二氧化碳光纤传感器及制备方法、双参数光纤传感器及应用方法

本发明涉及二氧化碳气体浓度检测领域，具体涉及一种二氧化碳光纤传感器及制备方法、双参数光纤传感器及应用方法。

背景技术：

1、随工业的发展化石燃料的燃烧，大气中二氧化碳排放量日益增加，人类已经意识到我们所面临的温室效应问题主要是由于人类将大量二氧化碳排放到大气当中从而破坏了地球自然碳循环。国内对于二氧化碳转化研究的热情在逐年增加，同时对二氧化碳气体浓度的检测也成为气体传感器发展中的重点。

2、因此，实时监控环境内二氧化碳气体浓度，发展二氧化碳气体浓度实时在线检测技术，及早发现潜在泄露对工作在危险环境内工人的安全至关重要。

3、目前用于二氧化碳气体检测方法主要有电化学法、光谱吸收法、气相色谱法以及光纤传感法。其中电化学法检测二氧化碳大多数只能在低浓度下进行，且传感器寿命较短。光谱吸收法更易受到其他气体的干扰，从而影响传感器精度。而气相色谱法目前并不能针对二氧化碳气体浓度做到实时在线检测。

4、其中，光纤传感器使用光信号在光纤中检测，无放电现象和安全隐患，本质上安全可靠，同时具备几何尺寸小、灵敏度较高、响应速度快、可分布式测量等显著优势，因此成为目前二氧化碳气体浓度实时在线检测技术中最有前途的一类传感器，但现有二氧化碳光纤传感器存在响应时间较长(约30min)、灵敏度低的缺点，需要针对此缺陷对二氧化碳光纤传感器进行改进，以提高其灵敏度和测量精度。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种二氧化碳光纤传感器及制备方法、双参数光纤传感器及应用方法，以解决现有二氧化碳光纤传感器存在响应时间较长、灵敏度低的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、第一方面，本发明公开了一种二氧化碳光纤传感器，用于检测恒温恒湿环境中的二氧化碳气体浓度，包括光纤，所述光纤具有包层，所述包层中心具有纤芯，所述纤芯上具有布拉格光栅区，所述布拉格光栅区对应的所述包层外周包覆有含有聚砜/聚酰亚胺复合二氧化碳敏感材料的二氧化碳敏感膜，所述包层外周除包覆有二氧化碳敏感膜以外区域包覆有涂覆层。

4、本发明的工作原理是，随着恒温恒湿检测环境内二氧化碳浓度的变化，二氧化碳敏感膜会跟随环境中的二氧化碳浓度的变化发生体积膨胀，从而引起布拉格光栅区产生应变，进而影响布拉格光栅区的中心波长，使得布拉格光栅区的中心波长发生漂移，而二氧化碳气体浓度与布拉格光栅区的中心波长漂移量之间具有对应的关系，进而能够对环境中的二氧化碳气体浓度进行测定。

5、作为优选，所述二氧化碳敏感膜覆盖区域处的包层厚度小于光纤其他区域的包层厚度，这样，使得二氧化碳敏感膜更接近布拉格光栅区，能够进一步提高二氧化碳光纤传感器对二氧化碳气体的响应灵敏度。

6、作为优选，所述二氧化碳敏感膜表面还包覆有疏水透气涂层，所述疏水透气涂层为氧化硅薄膜，所述氧化硅薄膜采用浸渍提拉法涂覆于所述二氧化碳敏感膜表面，镀膜提拉速度为0.5～1mm/s。涂覆疏水透气涂层能够增强二氧化碳光纤传感器在高湿环境下运行的稳定性和准确性。

7、第二方面，本发明还公开了二氧化碳光纤传感器的制备方法，用于制备如上所述的二氧化碳光纤传感器，包括以下步骤：

8、s1.1、选取一段具有布拉格光栅的待处理光纤并进行预处理，将布拉格光栅对应的包层去除一部分，使得布拉格光栅处对应的包层厚度小于光纤其他区域的包层厚度；

9、s1.2、二氧化碳敏感混合液将聚砜和聚酰亚胺固体溶于有机溶剂中，并搅拌均匀，制备含有聚砜/聚酰亚胺复合二氧化碳敏感材料的二氧化碳敏感混合液；

10、s1.3、将步骤s1.2制备的二氧化碳敏感混合液涂覆于步骤s1.1中已经进行预处理的布拉格光栅对应的包层外周，然后进行干燥处理使其在包层外周形成含有聚砜/聚酰亚胺复合二氧化碳敏感材料的二氧化碳敏感膜，进而得到二氧化碳光纤传感器。

