CN110823840A - 一种新型等离子体便携式汞污染检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分析测试仪器技术领域，具体涉及一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，所述检测仪主要包括全光纤传感单元、解调单元，在全光纤传感单元中，金纳米颗粒与光倏逝波作用产生表面等离子体共振，共振波长处得到谐振峰值；解调单元中，利用光纤布拉格光栅的反射特性，调节应变片扫描布拉格中心波长，从而将传感探头的吸收峰波长探测转换为光强度探测。本发明的传感单元由光纤的等离子金纳米结构组成，利用表面等离子体谐振波长对纳米结构粒子浓度的敏感，来探测吸附的汞粒子浓度，提高了汞污染探测率，且具有自恢复功能；基于光纤布拉格光栅的解调单元具有易于柔性集成小型化的特点、并且能够探测气体、液体及狭小空间的汞含量。

Description

一种新型等离子体便携式汞污染检测仪

技术领域

本发明涉及分析测试仪器技术领域，具体涉及一种新型等离子体便携式汞污染检测仪。

背景技术

汞是一种长期存在于大气中且具有全球迁移性的环境污染物。汞的排放来自于自然源和人为源两个部分，涉及燃煤电厂、燃煤锅炉、有色金属冶炼、水泥生产、含汞产品等领域，大气中的汞排放主要源于化石燃料燃烧，尤其是煤炭的燃烧，而燃煤电厂是大气中全球汞排放的最大来源。

汞有几种不同的化学形态，包括元素汞、有机汞和无机汞。其中有机形态的甲基汞毒性最强，主要是在环境中通过微生物活动形成，可在有机体中蓄积，进而在整个食物链中形成生物累积和放大。

人体对汞暴露会引起大脑、神经、肾脏和肝脏损伤，甚至会引起昏迷和死亡，同时，即使低浓度的甲基汞也会对人类和哺乳类动物的神经发育带来不利影响。

目前，我国氯乙烯合成中采用的是列管式转化器，新装触媒后反应的热点在转化器的上部，温度控制在150摄氏度或者更高，在触媒中的氯化汞和还原出来的金属汞将会有一部分升华到空气中，造成汞的浪费。在乙炔法PVC工艺生产汞的过程中，有三个主要环节即转化器、除汞器和组合吸收装置。这三个环节中的汞流逝较为严重，但管理措施却相对落后，造成汞的流逝较大。另外，含汞废水的排放得不到有效地监管，废水中汞的含量也较多，但由于没有纳入环境监管的视野和范畴，存在很大程度上的盲区和安全隐患。

国内外虽然已研发出多种用于汞元测定的分析检测方法和仪器，例如有测汞仪、原子荧光光谱仪、直接测汞仪、流动注射——原子吸收光谱仪、电感耦合等离子体发射光谱仪等，国外的知名品牌主要有Tekran、哈希、lumex等，但进口仪器价格高昂，普遍在150-200万之间，加上运行费用，日均投入高达数千元。当前，我国主要运用冷原子吸收分光光度法、原子荧光分光光度法等方法来进行汞检测。聚光科技、雪迪龙、吉天仪器、开元仪器等国内优质企业立足汞检测行业，为汞检测市场提供了多款性能优良的测汞仪器，为我国的汞监测工作提供了不少技术支撑。开元仪器的5E-HGT2320型号全自动测汞仪、聚光科技的CEMS-2000B Hg烟气汞连续在线监测单元、南京科捷全自动间歇泵进样双道原子荧光光谱仪便是其中的杰出代表，但也价格不菲。因此市面上对价格低廉且实用性好的汞污染检测仪的需求一直没有得到解决。

发明内容

为了有效解决上述问题，本发明提供一种新型等离子体便携式汞污染检测仪。

本发明的具体技术方案如下：一种新型等离子体便携式汞污染检测仪,所述检测仪包括至少一个外壳体、至少一个显示模块、至少一个操作按钮、至少一个全光纤传感单元、及至少一个解调单元；

