CN110865034A - 一种基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器，其包括宽谱光源、传感单元、光谱仪、气室、真空泵和注射器；其中宽谱光源经第一单模光纤与传感单元连接，传感单元经第二单模光纤与光谱仪连接，所述的传感单元设置于气室内，传感单元包括设置有可调谐聚合物微瓶的第三单模光纤和微纳光纤，第三单模光纤与微纳光纤相互垂直设置，微纳光纤两端分别与第一单模光纤和第二单模光纤熔接；所述的注射器通过管路与气室连接，用于控制气室中乙醇气体浓度。本发明提供的基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器制备工艺简单、成本低、结构稳定、可调谐的聚合物微瓶，实现乙醇气体浓度测量。

Description

一种基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器
技术领域
本发明属于传感技术领域，涉及一种基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器。
背景技术
随着社会经济水平的提高，人们对于日常生活中的空气质量也有所需求，尤其是人们大部分接触的室内环境，而挥发性有机化合物(VOC)是室内环境的主要污染物，通常VOC气体是由日常生活中经常使用和接触的建筑材料、家具、油墨等产生，据估计在图书馆、家庭、办公室、餐厅等室内空间可以检测到50～300种VOC气体[Mirzaei A,Leonardi S G,Neri G.Detection of hazardous volatile organic compounds(VOCs)by metal oxidenanostructures-based gas sensors:A review[J].Ceramics International,2016:S0272884216309889.]。VOC气体是碳氢化学物，其通常具有低沸点，因此具有高挥发性。大多数VOC气体有毒，有恶臭，能致癌，当房间内VOC达到一定浓度时，气体通过呼吸系统进入人的身体后，会引起头痛、呕吐、抽搐、乏力等症状；另外大多数VOC气体都易燃易爆，比如乙醇气体，在高浓度时易酿成火灾和爆炸。光纤传感技术是一种将光作为载体，光纤作为介质，用来感知及传播外界环境变化的新型技术。当光波在光纤中传输时，体现光波的特征参量会随着外界环境的变化而发生相应的改变，通过观察光波的某一特征参量与外界变量的变化，可以得到与其对应的关系，实现对待测参量的测量[赵勇.光纤传感原理与应用技术[M].北京：清华大学出版社，2007，36-37]。
到目前为止，已经提出了许多监测VOC气体浓度的传感技术，如半导体金属氧化物传感器[Wetchakun K,Samerjai T,Tamaekong N,et al.Semiconducting metal oxidesas sensors for environmentally hazardous gases[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2011,160(1):580-591.]、声表面波法[胡佳,杜晓松,蒋亚东.用于检测VOC蒸汽的声表面波传感器阵列[J].仪表技术与传感器,2013(02):10-12.]、光纤传感器[Cesar E,Ignacio R M,Candido B,et al.Volatile organic compound optical fiber sensors:Areview[J].Sensors,2006,6:1440-1465.]。相对于其他的VOC气体检测方法，光纤传感器因其体积小、质量轻、电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强、安全并且不会有电火花的影响，而且支持实时、在线工作、远距离监控、与计算机连接而备受关注。目前的光纤VOC气体传感器通常是将VOC气体敏感膜涂敷在光纤表面，利用VOC气体浓度变化时引起敏感膜体积或者折射率的变化来引起光信号发生变化，进而实现气体浓度的测量。但是，敏感膜想要结合到光纤上，需要对光纤进行处理，不仅操作复杂，而且不能保证均匀性。另外，在测量过程中敏感膜很容易脱落。这些不仅影响测量的稳定性，还会给气体浓度的测量带来误差，甚至导致传感器不能工作。