11、作为优选，步骤s1.2中，所述聚砜和聚酰亚胺的质量百分比范围是10～20％。

12、作为优选，为保证二氧化碳敏感膜的体积膨胀能够有效传递到光纤上，将步骤s1.1中已经进行预处理的光纤，将其布拉格光栅区浸泡入含有硅烷偶联剂的乙醇溶液中，然后进行干燥处理。具体的方法是，浸泡时间为5～10min，所述硅烷偶联剂与乙醇溶液的质量百分比范围是1～3％；随后将浸泡过的光纤置入70～90℃真空干燥箱内干燥20～30min，以达到光纤表面硅烷处理，增强包层表面的附着力度。

13、作为优选，在步骤s1.2中制备好的二氧化碳敏感混合液中添加聚乙二醇并进行持续搅拌，所述聚乙二醇与二氧化碳敏感混合液的质量百分比范围是0.1～0.5％。具体的，聚乙二醇(peg)作为膜活化剂，在二氧化碳敏感混合液中添加聚乙二醇后在40～60℃条件下持续搅拌4～6h。

14、为增强二氧化碳光纤传感器在高湿环境下运行的稳定性和准确性，作为优选，在步骤s1.3中得到的二氧化碳光纤传感器的二氧化碳敏感膜表面采用浸渍提拉法涂覆一层氧化硅疏水涂层，涂覆完成后进行干燥处理，所述氧化硅疏水涂层能够阻止水分子接触二氧化碳敏感膜，同时允许二氧化碳气体分子穿过并接触二氧化碳敏感膜。

15、所述氧化硅疏水涂层的提拉速度为0.5～1mm/s；提拉完成后60～80℃真空干燥箱干燥10～15min，即可获得同时具有二氧化碳敏感膜和疏水透气涂层的二氧化碳光纤传感器，不容易被环境中的湿度所影响，能够适用于高湿环境，能够增强二氧化碳光纤传感器在高湿环境下运行的稳定性和准确性。

16、第三方面，本发明还公开了一种双参数光纤传感器，能够同时检测环境温度以及二氧化碳气体浓度，包括温度敏感光纤和二氧化碳敏感光纤，所述温度敏感光纤与二氧化碳敏感光纤熔融串接；所述二氧化碳敏感光纤具有第一包层，所述第一包层中心具有第一纤芯，所述第一纤芯上具有第一布拉格光栅区，所述第一布拉格光栅区对应的所述第一包层外周包覆有含有聚砜/聚酰亚胺复合二氧化碳敏感材料的二氧化碳敏感膜；所述二氧化碳敏感膜表面还包覆有氧化硅疏水透气涂层；对应于所述二氧化碳敏感光纤设置有金属封装件，所述金属封装件上开设有凹槽，所述二氧化碳敏感光纤固定于凹槽内，所述温度敏感光纤位于所述金属封装件之外；所述温度敏感光纤具有第二包层，所述第二包层外周没有包覆涂覆层，所述第二包层中心具有第二纤芯，所述第二纤芯上具有第二布拉格光栅区。

17、所述双参数光纤传感器能够解决现有技术中二氧化碳光纤传感器存在响应时间较长(约30min)、灵敏度低以及在测量过程受湿度影响导致准确性低的技术问题。所述双参数光纤传感器的工作原理是：随着检测环境内二氧化碳浓度的变化，二氧化碳敏感膜会跟随发生体积膨胀，从而引起第一布拉格光栅区产生应变，导致第一布拉格光栅区的中心波长发生漂移；同时，二氧化碳浓度越高，二氧化碳敏感膜体积膨胀越明显，导致第一布拉格光栅区的中心波长漂移量越大；所以在恒定温度下，通过检测第一布拉格光栅区的中心波长漂移量即可实现恒温下对二氧化碳浓度的测量；同时，高湿环境会对传感器检测二氧化碳性能造成影响，采用疏水透气涂层可以隔绝水汽对第一布拉格光栅区产生应变的影响。

