CN111537471B - 氨气传感器及其制备方法和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氨气传感器及其制备方法和使用方法，本发明氨气传感器基于拉锥微纳光纤耦合器结构，通过与敏感聚合物材料相结合，对低浓度的氨气有着极高的探测灵敏度和探测极限；本发明氨气传感器基于全光结构，成本低廉，操作简单，易于制作，有利于在各领域的发展与应用。

Description

氨气传感器及其制备方法和使用方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于拉锥微纳光纤耦合器结构的氨气传感器，以及该氨气传感器的制备方法和使用方法。

背景技术

现代信息技术是由信息的采集、传输和处理技术组成，因此传感器技术、通信技术和计算机技术成为信息技术的三大支柱。特别是当今社会己进入了以光纤通信技术为主要特性的信息时代，光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。

美国是研究光纤传感器起步最早，水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方面，其进展都十分迅速。在军事应用方面，他们研究和开发主要包括：水下探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等。这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局(NASA)的有关部门负责，并得到许多大公司的资助。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。90年代，由东芝、日本电气等15家公司和研究机构，研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器，其中最有代表性的是波长扫描型光纤温度传感器。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研究与开发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。我国在70年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。目前已有上百个单位在这一领域开展工作，在光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤液位传感器、光纤位移传感器和光纤电流传感器等领域进行了大量的研究，取得了诸多科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。光纤传感技术经过二十余年的发展也已获得长足的进步，逐步形成传感领域的一个新的分支。一方面，不少光纤传感器以其特有的优点，替代或更新了传统的测试系统，如光纤陀螺、光纤水听器、光纤电流电压传感器等；同时也出现一些应用光纤传感技术的新型测试系统。另一方面，新的传感原理不断出现，促进了科学技术的发展。光纤传感器与其它传感器相比具有独特的优点和更广阔的应用前景，光纤传感器的应用范围很广，在电力系统、石油化工系统、环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面有着大量的应，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地存恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求，我国对光纤传感器的需求量很大，市场前景十分诱人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氨气传感器及其制备方法和使用方法，本发明氨气传感器基于拉锥微纳光纤耦合器结构，通过与敏感聚合物材料相结合，对低浓度的氨气有着极高的探测灵敏度和探测极限；本发明氨气传感器基于全光结构，成本低廉，操作简单，易于制作，有利于在各领域的发展与应用。

为实现上述目的，本发明提供一种氨气传感器的制备方法，该氨气传感器基于拉锥微纳光纤耦合器结构，包括如下步骤：

1）将两段单模光纤扭转缠绕在一起并于中间部位选取25-30mm剥离涂覆层，酒精清洗擦拭干净后将光纤固定在拉锥平台夹具中，加热至软化后运行拉锥程序；

2）通过光谱仪反馈的数据信息调整拉锥程序执行细节，耦合器制作完成后，通过低折射率紫外胶固定在基底平台上；

3）将用作涂层材料的丙二醇物质滴于直径0.5厘米的圆形容器中，并放置在电控位移台上固定；将固定有耦合器的基底倒置于电控位移台上，调整位置使耦合器锥区浸没于聚合物液滴中；

4）开启电控位移平台，将聚合物反复涂抹于锥区，并通过适当增加或减少涂覆次数来控制薄膜厚度，涂覆完毕后将基底呈竖直状态固定24小时辅助聚合物涂层形成均匀的薄膜。

本发明还提供一种氨气传感器，其由上述的制备方法制得。

本发明还提供上述氨气传感器的使用方法，采用该氨气传感器探测氨气，包括如下步骤：

宽带光源发射的光信号经由耦合器输入端口进入后传输到耦合器的熔接处；由于拉锥光纤不再满足单模传输条件，在锥区会激发出更高阶的纤芯模式，并且与基模共同向前传输；

当光经过耦合器的锥区时，由于光纤直径锐减，光纤结构及尺寸的变化会改变微纳光纤的倏逝场，并激发高阶模式，被激发出来的高阶模式与基模会使光沿着微纳光纤传输到第二个过渡区域，并进行重新耦合，满足相位匹配条件的模式之间会发生干涉，形成干涉谱；

当光经过耦合器的锥区时，不同模式的光信号具有不同的群折射率和群速度，其对外部折射率变化的反馈亦不同，当在一定波段满足特定条件时，如群速度相等，会在该波段附近形成两组干涉谱，在外部折射率发生变化的时候，两组干涉谱会相向或背向移动，达到提高灵敏度的目的；

对氨气敏感的聚合物材料丙二醇涂覆在锥区表面，当氨气浓度发生变化时涂层的折射率也随之发生变化，折射率的变化会导致干涉谱的变化，从而实现氨气浓度的测量；

将传感器置于密闭的测量装置内,测量装置与装有稀释氨水溶液的注射器相连,通过注入氨水溶液来改变装置内氨气的浓度；

光由出射端单模光纤输出到光谱分析仪，对其作进一步的光谱分析及数据记录。

本发明的优点和有益效果在于：提供一种氨气传感器及其制备方法和使用方法，本发明氨气传感器基于拉锥微纳光纤耦合器结构，通过与敏感聚合物材料相结合，对低浓度的氨气有着极高的探测灵敏度和探测极限；本发明氨气传感器基于全光结构，成本低廉，操作简单，易于制作，有利于在各领域的发展与应用。

本发明氨气传感器主要由两部分构成，分别是基于单模光纤的微纳光纤耦合器的制备以及氨气敏感材料的涂覆。微纳光纤由于其波导尺寸较小，束缚光场的能力变弱，因而存在较强的倏逝场。由于倏逝场直接与外界介质相互作用，故极易受外界监测量变化的调制。本发明针对微纳光纤中不同模式光信号的群速度不同这一特点，结合对氨气敏感的聚合物涂覆材料，实现了对低浓度氨气的超高灵敏探测。