发明内容
本发明的目的在于克服目前基于光纤VOC气体传感器的不足之处，提出一种制备工艺简单、成本低、结构稳定、可调谐的聚合物微瓶，实现乙醇气体浓度测量。
为了达到上述目的，本发明提出一种基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器，包括宽谱光源1、传感单元2、光谱仪3、气室4、真空泵5和注射器8；其中宽谱光源1经第一单模光纤6与传感单元2连接，传感单元2经第二单模光纤7与光谱仪3连接，所述的传感单元2设置于气室4内，传感单元2包括设置有可调谐聚合物微瓶21的第三单模光纤23和微纳光纤22，第三单模光纤23与微纳光纤22相互垂直设置，微纳光纤22两端分别与第一单模光纤6和第二单模光纤7熔接；所述的注射器8通过管路与气室4连接，用于控制气室4中乙醇气体浓度。
所述的宽谱光源1发出的光经第一单模光纤6传输至微纳光纤22后，由于倏逝场作用，光耦合进入可调谐聚合物微瓶21中，并发生谐振作用，满足谐振波长的光将被局域在可调谐聚合物微瓶21中，其余的光经微纳光纤22进入第二单模光纤7，并传至光谱仪3显示输出光谱；当乙醇气体浓度变化时，可调谐聚合物微瓶21的有效折射率和体积被改变，使得可调谐聚合物微瓶21的谐振波长发生移动，通过监测输出光谱中谐振波长的变化即可获得乙醇气体浓度的变化。
进一步地，所述的可调谐聚合物微瓶21由聚二甲基硅氧烷和正硅酸乙酯两种试剂混合制成。
进一步地，所述的聚二甲基硅氧烷、正硅酸乙酯的质量比为10:1。
进一步地，所述的可调谐聚合物微瓶21的中心半径为98μm～213μm。
进一步地，所述的可调谐聚合物微瓶21通过以下方法制备：将聚二甲基硅氧烷和正硅酸乙酯两种试剂按照10:1的质量比均匀混合，通过聚二甲基硅氧烷和正硅酸乙酯混合试剂自身的重力和粘附力使其在第三单模光纤23上产生微瓶形状，在25℃的室温下静置0～3分钟后，放入60℃恒温箱中固化，通过控制室温下的静置时间，得到具有不同中心半径的可调谐聚合物微瓶21。
进一步地，所述的微纳光纤22通过以下方法制备：使用熔接机对第四单模光纤24进行非绝热锥形处理，使得微纳光纤22由直径44-46μm、均匀腰区长1.5-2mm、总长度0.9-1.1mm的两个突变锥形过渡段组成；然后，微纳光纤22通过拉锥机进一步拉制，加热区域为7.5-8mm宽；最终拉制出直径2-3μm、均匀腰区长8-9mm、总长度12-13mm的微纳光纤22。
进一步地，所述的谐振的条件为：
2πRneff＝lλres (1)
式中R为可调谐聚合物微瓶21的中心半径，neff为可调谐聚合物微瓶21的有效折射率，l为角向模式数，λres为谐振波长；
可调谐聚合物微瓶21的中心半径或有效折射率的变化将改变谐振波长，这种变化表示为：
Figure BDA0002243028400000041
式中Δλ表示谐振波长的变化，ΔR表示表示可调谐聚合物微瓶21中心半径的变化，Δneff表示可调谐聚合物微瓶21有效折射率的变化。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1)本发明提出的这种用于乙醇气体浓度测量的透射式光纤传感器，继承了传统光纤传感器所具有的本质安全、抗电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀等优点；
2)本发明提出的这种用于乙醇气体浓度测量的透射式光纤传感器，将微腔制作和镀膜工艺合二为一，既能形成可调谐聚合物微瓶的同时又具有气体敏感性，制作工艺简单、成本低，而且可调谐聚合物微瓶的结构稳定，避免了气体敏感膜在测量后期脱落从而导致气体浓度灵敏度降低的现象。
附图说明
图1为本发明提供的光纤传感器系统结构示意图。
图2为连续的可调谐聚合物微瓶实物图。
图3为可调谐聚合物微瓶的中心半径与静置时间拟合曲线。
