CN114136483B - MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器 - Google Patents
MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114136483B CN114136483B CN202111442822.1A CN202111442822A CN114136483B CN 114136483 B CN114136483 B CN 114136483B CN 202111442822 A CN202111442822 A CN 202111442822A CN 114136483 B CN114136483 B CN 114136483B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mxene
- optical fiber
- gmm
- shaped concave
- mode fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 42
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 58
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 47
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 43
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 20
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 14
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 12
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 11
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 6
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 6
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 4
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 4
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QPJSUIGXIBEQAC-UHFFFAOYSA-N n-(2,4-dichloro-5-propan-2-yloxyphenyl)acetamide Chemical compound CC(C)OC1=CC(NC(C)=O)=C(Cl)C=C1Cl QPJSUIGXIBEQAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 claims description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 2
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 claims description 2
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 claims description 2
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 12
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 10
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000011553 magnetic fluid Substances 0.000 description 4
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 3
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 3
- -1 acrylic ester Chemical class 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 2
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 1
- 229910001329 Terfenol-D Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000010291 electrical method Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 1
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
- G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/0052—Manufacturing aspects; Manufacturing of single devices, i.e. of semiconductor magnetic sensor chips
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/007—Environmental aspects, e.g. temperature variations, radiation, stray fields
- G01R33/0082—Compensation, e.g. compensating for temperature changes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
