一种基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头及其制备方法
【专利摘要】一种基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头，包括：氟化镁基片；锥形微纳光纤，紧贴固定于所述氟化镁基片上；聚四氟乙烯薄膜，涂覆于所述锥形微纳光纤表面；环形器一，其①端口为光信号输入端，②端口连接所述锥形微纳光纤的一端，③端口为信号出射端；环形器二，其②端口连接所述锥形微纳光纤的另一端，③端口与①端口相连，本发明还提供了上述探头的制备方法，本发明具有灵敏度高、体积小、响应速度快、结构简单和价格低廉等特点，并且容易实现分布式和网络化的有毒、有害气体检测；另外，通过更换光源或不同中心波长的滤波片，可实现多种气体的检测，具有很好的通用性。
【专利说明】一种基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及气体传感器，特别涉及一种基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头及其制备方法。
【背景技术】
[0002]对有毒、有害、易燃、易爆气体的快速准确探测，在石油、化工、煤炭、冶金、制药等行业中保证生产安全、防止环境污染、降低能源损耗等方面发挥着举足轻重的作用。而气体检测系统中，核心元件就是气体传感探头。
[0003]目前，较常用的气体传感器主要有以下几种:半导体型气体传感器、电化学式气体传感器、固体电解质气体传感器、光学气体传感器等。半导体型气体传感器具有制造工艺简单、成本低、灵敏度高等优点，所以现已经是产量最大、应用最广的气体传感器之一。但是，其主要缺点是:选择性差、寿命短、交叉灵敏度高、易受环境温度影响等。电化学气体传感器优点是:体积小、耗电小、线性度和重复性好、分辨率高、温度适应性较宽，但其使用寿命较短。固体电解质气体传感器具有电导率高、选择性好、灵敏度高等优点，所以在冶金、石化、能源、环保等领域均得到了广泛的应用，其不足之处在于响应时间较长。光学气体传感器包括光谱吸收型、荧光型、光纤型等。光谱吸收型气体传感器具有选择性和鉴别性好的优点，但其系统结构复杂、价格昂贵。荧光型气体传感器需要高精度的微弱信号检测系统。这就导致其造价昂贵。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头及其制备方法，结构简单，价格低廉，且灵敏度高，响应速度快。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0006]—种基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头,包括:
[0007]氟化镁基片13 ；
[0008]锥形微纳光纤12，紧贴固定于所述氟化镁基片13上；
[0009]聚四氟乙烯薄膜，涂覆于所述锥形微纳光纤12表面；
[0010]环形器一 11，其①端口为光信号输入端，②端口连接所述锥形微纳光纤12的一端，③端口为信号出射端；
[0011]环形器二 14，其②端口连接所述锥形微纳光纤12的另一端，③端口与①端口相连。
[0012]优选地，所述锥形微纳光纤12可以通过加热熔融拉锥方法制备而成。
[0013]优选地，所述锥形微纳光纤12腰区直径为I μ m，长度10?15cm，拉锥损耗小于0.2dB。
[0014]优选地,所述聚四氟乙烯薄膜厚度为100?lOOOnm。
[0015]优选地，所述环形器一 11和环形器二 14均为三端口光纤环形器。
[0016]本发明还提供了上述探头的制备方法，包括如下步骤:
[0017](I)把单模光纤去掉中间一部分涂覆层加热拉锥，制备出锥形微纳光纤12 ；
[0018](2)在显微镜下进行微操纵，把锥形微纳光纤12放置到氟化镁基片13上，并对其两端的单模光纤用紫外胶进行固定；
[0019](3)给锥形微纳光纤12表面用多孔高分子材料聚四氟乙烯涂覆形成聚四氟乙烯薄膜；
[0020](4)将锥形微纳光纤12的一端单模光纤和环形器一 11的②端口熔接，另一端的单模光纤和环形器二 14的②端口熔接，并将环形器二 14的①端口和③端口相连接。
[0021]与现有技术相比，本发明基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头，具有灵敏度高、体积小、响应速度快、结构简单和价格低廉等特点，并且容易实现分布式和网络化的有毒、有害气体检测。另外，通过更换光源或不同中心波长的滤波片，可实现多种气体的检测，具有很好的通用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明的三维结构示意图。
[0023]图2是固定有气体传感探头气室的三维结构示意图。
[0024]图3为本发明的实施例1的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0026]如图1所示，本发明主要包括锥形微纳光纤12、氟化镁基片13、聚四氟乙烯薄膜、环形器一 11以及环形器二 14。将腰区直径为I μ m，长度为10?15cm的锥形微纳光纤12紧贴固定在氟化镁基片13上，然后，用聚四氟乙烯多孔高分子材料在其表面涂覆，形成一层厚度为100?100nm的聚四氟乙烯薄膜，构成气体传感探头的传感敏感区。锥形微纳光纤12的一端与环形器一 11的②端口连接，另一端与环形器二 14的②端口连接，环形器二14的①端口和③端口相连作为反射镜使用。
[0027]使用通信波段的光信号沿单模光纤输入到环形器一 11的①端口，由环形器一 11的②端口出射，沿单模光纤到达气体传感敏感区，经过敏感区后到达环形器二 14的②端口，由于环形器二 14是作为一个反射镜来用的，所以光到达环形器二 14的③端口后又从环形器二 14的①端口输入，被反射回后又到达敏感区，经由单模光纤从环形器一 11的③端口出射，利用光电探测器探测。当被检测气体与锥形微纳光纤12接触时，与锥形微纳光纤12的倏逝场相互作用，对锥形微纳光纤12的输出光进行了调制，所以，对光电探测器探测到的光信号进行解调，就可以获得被检测气体的浓度和成分等信息。
