PCF-LPG甲烷检测装置及传感器制作方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种PCF‑LPG甲烷检测装置及传感器制作方法，甲烷检测装置包括不锈钢气室、带有真空压力表的气室密封盖、质量流量控制器、真空泵、甲烷传感器、光纤连接器、宽带光源、光谱分析仪和计算机；传感器制作方法包括：对PCF‑LPG包层空气孔内壁进行表面处理使其带正电，通过静电作用依次将带负电的聚丙烯酸膜、带正电的聚丙烯胺盐酸盐膜交替附着在空气孔内壁以形成自组装内层膜，自组装外层膜为带负电的聚丙烯酸膜、带正电的氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管膜，内层与外层膜构成含碳纳米管的静电自组装薄膜；同时笼形分子A‑6Me被自组装膜外层的氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管吸附固定，形成甲烷传感器；本发明专利技术可实现高灵敏度和高稳定性甲烷检测。

Production method of PCF LPG methane detection device and sensor

The invention discloses a preparation method of PCF LPG methane detection device and sensor, methane detection device comprises a stainless steel chamber with an air chamber, a vacuum pressure gauge sealing cover, mass flow controller, vacuum pump, methane sensor, fiber optic connectors, broadband light source, a spectrum analyzer and a computer; sensor production method includes: the PCF LPG cladding air hole wall surface treatment of the positively charged amine hydrochloride film, polypropylene film, polyacrylic acid through electrostatic interactions in turn negatively charged alternately attached to the air hole wall to form a self-assembled film layer, self coated single-walled carbon nanotube films for amino modified silica polyacrylate film, negatively charged the positively charged outer membrane assembly, the inner and outer membrane to form a carbon nanotube film electrostatic self-assembly; at the same time Cryptophane A 6Me by self assembly The invention discloses a methane sensor which is adsorbed and fixed by a single layer of carbon dioxide coated single wall carbon nanotubes in the outer membrane layer, and can realize methane detection with high sensitivity and high stability.

【技术实现步骤摘要】
PCF-LPG甲烷检测装置及传感器制作方法
本专利技术涉及光纤传感
，特别涉及一种PCF-LPG(光子晶体光纤长周期光栅)甲烷检测装置及传感器制作方法。
技术介绍
瓦斯气体会伴随着煤炭的生产过程而产生，它的主要成分是甲烷。由于甲烷的爆炸极限为4.9％～16％，空气中存在较低浓度的甲烷气体也会引起爆炸，同时，瓦斯气体的泄漏可能也会导致非常严重的事故。因此，检测矿井中甲烷气体的浓度对于安全生产有着十分重要的意义。目前，用于甲烷检测的方法主要有：电学类传感器、气敏半导体类传感器、催化燃烧类传感器和气相色谱法以及光纤类传感器等方法。其中，光纤类传感器因具有不易受电磁干扰，能够在极端环境下工作；信号可以进行远距离传输,结构简单，稳定性好等诸多优点,而广泛用于温度、应力、湿度、折射率、气体等参量的检测。