CN114137451B - MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器 - Google Patents

MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器 Download PDF

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Abstract

本发明专利提供了一种监测MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感装置及实现方法，它包括ASE光源(1)、环形器(2)、测量系统(3)、OSA(4)、解调模块(5)、PC端(6)。本发明专利通过光纤进行传感，利用光线追踪原理，使ASE光源发出的光在马赫曾德干涉仪中产生干涉光谱，通过对干涉光谱的检测，测量湿度和磁场，并且通过解调模块，实现数字输出，达到可以在PC端显示的目的。本发明降低了传感单元的尺寸，增加了传感的灵敏度，降低了不同参量的交叉影响，实现了同时监测湿度和磁场的目的。同时可以在PC端输出，实现了对湿度和磁场的实时监测。

Description

MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器。
背景技术
光纤传感器与传统的电子传感器相比，具有体积小、操作灵活、不易受环境影响、可以远程监控，还可以实现多参量的测量，目前市面上已经出现了很多可测量湿度、应力、压力等光纤传感器。随着科技的发展，人们对小型的多参量光纤传感器的需求增大。因此，可多参量测量传感器的发展成为必然趋势。基于以上背景我们设计一种基于MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器，可监测湿度和磁场的双参量测量传感器具有以下优点：体积小、可远程监测、安全性高、高测量精度和灵敏度、以及实现双参量测量。
MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器，传感单元采用锥形单模光纤(TSMF)与FBG级联构成复合结构，其中将湿敏材料包裹在锥形单模光纤(TSMF)上；单模光纤(SMF)是通过施加张力加热单模光纤(SMF)制成的。湿敏材料包裹在锥形单模光纤(TSMF)上，使锥形单模光纤(TSMF)结构对环境相对湿度(RH)的变化敏感。湿敏材料的折射率随环境RH的变化而变化；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：2019年，Wu H等人(Wu H,Lin Q,Jiang Z,et al.A temperature and strain sensorbased on a 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湿度影响；2020年Riza M A等人(Riza M A,Go Y I,Harun S W,et al.FBG sensors for environmental and biochemical applications—Areview[J].IEEE Sensors Journal,2020,20(14):7614-7627.)设计了一种薄膜改性长周期光纤光栅(LPFG)和光纤Bragg光栅(FBG)级联的新型光栅传感器，其中将湿敏材料聚乙烯醇涂覆在长纤光纤(LPFG)的表面，以达到LPFG对湿度有不同的响应灵敏度，该传感器主要利用温度变化产生的热光效应来影响LPFG的效应，来实现对温湿度传感特性研究；2020年，Tong R等人(Tong R,Zhao Y,Hu H,et al.Large measurement range and highsensitivity temperature sensor with FBG 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，Liu Z等人(Liu Z,Zhang M,Zhang Y,et al.Spider silk-based tapered optical fiber forhumidity sensing based on multimode interference[J].Sensors and Actuators A:Physical,2020,313:112179.)开发了一种新型的湿度传感器，将蜘蛛拖丝(SDS)包裹在锥形单模光纤(TSMF)上，配置多模干涉(MMI)结构并获得光谱。单模光纤(SMF)是通过施加张力加热单模光纤(SMF)制成的。SDS作为湿敏材料，包裹在TSMF上的SDS使TSMF结构对环境相对湿度(RH)的变化敏感，SDS的折射率随环境RH的变化而变化，导致多模(MMI)干涉光谱发生位移；2020年，Xia F等人(Xia F,Zhao Y,Zheng H,et al.Ultra-sensitive seawatertemperature sensor using an FBG-cascaded microfiber MZI operating atdispersion 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(ZhanB,Ning T,Pei L,et al.Terfenol-D Based Magnetic Field Sensor With TemperatureIndependence Incorporating Dual Fiber Bragg Gratings Structure[J].IEEEAccess,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包覆湿度和磁场测量光纤传感器。
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包覆湿度和磁场测量光纤传感器，其特征在于，它包括ASE光源(1)、环形器(2)、测量系统(3)、OSA(4)、解调模块(5)、PC端(6)；
所述测量系统(3)包括湿度控制箱(3-3)、湿度喷头(3-1)、磁性控制器(3-4)、磁铁A(3-2)、磁铁B(3-5)、传感单元(3-6)、传感箱(3-7)，其中：
传感箱(3-7)的左侧放置湿度控制箱(3-3)，右侧放置磁性控制器(3-4)，将磁铁A(3-2)固定在传感箱(3-7)左侧，将磁铁B(3-5)固定在传感箱(3-7)右侧，将湿度喷头(3-1)放置在传感箱(3-7)上侧，另外，传感单元(3-6)放置在传感箱(3-7)内；
传感单元(3-6)中锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)与FBG(3-6-3)级联构成光纤复合结构，并且在锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)上包覆MXene材料，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、敏感材料的包覆；