所述外壳体内设置所述显示模块、操作按钮、全光纤传感单元、及解调单元，所述全光纤传感单元与解调单元连接，所述显示模块、操作按钮分别与解调单元连接。

进一步地，所述全光纤传感单元包括光源模块、连接光纤、光纤连接器、第一锥度光纤、第二锥度光纤、第一粗光纤、第二粗光纤、探头光纤、及光纤底座；

所述光源模块产生的输入光依次经过连接光纤、光纤连接器、第一锥度光纤、第一粗光纤、探头光纤、第二粗光纤、第二锥度光纤后，输入至解调单元进行信号解调。

进一步地，所述解调单元包括至少一个光纤三端环形器、至少一个光电检测器、至少一个光纤布拉格光栅、至少一个应变片、至少一个光电检测器、及至少一个微控模块；

所述全光纤传感单元通过第二锥度光纤连接至光纤三端环形器，所述光纤三端环形器分别连接所述光纤布拉格光栅、及光电检测器，所述光纤布拉格光栅下方设置所述应变片，所述光纤布拉格光栅及应变片组成波长扫描器，将波长移动转化为光强度信息，所述应变片连接至所述微控模块，所述微控模块获取光纤检测变化数据，并计算转换为环境中汞含量的测量数据。

进一步地，所述探头光纤优选为600μm芯径的粗光纤制成。

进一步地，所述探头光纤的具体制备方法包括以下步骤：

S1：将600μm芯径粗光纤包层去除，按预设半径弯曲裸光纤，获得具有弧度的裸光纤材料；

S2：在裸光纤材料上应用胶体技术涂覆分布有若干个聚苯乙烯纳米球；

S3:在具有聚苯乙烯纳米球的光纤材料上通过蒸发工艺，将金纳米粒子层沉积至光纤材料表面；

S4：通过剥离工艺将所述光纤材料上的聚苯乙烯纳米球剥离分开，形成金纳米粒子层具有孔状分布层；

S5：将沉积有金纳米粒子层的光纤按照弧度形状安装在光纤底座的刻槽内。

6、根据权利要求5所述一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，其特征在于，在步骤S4中，所述金纳米粒子层为带有随机圆孔分布的结构层。

进一步地，在步骤S2中，所述涂覆工艺使用旋转涂抹机对聚苯乙烯纳米球进行涂覆。

进一步地，在步骤S3中，所述蒸发工艺采用滴加溶液的蒸发沉积工艺。

进一步地，在步骤S4中，所述剥离工艺利用机械力插层剥离，以混合金属卤化物作为插层剥离介质，混合均匀后加入高能球磨机中进行固相高能球磨处理；

球磨处理后的混合粉体经水洗去除插层剥离介质进行分离。

进一步地，在所述探头光纤两端加固定套管；

所述检测仪还包括至少一个保护盖，所述保护盖可套设固定在探头光纤上。

本发明的有益之处：应用本发明所述一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，所述便携式汞污染检测仪由全光纤传感单元和全光纤解调单元组成，便于柔性集成，具有小型、便携、抗干扰等优点，能够探测气体、液体及狭小空间的汞含量。其中传感探头由基于光纤的表面等离子金纳米结构组成，该表面等离子体结构能够有效吸附汞粒子，谐振峰值波长对不同汞粒子的吸附浓度敏感，从而实现探测；本发明的解调单元巧妙的利用光纤布拉格光栅，将表面等离子传感探头的敏感波长转换为光强变化，免去了波长检测的复杂系统，实现传感和解调显示的集成。实现了小型便携、且提高了汞污染探测精度，且具有自恢复功能，使用寿命长；基于光纤布拉格光栅的解调单元具有易于柔性集成小型化且经济的特点。当传感探头暴露在汞环境中，探头金微纳结构将吸附汞从而完成检测。

附图说明

图1为本发明第一实施例的整体结构示意图；

图2为本发明第一实施例的工作流程示意图；

图3为本发明第一实施例所用光源模块的光谱示意图；

图4为本发明第一实施例的正常环境下的膜层的吸收谱或反射谱的示意图；

图5为本发明第一实施例的探头光纤吸收光谱的光谱检测原理示意图；

图6为对应图5的A部分的光纤布拉格光栅反射光谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1、2所示，为本发明第一实施例的结构及工作流程示意图，该实施例提供了一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，所述检测仪包括至少一个外壳体1、至少一个显示模块2、至少一个操作按钮3、至少一个全光纤传感单元4、及至少一个解调单元5；