在光纤甲烷传感技术研究方面，JianchunYang等(OPTICSEXPRESS,2011,19:14696～14706；SensorsandActuatorsB:Chemical,2015,207:477～480)提出一种将笼形分子A涂覆于长周期光纤光栅(LPG)包层外表面的甲烷传感方法，其测试系统由一个质量流量控制器，一个不锈钢螺旋管和不锈钢气室，2mW的超辐射发光二极管组成的宽带光源(中心波长1550nm，带宽为40nm)，光谱分析仪和计算机组成，研制出的测试系统的工作原理是利用长周期光栅对折射率敏感的特性，通过测出由甲烷浓度变化导致的敏感膜折射率变化来得到甲烷气体的浓度，但是涂覆在长周期光纤光栅表面的敏感材料易受到外界环境污染。ChuanyiTao等(SensorsandActuatorsB:Chemical，2011,156:553～558)提出一种基于笼形分子A与硅纳米线荧光猝灭的光纤甲烷传感方法，传感装置由LED-380光源、光纤光谱仪、质量流量控制器、测试不锈钢气室、反射/反向散射探头和硅衬底上经过笼形分子A修饰的硅纳米线，这种方法通过测试荧光光强来得到甲烷气体的浓度变化，其重复性与选择性较好，但是对于硅纳米线的修饰工艺要求较高。SuozhuWu等(AnalyticaChimicaActa,2009,633:238～243；ChineseChemicalLetters,2009,20:210～212)提出一种基于笼形分子A的模式滤光甲烷传感方法，其传感装置主要由He-Ne激光二极管光源(635nm)、纤芯直径300μm的光纤传感器、含笼形分子A的甲烷敏感膜、电荷耦合器件(CCD)和计算机等组成，其甲烷传感过程对激光入射至光纤纤芯角度的稳定性具有较高的要求。JianchunYang等(SensorsandActuatorsB:Chemical,2016,235:717～722)提出了一种基于模间干涉原理的光纤甲烷传感器，其敏感膜是由紫外光固化氟硅氧烷和笼形分子A相结合而成。这种传感器的实验装置主要由一个质量流量控制器，一个不锈钢螺旋管和不锈钢气室，2mW的超辐射宽带光源(中心波长1550nm，带宽为40nm)，光谱分析仪和计算机组成，其结构简单，使用方便，但是在制作过程中涂覆敏感膜的厚度无法控制，同时其测试结果容易受到熔接强度的影响。ShanyaLi等(MaterialsToday:Proceedings，2016,3，439～442)提出了一种基于无芯光纤结构的新型反射式甲烷传感器，其敏感膜是采用浸渍提拉技术涂覆的笼形分子A与聚硅氧烷的混合膜。这种传感器的测试装置由质量流量控制器，一个不锈钢螺旋管和不锈钢气室，2mW的超辐射宽带光源(中心波长1550nm，带宽为40nm)，一个光纤耦合器、光谱分析仪和计算机组成。这种方法制作的传感器结构简单，但是涂覆敏感膜厚度不能够精确控制，制作传感器的成品率较低。光子晶体光纤长周期光栅(PCF-LPG)因具有对环境折射率变化灵敏的特性而得到广泛应用；并且传感信号属于波长调制，可以避免在测量过程中光强的波动及光纤损耗的影响。相对于长周期光纤光栅(LPG)，光子晶体光纤长周期光栅是由二氧化碳激光器对光子晶体光纤(PCF)进行等间隔的加热而得到的，因此具有较好的热稳定性。由于光子晶体光纤的包层内分布着呈正六边形排列的空气孔，气体和液体可以在空气孔内流动从而使光子晶体光纤长周期光栅的包层模式更好地与待测目标发生作用。YinianZhu等(SensorsandActuatorsB,2008,129:99-105；SensorsandActuatorsB,2008,131:265-269)数值模拟折射率引导型光子晶体光纤长周期光栅模式耦合特性和谐振波长变化规律，表明在1.33～1.40的折射率范围内，传感器灵敏度4.3×10-8RIU(折射率单位)，在1.00～1.25范围内，灵敏度为4.1×10-7。并且利用二氧化碳激光器进行点对点残余应力松弛技术对光子晶体光纤进行长周期光栅的刻写，研制出一种高灵敏度的折射率传感器，实验表明所制作的传感器对外部折射率变化有较高的灵敏度，对于1.42～1.45折射率范围而言，灵敏度为2.27×10-6RIU。ZonghuHe等(BiosensorsandBioelectronics,2011,26:4774-4778)利用光子晶体光纤长周期光栅对折射率的灵敏特性研制了一种光子晶体光纤长周期光栅无标记生物传感器，通过使用敏感材料对光子晶体光纤空气孔内表面进行修饰，可以实现对生物分子的检测。ShijieZheng等(SensorsandActuatorsB:Chemical,2013,176:264-274)采用静电自组装技术对光子晶体光纤长周期光栅包层空气孔涂覆敏感材料进行湿度测量，相对于传统的光纤光栅和只进行外部涂覆的光子晶体光纤长周期光栅，在空气孔内表面涂覆的光子晶体光纤长周期光栅传感器在相对湿度变化范围38％～39％时，其最大谐振强度为0.00022％/10-3dBm，表现出较高的灵敏度，并且所采用的静电自组装技术对涂覆的敏感膜层的厚度能够精确地控制。鉴于光子晶体光纤长周期光栅对外界折射率的响应具有较高的灵敏度，并且静电自组装技术对敏感膜层厚度的精确控制能力，可以将光子晶体光纤长周期光栅与静电自组装技术和笼形分子结合研制一种新型的光子晶体光纤长周期光栅高灵敏度传感器。