CN110823879B - 基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器 - Google Patents

基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器，涉及光纤传感器领域。传感器主要包括一根宏弯光纤，宏弯光纤上一定长度的一段为锥形宏弯结构，锥形宏弯结构为利用粗糙化加工后去掉了光纤包层及部分纤芯的剩余纤芯结构，锥形宏弯结构的表面上附着有聚吡咯薄膜，形成乙醇气体敏感探头，宏弯光纤位于锥形宏弯结构两端的光纤部分采用屏蔽外界光的黑色套管遮挡，宏弯光纤一端与LED光源连接，另一端与光功率计连接。同时还公开了该传感器的制备方法和检测方法。本发明提供的检测方法和制备方法比较简单，薄膜形态良好，可以满足在复杂空间结构内任意布置的检测需求，结构简单、成本较低。

Description

基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传 感器
技术领域
本发明涉及光纤传感器领域，具体为一种基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器，适用于乙醇气体的检测。
背景技术
现有技术中，乙醇气体的检测普遍采用金属氧化物等消耗物质作为敏感物质，测量温度较高，不适合室温使用，同时气体响应时间不理想，测量气体浓度范围无法满足实际的需求，影响了测试的实时性。此外现有的气体传感器通过将气体注入在一个密闭空间里面以此来提高气体响应时间，但是由于其约束条件较多，很难适用于一般的环境中。因此需要在常温常压的环境下，可以实时监测折射率的变化，并大幅度提高气体检测的响应时间和灵敏度的乙醇气体传感器。
发明内容
本发明为了解决现有技术中乙醇气体检测所采用的传感器不适用于常温常压下检测的问题，提供了一种基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器，包括一根宏弯光纤，所述宏弯光纤上一定长度的一段为锥形宏弯结构，所述锥形宏弯结构为利用粗糙化加工后去掉了光纤包层及部分纤芯的剩余纤芯结构，所述锥形宏弯结构的表面上附着有聚吡咯薄膜，形成乙醇气体敏感探头，所述宏弯光纤位于锥形宏弯结构两端的光纤部分采用屏蔽外界光的黑色套管遮挡，所述宏弯光纤一端与LED光源连接，另一端与光功率计连接。
本发明利用粗糙化锥形宏弯光纤与聚吡咯薄膜构成了一种新型乙醇气体检测传感器。通过过量氯化铁与吡咯单体来制备聚吡咯薄膜，生成um级别的薄膜，使用粗加工的方式使光纤表面粗糙化，所形成的锥形宏弯结构，使薄膜与光纤贴合后表面积体积比增加，锥形宏弯结构是指粗糙化加工后纤芯所形成的形状。聚吡咯薄膜与乙醇气体反应，会改变其薄膜表面折射率，乙醇浓度不同，会使折射率变化不同，使最终功率输出不同，利用该原理可实现乙醇气体浓度的测定。而本发明所提供的光纤表面修饰聚吡咯薄膜的工艺方法，将聚吡咯薄膜与锥形光纤相结合，实现了ppm级乙醇气体浓度的测量，响应时间低于50s。
一种基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器的制备方法，包括如下步骤：
①取一根塑料光纤，将其中固定长度的一段采用粗糙化加工，去掉该段处的光纤包层及部分纤芯，这段中剩余的纤芯部分为锥形宏弯结构；
②称取0.2164g FeCl3粉末，吡咯3ul；将10ml去离子水中加到0.2164g FeCl3粉末中，在烧杯中均匀搅拌，静置半小时，在烧杯底部沉积杂质；在10ml去离子水中加入3ul吡咯，搅拌后，用磁力搅拌器均匀分开；取直径8cm的玻璃培养皿，将FeCl3溶液倒入培养皿中，而后加入吡咯溶液，均匀混合，盖上盖子，室温反应4h，在反应溶液表面上形成一层黑灰色聚吡咯薄膜；