所述外壳体1的一侧面设置所述显示模块2、及操作按钮3，所述外壳体1内设置所述全光纤传感单元4、及解调单元5，实现对环境中汞元素的检测。

进一步地，所述全光纤传感单元4包括光源模块41、连接光纤42、光纤连接器43、第一锥度光纤44、第二锥度光纤45、第一粗光纤46、第二粗光纤47、探头光纤48、及光纤底座49，所述光源模块41发射出光，并将光射入连接光纤42，所述连接光纤42通过光纤连接器43连接至所述第一锥度光纤44，所述第一锥度光纤44一端连接所述光纤连接器43，另一端连接第一粗光纤46；

所述第一粗光纤46一端连接至所述第一锥度光纤44，另一端至探头光纤48，所述探头光纤48为暴露在外壳体1的一部分光纤，用于检测环境中的汞元素，所述探头光纤48的两端分别连接至第一粗光纤46，另一端的探头光纤48连接至第二粗光纤47，再连接至第二锥度光纤45，并通过该第二锥度光纤45输入至解调单元5，进行信号解调，从而将环境中的汞含量数字化呈现出来。

所述光源模块41为本领域可产生输入光纤光源的常规模块，例如宽带光源，在此不做具体限定，仅以实现上述光纤可通过光的常规结构即可。

所述连接光纤42为普通光纤即可，所述显示模块2为本领域常见是数字显示屏，所述操作按钮3为本领域常见的开关按钮、及动作按钮即可，在此不做具体限定。

所述光纤底座49设置在所述外壳体1内部，并在所述光纤底座49上表面设置有刻槽，所述第一粗光纤46、第二粗光纤47对称分布设置所述刻槽内固定，两段粗光纤通过所述探头光纤48连接，所述探头光纤48暴露在空气中，检测汞含量。

在所述探头光纤48两端加固定套管，只留中间探测部分暴露在外壳体1。并所述检测仪还包括至少一个保护盖，所述保护盖可套设固定在探头光纤48上，不使用时盖住探头光纤48，实现对所述探头光纤48保护和防尘。

所述解调单元5包括至少一个光纤三端环形器51、至少一个光电检测器52、至少一个光纤布拉格光栅53、至少一个应变片54、及至少一个微控模块55；

所述第二锥度光纤45一侧连接所述第二粗光纤47，另一侧连接所述光纤三端环形器51，所述光纤三端环形器51分别连接所述光纤布拉格光栅53、及光电检测器52，所述光纤布拉格光栅53下方设置所述应变片54，所述光纤布拉格光栅53及应变片54组成波长扫描器，将波长移动转化为光强度信息，所述应变片54连接至所述微控模块55，从而获取光纤检测变化数据，并计算转换为环境中汞含量的测量数据。

在本实施例中，所述微控模块55为本领域可将光纤变化信号转换为数字信号的控制电路板、控制芯片，在此不做具体限定。

进一步地，所述探头光纤48优选为600μm芯径的粗光纤制成，所述探头光纤48的具体制备方法包括以下步骤：

S1：将600μm芯径粗光纤包层去除，按预设半径压弯裸光纤，获得具有弧度的裸光纤材料；

对于压弯步骤，可采用压弯机进行完成；

S2：在裸光纤材料上应用胶体技术涂覆分布有若干个聚苯乙烯纳米球；

对于涂覆工艺具体为，在常温下，运用旋转涂抹机(匀胶机)对聚苯乙烯纳米球进行涂覆，将聚苯乙烯纳米球放置在匀胶机的基片上，加速旋转，利用离心力使聚苯乙烯纳米球覆盖在光纤表面，进行即可。

S3:在具有聚苯乙烯纳米球的光纤材料上通过蒸发工艺，将金纳米粒子层沉积至光纤材料表面；

对于蒸发工艺具体为，采用常温蒸发沉积，不需要控温装置，只需将其放置在通风良好的干净环境下，用本领域常规配制好的溶液进行滴加，然后让其沉积进行自然蒸干，样品只需要真空或密封保存即可。