图4为传感器乙醇气体浓度测量光谱曲线。
图5为传感器乙醇气体浓度测量灵敏度曲线。
图中：1宽谱光源；2传感单元；21可调谐聚合物微瓶；22微纳光纤；23第三单模光纤；24第四单模光纤；3光谱仪；4气室；5真空泵；6第一单模光纤；7第二单模光纤；8注射器。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及工作过程作进一步的详细说明。
如图1所示为本发明提出的一种用于乙醇气体浓度测量的透射式光纤传感器。其工作过程为：宽谱光源1发出的光首先经第一单模光纤6传输至微纳光纤22，由于微纳光纤22产生的倏逝场，光耦合进入可调谐聚合物微瓶21并发生谐振作用，满足谐振波长的光将被局域在可调谐聚合物微瓶21中，其余的光经微纳光纤22进入第二单模光纤7，并传至光谱仪3显示输出光谱。通过注射器8控制气室4中乙醇气体浓度，并在光谱仪4中进行光谱移动量的监测。
其中，将聚二甲基硅氧烷和正硅酸乙酯两种试剂按照10:1的质量比均匀混合，可调谐聚合物微瓶21使用提拉镀膜机将第三单模光纤23在聚二甲基硅氧烷和正硅酸乙酯混合试剂中反复提拉浸渍，通过聚二甲基硅氧烷和正硅酸乙酯混合试剂自身的重力和粘附力同时实现可调谐聚合物微瓶21的制作和镀膜；其中提拉镀膜机的单次浸渍速度设置为100mm/min，浸渍长约25mm的第三单模光纤23；单次提拉速度设置为150mm/min，将第三单模光纤23从聚二甲基硅氧烷中完全提拉出来；单次浸渍和单次提拉完成后，可制成多个大小、形状较均匀的可调谐聚合物微瓶21，如图2所示。将其放在60℃恒温箱中固化5h后，在室温下静置24h即可得到表面光滑均匀的可调谐聚合物微瓶21。如图3所示，若将制作好的可调谐聚合物微瓶21先在25℃室温下静置不同时间后再放入恒温箱中固化，可得到不同中心半径的可调谐聚合物微瓶21。其中可调谐聚合物微瓶21采用聚二甲基硅氧烷和正硅酸乙酯两种试剂混合制成，聚二甲基硅氧烷、正硅酸乙酯的质量比为10:1。
当微纳光纤22产生倏逝场时，光耦合进入聚合物微瓶21中并发生谐振作用，满足谐振波长的光将被局域在可调谐聚合物微瓶21中，其余光经微纳光纤22进入第二单模光纤7形成输出光谱，在特定波长处产生谐振波谷，谐振条件为：
2πRneff＝lλres (1)
式中R为可调谐聚合物微瓶21的半径，neff为可调谐聚合物微瓶21的有效折射率，l为角向模式数，λres为谐振波长。由式(1)可知，可调谐聚合物微瓶21的半径或有效折射率的变化将改变谐振波长，这种变化可表示为：
Figure BDA0002243028400000061
式中Δλ表示谐振波长的变化，ΔR表示可调谐聚合物微瓶21半径的变化，Δneff表示可调谐聚合物微瓶21有效折射率的变化。
当外界折射率发生移动时，这个谐振谷的谐振波长会发生移动，当传感单元2检测到乙醇气体时，乙醇气体被吸附到可调谐聚合物微瓶21，从而导致可调谐聚合物微瓶21的半径和有效折射率同时变化，进而使谐振波谷的谐振波长发生移动，实现了乙醇气体浓度的测量。
在本发明中，当乙醇气体浓度发生改变时，如图4所示，可调谐聚合物微瓶21的半径和有效折射率改变进而使谐振波谷的谐振波长发生移动，传感器的乙醇气体浓度测量灵敏度如图5所示。
由式(2)可得，通过观察乙醇气体浓度对应谐振谷谐振波长的移动量即可反推出乙醇气体浓度大小。因此，本发明提出的这种用于乙醇气体浓度测量的透射式光纤传感器，不仅可以实现乙醇气体浓度的监测，而且还将微腔的制作和镀膜工艺合二为一，避免了气体敏感膜在测量后期脱落从而导致气体浓度灵敏度降低的现象。

Claims (7)

1.一种基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器，其特征在于，所述的基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器包括宽谱光源(1)、传感单元(2)、光谱仪(3)、气室(4)、真空泵(5)和注射器(8)；其中：
所述的宽谱光源(1)经第一单模光纤(6)与传感单元(2)连接，传感单元(2)经第二单模光纤(7)与光谱仪(3)连接，传感单元(2)设置于气室(4)内；