[0028]本发明制备过程如下:
[0029](I)首先把单模光纤去掉中间一部分涂覆层加热拉锥，制备出腰区直径在Ιμ--，长度10?15cm,拉锥损耗小于0.2dB的锥形微纳光纤12。
[0030](2)然后在显微镜下进行微操纵，把锥形微纳光纤12放置到氟化镁基片13上，并对其两端的单模光纤用紫外胶进行固定。
[0031](3)给锥形微纳光纤12表面用多孔高分子材料聚四氟乙烯涂覆一层厚度100?100nm的薄膜。
[0032](4)锥形微纳光纤12的一端单模光纤和环形器一 11的②端口熔接，另一端的单模光纤和环形器二 14的②端口熔接。
[0033](5)最后把气体传感探头固定到有待测气体进出口的气室15里(如图2)。
[0034]本发明的原理是:
[0035]由于被检测气体容易渗入聚四氟乙烯这种多孔高分子材料中，与被检测气体分子接触时就会明显改变锥形微纳光纤12周围倏逝场的分布特性，最终改变光在锥形微纳光纤12中的传播，通过检测透射光谱来辨别被检测气体的类型和浓度信息，从而实现发明目的。即在光纤气体传感探头的敏感区域，被检测气体和锥形微纳光纤12表面的倏逝场相互作用，根据Beer-Lambert定律,该光纤气体传感探头输入的光强和输出的光强满足如下关系:
[0036]I(A)= I。( λ ) exp [_2r ( λ ) α (λ) Ic] (I)
[0037]其中，Ι0(λ)是入射光强；Γ(λ)是相对作用灵敏度，r(A) = [nr ( λ )/ne ( λ )]f ( λ )(其中nj λ )是被检测气体有效折射率，η6(λ)是光纤导模的有效折射率，f ( λ )是倏逝场能量所占总传导光场能量的比)；α (λ)是气体吸收系数；I作用长度；c是气体浓度。由于该光纤气体传感探头巧妙地把光纤环形器二 14作为一个反射镜用，所以，在同样的几何长度下，使得被检测气体与倏逝场的作用长度变为实际几何长度的两倍，这有效地提升了传感探头的灵敏度。
[0038]应用实施例:
[0039]如图3所不，DFB-LD激光器I的输出端与单模光纤2的一端连接,单模光纤2的另一端与本发明的基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头3中的环形器一 11的①端口连接，气体传感探头3中的环形器一 11的③端口用单模光纤和光电探测器4连接，光电探测器4用导线和计算机5连接。
[0040]实验时将DFB-LD激光器I的中心波长设置为1.653 μ m,并用自带的温控电路使其波长稳定，这时可以在光电探测器4接收到光强并记录。然后，给安装有气体传感探头3的气室15进气口通入甲烷气体，由于甲烷气体对入射光的吸收会导致光电探测器4接收的光强发生变化，该光强变化反映了甲烷气体浓度信息，进而可以实现对甲烷气体浓度信息的检测。
[0041]上述实施例中，DFB-LD激光器I的中心波长为1.653 μ m，输出功率为10mw，谱宽为0.13nm,且带温控系统；单模光纤2为康宁公司生产的单模光纤；光电探测器4为GaAs PIN二极管，波长响应范围为I?1.7 μ m。
【权利要求】
1.一种基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头，其特征在于，包括: 氟化镁基片(13)； 锥形微纳光纤(12)，紧贴固定于所述氟化镁基片(13)上； 聚四氟乙烯薄膜，涂覆于所述锥形微纳光纤(12)表面； 环形器一(11)，其①端口为光信号输入端，②端口连接所述锥形微纳光纤(12)的一端，③端口为信号出射端； 环形器二(14)，其②端口连接所述锥形微纳光纤(12)的另一端，③端口与①端口相连。
2.根据权利要求1所述基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头，其特征在于，所述锥形微纳光纤(12)通过加热熔融拉锥方法制备而成。
3.根据权利要求1或2所述基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头，其特征在于，所述锥形微纳光纤(12)腰区直径为I μ m，长度10?15cm，拉锥损耗小于0.2dB。
4.根据权利要求1所述基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头，其特征在于，所述聚四氟乙烯薄膜厚度为100?lOOOnm。
5.根据权利要求1所述基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头，其特征在于，所述环形器一(11)和环形器二(14)均为三端口光纤环形器。
6.根据权利要求1所述基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)，把单模光纤去掉中间一部分涂覆层加热拉锥，制备出锥形微纳光纤(12)； (2)，在显微镜下进行微操纵，把锥形微纳光纤(12)放置到氟化镁基片(13)上，并对其两端的单模光纤用紫外胶进行固定； (3)，给锥形微纳光纤(12)表面用多孔高分子材料聚四氟乙烯涂覆形成聚四氟乙烯薄膜； (4)，将锥形微纳光纤(12)的一端单模光纤和环形器一(11)的②端口熔接，另一端的单模光纤和环形器二(14)的②端口熔接，并将环形器二(14)的①端口和③端口相连接。
【文档编号】G01N21/31GK104266983SQ201410531404
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】马成举, 温俊青, 文进, 樊伟, 张小真, 李东明, 郭文阁 申请人:西安石油大学