- G01R33/0327—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect with application of magnetostriction
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明专利提供了MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器，它包括ASE光源(1)、环形器(2)、双参量测量系统(3)、光谱分析仪(4)、解调模块(5)、计算机(6)。本发明专利采用马赫曾德干涉仪原理和FBG传感原理，通过U形凹陷单模光纤级联FBG涂敷敏感材料进行传感，使ASE光源产生的光束在U形凹陷单模光纤中产生干涉光谱，通过干涉光谱的检测，实现温度的测量，并通过FBG产生的反射尖峰，检测磁场的变化，并且通过解调模块进行解调，实现了在计算机上处理，达到了数字化的目的。本发明实现了多参量检测、交叉敏感小、减小传感器尺寸，且可在计算机上输出，实现了对温度和磁场同时且实时监测的目的。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器。
背景技术
光纤传感器与传统的电子传感器相比，具有绝缘性好、信噪比高、可远程监测、不受电磁干扰、灵敏度高、体积小、并且具有较高的灵活使用性，现今，已经研制出很多可测量温度、应力、压力等光纤传感器。近年来随着科技、经济的不断发展，智能化需求不断增加，多功能化、小型传感器的需求逐渐扩大。因此，可多参量测量传感器的发展成为必然趋势。设计一种基于MXene与GMM材料光纤复合结构，可监测温度和磁场的双参量测量传感器具有以下优点：可远程监测、耐极端环境、安全性高、电磁干扰小、高测量精度和灵敏度、宽探测范围、以及实现多参量测量。
MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器，传感单元采用U形凹陷单模光纤与FBG级联构成复合结构，其中U型凹陷单模光纤的凹陷处涂敷MXene材料构成马赫曾德干涉仪(MZI)，温度变化使MXene材料发生变化改变MZI一个干涉臂的光程，进行测量；此外，FBG粘贴在GMM材料上，磁场变化GMM产生磁致伸缩使FBG栅距发生变化中心波长发生漂移实现磁场测量，目前采用MXene材料以及GMM材料作为敏感材料，或者采用FBG级联结构进行双参量测量的传感器可以实现温度、应力、压力、振动等多参量监测。例如：2018年Chen F等人(Chen F,Jiang Y,Zhang L,et al.Fiber optic refractive index and magnetic fieldsensors based on microhole-induced inline Mach–Zehnder interferometers[J].Measurement Science and Technology,2018,29(4):045103.)磁场和折射率双参量测量的光学传感装置，采用氢氟酸(HF)腐蚀的方法将单模光纤端面进行腐蚀并用单模光纤级联，实现在线式MZI结构，将其浸入在磁流体中实现磁场传感，将MZI结构浸润到不同浓度的液体中实现折射率测量，该传感单元虽然可以实现双参量检测，但是不可以同时检测；2019年，Wu H等人(Wu H,Lin Q,Jiang Z,et al.A temperature and strain sensor based ona cascade of double fiber Bragg grating[J].Measurement Science andTechnology,2019,30(6):065104.)提出了一种两个FBG级联实现温度和应力同时测量的光纤传感器，两根FBG上分别镀丙烯酸酯、金，通过测量波长的漂移实现温度的监测，测量波长的相对偏移量实现应力监测；2019年，Zhang R等人(Zhang R,Pu S,Li Y,et al.Mach-Zehnder interferometer cascaded with FBG for simultaneous measurement ofmagnetic field and temperature[J].IEEE Sensors Journal,2019,19(11):4079-4083.)提出将FBG与上锥形结构的MZI级联测量温度和磁场双参量的光学传感器，其中将MZI结构浸润在磁流体环境中，实现磁场传感，FBG结构实现温度的测，但是由于磁流体易退磁，材料寿命短，传感器的寿命降低；2019年，Wu M等人(Wu M,He M,Hu Q,et al.Ti3C2MXene-based sensors with high selectivity for NH3 detection at roomtemperature[J].ACS sensors,2019,4(10):2763-2770.)采用分层和插层方法制备了MXene材料，并将材料涂敷在压电陶瓷材料上，通过检测电阻的变化实现了气体传感，该方法解调较复杂，并且电学方法监测易受温度影响；2020年，Tong R等人(Tong R,Zhao Y,HuH,et al.Large measurement range and high sensitivity temperature sensor withFBG cascaded Mach-Zehnder interferometer[J].Optics&Laser Technology,2020,125:106034.)将FBG与MZI级联设计一种可大量程检测光纤温度传感器，其中采用单模光纤错位熔接的方式构成MZI，并在错位熔接区涂敷温敏材料聚二甲硅氧烷(PDMS)，采用FBG判断温度，采用MZI实现温度精确读取；2020年，Xia F等人(Xia F,Zhao Y,Zheng H,et al.Ultra-sensitive seawater temperature sensor using an FBG-cascaded microfiber MZIoperating at dispersion turning point[J].Optics&Laser Technology,2020,132:106458.)提出一种海水温度检测的光纤传感器，其采用FBG与微纳光纤级联结构实现温度检测，其中微纳光纤表面包覆PDMS温敏材料产生MZI，级联结构增强了灵敏度和探测范围，该传感单元虽然实现了温度的宽探测范围，但是结构复杂，且只能实现但参量测量；2021年，Zhan B等人(Zhan B,Ning T,Pei L,et al.Terfenol-DBased Magnetic Field SensorWith Temperature Independence Incorporating Dual Fiber Bragg GratingsStructure[J].IEEE Access,2021,9:32713-32720.)提出将两根FBG按照不同角度粘贴在Terfenol-D材料上，实现温度补偿的磁场传感器，该传感器只实现但参量测量，解调结构复杂。