S4：通过剥离工艺将所述光纤材料上的聚苯乙烯纳米球剥离分开，形成金纳米粒子层具有孔状分布层；

对于剥离工艺具体为，在常温下，利用机械力插层剥离，以混合金属卤化物作为插层剥离介质，混合均匀后加入高能球磨机中进行固相高能球磨处理；球磨处理后的混合粉体经水洗去除插层剥离介质即可分离。

S5：将沉积有金纳米粒子层的光纤按照弧度形状安装在光纤底座49的刻槽内。

所述探头光纤48采用600μm芯径粗光纤制成，且所述探头光纤48为微纳结构，使金纳米颗粒与光波作用时产生表面等离子体效应，提高汞污染探测率且具有自恢复功能。

工作原理：如图3所示，为正常环境下的光源光谱示意图，所述3至图6的示意图中，X轴单位为波长(nm)，Y轴单位为光强(mW)，在此不做具体赘述；

由于所述探头光纤48由基于光纤的等离子金纳米结构组成，利用金纳米颗粒与光波作用时产生表面等离子体共振，金对汞具有亲和力，适合对汞蒸汽、汞液体进行探测；

如图4所示，为探头光纤48吸收光谱的示意图，当金等离子体结构表面覆盖汞时，所述探头光纤的表面等离子体共振波长将产生一定偏移，从而探测汞的含量，来探测吸附的汞粒子浓度，提高了汞污染探测率；

如图5所示，为耦合入光纤布拉格光栅53剩余的光谱图，且图4与图5的光谱图为互补光谱图，在全光纤传感单元4中，金纳米颗粒与光倏逝波作用产生表面等离子体共振，共振波长处得到谐振峰值；解调单元5中，利用光纤布拉格光栅53的反射特性，调节应变片54移动(扫描)布拉格中心波长，当布拉格中心波长与谐振峰值匹配时，将反射所有谐振峰值的强度；

如图6为对应图5的A部分的光纤布拉格光栅53反射光谱图，具体为，光栅周期改变时对应的反射中心波长移动光谱图，所述光纤布拉格光栅53扫描剩余的光谱，所述光纤布拉格光栅53窄带发射光谱通过应变片形变移动反射中心波长，所述光电检测器52探测到光强极值，从而将传感探头的吸收峰波长探测转换为光强度探测，降低成本，易于小型集成。

进一步地，所述探头光纤48具有自恢复功能,具体为，由于汞易于挥发，当温度在120摄氏度时很快自恢复。自恢复不需要每次就行，在饱和前都可以使用，一年大概使用频次为1000次，进行一次自恢复操作。只需要将金纳米粒子颗粒膜层加热到120-150℃，即可去除吸附在表面的汞粒子，恢复传感功能。

所述光源模块41发出的光耦合进入连接光纤42，由第一锥度光纤44过渡传输进入600μm芯径第一粗光纤46，所述第一粗光纤46将光波输入至探头光纤48。

当光传播到制作微纳结构的探头光纤48时，由于光纤的弯曲光倏逝波进入光纤包层，金纳米颗粒与光波作用产生表面等离子体共振，共振波长处得到吸收峰值，剩余光波经光纤继续传输由光纤三端环形器51耦合进入解调单元5。

到吸收峰值，剩余光波经光纤继续传输由光纤三端环形器51耦合进入解调单元5。三端环形器将光耦合入光纤布拉格光栅53，所述光纤布拉格光栅53的特点是有一个和折射率周期相关的反射峰，当所述应变片54去改变折射率周期时，反射峰会移动。布拉格光栅的反射光谱由应变片54控制峰值波长移动，扫描入射光波，转换为光强度信息，从而探测微纳探头光纤48的吸收峰。

当探头光纤48处于汞污染环境，金纳米粒子吸附汞，从而使得光谱的吸收峰发生偏移，通过连续调节应变片54，反射峰在一定范围内连续移动，一旦反射峰与探头光纤48的谐振波长匹配，光电检测器52就探测到最大值，也就得到了谐振峰，通过控制应变片54波长进行波长扫描探测吸收峰值波长，同时与光电检测器52相连的显示屏会显示出此时汞的浓度，从而得到汞浓度稳定可靠的检测数据。