其中：光纤复合结构的制作包括锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)的制作，以及锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)与FBG(3-6-3)级联结构的制作；首先锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)的制备选取长为25cm的单模光纤，通过施加张力加热单模光纤(SMF)制成的，并将湿敏材料(3-6-2)包裹在锥形单模光纤TSMF(3-6-1)上，使锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)结构对环境相对湿度(RH)的变化敏感；锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)自身构成马赫曾德干涉仪；之后将端面切割平整的锥形单模光纤(TSMF)(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；
敏感材料的包覆主要包括湿敏材料(3-6-2)和GMM材料(3-6-4)的包覆，其中湿敏材料(3-6-2)采用MXene材料；首先，MXene材料选用单层或少层Ti3C2，将包裹在锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)上；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材料选用单层或少层Ti3C2，单层或少层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，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(20mL水,20mL37wt％HCl,2g≥98wt％的NaF)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8000rpm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”(DMSO)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N2环境下超声5至7小时，之后再3500rpm转速下离心60分钟，得到深绿色上清液为单层或少层Ti3C2混悬液，再在烘干箱(60℃)里进行干燥就得到单层或少层Ti3C2；
进一步地，所述的MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器，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，而当湿度发生变化时，由于湿度影响MXene材料发生变化，光束传输至包覆MXene材料的锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)包覆MXene材料部分的光程发生变化，进而由锥形单模光纤(TSMF)(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OSA(4)显示干涉光谱，解调模块(5)将OSA(4)中的解调并传输至PC端(6)进行数据处理。
进一步地，所述为ASE光源(1)，其中心波长为1550nm用于产生光信号。
所述的MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器，其特征在于：
所述测量系统(3)测量湿度时，将湿度控制箱(3-3)开启，传感单元(3-6)放置在传感箱(3-7)内，实现湿度测量，而测量磁场时，将湿度控制箱(3-3)关闭，传感单元(3-6)放置在传感箱(3-7)内，操作磁性控制器(3-4)使磁场发生变化，实现磁场的测量。
结构发明：MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器。
与现有结构相比，本发明专利的有益效果是：
本发明实现湿度和磁场的同时测量，可以在监测环境磁场时监测环境湿度，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材料包覆锥形单模光纤构成马赫曾德干涉仪实现湿度的测量，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。
本发明中湿度、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包覆湿度和磁场测量光纤传感器的系统结构图。
图2为MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器的传感单元结构图。
图3为MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器的测量系统结构图。
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包覆湿度和磁场测量光纤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包覆湿度和磁场测量光纤传感器的系统结构图，ASE光源(1)发出光束传输至环形器(2)，环形器(2)输出光束传输至测量系统(3)的传感单元(3-6)的锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)侧，光束通过在锥形单模光纤(TSMF)(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OSA(4)，当湿度控制箱(3-3)改变湿度时，MXene材料发生变化，包覆MXene材料的锥形单模光纤(TSMF)(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OSA(4)中干涉光的变化测量湿度；当磁性控制器(3-4)使磁场发生变化，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OSA(4)漂移量实现磁场的监测；将OSA(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，消除湿度、磁场的交叉影响，并将结果输出至PC端(6)，得出湿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包覆湿度和磁场测量光纤传感器的传感单元结构图，传感单元(3-6)中锥形单模光纤(3-6-1)表面包覆MXene材料与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)；包覆MXene材料的锥形单模光纤(3-6-1)构成马赫曾德干涉仪，监测湿度的变化；与GMM材料(3-6-4)粘贴的FBG(3-6-3)监测磁场的变化；其检测原理为：当湿度发生变化时，MXene材料发生变化，光束传输至锥形单模光纤(3-6-1)时，由于MXene材料的变化，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湿度的测量；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包覆湿度和磁场测量光纤传感器的测量系统结构图，由传感箱(3-7)的左侧放置湿度控制箱(3-3)，右侧放置磁性控制器(3-4)，将磁铁A(3-2)固定在传感箱(3-7)左侧，将磁铁B(3-5)固定在传感箱(3-7)右侧，将湿度喷头(3-1)放置在传感箱(3-7)上侧，另外，将传感单元(3-6)放置在传感箱(3-7)内，通过磁性控制器(3-4)来调节磁铁A(3-2)与磁铁B(3-5)，从而导致传感箱(3-7)磁场的变化，当产生磁场的变化，将传感单元(3-6)放在磁场环境下实现磁场测量；将湿度控制箱(3-3)放置在传感箱(3-7)的左侧，传感箱(3-7)内放置传感单元(3-6)，当湿度控制箱(3-3)开启时，监测湿度变化，其中传感箱(3-7)的高度与位移平台的高度一致。