发明内容
目前研究者采用FBG或FBG级联结构已经实现了温度、折射率、应力、磁性等参数的测量，但是多存在级联结构测量单一参量结构复杂，不能同时实现双参量测量、或者多参量测量结构实现复杂等原因；结合目前现有技术的优势，以及现有技术的缺点，本发明提出一种具有高灵敏度、可实现双参量测量、制作方法简单、可重复性强、低制作成本、高利用率的MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
技术方案：MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器，其特征在于，它包括ASE光源(1)、环形器(2)、双参量测量系统(3)、光谱分析仪(4)、解调模块(5)、计算机(6)；
所述双参量测量系统(3)包括磁力座(3-1)、直角架(3-2)、位移平台(3-3)、磁铁A(3-4)、磁铁B(3-5)、传感单元(3-6)、加热台(3-7)，其中：
加热台(3-7)的左右两侧分别放置固定直角架(3-2)的位移平台(3-3)，并将位移平台(3-3)固定在磁力座(3-1)上，并且在左侧直角架(3-2)固定带有N极磁场的磁铁A(3-4)，同样地，右侧直角架(3-2)固定带有S极磁场的磁铁B(3-5)，另外，传感单元(3-6)放置在加热台上；
传感单元(3-6)中包层被腐蚀的U形凹陷单模光纤(3-6-1)与FBG(3-6-3)级联构成光纤复合结构，并且在U形凹陷单模光纤(3-6-1)上涂敷MXene材料(3-6-2)，另外FBG(3-6-3)部分粘贴在GMM材料(3-6-4)上共同构成传感单元(3-6)；
传感单元(3-6)的具体制备过程包括光纤复合结构的制作、敏感材料的涂敷；
其中：光纤复合结构的制作包括U形凹陷单模光纤(3-6-1)的制作，以及U形凹陷单模光纤(3-6-1)与FBG(3-6-3)级联结构的制作；首先U形凹陷单模光纤(3-6-1)的制备选取长为25cm的单模光纤，通过氢氟酸(HF)溶液腐蚀单模光纤包层，腐蚀点位于单模光纤10cm-15cm处，进而单模光纤包层处形成U形凹陷构成U形凹陷单模光纤(3-6-1)，U形凹陷单模光纤(3-6-1)自身构成马赫曾德干涉仪；之后将端面切割平整的U形凹陷单模光纤(3-6-1)与栅区长为20mm且中心波长为1550nm的FBG(3-6-3)采用光纤熔接机进行熔接，形成光纤复合结构；
敏感材料的涂敷主要包括MXene材料(3-6-2)和GMM材料(3-6-4)的涂敷；首先，MXene材料(3-6-2)选用单层Ti3C2，将单层Ti3C2混悬液采用滴涂法的方式涂敷在复合结构的U形凹陷单模光纤(3-6-1)U形凹陷部分，之后进行干燥10-14小时；另外，将干燥好的复合结构中FBG(3-6-3)栅区部分采用环氧树脂材料粘贴在GMM材料(3-6-4)表面，静置48小时；
MXene材料(3-6-2)选用单层Ti3C2，单层Ti3C2的具体制备方法为：通过选择性刻蚀法制备多层Ti3C2，之后采用插层-分层的方法制备单层Ti3C2混悬液；首先以Ti3AlC2作为制备原料，将Ti3AlC2样品研磨并过筛成粒径大小小于25μm的粉末，随后在刻蚀液中加入5gTi3AlC2粉末，将含有Ti3AlC2粉末的刻蚀液在55℃～65℃温度范围下搅拌48小时，之后将混合物用去离子水多次冲洗至PH值达到中性，之后采用离心机以3500rpm转速离心后用乙醇再进行多次洗涤后，将得到的粉末在温度为60℃的环境下进行真空干燥，得到多层Ti3AlC2粉末；之后，将0.3g多层Ti3AlC2粉末倒入纯度大于99％“万能溶剂”中，在室温下搅拌18小时，之后将混合物进行高速离心，将离心后的沉淀物加入去离子水，在流动氮气环境下超声5至7小时，之后再3500rpm转速下离心1小时，得到深绿色上清液为单层Ti3C2混悬液。
进一步地，所述的MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器，其特征还在于：
ASE光源(1)发出光束传输至环形器(2)，环形器(2)输出光束传输至双参量测量系统(3)中的传感单元(3-6)，光束在传感单元(3-6)中产生干涉，当双参量测量系统(3)中磁场发生变化时，GMM材料(3-6-4)由于磁致伸缩效应产生伸长，粘贴在GMM材料(3-6-4)上的FBG(3-6-3)栅距发生变化，干涉光发生变化，而当温度发生变化时，由于温度影响MXene材料(3-6-2)发生变化，光束传输至涂敷MXene材料(3-6-2)的U形凹陷单模光纤(3-6-1)涂敷MXene材料(3-6-2)部分的光程发生变化，进而由U形凹陷单模光纤(3-6-1)产生的马赫曾德干涉的干涉光变化，干涉光通过环形器(2)将反射光谱传输至光谱分析仪(4)显示干涉光谱，解调模块(5)将光谱分析仪(4)中的解调并传输至计算机(6)进行数据处理。
进一步地，所述ASE光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
所述的MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器，其特征在于：
所述双参量测量装置(3)测量温度时，将加热台(3-7)开启，传感单元(3-6)放置在加热台(3-7)上，实现温度测量，而测量磁场时，将加热台(3-7)关闭，传感单元(3-6)放置在加热台(3-7)上，操作位移平台(3-3)使磁场发生变化，实现磁场的测量。
结构发明：MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器。
与现有结构相比，本发明专利的有益效果是：