所述的传感单元(2)包括设置有可调谐聚合物微瓶(21)的第三单模光纤(23)和微纳光纤(22)，第三单模光纤(23)与微纳光纤(22)相互垂直设置，微纳光纤(22)两端分别与第一单模光纤(6)和第二单模光纤(7)熔接；
所述的注射器(8)通过管路与气室(4)连接，用于控制气室(4)中乙醇气体浓度；
所述的宽谱光源(1)发出的光经第一单模光纤(6)传输至微纳光纤(22)后，由于倏逝场作用，光耦合进入可调谐聚合物微瓶(21)中，并发生谐振作用，满足谐振波长的光将被局域在可调谐聚合物微瓶(21)中，其余的光经微纳光纤(22)进入第二单模光纤(7)，并传至光谱仪(3)显示输出光谱；当乙醇气体浓度变化时，可调谐聚合物微瓶(21)的有效折射率和体积被改变，使得可调谐聚合物微瓶(21)的谐振波长发生移动，通过监测输出光谱中谐振波长的变化即可获得乙醇气体浓度的变化。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器，其特征在于，所述的可调谐聚合物微瓶(21)由聚二甲基硅氧烷和正硅酸乙酯两种试剂混合制成；所述的聚二甲基硅氧烷、正硅酸乙酯的质量比为10:1。
3.根据权利要求1或2所述的基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器，其特征在于，所述的可调谐聚合物微瓶(21)的中心半径为98μm～213μm。
4.根据权利要求3所述的基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器，其特征在于，所述的可调谐聚合物微瓶(21)通过以下方法制备：将聚二甲基硅氧烷和正硅酸乙酯两种试剂按照10:1的质量比均匀混合，通过聚二甲基硅氧烷和正硅酸乙酯混合试剂自身的重力和粘附力使其在第三单模光纤(23)上产生微瓶形状，在25℃的室温下静置0～3分钟后，放入60℃恒温箱中固化，通过控制室温下的静置时间，得到具有不同中心半径的可调谐聚合物微瓶(21)。
5.根据权利要求1、2或4所述的基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器，其特征在于，所述的微纳光纤(22)通过以下方法制备：使用熔接机对第四单模光纤(24)进行非绝热锥形处理，使得微纳光纤(22)由直径44-46μm、腰锥长1.5-2mm、总长度0.9-1.1mm的两个突变锥形过渡段组成；然后，微纳光纤(22)通过拉锥机进一步拉制，加热区域为7.5-8mm宽；最终拉制出直径2-3μm、腰锥长8-9mm、总长度12-13mm的微纳光纤(22)。
6.根据权利要求1、2或4所述的基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器，其特征在于，所述的谐振的条件为：
2πRneff＝lλres (1)
式中R为可调谐聚合物微瓶(21)的半径，neff为可调谐聚合物微瓶(21)的有效折射率，l为角向模式数，λres为谐振波长；
可调谐聚合物微瓶(21)的半径或有效折射率的变化将改变谐振波长，这种变化可表示为：
Figure FDA0002243028390000021
式中Δλ表示谐振波长的变化，ΔR表示表示可调谐聚合物微瓶(21)半径的变化，Δneff表示可调谐聚合物微瓶(21)有效折射率的变化。
7.根据权利要求5所述的基于可调谐聚合物微瓶的乙醇气体传感器，其特征在于，所述的谐振的条件为：
2πRneff＝lλres (1)
式中R为可调谐聚合物微瓶(21)的半径，neff为可调谐聚合物微瓶(21)的有效折射率，l为角向模式数，λres为谐振波长；
可调谐聚合物微瓶(21)的半径或有效折射率的变化将改变谐振波长，这种变化可表示为：
Figure FDA0002243028390000031
式中Δλ表示谐振波长的变化，ΔR表示表示可调谐聚合物微瓶(21)半径的变化，Δneff表示可调谐聚合物微瓶(21)有效折射率的变化。
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