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种PCF-LPG(光子晶体光纤长周期光栅)甲烷检测装置及传感器制作方法，PCF是PhotonicCrystalFiber的缩写，PCF即光子晶体光纤，LPG是LongPeriodGrating的缩写，LPG即长周期光栅，以充分发挥光子晶体光纤长周期光栅的波长调制、对环境折射率敏感、结构上的多孔可改善环境温度影响、敏感薄膜厚度均匀可控、以及笼形分子对甲烷气体具有高选择性等优点，实现对瓦斯气体中甲烷浓度的高灵敏度、高稳定性检测。本专利技术PCF-LPG甲烷检测装置，包括不锈钢气室，所述不锈钢气室上设置有进气口、出气口、前光纤入口、后光纤入口、以及用于密封气室的密封盖，所述密封盖上设置有真空压力表；还包括与不锈钢气室的进气口连接的第一气阀和质量流量控制器，与不锈钢气室的出气口连接的第二气阀和真空泵；还包括设置在不锈钢气室内的P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种PCF‑LPG甲烷检测装置，其特征在于：包括不锈钢气室，所述不锈钢气室上设置有进气口、出气口、前光纤入口、后光纤入口、以及用于密封气室的密封盖，所述密封盖上设置有真空压力表；还包括与不锈钢气室的进气口连接的第一气阀和质量流量控制器，与不锈钢气室的出气口连接的第二气阀和真空泵；还包括设置在不锈钢气室内的PCF‑LPG甲烷传感器和光纤连接器；还包括宽带光源；还包括第一单模光纤，第一单模光纤的一端与宽带光源连接，第一单模光纤的另一端经前光纤入口进入不锈钢气室、并通过光纤连接器与PCF‑LPG甲烷传感器的一端连接；还包括光谱分析仪和与光谱分析仪连接的计算机；还包括第二单模光纤，第二单模光纤的一端与光谱分析仪连接，第二单模光纤的另一端经后光纤入口进入不锈钢气室、并通过光纤连接器与PCF‑LPG甲烷传感器的另一端连接；还包括设置在前光纤入口和后光纤入口的端部上用于密封单模光纤与光纤入口之间间隙的含O型密封圈的螺母；所述PCF‑LPG甲烷传感器结构包括纤芯、实心包层、包层空气孔、长周期光栅、以及对甲烷气体敏感的薄膜，所述包层空气孔沿光纤轴向延伸且围绕纤芯呈正六边形排列，对甲烷气体敏感的薄膜附着在空气孔内壁，所述对甲烷气体敏感的薄膜包括含氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管的静电自组装薄膜和附着在静电自组装薄膜上的笼形分子A‑6Me薄膜。...

【技术特征摘要】
1.一种PCF-LPG甲烷检测装置，其特征在于：包括不锈钢气室，所述不锈钢气室上设置有进气口、出气口、前光纤入口、后光纤入口、以及用于密封气室的密封盖，所述密封盖上设置有真空压力表；还包括与不锈钢气室的进气口连接的第一气阀和质量流量控制器，与不锈钢气室的出气口连接的第二气阀和真空泵；还包括设置在不锈钢气室内的PCF-LPG甲烷传感器和光纤连接器；还包括宽带光源；还包括第一单模光纤，第一单模光纤的一端与宽带光源连接，第一单模光纤的另一端经前光纤入口进入不锈钢气室、并通过光纤连接器与PCF-LPG甲烷传感器的一端连接；还包括光谱分析仪和与光谱分析仪连接的计算机；还包括第二单模光纤，第二单模光纤的一端与光谱分析仪连接，第二单模光纤的另一端经后光纤入口进入不锈钢气室、并通过光纤连接器与PCF-LPG甲烷传感器的另一端连接；还包括设置在前光纤入口和后光纤入口的端部上用于密封单模光纤与光纤入口之间间隙的含O型密封圈的螺母；所述PCF-LPG甲烷传感器结构包括纤芯、实心包层、包层空气孔、长周期光栅、以及对甲烷气体敏感的薄膜，所述包层空气孔沿光纤轴向延伸且围绕纤芯呈正六边形排列，对甲烷气体敏感的薄膜附着在空气孔内壁，所述对甲烷气体敏感的薄膜包括含氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管的静电自组装薄膜和附着在静电自组装薄膜上的笼形分子A-6Me薄膜。2.一种PCF-LPG甲烷传感器制作方法，其特征在于：(1)依次采用蒸馏水、无水乙醇、丙酮对刻有长周期光栅的光子晶体光纤的包层空气孔的孔壁进行脱脂清洁，将清洗后的PCF-LPG放入真空干燥箱中，在60℃条件下干燥20min；(2)将浓盐酸与甲醇按照1:1的体积比配制成混合溶液，同时将混合溶液注入到PCF-LPG的包层空气孔内并保持3小时，对包层空气孔内壁进行表面处理使其带正电；(3)以去离子水为介质，配制浓度为0.02mL/L的聚丙烯酸水溶液4mL，聚丙烯酸为PAA；(4)以去离子水为介质，配制浓度为2mg/mL的聚丙烯胺盐酸盐水溶液4mL，聚丙烯胺盐酸盐为PAH；(5)制备氨基化二氧化硅包覆碳纳米管I、称取0.5g羟基化单壁碳纳米管，羟基化单壁碳纳米管即Short-SWNTs-OH，所称取的羟基化单壁碳纳米管的长度为1-3μm，外径为1-2nm，将称取的羟基化单壁碳纳米管溶于200mL乙醇和40mL水组成的溶液中，超声分散100min，再加入20mL浓氨水；II、取1.5g正硅酸四乙酯溶于20mL乙醇中，所述正硅酸四乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建春，车鑫，王灿，沈睿，陈伟民，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50