本发明实现温度和磁场的同时测量，可以在监测环境磁场时监测环境温度，结构制作方法简单，体积小、耐极端环境，满足小型化的监测设备需求。
本发明中采用MXene材料涂敷U形凹陷单模光纤构成马赫曾德干涉仪实现温度的测量，与传统的马赫曾德结构相比减小了结构尺寸、并且减小了由于两臂长的不同引起的误差，增加了测量的灵敏度。
本发明中FBG粘贴GMM材料实现磁场测量，与涂敷磁流体材料相比该结构可复用性强。
本发明中温度、磁场的交叉影响较小，测量的精度增加，准确性增强。
本发明可实现解调并可将结果输出至计算机，实现实时监测和测量。
附图说明
图1为MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器的结构图。
图2为MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器的传感单元结构图。
图3为MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器的双参量测量系统图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明提出的MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器的具体实现方式加以说明。
如图1所示，为本发明提供MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器的结构图，ASE光源(1)发出光束传输至环形器(2)，环形器(2)输出光束传输至双参量测量系统(3)的传感单元(3-6)的U形凹陷单模光纤(3-6-1)侧，光束通过在U形凹陷单模光纤(3-6-1)在FBG(3-6-3)处发生反射，反射光通过环形器(2)输出至光谱分析仪(4)，当双参量测量系统(3)中加热台(3-7)发生温度变化时，MXene材料(3-6-2)发生变化，涂敷MXene材料(3-6-2)的U形凹陷单模光纤(3-6-1)产生的马赫曾德干涉仪的的干涉效果发生变化，通过监测光谱分析仪(4)中干涉光的变化测量温度；当移动位移平台(3-3)时，磁场发生变化，GMM材料(3-6-4)产生磁致伸缩，粘贴在GMM材料(3-6-4)上的FBG(3-6-3)由于磁致伸缩效应产生栅距的变化，由FBG(3-6-3)产生的干涉谱反射尖峰发生漂移，通过监测光谱分析仪(4)漂移量实现磁场的监测；将光谱分析仪(4)中的数据输出至解调模块(5)，通过解调模块(5)通过矩阵分析方法，消除温度、磁场的交叉影响，并将结果输出至计算机(6)，得出温度和磁场的测量数据，进一步分析传感单元(3-6)的测量灵敏度。
如图2所示，为本发明提供MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器的传感单元结构图，传感单元(3-6)中U形凹陷单模光纤(3-6-1)表面涂敷MXene材料(3-6-2)与FBG(3-6-3)级联后将FBG(3-6-3)部分粘贴在GMM材料(3-6-4)上静置48小时后充分固定结构构成传感单元(3-6)；涂敷MXene材料(3-6-2)的U形凹陷单模光纤(3-6-1)构成马赫曾德干涉仪，监测温度的变化；与GMM材料(3-6-2)粘贴的FBG(3-6-3)监测磁场的变化；其检测原理为：当温度发生变化时，MXene材料(3-6-2)发生变化，光束传输至U形凹陷单模光纤(3-6-1)时，由于MXene材料(3-6-2)的变化，影响马赫曾德一个干涉臂的传输光程，进而干涉光谱发生变化，通过监测干涉光谱的变化实现温度的测量；而当磁场发生变化时，GMM材料(3-6-4)产生伸长现象，则FBG(3-6-3)的栅距被拉伸，由FBG(3-6-3)产生的一个反射尖峰发生漂移，通过监测反射峰的漂移测量磁场。
如图3所示，为本发明提供MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器的双参量测量系统图，由两个磁力座(3-1)上分别固定两个位移平台(3-3)，其中两个磁力座(3-1)分开可放下加热台(3-7)的距离，每个位移平台(3-3)上分别固定两个直角架(3-2)，两个直角架(3-2)上分别固定带有N极磁场的磁铁A(3-4)和带有S极磁场的磁铁B(3-5)，通过转动位移平台(3-3)实现磁场的大小的调节，产生磁场的变化，将传感单元(3-6)放在磁场环境下实现磁场测量；将加热台(3-7)放在位移平台(3-3)中间，加热台(3-7)上放置传感单元(3-6)，加热台(3-7)开启时，监测温度变化，其中加热台(3-7)的高度与位移平台的高度一致。
Claims (3)
1.MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器，其特征在于：它包括ASE光源(1)、环形器(2)、双参量测量系统(3)、光谱分析仪(4)、解调模块(5)、计算机(6)；
所述双参量测量系统(3)包括磁力座(3-1)、直角架(3-2)、位移平台(3-3)、磁铁A(3-4)、磁铁B(3-5)、传感单元(3-6)、加热台(3-7)，其中：
加热台(3-7)的左右两侧分别放置固定直角架(3-2)的位移平台(3-3)，并将位移平台(3-3)固定在磁力座(3-1)上，并且在左侧直角架(3-2)固定带有N极磁场的磁铁A(3-4)，同样地，右侧直角架(3-2)固定带有S极磁场的磁铁B(3-5)，另外，传感单元(3-6)放置在加热台上；
传感单元(3-6)中包层被腐蚀的U形凹陷单模光纤(3-6-1)与FBG(3-6-3)级联构成光纤复合结构，并且在U形凹陷单模光纤(3-6-1)上涂敷MXene材料(3-6-2)，另外FBG(3-6-3)部分粘贴在GMM材料(3-6-4)上共同构成传感单元(3-6)；
传感单元(3-6)的具体制备过程包括光纤复合结构的制作、敏感材料的涂敷；
其中：光纤复合结构的制作包括U形凹陷单模光纤(3-6-1)的制作，以及U形凹陷单模光纤(3-6-1)与FBG(3-6-3)级联结构的制作；首先U形凹陷单模光纤(3-6-1)的制备选取长为25cm的单模光纤，通过氢氟酸(HF)溶液腐蚀单模光纤包层，腐蚀点位于单模光纤10cm-15cm处，进而单模光纤包层处形成U形凹陷构成U形凹陷单模光纤(3-6-1)，U形凹陷单模光纤(3-6-1)自身构成马赫曾德干涉仪；之后将端面切割平整的U形凹陷单模光纤(3-6-1)与栅区长为20mm且中心波长为1550nm的FBG(3-6-3)采用光纤熔接机进行熔接，形成光纤复合结构；
