一种低检测极限光纤气体传感器

本发明属于光纤传感，具体涉及一种低检测极限光纤气体传感器。

背景技术：

1、近年来，气体检测技术在环境监测、工业生产、公共安全等领域的应用越来越广泛。低检测极限气体传感器对于检测环境中的微量气体，预防事故和保护生态环境具有重要意义。例如，在环境监测领域，低检测极限可以帮助我们及时发现环境污染、工业泄漏等问题，从而采取有效措施防止环境恶化。在工业生产中，低检测极限气体检测可以实现对设备、生产过程和安全防护的有效监控，确保生产过程的安全和稳定。此外，在公共安全领域，低检测极限气体检测还可以帮助我们预防火灾、瓦斯爆炸等事故，保障人们的生命财产安全。

2、目前市场上的气体检测方法主要包括电化学传感器、半导体传感器、红外传感器等。然而，这些传统气体检测方法存在诸多不足。电化学传感器容易受到环境温湿度的影响，导致检测结果不稳定；半导体传感器虽然灵敏度较高，但存在较大的漂移现象，检测准确度受到影响；红外传感器在面对低浓度气体时，灵敏度较低，且受外部光源干扰较大。这些问题都限制了传统气体检测方法在实际应用中的广泛应用。

3、金属-有机骨架(mof)是一种具有高比表面积、多孔结构和可调性能的纳米材料，因此具有优异的气体吸附性能。此外，mof材料可以通过合成方法进行调控，实现对特定气体的高效检测。例如，氨气在农业、化工和环保等领域有着广泛的应用，但其泄漏可能导致环境污染和健康问题。zif-8是一种具有高比表面积和多孔结构的mof材料，已被证明具有良好的氨气吸附性能。甲烷是天然气的主要成分，泄漏可能导致火灾、爆炸等严重后果。mof-5是一种具有大孔径和高比表面积的mof材料，能够有效吸附甲烷分子。氢气在能源、化工和电子等领域具有重要应用，但其泄漏具有极高的爆炸风险。ni-mof-74是一种具有窄孔道和高氢气吸附能力的mof材料，可以有效捕捉氢气分子。挥发性有机物(vocs)主要来源于工业排放、汽车尾气和日常生活，对环境和人体健康造成严重影响。uio-66是一种稳定性高、孔径大小可调的mof材料，可以有效吸附不同种类的vocs。这些实例表明，mof材料在气体检测领域具有很大的应用潜力。光纤传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、高灵敏度和高稳定性等优点，使其在气体检测领域具有广泛的应用潜力。通过选择适当的mof材料并与光纤传感器相结合，可以实现高效、准确的气体检测，满足不同领域的需求。

4、由于光纤传感机理的限制，对于气体灵敏度传感，光栅类光纤传感器的灵敏度一般低于干涉仪类光纤传感器，已被证明锥形光纤干涉仪类气压传感器工作在色散转折点时，传感器对环境的折射率变化有着极高的灵敏度响应。但因其锥区的直径小于7μm，光纤结构非常易断，mof很难在锥区表面生长具有一定厚度且均匀的薄膜，同时，此时的mof薄膜作为锥形光纤锥腰区域的实际包层，其mof材料特性所导致的色散使得传感器失效，制约了mof与光纤传感器集成的低检测极限气体传感的发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低检测极限光纤气体传感器，该传感器通过将pdms/mof梯度复合薄膜布设在锥区，基于mof对气体优异的吸附能力、pdms的透光性和气体渗透性，通过mof掺杂的梯度设计进一步提高传感器灵敏度和降低制造成本，结合锥形光纤结构色散转折点增敏机理实现对气体的低检测极限检测，且制备方法简单、成本低廉。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、提供一种低检测极限光纤气体传感器，依次包括输入单模光纤、锥形光纤和输出单模光纤，所述锥形光纤的锥腰区域均匀布设有pdms/mof梯度复合薄膜，其中所述pdms/mof梯度复合薄膜中，从外表面向靠近锥腰区域的方向mof的掺量梯度减少。

4、按上述方案，所述传感器的工作波长在色散转折点。

5、按上述方案，所述pdms/mof梯度复合薄膜包括三层，按质量百分比计，mof掺杂量以3～5wt％、5～10wt％、10～15wt％的梯度方式分布，其中靠近锥腰区域的方向mof掺杂量逐渐减少。

6、按上述方案，所述pdms/mof梯度复合薄膜中，mof颗粒平均粒径为50～100nm。

7、按上述方案，所述pdms/mof梯度复合薄膜中，mof掺杂量3～5wt％的复合薄膜厚度为1～1.2μm，mof掺杂量5～10wt％的复合薄膜厚度为1.5～2μm，mof掺杂量10～15wt％的复合薄膜厚度为3～10μm。