③将塑料光纤弯曲，使锥形宏弯结构位于弯曲塑料光纤的头部，然后将塑料光纤弯曲的头部即锥形宏弯结构伸入玻璃培养皿中2-3min后取出，形成乙醇气体敏感探头，即得聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器；
④将锥形宏弯结构两侧的塑料光纤部分采用黑色套管进行遮挡；
⑤将塑料光纤的一端与LED光源连接，另一端与光功率计连接。
本发明所提供的一种基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器的制备方法，利用过量的氯化铁来制备聚吡咯薄膜，降低薄膜的厚度，以此来增加透光性。同时室温下氧化还原反应形成的聚吡咯膜，能够保持薄膜形态；而且提出了在塑料光纤表面粗加工（利用砂纸等工具），去掉光纤包层及部分光纤纤芯，制成锥形宏弯结构，粗糙的光纤表面能够使其与聚吡咯薄膜贴合更为紧密，并且通过弯曲光纤来增加倏逝波强度，提高敏感度。
基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器的乙醇气体检测方法，包括如下步骤：
①将用聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤的一端与光功率计的一侧连接，另一端与LED光源连接，所述光功率计的另一侧与计算机连接，所述LED光源为光功率可调的光源；
②将聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤置于所要检测乙醇气体的环境中，乙醇气体敏感探头起作用，当环境中不存在乙醇气体时，功率计输出稳定的数值，存在乙醇气体时，聚吡咯薄膜与乙醇相互反应，使输出功率发生突变，出现下降趋势，而且乙醇浓度越大，响应的越快，功率的变化量也就越大；当乙醇浓度减小时，输出功率值则上升，恢复到稳定数值；通过功率计数值的变化来对应乙醇浓度，同时根据上升与下降的时间来判定传感器气体的响应与恢复时间。
本发明所提供的基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器的乙醇气体检测方法，原理为：当附有聚吡咯薄膜的光纤表面遇到乙醇气体时，由于乙醇具有还原性易失去电子，聚吡咯是P型聚合物，空穴浓度大于电子浓度，当两者接触时发生反应，使聚吡咯空穴浓度降低，改变其折射率，光纤传感器耦合率随之变化，脉冲强度突变，而由脉冲波形变化的高低可对应得到气体浓度的大小。该方法既可以实时监测浓度的变化，又可以以一种低成本、结构简单的方法实现高精度气体浓度检测。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器、制备方法以及检测方法，利用过量氯化铁和吡咯来制备um级别的聚吡咯薄膜，方法简单，薄膜形态良好；利用聚吡咯薄膜与锥形塑料光纤可实现乙醇气体检测，同时可以满足在复杂空间结构内任意布置的检测需求，结构简单、成本较低，还可以进行非接触式测量；利用砂纸等方法来打磨光纤呈锥形，粗糙的光纤表面能够使其与聚吡咯薄膜贴合更为紧密，能够增加气体检测敏感度，同时薄膜不易脱落，适合多次试验。并且通过弯曲光纤成U型来增加倏逝波强度；同时未来可以应用于通讯、邮电、金融系统及图书馆、博物馆、档案馆、机场、油库以及石油、石化、药业等行业的气体检测。
附图说明
图1为本发明具体实施例打磨后的2cm长锥形宏弯结构的粗糙面示意图。
图2为本发明中宏弯光纤的锥形宏弯结构镀上聚吡咯薄膜的宏弯结构示意图。
图3为本发明的乙醇气体传感器的检测原理示意图。
图4为本发明具体实施例的实验检测装置的组装示意图。
图5为本发明具体实施方式PPy1对比例的功率随乙醇浓度变化的时间响应图。
图6为本发明具体实施方式PPy2实施例的功率随乙醇浓度变化的时间响应图。
图7为本发明具体实施方式PPy3对比例的功率随乙醇浓度变化的时间响应图。
图8为三个实施例功率随着浓度变化的曲线图。
图9为三个实施例所制备出的聚吡咯薄膜图。