敏感材料的涂敷主要包括MXene材料(3-6-2)和GMM材料(3-6-4)的涂敷；首先，MXene材料(3-6-2)选用单层Ti3C2，将单层Ti3C2混悬液采用滴涂法的方式涂敷在复合结构的U形凹陷单模光纤(3-6-1)U形凹陷部分，之后进行干燥10-14小时；另外，将干燥好的复合结构中FBG(3-6-3)栅区部分采用环氧树脂材料粘贴在GMM材料(3-6-4)表面，静置48小时；
MXene材料(3-6-2)选用单层Ti3C2，单层Ti3C2的具体制备方法为：通过选择性刻蚀法制备多层Ti3C2，之后采用插层-分层的方法制备单层Ti3C2混悬液；首先以Ti3AlC2作为制备原料，将Ti3AlC2样品研磨并过筛成粒径大小小于25μm的粉末，随后在刻蚀液中加入5gTi3AlC2粉末，将含有Ti3AlC2粉末的刻蚀液在55℃～65℃温度范围下搅拌48小时，之后将混合物用去离子水多次冲洗至PH值达到中性，之后采用离心机以3500rpm转速离心后用乙醇再进行多次洗涤后，将得到的粉末在温度为60℃的环境下进行真空干燥，得到多层Ti3AlC2粉末；之后，将0.3g多层Ti3AlC2粉末倒入纯度大于99％“万能溶剂”中，在室温下搅拌18小时，之后将混合物进行高速离心，将离心后的沉淀物加入去离子水，在流动氮气环境下超声5至7小时，之后再3500rpm转速下离心1小时，得到深绿色上清液为单层Ti3C2混悬液；
所述的MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器，其特征还在于：
ASE光源(1)发出光束传输至环形器(2)，环形器(2)输出光束传输至双参量测量系统(3)中的传感单元(3-6)，光束在传感单元(3-6)中产生干涉，当双参量测量系统(3)中磁场发生变化时，GMM材料(3-6-4)由于磁致伸缩效应产生伸长，粘贴在GMM材料(3-6-4)上的FBG(3-6-3)栅距发生变化，干涉光发生变化，而当温度发生变化时，由于温度影响MXene材料(3-6-2)发生变化，光束传输至涂敷MXene材料(3-6-2)的U形凹陷单模光纤(3-6-1)涂敷MXene材料(3-6-2)部分的光程发生变化，进而由U形凹陷单模光纤(3-6-1)产生的马赫曾德干涉的干涉光变化，干涉光通过环形器(2)将反射光谱传输至光谱分析仪(4)显示干涉光谱，解调模块(5)将光谱分析仪(4)中的解调并传输至计算机(6)进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器，其特征在于：
所述ASE光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm，用于产生光信号。
3.根据权利要求1所述的MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器，其特征在于：
所述双参量测量系统(3)测量温度时，将加热台(3-7)开启，传感单元(3-6)放置在加热台(3-7)上，实现温度测量，而测量磁场时，将加热台(3-7)关闭，传感单元(3-6)放置在加热台(3-7)上，操作位移平台(3-3)使磁场发生变化，实现磁场的测量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111442822.1A CN114136483B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111442822.1A CN114136483B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114136483A CN114136483A (zh) | 2022-03-04 |
| CN114136483B true CN114136483B (zh) | 2023-12-22 |
Family
ID=80389879
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111442822.1A Active CN114136483B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114136483B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117406148B (zh) * | 2023-09-18 | 2024-08-09 | 江西师范大学 | 锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的多参数测量装置及方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112213671A (zh) * | 2020-09-16 | 2021-01-12 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种测量磁致伸缩效应的装置及方法 |
| CN112444503A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-05 | 哈尔滨理工大学 | 一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法 |
| CN112525257A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-19 | 哈尔滨理工大学 | 一种监测磁场和温度的双参量光纤传感装置及实现方法 |
| CN113533261A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-10-22 | 广东工业大学 | 基于表面等离子体共振的传感系统和检测方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210215636A1 (en) * | 2020-01-14 | 2021-07-15 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Aerosol jet printed flexible graphene circuits for electrochemical sensing and biosensing |