18、第四方面，本发明还公开了双参数光纤传感器的应用方法，利用如上所述的双参数光纤传感器，包括以下步骤：

19、s2.1、在实验室条件下对制备的双参数光纤传感器进行标准曲线的绘制，分别得到第一布拉格光栅区的布拉格中心波长与二氧化碳气体浓度的变化关系曲线、第一布拉格光栅区的布拉格中心波长与温度的变化关系曲线以及第二布拉格光栅区的布拉格中心波长与温度的变化关系曲线；

20、s2.2、将双参数光纤传感器安置于待测量环境中，并搭建实时在线测量系统，所述测量系统包括光源，所述光源设置于所述二氧化碳敏感光纤的一端，所述温度敏感光纤远离二氧化碳敏感光纤的一端设置有光纤布拉格光栅解调仪，所述光纤布拉格光栅解调仪的数据输出端连接有显示终端，光线经过光纤布拉格光栅解调仪的解调，将解调后的温度敏感光纤和二氧化碳敏感光纤布拉格中心波长数据信息传输到显示终端，并在显示终端上分别进行数据显示、计算处理和储存；

21、s2.3、利用步骤s2.2中的测量系统进行实时在线测量，分别得到二氧化碳敏感光纤的第一布拉格光栅区的布拉格中心波长漂移量和温度敏感光纤的第二布拉格光栅区的布拉格中心波长漂移量，对应步骤s2.1中的各个曲线能够分别得到第一布拉格光栅区对应的温度值和二氧化碳气体浓度值，以及第二布拉格光栅区对应的温度值；

22、s2.4、对第一布拉格光栅区测得的二氧化碳气体浓度值采用二氧化碳气体浓度修正矩阵模型修正后得到最终的二氧化碳气体浓度值，所述二氧化碳气体浓度修正矩阵模型如下：

23、

24、其中，δλb_t为温度敏感光纤中心波长，λb_s为二氧化碳敏感光纤的布拉格中心波长，kt为二氧化碳敏感光纤的温度灵敏度，kt2为温度敏感光纤的温度灵敏度，δt是温度值变化量，是二氧化碳气体浓度值变化量。

25、本发明具有以下有益效果：

26、1、本发明公开的二氧化碳光纤传感器能够利用二氧化碳气体浓度与布拉格光栅区的中心波长漂移量之间的对应关系，进而能够对环境中的二氧化碳气体浓度进行测定，二氧化碳光纤传感器中采用的含有聚砜/聚酰亚胺复合二氧化碳敏感材料，具有响应时间短、灵敏度高的技术效果，有利于实现对环境中二氧化碳气体浓度的快速、准确的测量。

27、2、本发明公开的双参数光纤传感器，能够同时实现对环境温度和二氧化碳气体浓度的快速、准确实时在线监测，同时还能够增强光纤传感器在高湿环境中检测的稳定性和准确性。

28、3、本发明公开的双参数光纤传感器中的温度敏感光纤具有两个功能，功能一是用于测量环境内温度变化信息，功能二是作为二氧化碳敏感光纤的温度补偿单元，以消除环境温度变化对二氧化碳气体浓度测量结果产生的影响。

29、4、本发明公开的双参数光纤传感器将二氧化碳敏感光纤封装在多孔金属板凹槽中并固定在需要在线实时测量环境内，既可以保证温度敏感光纤和二氧化碳敏感与环境气体充分接触，又可以保护二氧化碳敏感光纤不受外力挤压或震动造成二氧化碳气体浓度测量结果偏差，从而实现对环境温度和二氧化碳气体浓度的在线准确原位检测。

30、5、本发明公布的双参数光纤传感器可不受其他气体干扰快速准确测量环境中二氧化碳气体浓度，并可做到分布式实时监测功能，双参数光纤传感器可广泛地应用于各种检测二氧化碳气体浓度环境内。