8、按上述方案，所述pdms/mof梯度复合薄膜涂覆在所述锥形光纤的锥腰区域。优选地，所述涂覆采用旋涂方式。

9、按上述方案，所述锥形光纤的锥腰区域直径为5.4～6.2μm。在均匀锥腰区域表面布设pdms/mof梯度复合薄膜，当锥腰区域直径为5.4-6.2μm时，pdms/mof梯度复合薄膜作为锥腰区域的实际包层，此时he11模式与he12模式的群折射率差趋近于零，在特定波长处出现色散转折点，大幅提升传感器对气体浓度变化的灵敏度响应。

10、按上述方案，所述锥形光纤依次包括第一突变过渡区、锥腰区域和第二突变过渡区。

11、优选地，所述突变过渡区满足非绝热近似条件，其长度为500～800μm。

12、优选地，所述锥腰区域的直径为5.4～6.2μm；优选地锥腰区域的长度为2000～3000μm。

13、优选地，所述第一突变过渡区所激发的第一高阶模he12与基模he11功率差小于10％。

14、按上述方案，所述锥形光纤由单模光纤经过预拉锥、熔融拉锥形成。

15、优选地，预拉锥后的锥形光纤长度为95～105μm，锥腰区域直径为70～80μm。

16、优选地，熔融拉锥后的锥形光纤长度为3000～4000μm。

17、本发明提供了一种低检测极限光纤气体传感器，其作用机理如下：

18、光通过输入单模光纤在第一突变过渡区时，he11模被部分激发为he12高阶模，he12高阶模传输通过锥腰区域后，在第二突变过渡区耦合回输出单模光纤，与he11模发生模间干涉，形成马赫-曾德尔干涉仪。在均匀锥腰区域表面布设pdms/mof梯度复合薄膜，当he11模式与he12模式的群折射率差趋近于零，在特定波长处出现色散转折点，此时pdms/mof梯度复合薄膜作为锥腰区域的实际包层，大幅提升传感器对气体浓度变化的灵敏度响应。

19、pdms/mof梯度复合薄膜中的mof对气体具有优异的吸附能力，实现对特定气体的高效检测。外界环境中待测气体发生微小变动，复合薄膜的折射率会随之发生改变，引起he11模与he12模的光程差发生变化，通过透射谱监测色散转折点附近的波谷漂移使环境气体浓度变化可视化。pdms的透明性和气体渗透性，解决了mof直接作为光纤实际外包层时，由于mof的高度多孔结构，光信号在传输过程出现光色散信号衰减现象，导致的传感器失效的问题。

20、本发明中进行了梯度掺杂mof的设计以提高灵敏度；当采用非梯度的pdms/mof复合薄膜时，如果掺杂的mof浓度较低，其灵敏度不高，但如果掺杂的mof浓度较高，色散情况就会加重，光损耗加重，其光谱质量就会降低，会造成测试不准确。因此本发明设计了梯度掺杂mof，在靠近纤芯的位置，掺杂浓度低，但是这里的光场比较强，在远离纤芯的地方，虽然光场变弱了，但是因为mof掺杂的多，所以能弥补非梯度低浓度掺杂时候的灵敏度低，非梯度高浓度掺杂时候的光谱质量差的问题。

21、本发明中梯度掺杂mof的设计，在提升传感器灵敏度的同时有效降低了成本。同时基于mof对气体优异的吸附能力、pdms的透光性和气体渗透性，结合锥形光纤色散转折点增敏机理实现对气体的低成本低检测极限检测。

22、本发明的有益效果如下：

23、1.本发明提供了一种低检测极限光纤气体传感器，通过在锥形光纤的锥腰区域布设pdms/mof梯度复合薄膜的方式，将mof对气体优异的吸附能力与工作在色散转折点的锥形光纤干涉仪相结合实现低检测极限气体传感，利用pdms的透光性和气体渗透性，解决了mof直接作为光纤实际外包层时，由于mof的高度多孔结构，光信号在传输过程出现光色散信号衰减现象，导致的传感器失效的问题；同时通过mof掺杂的梯度设计进一步提高传感器灵敏度和降低制造成本。

24、2.进一步的，本发明通过将pdms和mof复合，实现了旋涂法将mof与光纤集成进行低检测极限传感，解决了mof原位生长时由于其对光纤传感器结构的高机械性能与高稳定性的客观要求，很难将mof颗粒均匀生长在更高折射率灵敏度的锥形光纤以及其他稳定性较差但折射率灵敏度优异的光纤传感器上的问题。

25、3.本发明中采用pdms/mof梯度复合薄膜包覆锥区，pdms/mof梯度复合薄膜相比于空气有更高的折射率，其包覆的锥区可在更大的锥径下工作，提高了光纤结构强度和稳定性，同时利用pdms良好的疏水性进一步增强传感器在湿度环境中的稳定性。