CN110220868A - 一种可同时测量氢气和甲烷的pcf-spr结构传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可同时测量氢气和甲烷的PCF‑SPR结构传感器，由宽带光源，光衰减器，气室，PCF‑SPR传感器和光谱仪组成。PCF‑SPR传感器的截面有直径1.5微米的较小气孔沿45度和135度的角度排列，四个直径5微米的超大气孔垂直和水平分布，其中两个超大型侧孔内表面分别涂有由金和钯‑WO3复合薄膜制成的氢敏薄膜，以及由金和紫外光固化氟硅氧烷纳米膜制成的甲烷敏感膜。气体传感通道在不同波长下引起不同的峰值偏移，通过结构参数优化，结合侧孔结构和极化过滤，可以准确测量甲烷和氢气的气体混合物，而不会相互干扰，PCF‑SPR结构传感器具有良好的多通道气体传感重复性，选择性检测方法可用于气体和其他传感应用，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种可同时测量氢气和甲烷的PCF-SPR结构传感器。
背景技术
为实现能源环境的可持续发展，政府大力推进北方地区的冬季“煤改气”清洁供暖工作，天然气在居民生活中的使用也不断普及，由于天然气泄漏或使用不当造成爆炸和窒息中毒事故引起了人们的高度重视。由于管道老化、腐蚀以及缺陷等因素的影响，天然气管线泄漏事故时常发生，甲烷是天然气和煤层气的主要成分，属于易燃易爆气体，甲烷泄漏问题可能会威胁到人们的生命财产安全，造成巨大的经济损失，因此，研发智能化、数字化、微型化的甲烷传感器是甲烷浓度监测和检测方面的重中之重。
氢气是一种高效洁净的燃料，具有潜在的可无限循环利用的能源。由于氢气分子小、点火能量小、火焰传播速度快，且空气中的氢气含量达到4％以上，遇到明火或电火花就会发生爆炸，在生产、运输和使用的过程中不易控制，易发生泄漏。因此，制作一种安全可靠、灵敏度高的氢气传感器，以利于氢气的安全使用非常重要。
光子晶体光纤(PCF)因其独特的光控能力和灵活的结构设计而被广泛研究作为光学传感的合适候选者。随着制造技术的推广，可以容易地构造PCF的结构，以根据实际需要检测各种参数。基于PCF的气体传感器在灵敏度和光谱响应方面表现出优异的性能，研究人员尝试通过将功能性材料填充到包层气孔来提高传感能力。特别是，在真实环境中通常存在多种气体，有必要探索一种用于检测多组分气体的有效传感方法。目前的测量原理主要基于光学吸收光谱技术，最大的挑战是如何获得更高的相对灵敏度和更低的成本损失。因此，需要具有更高灵敏度的更简单的PCF结构以避免复杂的制造和高成本。在这些基于PCF的设计中，通过使用涂层金属层的表面等离子体共振(SPR)技术由于其特殊的传感机制而引起了极大的关注。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可同时测量氢气和甲烷的PCF-SPR结构传感器，所述光子晶体光纤包层中的两个超大型侧孔内表面分别涂有不同的复合薄膜，其一的氢敏薄膜由金和钯-WO3复合薄膜制成，另外一个甲烷敏感膜由金和紫外光固化氟硅氧烷纳米膜制成，以达到选择性地检测特殊气体的目的。结合侧孔结构和极化过滤，可以准确测量甲烷和氢气的气体混合物，而不会相互干扰。该方法还可以扩展到多种气体的定性识别。
本发明通过以下技术方案实现：一种可同时测量氢气和甲烷的PCF-SPR结构传感器，由宽带光源(1)，光衰减器(2)，气室(3)，PCF-SPR传感器(4)，进气口(5)，出气口(6)和光谱仪(7)组成；其特征在于：宽带光源(1)出射的光经光衰减器(2)进入置于气室(3)中的PCF-SPR传感器(4)左端，待检测的氢气甲烷等混合气体由进气口(5)通入，PCF-SPR传感器(4)的右端连接光谱仪(7)进行实时监测，PCF-SPR传感器(4)的截面有直径1.5微米的较小气孔沿45度和135度的角度排列，四个5微米的超大气孔垂直和水平分布，其中包层中的两个超大型侧孔内表面分别涂有金和钯-WO3复合薄膜(8)构成的氢敏感膜，以及金和紫外光固化氟硅氧烷纳米膜(9)构成的甲烷敏感膜，敏感膜的折射率随气体浓度线性变化，因此气体传感通道会在不同波长处引起不同的峰值漂移，通过使用光谱仪(7)观察光谱响应，目标气体的浓度可以从测量的敏感膜的折射率得出，所提出的传感器具有更高的灵敏度和线性度，并且可以检测气体混合物而不会相互干扰。
所述PCF-SPR传感器(4)的截面有较小的气孔沿45度和135度的角度排列，四个超大的气孔垂直和水平分布，该结构可以通过多步骤“堆叠-拉制”程序来实现。首先，三层硅胶应该折叠得到三种具有不同内径和外径的硅胶管。塌陷过程可以在修改的化学气相沉积车床中进行。然后，利用光纤拉丝塔用于完成光纤拉丝。
其中包层中的两个超大型侧孔内表面分别涂有不同的复合薄膜，其中之一的氢敏薄膜由金和钯-WO3复合薄膜(8)制成，可以通过使用溶胶-凝胶方案来实现；甲烷敏感膜由金和一种含有隐黄素A的紫外光固化氟硅氧烷(UVCFS)纳米膜(9)制成，可通过毛细管浸涂技术制备。
所述包层中的带有涂层的超大型气孔的直径为d1＝5μm，较小的沿45度和135度的角度排列的气孔直径为d2＝1.5μm。光纤纤芯的折射率高于基材，以减少传输损耗。
