附在双锥传感探头表面的氧化石墨烯进行一定时间的恒温干燥处理，可以在传感结构的侧表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜。该薄膜对有机物有吸收作用，吸收膨胀和干燥消溶胀的特性，相应的薄膜折射率也会发生变化，为酒精浓度的检测提出了一种新的方案。
本发明提出了基于氧化石墨烯的酒精浓度光纤传感器，其特征在于：由钨灯(1)、分光光度计(2)、多模光纤(3)、电脑(6)、比色皿(7)构成；其中多模光纤(3)含有双锥形光纤传感头(5)结构，双锥形光纤传感头(5)上镀有氧化石墨烯薄膜(4)；钨灯(1)与多模光纤(3)左侧相连，多模光纤(3)右侧与分光光度计(2)出光口相连，电脑(6)与分光光度计(2)数据端相连，比色皿(7)在分光光度计(2)内。
所述的多模光纤(3)的包层直径为125μm，纤芯直径为62.5μm。
所述的多模光纤(3)腰锥直径为50μm，长度为5mm。
所述的双锥形光纤传感头(5)放在比色皿(7)中，并用乙醇溶液完全浸没该传感头。
本发明的工作原理是：入射光在经过双锥形光纤传感头(5)的大端到小端时，光线在纤芯和包层界面上的入射角随着反射次数的增加而减小，对于一定传播模式的光纤特征角随着反射次数的增加而逐渐增大，由折射定理可知：
其中δ表示锥形光纤的锥角，n代表折射次数。
β＝n1k0cosθn (3)
在公式(3)中β代表传播常数，可以看出当光线从双锥形光纤传感头(5)的小端到大端传输时会随着反射的增加而增加，光线也有低次模到高次模转变，全反射条件不容易达成，一部分光会泄露出去。光线在纤芯和包层之间每反射一次就会改变一次传播模式。
本发明采用的是氧化石墨烯薄膜(4)，因为其表面有非常规则的蜂窝状结构。因此，该材料很容易吸收有机分子。氧化石墨烯薄膜(4)吸收乙醇分子会膨胀，释放则会消溶胀，相应的折射率也会发生变化。光谱通过双锥形光纤传感头(5)后，多数低阶模式的光泄露，高阶模式的光由于外界折射率与光线折射率之间的变化产生不同程度的泄露，部分模式光很难满足全反射条件，通过监测透射光谱光强的变化量，可以得到折射率的改变量，从而达到探测外界浓度的变化。
本发明的有益效果是：提出将对化学物质变化尤为敏感的氧化石墨烯薄膜(4)作为敏感膜，该传感器对外界酒精浓度变化的敏感性将明显增强，为酒精的检测提出了一种简便、高效、灵敏度高的方法。
附图说明
图1是发明的基于氧化石墨烯的酒精浓度光纤传感器特征装置示意图。
图2是发明的双锥光纤结构图。
图3是发明的未镀氧化石墨烯薄膜的光纤处于不同酒精浓度的荧光强度拟合曲线图。
图4是本发明的镀有氧化石墨烯薄膜的光纤处于不同酒精浓度下的荧光强度拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见附图1，基于氧化石墨烯的酒精浓度光纤传感器的双锥光纤结构图，其特征在于：由钨灯(1)、分光光度计(2)、多模光纤(3)、电脑(6)、比色皿(7)组成；其中多模光纤(3)含有双锥形光纤传感头(5)结构，双锥形光纤传感头(5)上镀有氧化石墨烯薄膜(4)，钨灯(1)与多模光纤(3)左侧相连，多模光纤(3)右侧与分光光度计(2)出光口相连，电脑(6)与分光光度计(2)数据端相连，比色皿(7)在分光光度计(2)中。双锥形光纤传感头(5)利用多模光纤(3)制作而成，采用的光纤拉锥机型号为GXP 3000系列，程序设置利用一个拉制界面菜单，简单输入所需锥形的物理参量，一个低级别的机械控制宏产生可以自动拉制目标尺寸。
本发明中，通过热干燥的方法，使得双锥形光纤传感头(5)在70摄氏度下加热20分钟后，将1mg/mol的氧化石墨烯浸没该锥形位置，再把双锥形光纤传感头(5)放回到70摄氏度的环境下加热1小时制得；在附图2中利用多模光纤(3)制作而成，采用的光纤拉锥机型号为GXP 3000系列，程序设置利用一个拉制界面菜单，简单输入所需锥形的物理参量，一个低级别的机械控制宏产生可以自动拉制目标尺寸，拉伸后的多模光纤(3)的包层直径为125μm，纤芯直径为62.5μm，腰锥直径为50μm，腰椎长度为5mm。附图4中可以看出传感部分镀上1.0mg/mol的氧化石墨烯后检测的荧光强度随着乙醇的浓度增大而呈现出明显的递减趋势，而附图3的传感结构没镀氧化石墨烯在同样的条件下检测出来的荧光强度则看起来杂乱无章。

Claims (3)

1.基于氧化石墨烯的酒精浓度光纤传感器，其特征在于：由钨灯(1)，分光光度计(2)、多模光纤(3)、电脑(6)、比色皿(7)构成；其中多模光纤(3)含有双锥形光纤传感头(5)结构，双锥形光纤传感头(5)上镀有氧化石墨烯薄膜(4)，钨灯(1)与多模光纤(3)左侧相连，多模光纤(3)右侧与分光光度计(2)出光口相连，电脑(6)与分光光度计(2)数据端相连，比色皿(7)在分光光度计(2)内。
2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯的酒精浓度光纤传感器，其特征在于：所述的多模光纤(3)的包层直径为125μm，纤芯直径为62.5μm。
3.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯的酒精浓度光纤传感器，其特征在于：所述的多模光纤(3)腰锥直径为50μm，长度为5mm。
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