本发明氨气传感器是基于全光结构的光纤传感器，结构简易，抗腐蚀抗电磁干扰能力强。

本发明氨气传感器具有极高的灵敏度与探测极限，响应速度快。

本发明氨气传感器结构紧凑、成本低，制作技术简单，因而更有利于在各个领域进行实际应用。

附图说明

图1是本发明氨气传感器的结构示意图；

图2是本发明氨气传感器在不同浓度氨气环境下的透射谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种氨气传感器，该氨气传感器基于拉锥微纳光纤耦合器结构，通过如下步骤制备：

1）将两段单模光纤扭转缠绕在一起并于中间部位选取25-30mm剥离涂覆层，酒精清洗擦拭干净后将光纤固定在拉锥平台夹具中，加热至软化后运行拉锥程序；

2）通过光谱仪反馈的数据信息调整拉锥程序执行细节，耦合器制作完成后，通过低折射率紫外胶固定在基底平台上；

3）将用作涂层材料的丙二醇物质滴于直径0.5厘米的圆形容器中，并放置在电控位移台上固定；将固定有耦合器的基底倒置于电控位移台上，调整位置使耦合器锥区浸没于聚合物液滴中；

4）开启电控位移平台，将聚合物反复涂抹于锥区，并通过适当增加或减少涂覆次数来控制薄膜厚度，涂覆完毕后将基底呈竖直状态固定24小时辅助聚合物涂层形成均匀的薄膜。

本发明氨气传感器的结构如图1所示，图1中1为固定部位，2为耦合器输入端的过渡区域，3为耦合器输出端的过渡区域，4为耦合器的锥区。

本发明还提供上述氨气传感器的使用方法，采用该氨气传感器探测氨气，包括如下步骤：

宽带光源发射的光信号经由耦合器输入端口进入后传输到耦合器的熔接处；由于拉锥光纤不再满足单模传输条件，在锥区会激发出更高阶的纤芯模式，并且与基模共同向前传输；

当光经过耦合器的锥区时，由于光纤直径锐减，光纤结构及尺寸的变化会改变微纳光纤的倏逝场，并激发高阶模式，被激发出来的高阶模式与基模会使光沿着微纳光纤传输到第二个过渡区域，并进行重新耦合，满足相位匹配条件的模式之间会发生干涉，形成干涉谱；

当光经过耦合器的锥区时，不同模式的光信号具有不同的群折射率和群速度，其对外部折射率变化的反馈亦不同，当在一定波段满足特定条件时，如群速度相等，会在该波段附近形成两组干涉谱，在外部折射率发生变化的时候，两组干涉谱会相向或背向移动，达到提高灵敏度的目的；

对氨气敏感的聚合物材料丙二醇涂覆在锥区表面，当氨气浓度发生变化时涂层的折射率也随之发生变化，折射率的变化会导致干涉谱的变化，从而实现氨气浓度的测量；

将传感器置于密闭的测量装置内,测量装置与装有稀释氨水溶液的注射器相连,通过注入氨水溶液来改变装置内氨气的浓度；

光由出射端单模光纤输出到光谱分析仪，对其作进一步的光谱分析及数据记录。

本发明氨气传感器在不同浓度氨气环境下的透射谱图如图2所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.氨气传感器的使用方法，其特征在于：

所述氨气传感器基于拉锥微纳光纤耦合器结构，通过如下步骤制备：

1）将两段单模光纤扭转缠绕在一起并于中间部位选取25-30mm剥离涂覆层，酒精清洗擦拭干净后将光纤固定在拉锥平台夹具中，加热至软化后运行拉锥程序；

2）通过光谱仪反馈的数据信息调整拉锥程序执行细节，耦合器制作完成后，通过低折射率紫外胶固定在基底平台上；

3）将用作涂层材料的丙二醇物质滴于直径0.5厘米的圆形容器中，并放置在电控位移台上固定；将固定有耦合器的基底倒置于电控位移台上，调整位置使耦合器锥区浸没于聚合物液滴中；

4）开启电控位移平台，将聚合物反复涂抹于锥区，并通过适当增加或减少涂覆次数来控制薄膜厚度，涂覆完毕后将基底呈竖直状态固定24小时辅助聚合物涂层形成均匀的薄膜；

所述氨气传感器的使用方法，包括如下步骤：

宽带光源发射的光信号经由耦合器输入端口进入后传输到耦合器的熔接处；由于拉锥光纤不再满足单模传输条件，在锥区会激发出更高阶的纤芯模式，并且与基模共同向前传输；

当光经过耦合器的锥区时，由于光纤直径锐减，光纤结构及尺寸的变化会改变微纳光纤的倏逝场，并激发高阶模式，被激发出来的高阶模式与基模会使光沿着微纳光纤传输到第二个过渡区域，并进行重新耦合，满足相位匹配条件的模式之间会发生干涉，形成干涉谱；

当光经过耦合器的锥区时，不同模式的光信号具有不同的群折射率和群速度，其对外部折射率变化的反馈亦不同，当在一定波段满足特定条件时，会在该波段附近形成两组干涉谱，在外部折射率发生变化的时候，两组干涉谱会相向或背向移动，达到提高灵敏度的目的；

对氨气敏感的聚合物材料丙二醇涂覆在锥区表面，当氨气浓度发生变化时涂层的折射率也随之发生变化，折射率的变化会导致干涉谱的变化，从而实现氨气浓度的测量；

将传感器置于密闭的测量装置内,测量装置与装有稀释氨水溶液的注射器相连,通过注入氨水溶液来改变装置内氨气的浓度；

光由出射端单模光纤输出到光谱分析仪，对其作进一步的光谱分析及数据记录。

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