图中标记如下：1-聚吡咯薄膜，2-宏弯光纤，3-乙醇气体敏感探头，4-黑色套管，5-纤芯，6-光功率计，7-LED光源，8-电脑，9-乙醇气体浓度计，10-USB连接口，11-气体实验箱。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器，如图1~2所示，包括一根宏弯光纤，所述宏弯光纤上一定长度的一段为锥形宏弯结构，所述锥形宏弯结构为利用粗糙化加工后去掉了光纤包层及部分纤芯的剩余纤芯结构，所述锥形宏弯结构的表面上附着有聚吡咯薄膜，形成乙醇气体敏感探头，所述宏弯光纤位于锥形宏弯结构两端的光纤部分采用屏蔽外界光的黑色套管遮挡，所述宏弯光纤一端与LED光源连接，另一端与光功率计连接。
本实施例中，所述锥形宏弯结构的长度为2-3cm。
一种基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器的制备方法，包括如下步骤：
①取一根塑料光纤，将其中固定长度的一段采用粗糙化加工，去掉该段处的光纤包层及部分纤芯，这段中剩余的纤芯部分为锥形宏弯结构，本实施例中的粗糙化加工采用砂纸打磨，但是也不限于这种加工方式；
②称取0.2164g FeCl3粉末，吡咯3ul；将10ml去离子水中加到0.2164g FeCl3粉末中，在烧杯中均匀搅拌，静置半小时，在烧杯底部沉积杂质；在10ml去离子水中加入3ul吡咯，搅拌后，用磁力搅拌器均匀分开；取直径8cm的玻璃培养皿，将FeCl3溶液倒入培养皿中，而后加入吡咯溶液，均匀混合，盖上盖子，室温反应4h，在反应溶液表面上形成一层黑灰色聚吡咯薄膜；
③将塑料光纤弯曲，使锥形宏弯结构位于弯曲塑料光纤的头部，然后将塑料光纤弯曲的头部即锥形宏弯结构伸入玻璃培养皿中2-3min后取出，形成乙醇气体敏感探头，即得聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器；
④将锥形宏弯结构两侧的塑料光纤部分采用黑色套管进行遮挡；
⑤将塑料光纤的一端与LED光源连接，另一端与光功率计连接。
基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器的乙醇气体检测方法，如图3所示，包括如下步骤：
①将用聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤的一端与光功率计的一侧连接，另一端与LED光源连接，所述光功率计的另一侧与计算机连接，所述LED光源为光功率可调的光源；
②将聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤置于所要检测乙醇气体的环境中，乙醇气体敏感探头起作用，当环境中不存在乙醇气体时，功率计输出稳定的数值，存在乙醇气体时，聚吡咯薄膜与乙醇相互反应，使输出功率发生突变，出现下降趋势，而且乙醇浓度越大，响应的越快，功率的变化量也就越大；当乙醇浓度减小时，输出功率值则上升，恢复到稳定数值；通过功率计数值的变化来对应乙醇浓度，同时根据上升与下降的时间来判定传感器气体的响应与恢复时间。
本实施例中还用两个对照例进行了检测对比，这两个对照例是采用不同质量比的氯化铁氧化剂和吡咯反应物，来制备聚吡咯薄膜，并用制备出的聚吡咯薄膜镀在锥形宏弯结构上，进行检验，具体过程如下：
分别称取0.1443g，0.2164g，0.2885g的FeCl3粉末，分别加入10ml去离子水，在烧杯中均匀搅拌，静置半小时，在烧杯底部沉积杂质。另外取三份12ul吡咯，溶于10ml去离子水里面，用磁力搅拌器均匀分开。取三个直径8cm的玻璃培养皿，将FeCl3溶液倒入培养皿中，而后缓慢加入吡咯溶液，均匀混匀，盖上盖子，室温反应4h，在表面上形成一层黑灰色PPy薄膜，如图9所示。由此制备完成了3种不同浓度的聚吡咯敏感薄膜，命名成ppy-1，ppy-2，ppy-3。此时制备的三种聚吡咯薄膜的氯化铁氧化剂和吡咯反应物之间的物质量之比分别为5:1，15:2和10:1。