-
2021
- 2021-11-30 CN CN202111442822.1A patent/CN114136483B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112213671A (zh) * | 2020-09-16 | 2021-01-12 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种测量磁致伸缩效应的装置及方法 |
| CN112444503A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-05 | 哈尔滨理工大学 | 一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法 |
| CN112525257A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-19 | 哈尔滨理工大学 | 一种监测磁场和温度的双参量光纤传感装置及实现方法 |
| CN113533261A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-10-22 | 广东工业大学 | 基于表面等离子体共振的传感系统和检测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114136483A (zh) | 2022-03-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108562386B (zh) | 一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器 | |
| CN100529735C (zh) | 聚合物基复合材料成型过程温度固化度实时同步监测装置 | |
| Li et al. | Simultaneous measurement of temperature and relative humidity using cascaded C-shaped Fabry-Perot interferometers | |
| Wang et al. | A high-temperature humidity sensor based on a singlemode-side polished multimode-singlemode fiber structure | |
| CN108572141B (zh) | 复合增强型光纤生物传感器及生物蛋白分子浓度检测方法 | |
| Zheng et al. | Reflective optical fiber sensor based on dual Fabry Perot cavities for simultaneous measurement of salinity and temperature | |
| CN108680531A (zh) | 二氧化钛薄膜涂覆倾斜光纤光栅折射率传感器及检测系统 | |
| CN101871881B (zh) | 一种检测溶液中蛋白质含量的方法 | |
| CN109187442A (zh) | 石墨烯增强倾斜光纤光栅泄漏模谐振传感器及其检测系统 | |
| Liu et al. | Fiber-optic meta-tip with multi-sensitivity resonance dips for humidity sensing | |
| CN114136483B (zh) | MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器 | |
| CN114137273B (zh) | Fbg级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置 | |
| Wang et al. | Wavelength-interrogation Fabry–Perot refractive index sensor based on a sealed in-fiber cavity | |
| CN111982171A (zh) | 一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器及其检测方法 | |
| Liu et al. | Dual-detection-parameter SPR sensor based on graded index multimode fiber | |
| CN210923475U (zh) | 一种基于光纤spr传感器的血清白蛋白检测系统 | |
| CN114137446B (zh) | Fbg级联光纤复合结构的消除温度敏感磁场传感装置 | |
| CN110031139A (zh) | 一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器及其应力检测方法 | |
| CN111928880B (zh) | 基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤及其传感器 | |
| CN114136924B (zh) | MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器 | |
| CN115219455A (zh) | 一种基于无芯光纤干涉型pH传感装置 | |
| CN114397614A (zh) | 高灵敏度光纤磁场传感器测试系统 | |
| CN114137451B (zh) | MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器 | |
| CN110865052B (zh) | 一种全光纤表面等离子体共振传感分析仪 | |
| CN105259117A (zh) | 一种基于模式干涉的细芯级联光纤生物传感装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |