光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器的制作方法及其传感器和一氧化碳浓度的检测方法技术

本发明专利技术公开了一种光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器的制作方法及其传感器和一氧化碳浓度的检测方法，传感器在光子晶体光纤一端熔接普通单模光纤，另一端面浸涂PANI/Co3O4敏感膜即可制得。光子晶体光纤端面与单模光纤端面熔接时形成的塌陷层作为第一个反射面；在光子晶体光纤另一端面用PANI/Co3O4敏感膜涂覆，光子晶体光纤端面与敏感膜接触面形成第二个反射面；敏感膜表面与空气接触面形成第三个反射面。在对一氧化碳气体的检测中，随着被测气体浓度不断增大，其干涉光谱呈现明显红移，且线性度良好。本发明专利技术中的气体传感器制作工艺简单、制作成本较低、传感器体积小、重量轻；制作出来的气体传感器探测灵敏度高，响应时间快，选择性强等优点。

Fabrication of carbon monoxide sensor coated with sensitive film on the end of optical fiber and its sensor and detection method of carbon monoxide concentration

The invention discloses a method for fabricating a carbon monoxide sensor coated with a sensitive film on the end of an optical fiber and a method for detecting the concentration of carbon monoxide. The sensor can be fabricated by fusing a common single-mode optical fiber at one end of a photonic crystal fiber and dipping a PANI/Co3O4 sensitive film on the other end. The collapse layer formed when the end of photonic crystal fibers is fused with the end of single mode fibers serves as the first reflector; the other end of photonic crystal fibers is coated with PANI/Co3O4 sensitive film, and the second reflector is formed between the end of photonic crystal fibers and the contact surface of the sensitive film; and the third reflector is formed between the surface of the sensitive film and the air. In the detection of carbon monoxide gas, with the increasing concentration of the measured gas, the interference spectrum shows obvious red shift, and the linearity is good. The gas sensor in the invention has the advantages of simple fabrication process, low fabrication cost, small volume and light weight, high detection sensitivity, fast response time and strong selectivity.

【技术实现步骤摘要】
光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器的制作方法及其传感器和一氧化碳浓度的检测方法
本专利技术涉及一种气体传感领域，具体涉及一种光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器的制作方法及其传感器和一氧化碳浓度的检测方法。
技术介绍
一氧化碳(carbonmonoxide，简写为：CO)是大气中广泛存在的易燃易爆有毒气体。在大气中分布广、数量多，是一种常见的严重危害人体健康的窒息性化学气体。由于其无色、无味的性质，在生活中易被忽视而存在极大的安全隐患。CO毒性极强，空气中CO的浓度达到28ppm时，可能会导致视力和听力的障碍。浓度达到50ppm时，健康成年人忍受不能超过8小时；美国规定接触8小时空气中CO浓度标准为9ppm，接触1小时为35ppm；我国《工业企业设计卫生标准》规定：居住区大气中最高容许浓度为23.2ppm，日均容许浓度为8ppm。目前，有60多种职业会接触到CO，有关CO中毒、甚至死亡以及燃烧爆炸等重大伤亡和财产损失事故的报道十分常见，矿井、冶金厂、发电厂、化工厂等工业场所和普通居民生活场所都会发生因CO浓度超标而引起的中毒事件，已成为致死人数最多的生活意外中毒事件。在我国由CO引起的矿井瓦斯爆炸伤亡人数超过全部重大事故伤亡人数的一半，而CO中毒占职业性急性中毒的第一位。因此，CO的低浓度、灵敏、快速检测对矿井作业、工业应用、环境监测等领域至关重要。传感器技术是现代信息技术的重要支柱，是国际上发展最快的高新技术与产业之一，具有广泛的应用。其中，气敏传感技术在非法药物检查、化学细菌武器的防御、各种易燃易爆、有毒有害气体的泄漏报警和空气质量监控等方面，有重要的应用。同时，伴随着微电子、自动化、计算机等学科的发展，气敏传感器要求朝着小型化、集成化、多功能化的方向发展，即微型气敏传感器。目前国内外的研究，也正从传统的烧结型、厚膜型转向半导体薄膜型。烧结型和厚膜型是将敏感材料浆体涂抹于陶瓷管或压印于陶瓷基片上，所制成的器件特征尺寸常常在百微米到毫米量级，材料的微观结构在加工过程容易被破坏，导致器件的一致性和重复性较差。目前，达到实用化的CO传感器主要有金属氧化物半导体型、电化学固体电解质型和电化学高分子电解质型，其中金属氧化物半导体型CO传感器存在选择性不佳的问题；电化学固体电解质型存在高温工作，易污染和老化等问题；电化学高分子电解质型则存在体积大、易污染等问题。通过电化学式、半导体式及催化燃烧式方法来检测CO，这些方法往往会出现很多缺点，如稳定性差、灵敏度不高及寿命短，而且无法适应恶劣的环境这些问题，这与CO传感器的高灵敏度、高选择性、微型化和高效化的需求存在较大差距。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是：如何提供一种制作简易，制作出来的气体传感器灵敏度高、检测效果好的光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器的制作方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器的制作方法，包括以下步骤：(1)获取相同直径的一根单模光纤跳线和一根光子晶体光纤，分别将其两端切割平整后，将单模光纤一端与光子晶体光纤的一端熔接在一起得到熔接光纤；(2)配置PANI/Co3O4复合溶液，将四氧化三钴粉末按照(1∶7)～(2∶8)的质量比加入到浓度为36.0％～38.0％的盐酸溶液中搅拌均匀得到配置液Ⅰ，向配置液Ⅰ内加入浓度99％～100％的苯胺单体，苯胺单体与配置液Ⅰ的质量配比为(2∶8)～(2∶9)，搅拌均匀得到配置液Ⅱ，再将(0.4～0.45)mol/L的过硫酸铵溶液加入配置液Ⅱ中，过硫酸铵溶液与配置液Ⅱ的质量配比为(6∶1)～(7∶2)，期间持续搅拌，直至苯胺单体与过硫酸铵聚合反应完成得到配置液Ⅲ，向配置液Ⅲ内加入浓度为99.7％～99.9％酒精，配置液Ⅲ与酒精的质量配比为(35∶8)～(12∶1)，搅拌均匀后静置，固液分离完全后得到复合溶液Ⅰ，对复合溶液Ⅰ进行干燥处理，在30～75℃的环境中干燥1～4h后得到复合溶液Ⅱ；(3)将熔接光纤中的光子晶体光纤段远离单模光纤段的一端清洁干净，然后将其浸入到步骤(2)中得到的复合溶液Ⅱ内，取出并将光子晶体光纤端面光纤四周上的多余复合溶液Ⅱ清除干净，将熔接光纤放置在真空环境中进行干燥，使光子晶体光纤段中端面形成厚度为40～200微米的覆膜层。作为优化，在步骤(3)对光子晶体光纤段远离单模光纤段的一端采用去离子水进行清洗，再用酒精擦拭后干燥至恒重，将光子晶体光纤段远离单模光纤段的一端浸入到复合溶液内1～2秒后取出，使其保持竖直向下状态进行干燥。本专利技术公开了一种光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器，由上述光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器的制作方法制得而成。本专利技术还公开了一氧化碳浓度的检测方法，包括以下步骤：a)获取权利要求3中的所述光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器和光纤环形器，光纤环形器的端口1接入光源，光纤环形器的端口2与所述单模光纤段中远离光子晶体光纤段的一端接通，光纤环形器的端口3接入光谱分析仪，获得在没有一氧化碳气体下的反射光干涉光谱图；b)配置多种不同浓度的一氧化碳气体，并放入不同的气室中；c)将步骤a中的所述光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器放入到不同的气室中，得到所述光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器在不同浓度一氧化碳气体下的反射光干涉光谱图；d)获取步骤a中光谱图其中一段波谷对应的波长，并在步骤c中不同浓度一氧化碳气体的光谱图中选取相同波谷对应的波长，并通过线性拟合得到y＝a+bx，即x＝(y-a)/b，其中y为一氧化碳气室检测光谱中该波谷对应的波长，a为不含一氧化碳气体检测光谱中该波谷对应的波长，b为每1ppm一氧化碳气体在光谱中的偏移量，x为一氧化碳气体的浓度；e)将步骤a中的所述光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器放入待检测气室中并获取该气室检测的光谱图，选取其中一段波谷的中心波长，代入公式x＝(y-a)/b得到一氧化碳气体的浓度。综上所述，本专利技术的有益效果在于：本专利技术中的气体传感器制作容易，制作成本低，在加工过程中不易损坏，制作出来的气体传感器探测灵敏度高，响应时间快，还具有体积小、重量轻的优点。附图说明为了使专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述，其中：图1为本专利技术实施例1中传感器在0ppm浓度一氧化碳气体下的反射光干涉光谱图；图2为本专利技术实施例1中0ppm、10ppm和20ppm浓度一氧化碳气体在波谷对应波长为1608nm～1611nm的范围内所对应的输出反射光干涉光谱图；图3为本专利技术实施例1中30ppm、40ppm和50ppm浓度一氧化碳气体在波谷对应波长为1609nm～1611nm的范围内所对应的输出反射光干涉光谱图；图4为本专利技术实施例1中60ppm和70ppm浓度一氧化碳气体在波谷对应波长为1610nm～1611nm的范围内所对应的输出反射光干涉光谱图；图5为本专利技术实施例1中波谷对应波长为1608nm～1611nm的光谱偏移与一氧化碳气体浓度的关系图；图6为本专利技术实施例1中Co3O4、PANI/Co3O4复合材料的X射线衍射图谱；图7为本专利技术实施例1中传感器对气体选择性测试图；图8为本专利技术实施例1中传感器在不同浓度一氧化碳气体的响应-恢复曲线图。具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)获取相同直径的一根单模光纤和一根光子晶体光纤，分别将其两端切割平整后，将单模光纤一端与光子晶体光纤的一端熔接在一起得到熔接光纤；(2)配置PANI/Co3O4复合溶液，将四氧化三钴粉末按照(1∶7)～(2∶8)的质量比加入到浓度为36.0％～38.0％的盐酸溶液中搅拌均匀得到配置液Ⅰ，向配置液Ⅰ内加入浓度99％～100％的苯胺单体，苯胺单体与配置液Ⅰ的质量配比为(2∶8)～(2∶9)，搅拌均匀得到配置液Ⅱ，再将(0.4～0.45)mol/L的过硫酸铵溶液加入配置液Ⅱ中，过硫酸铵溶液与配置液Ⅱ的质量配比为(6∶1)～(7∶2)，期间持续搅拌，直至苯胺单体与过硫酸铵聚合反应完成得到配置液Ⅲ，向配置液Ⅲ内加入浓度为99.7％～99.9％酒精，配置液Ⅲ与酒精的质量配比为(35∶8)～(12∶1)，搅拌均匀后静置，固液分离完全后得到复合溶液Ⅰ，对复合溶液Ⅰ进行干燥处理，在30～75℃的环境中干燥1～4h后得到复合溶液Ⅱ；(3)将熔接光纤中的光子晶体光纤段远离单模光纤段的一端清洁干净，然后将其浸入到步骤(2)中得到的复合溶液Ⅱ内，取出并将光子晶体光纤段中光纤周面上的多余复合溶液Ⅱ清除干净，将熔接光纤放置在真空环境中进行干燥，使光子晶体光纤端面形成厚度为40～200nm的覆膜层。...

