CN110907373B - Voc气体浓度检测液晶光纤传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了VOC气体浓度检测液晶光纤传感器及其制作方法，属于光纤传感器技术领域。该液晶光纤传感器将传感探头设计为反射式结构，利用VOC气体可使胆甾相液晶分子螺距改变的特性，实现光纤中反射光波长的改变，从而进行气体传感。该气体传感器不仅可以探测VOC气体的浓度，同时可以进行两种混合VOC气体浓度的测量并能分辨出各自浓度，在此基础上可以开发出多种混合VOC气体的测量并能分辨出各成分浓度。本发明解决了以往检测VOC气体浓度装置不能进行气体种类分辨的问题，同时具有制作成本低廉、制作工艺简单和传感探头尺寸仅百微米量级的优点。

Description

VOC气体浓度检测液晶光纤传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及VOC气体浓度检测液晶光纤传感器及其制作方法。
背景技术
VOC气体是指具有挥发性的有机气体，一般指挥发性有机物，但从环保意义上定义为会产生危害的挥发性有机气体。VOC气体按其化学结构分为烃类(烷烃、烯烃、芳香烃)、醛类、醇类和氰类等。VOC气体超过一定浓度时，会对人体产生危害，轻者会刺激人的眼睛和呼吸道，皮肤过敏和全身乏力等，严重会损害大脑中枢神经系统并对肝脏、肾脏造成一定的危害。所以对VOC气体的探测非常重要，现在随着技术的进步，VOC气体测定的方法也在不断地改进。传统测量气体的方法虽然能一定程度上检测出气体浓度的大小，但效率较低，数据无法量化，受各种环境因素的影响仅依靠测量现象进行人为判断，缺乏严谨性。
目前测定VOC气体浓度原理主要有两大类：光离子化检测和火焰离子化检测。光离子化检测主要是利用惰性气体真空放电现象产生的紫外线，使待测气体分子发生电离，通过测定电离后气体所产生的电流强度，获得待测气体浓度。火焰离子化检测主要利用氢火焰为电离源，通过待测分子被电离并在电场中向各自相反的电极移动，最后转化为电信号便可获得待测气体的浓度。这两类VOC气体测定原理弥补了传统意义上的检测气体浓度的缺陷，将待测分子转化为电信号进行浓度的测定。但是在检测气体前需要进行干燥气体的预处理，对湿度大的气体无法直接检测。同时不能检测气体种类，经常需要更换紫外灯成本较高，因此其所发挥的作用相当有限。
基于上述原因，本专利发明了一种基于液晶包覆光纤的VOC气体传感装置，在测量出两种混合气体浓度的同时，还能分辨出两种气体各自的浓度。该气体传感装置设计为基于光纤的反射探头式，将胆甾相液晶包覆在光纤端面。依据VOC气体被胆甾相液晶吸收后，使分子螺距发生变化，从而导致经过液晶的反射光波长发生变化，经过光谱分析后可得出气体浓度大小。双液晶传感探头的设计利用了多种液晶材料按照不同比例配置成的液晶制作而成，根据不同配比可以在光谱中获得两个独立的反射峰，VOC气体可以使得这两个反射峰发生漂移，根据反射峰漂移数值获得气体浓度值。
本专利基于胆甾相液晶光学性质进行设计，避免传统气体浓度检测存在的问题。同时兼顾了制作、操作简单、成本低和微型传感探头等特点，是能够提供更为准确的新型VOC气体浓度检测的传感装置。
发明内容
本发明的目的在于检测更准确、更灵敏的VOC气体浓度检测液晶光纤传感器及其制作方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
将液晶附着于光纤端面，并将该液晶探头置于VOC气体中，基于胆甾相液晶对光的反射带在很大程度上取决于分子螺距的长度，VOC气体分子使螺距发生变化，从而改变光纤传输的反射光谱，利用该反射光谱移动的大小定量计算出气体浓度值，最终达到检测气体浓度的功能。
本发明基于液晶的VOC气体浓度光纤传感器是采用这样的方法制备的：
一、选用多模盒式光分路器，利用光纤切割器对分路的双光纤反射端进行切割，使其端面平整、清洁；
二、使用酒精灯火焰短暂加热毛细管外涂覆层后，用沾有酒精的擦镜纸擦拭毛细管，将其外涂覆层去除，用切割器将毛细管切割后与光纤焊接；
三、选用胆固醇油基碳酸酯、胆固醇氯甲酸酯以及胆固醇氯化物等液晶材料，将这些液晶材料按不同比例混合后，形成胆甾相液晶；
四、用自制注射泵抽取胆甾相液晶，将其注射到与光纤端面焊接的毛细管内，在注入时应避免气泡产生。形成测定VOC气体浓度的液晶光纤传感探头。
本发明的有益效果在于：
本发明VOC气体浓度检测传感探头与现有气体浓度检测仪的主要差别在于：本发明是基于反射光纤探头式的VOC气体浓度传感装置，具有体积小、制作成本低和响应速度快等特点。
在制作气体浓度检测传感探头时，将配置成的胆甾相液晶和光纤设计并制作成现有的传感器件，使得两者有机的结合，可随时拆卸维护，很大程度减少了维修成本。通过液晶自身的光学性质，进行气体传感，并且不会破坏待测气体分子，实现检测VOC气体浓度的功能。