本发明的工作原理是：选择二氧化硅作为背景材料，表征光学材料中随波长变化的折射率时，通常采用Sellmeier色散公式：
用Drude Lorentz模型描述了金的色散，并用公式表示：
其中εAμ是金属的介电常数，而ε∞＝9.75是有限频率下的介电常数。其中等离子体频率和碰撞频率分别是：
ωP＝1.36×1016rad/s ωτ＝1.45×1014rad/s
根据实验结果建立气敏薄膜折射率(neff1，neff2)与气体浓度之间的线性关系。只要在工作波长下满足相位匹配条件，核心导模的能量就会转移到SPP模式。当核心模式的有效折射率的实部等于SPP模式的实部时，出现SPR现象。可以通过改变结构参数来操纵两个极化方向的耦合点。经过实验数据检测可知，x-pol和y-pol的纤维核心模式分别与1190nm和1310nm的3阶SPP模型强耦合。因此，可以挑选出3阶SPP模式和核心模式之间的耦合过程来测量甲烷和氢气的浓度。根据实验可以获得对于两个偏振方向，损耗谱的峰值位移随氢和甲烷的浓度变化变化的折线图。然后，仅通过测量两个方向上的损耗峰值偏移，可以分别计算出氢气和甲烷的浓度。
本发明的有益效果是：提出了一种基于气敏薄膜涂层的新型PCF-SPR传感器，用于检测甲烷和氢气的混合气体。不同气敏层的可调RI特性可用于调节峰值波长和测量气体浓度。由于浓度变化引起的折射率变化通常非常低，因此在PCF的包层中引入了四个超大的侧孔，以提高气敏性并简化制造技术。气敏复合膜相对容易涂覆在超大气孔表面，具有增强传感性能的目的。与一些常见的气体传感器不同，所提出的传感器具有更高的灵敏度和线性度，并且可以检测气体混合物而不会相互干扰，通过优化结构参数可以改善对不同目标气体的光谱响应，因此具有良好的应用前景。
附图说明
图1是一种可同时测量氢气和甲烷的PCF-SPR结构传感器测试系统原理图。
图2是一种PCF-SPR结构传感器结构示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，一种可同时测量氢气和甲烷的PCF-SPR结构传感器，由宽带光源(1)，光衰减器(2)，气室(3)，PCF-SPR传感器(4)，进气口(5)，出气口(6)和光谱仪(7)组成；其特征在于：宽带光源(1)出射的光经光衰减器(2)进入置于气室(3)中的PCF-SPR传感器(4)左端，待检测的氢气甲烷等混合气体由进气口(5)通入，PCF-SPR传感器(4)的右端连接光谱仪(7)进行实时监测，PCF-SPR传感器(4)的截面有直径1.5微米的较小气孔沿45度和135度的角度排列，四个5微米的超大气孔垂直和水平分布，其中包层中的两个超大型侧孔内表面分别涂有金和钯-WO3复合薄膜(8)构成的氢敏感膜，以及金和紫外光固化氟硅氧烷纳米膜(9)构成的甲烷敏感膜，敏感膜的折射率随气体浓度线性变化，因此气体传感通道会在不同波长处引起不同的峰值漂移，通过使用光谱仪(7)观察光谱响应，可以通过结构参数优化来调制x-pol方向和y-pol方向上的操作波长，以检测甲烷/氢气混合物，目标气体的浓度可以从测量的敏感膜的折射率得出，所提出的传感器具有更高的灵敏度和线性度，并且可以检测气体混合物而不会相互干扰。
目标气体的浓度可以从测量的敏感膜的折射率得出，出于安全原因，甲烷和氢的检测范围分别设定为0-3.5％和0-3％。根据实验可以获得对于两个偏振方向，损耗谱的峰值位移随氢和甲烷的浓度变化变化的折线图。随着氢浓度的增加，x-pol方向的损耗谱具有线性蓝移，而y-pol方向的情况保持不变。类似地，y-pol方向上的损耗谱随着甲烷浓度的增加而具有线性蓝移，而x-pol方向的情况保持相同，而且x-pol方向的损耗谱几乎不受甲烷气体浓度的影响，氢的浓度变化对y-pol方向的损耗谱几乎没有影响。这正是结构设计必须要做的，以实现极化滤波。然后，仅通过测量两个方向上的损耗峰值偏移，可以分别计算出氢气和甲烷的浓度。如果需要测量更多的目标气体，我们只需要增加系数矩阵K的尺寸并重复该过程即可。
Claims (1)
1.一种可同时测量氢气和甲烷的PCF-SPR结构传感器，由宽带光源（1），光衰减器（2），气室（3），PCF-SPR传感器（4），进气口（5），出气口（6）和光谱仪（7）组成；其特征在于：宽带光源（1）出射的光经光衰减器（2）进入置于气室（3）中的PCF-SPR传感器（4）左端，待检测的氢气甲烷等混合气体由进气口（5）通入，PCF-SPR传感器（4）的右端连接光谱仪（7）进行实时监测，PCF-SPR传感器（4）的截面有直径1.5微米的较小气孔沿45度和135度的角度排列，四个5微米的超大气孔垂直和水平分布，其中包层中的两个超大型侧孔内表面分别涂有金和钯-WO3复合薄膜（8）构成的氢敏感膜，以及金和紫外光固化氟硅氧烷纳米膜（9）构成的甲烷敏感膜，敏感膜的折射率随气体浓度线性变化，因此气体传感通道会在不同波长处引起不同的峰值漂移，通过使用光谱仪（7）观察光谱响应，目标气体的浓度可以从测量的敏感膜的折射率得出，所提出的传感器具有更高的灵敏度和线性度，并且可以检测气体混合物而不会相互干扰。
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