Claims (3)

1.MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器，其特征在于：它包括ASE光源(1)、环形器(2)、测量系统(3)、OSA(4)、解调模块(5)、PC端(6)；
所述测量系统(3)包括湿度控制箱(3-3)、湿度喷头(3-1)、磁性控制器(3-4)、磁铁A(3-2)、磁铁B(3-5)、传感单元(3-6)、传感箱(3-7)，其中：
传感箱(3-7)的左侧放置湿度控制箱(3-3)，右侧放置磁性控制器(3-4)，将磁铁A(3-2)固定在传感箱(3-7)左侧，将磁铁B(3-5)固定在传感箱(3-7)右侧，将湿度喷头(3-1)放置在传感箱(3-7)上侧，另外，传感单元(3-6)放置在传感箱(3-7)内；
传感单元(3-6)中锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)与FBG(3-6-3)级联构成复合结构，并且将采用湿敏材料(3-6-2)包裹在锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)上，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、敏感材料的包覆；
其中：光纤复合结构的制作包括锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)的制作，以及锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)与FBG(3-6-3)级联结构的制作；首先锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)的制备选取长为25cm的单模光纤，通过施加张力加热单模光纤(SMF)制成的，并将湿敏材料(3-6-2)包裹在锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)上，使锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)结构对环境相对湿度(RH)的变化敏感；锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)自身构成马赫曾德干涉仪；之后将端面切割平整的锥形单模光纤(TSMF)(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；
敏感材料的包覆主要包括湿敏材料(3-6-2)和GMM材料(3-6-4)的包覆，其中湿敏材料(3-6-2)采用MXene材料；首先，MXene材料选用单层或少层Ti3C2，将其包裹在锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)上；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材料选用单层或少层Ti3C2，单层或少层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或少层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，随后在由20mLH2O、20mL37wt％HCl、2g≥98wt％的NaF构成的刻蚀液中加入5g Ti3AlC2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8000rpm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Ti3C2粉末；之后，多层Ti3C2粉末需要插入和分层，以获得具有高比表面积的单层或少层Ti3C2将0.3g多层Ti3C2粉末倒入纯度大于99％“万能溶剂DMSO”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60分钟，得到深绿色上清液为单层或少层Ti3C2混悬液，再在60℃的烘干箱里进行干燥就得到单层或少层Ti3C2；
所述的MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器，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，而当湿度发生变化时，由于湿度影响MXene材料发生变化，光束传输至包裹MXene材料的锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)包裹MXene材料部分的光程发生变化，进而由锥形单模光纤(TSMF)(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OSA(4)显示干涉光谱，解调模块(5)将OSA(4)中的解调并传输至PC端(6)进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器，其特征在于：
所述光源为ASE光源(1)，其中心波长为1550nm用于产生光信号。
3.根据权利要求1所述的MXene与GMM包覆湿度和磁场测量光纤传感器，其特征在于：
所述测量系统(3)测量湿度时，将湿度控制箱(3-3)开启，传感单元(3-6)放置在传感箱(3-7)内，实现湿度测量，而测量磁场时，将湿度控制箱(3-3)关闭，传感单元(3-6)放置在传感箱(3-7)内，操作磁性控制器(3-4)使磁场发生变化，实现磁场的测量。
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