附图说明
图1是本发明检测VOC气体浓度液晶光纤传感探头的结构示意图。
图中的附图标记，(a)为卤素灯光源，(b)为光谱仪，(c)为2×2多模光纤分路器，(d)为双光纤传感探头放大示意图，(e)为传感探头光纤，(f)为与光纤焊接在一起的毛细管，(g)和(h)分别为不同配比的液晶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
VOC气体浓度检测液晶光纤传感器，包括卤素灯光源、光谱仪、多模盒式光分路器、胆甾相液晶和石英毛细管，将一定配比形成的胆甾相液晶粘附在多模盒式光分路器的分路光纤上，制作成光纤反射传感探头。
分路光纤传感探头的数量不局限于两个。
将一定配比形成的胆甾相液晶粘附在多模盒式光分路器的分路光纤上，制作成光纤反射传感探头；
在光纤端面焊接的毛细管内注有由胆固醇油基碳酸酯、胆固醇氯甲酸酯以及胆固醇氯化物(不限于此三种材料)不同配比浓度(不限于此配比浓度)配制而成的胆甾相液晶，其液晶厚度约为20-50微米；
分路光纤传感探头的数量不局限于两个。可以仅一根传感探头光纤，这样设计可以传感单一气体的浓度或混合气体的总体浓度；可以多根传感光纤，这样设计可以传感相应数量种类的气体同时测量其浓度；
传感探头是利用光纤与毛细管焊接后将液晶注入到毛细管中。传感探头不局限于此种做法，可以用光纤端面直接醮沾配置的胆甾相液晶，形成反射传感探头。
VOC气体浓度检测液晶光纤传感器制作方法，包括以下步骤：
步骤(1)：选用多模盒式光分路器，利用光纤切割器对分路的双光纤反射端进行切割；
步骤(2)：使用酒精灯火焰短暂加热毛细管外涂覆层后，用沾有酒精的擦镜纸擦拭毛细管，将其外涂覆层去除，用切割器将毛细管切割后与光纤焊接；
步骤(3)：选用胆固醇油基碳酸酯、胆固醇氯甲酸酯以及胆固醇氯化物，将这些液晶材料按不同比例混合后，形成胆甾相液晶；
步骤(4)：用自制注射泵抽取胆甾相液晶，将其注射到与光纤端面焊接的毛细管内，形成测定VOC气体浓度的液晶光纤传感探头。
一、选用阿拉丁试剂有限公司的胆固醇氯化物、胆固醇油基碳酸酯和胆固醇氯甲酸酯等液晶材料，将这些液晶材料按不同比例(质量比分别为13：65：22和20.5：59.5：20)混合后放入电热鼓风干燥箱中干燥并将温度调至120℃，恒温10分钟后关掉电热鼓风干燥箱电源并取出，使其缓慢恢复室温。待液晶恢复室温时，再利用超声仪器进行超声处理使其均匀混合。
二、选用2×2多模盒式光分路器(c)，并将分路端两根光纤涂敷层去除，用光纤切割刀对其进行切割。如图1(e)所示，其光纤结构为含包层直径125微米，纤芯直径为50～100微米。
三、选用郑州英诺高科有限公司生产的石英毛细管，其空气芯的直径约为100微米，外径约为160微米。用酒精灯火焰短暂加热毛细管外涂覆层后，用沾有酒精的擦镜纸擦拭毛细管，将其外涂覆层去除。用光纤切割刀对去除外涂覆层的毛细管进行切割，将光纤与毛细管进行焊接，焊接的毛细管约长为60微米，如图1(f)所示。
四、使用酒精喷灯火焰加热毛细管，待其软化后向两端缓慢拉伸，形成锥形毛细微管，其外径大约为15微米左右；将毛细微管未拉伸端与医用注射器针头用AB胶粘合，形成自制注射泵。
五、打开光源(a)和光谱仪(b)，调试完成后，用自制注射泵抽取液晶，在显微镜下使液晶注入与光纤焊接在一起的毛细管内，注意不要产生气泡。如图1(g)和(h)所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.VOC气体浓度检测液晶光纤传感器，其特征在于：包括卤素灯光源、光谱仪、多模盒式光分路器、胆甾相液晶和石英毛细管，将胆甾相液晶粘附在多模盒式光分路器的分路光纤上，制作成光纤反射传感探头；
分路光纤传感探头的数量为两个；所述多模盒式光分路器的分路光纤包括两根传感光纤，用于传感两种气体同时测量其浓度；
VOC气体浓度检测液晶光纤传感器制作方法，包括以下步骤：
步骤（1）：选用多模盒式光分路器，利用光纤切割器对分路的双光纤反射端进行切割；
步骤（2）：使用酒精灯火焰短暂加热毛细管外涂覆层后，用沾有酒精的擦镜纸擦拭毛细管，将其外涂覆层去除，用切割器将毛细管切割后与光纤焊接；
步骤（3）：选用胆固醇油基碳酸酯、胆固醇氯甲酸酯以及胆固醇氯化物，将这些液晶材料按不同比例混合后，形成两种胆甾相液晶，胆固醇氯化物、胆固醇油基碳酸酯和胆固醇氯甲酸酯的质量比分别为13：65：22和20.5：59.5：20；
步骤（4）：用自制注射泵抽取胆甾相液晶，将其注射到与光纤端面焊接的毛细管内，形成测定VOC气体浓度的双液晶光纤传感探头。
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