进一步地，所述探头光纤48采用光纤材料，因此柔性强，可以探测狭小空间。实现对环境中汞含量的检测，并所述便携式汞污染检测仪具有小型、便携、抗干扰等优点，能够探测气体、液体及狭小空间的汞含量。

其次，所述探头光纤48由基于光纤的金纳米结构组成，提高了汞污染探测率，且在每一次检测完成后具有自恢复功能；基于光纤布拉格光栅53的解调单元5具有易于柔性集成小型化且经济的特点。整个所述便携式汞污染检测仪成本低，体积小，便于携带与操作，可实用场合广及方便远程操控。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，其特征在于，所述检测仪包括至少一个外壳体、至少一个显示模块、至少一个操作按钮、至少一个全光纤传感单元、及至少一个解调单元；

所述外壳体内设置所述显示模块、操作按钮、全光纤传感单元、及解调单元，所述全光纤传感单元与解调单元连接，所述显示模块、操作按钮分别与解调单元连接。

2.根据权利要求1所述一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，其特征在于，所述全光纤传感单元包括光源模块、连接光纤、光纤连接器、第一锥度光纤、第二锥度光纤、第一粗光纤、第二粗光纤、探头光纤、及光纤底座；

所述光源模块产生的输入光依次经过连接光纤、光纤连接器、第一锥度光纤、第一粗光纤、探头光纤、第二粗光纤、第二锥度光纤后，输入至解调单元进行信号解调。

3.根据权利要求2所述一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，其特征在于，所述解调单元包括至少一个光纤三端环形器、至少一个光电检测器、至少一个光纤布拉格光栅、至少一个应变片、至少一个光电检测器、及至少一个微控模块；

所述全光纤传感单元通过第二锥度光纤连接至光纤三端环形器，所述光纤三端环形器分别连接所述光纤布拉格光栅、及光电检测器，所述光纤布拉格光栅下方设置所述应变片，所述光纤布拉格光栅及应变片组成波长扫描器，将波长移动转化为光强度信息，所述应变片连接至所述微控模块，所述微控模块获取光纤检测变化数据，并计算转换为环境中汞含量的测量数据。

4.根据权利要求2所述一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，其特征在于，所述探头光纤优选为600μm芯径的粗光纤制成。

5.根据权利要求2所述一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，其特征在于，所述探头光纤的具体制备方法包括以下步骤：

S1：将600μm芯径粗光纤包层去除，按预设半径弯曲裸光纤，获得具有弧度的裸光纤材料；

S2：在裸光纤材料上应用胶体技术涂覆分布有若干个聚苯乙烯纳米球；

S3:在具有聚苯乙烯纳米球的光纤材料上通过蒸发工艺，将金纳米粒子层沉积至光纤材料表面；

S4：通过剥离工艺将所述光纤材料上的聚苯乙烯纳米球剥离分开，形成金纳米粒子层具有孔状分布层；

S5：将沉积有金纳米粒子层的光纤按照弧度形状安装在光纤底座的刻槽内。

6.根据权利要求5所述一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，其特征在于，在步骤S4中，所述金纳米粒子层为带有随机圆孔分布的结构层。

7.根据权利要求5所述一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，其特征在于，在步骤S2中，所述涂覆工艺使用旋转涂抹机对聚苯乙烯纳米球进行涂覆。

8.根据权利要求5所述一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，其特征在于，在步骤S3中，所述蒸发工艺采用滴加溶液的蒸发沉积工艺。

9.根据权利要求5所述一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，其特征在于，在步骤S4中，所述剥离工艺利用机械力插层剥离，以混合金属卤化物作为插层剥离介质，混合均匀后加入高能球磨机中进行固相高能球磨处理；

球磨处理后的混合粉体经水洗去除插层剥离介质进行分离。

10.根据权利要求2所述一种新型等离子体便携式汞污染检测仪，其特征在于，在所述探头光纤两端加固定套管；

所述检测仪还包括至少一个保护盖，所述保护盖可套设固定在探头光纤上。

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