【技术特征摘要】
1.一种光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)获取相同直径的一根单模光纤和一根光子晶体光纤，分别将其两端切割平整后，将单模光纤一端与光子晶体光纤的一端熔接在一起得到熔接光纤；(2)配置PANI/Co3O4复合溶液，将四氧化三钴粉末按照(1∶7)～(2∶8)的质量比加入到浓度为36.0％～38.0％的盐酸溶液中搅拌均匀得到配置液Ⅰ，向配置液Ⅰ内加入浓度99％～100％的苯胺单体，苯胺单体与配置液Ⅰ的质量配比为(2∶8)～(2∶9)，搅拌均匀得到配置液Ⅱ，再将(0.4～0.45)mol/L的过硫酸铵溶液加入配置液Ⅱ中，过硫酸铵溶液与配置液Ⅱ的质量配比为(6∶1)～(7∶2)，期间持续搅拌，直至苯胺单体与过硫酸铵聚合反应完成得到配置液Ⅲ，向配置液Ⅲ内加入浓度为99.7％～99.9％酒精，配置液Ⅲ与酒精的质量配比为(35∶8)～(12∶1)，搅拌均匀后静置，固液分离完全后得到复合溶液Ⅰ，对复合溶液Ⅰ进行干燥处理，在30～75℃的环境中干燥1～4h后得到复合溶液Ⅱ；(3)将熔接光纤中的光子晶体光纤段远离单模光纤段的一端清洁干净，然后将其浸入到步骤(2)中得到的复合溶液Ⅱ内，取出并将光子晶体光纤段中光纤周面上的多余复合溶液Ⅱ清除干净，将熔接光纤放置在真空环境中进行干燥，使光子晶体光纤端面形成厚度为40～200nm的覆膜层。2.根据权利要求1所述的光纤端面涂覆敏感膜的一氧化碳传感器的制作方法，其特征在于：在步骤(3)对光子晶体光纤段远离单模光纤段的一端采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯文林，彭进，刘绍殿，刘敏，余佳浩，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50