CN114136483B - MXene与GMM涂敷光纤复合结构双参量测量传感器 - Google Patents
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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。
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