按照图4中进行实验装置连接设备以后，测试了三种ppy-1，ppy-2，ppy-3聚吡咯薄膜制备的敏感探头对乙醇气体的气体响应与恢复时间，如图5~7所示，当气体注入后光功率计数值将会下降，乙醇气体抽离后，数值将会上升，恢复到稳定数值，从图中可以看出，ppy-2薄膜制备的传感器的响应与恢复时间在相同浓度下比较都优于其他两种敏感薄膜制备的传感器。因此通过功率计数值的变化来对应乙醇浓度，同时根据上升与下降的时间来判定传感器气体的响应与恢复时间。本实验测试了乙醇浓度700-3500ppm之间的传感器响应变化。图8为功率随着浓度变化的曲线图，可以看出ppy-2薄膜制备的传感器敏感度最高，曲线斜率最大，ppy-1次之，ppy-3变化最小，这是与其薄膜厚度和与传感器之间贴合紧密程度相关的。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器的制备方法，其特征在于：所述锥形宏弯光纤乙醇气体传感器包括一根宏弯光纤，所述宏弯光纤上一定长度的一段为锥形宏弯结构，所述锥形宏弯结构为利用粗糙化加工后去掉了光纤包层及部分纤芯的剩余纤芯结构，所述锥形宏弯结构的表面上附着有聚吡咯薄膜，形成乙醇气体敏感探头，所述宏弯光纤位于锥形宏弯结构两端的光纤部分采用屏蔽外界光的黑色套管遮挡，所述宏弯光纤一端与LED光源连接，另一端与光功率计连接；制备方法，包括如下步骤：
①取一根塑料光纤，将其中固定长度的一段采用粗糙化加工，去掉该段处的光纤包层及部分纤芯，这段中剩余的纤芯部分为锥形宏弯结构；
②称取0.2164g FeCl3粉末，吡咯3ul；将10ml去离子水加到0.2164g FeCl3粉末中，在烧杯中均匀搅拌，静置半小时，在烧杯底部沉积杂质；在10ml去离子水中加入3ul吡咯，搅拌后，用磁力搅拌器均匀分开；取直径8cm的玻璃培养皿，将FeCl3溶液倒入培养皿中，而后加入吡咯溶液，均匀混合，盖上盖子，室温反应4h，在反应溶液表面上形成一层黑灰色聚吡咯薄膜；
③将塑料光纤弯曲，使锥形宏弯结构位于弯曲塑料光纤的头部，然后将塑料光纤弯曲的头部即锥形宏弯结构伸入玻璃培养皿中2-3min后取出，形成乙醇气体敏感探头，即得聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器；
④将锥形宏弯结构两侧的塑料光纤部分采用黑色套管进行遮挡；
⑤将塑料光纤的一端与LED光源连接，另一端与光功率计连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器的制备方法，其特征在于：所述锥形宏弯结构的长度为2-3cm。
3.根据权利要求1所述的一种基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器的制备方法，其特征在于：所述粗糙化加工采用砂纸打磨。
4.一种乙醇气体检测方法，采用权利要求1所述的一种基于聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤乙醇气体传感器的制备方法所制得的产品进行检测，其特征在于：包括如下步骤：
①将用聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤的一端与光功率计的一侧连接，另一端与LED光源连接，所述光功率计的另一侧与计算机连接，所述LED光源为光功率可调的光源；
②将聚吡咯薄膜修饰的粗糙化的锥形宏弯光纤置于所要检测乙醇气体的环境中，乙醇气体敏感探头起作用，当环境中不存在乙醇气体时，功率计输出稳定的数值，存在乙醇气体时，聚吡咯薄膜与乙醇相互反应，使输出功率发生突变，出现下降趋势，而且乙醇浓度越大，响应的越快，功率的变化量也就越大；当乙醇浓度减小时，输出功率值则上升，恢复到稳定数值；通过功率计数值的变化来对应乙醇浓度，同时根据上升与下降的时间来判定传感器气体的响应与恢复时间。
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