一种石墨烯基纤芯失配型光纤传感器及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯基纤芯失配型光纤传感器及制备方法，属于传感器技术领域。所述传感器包括标准单模光纤、标准多模光纤、掺杂石墨烯的氧化锡层，所述标准多模光纤、标准单模光纤的包层直径相同，标准多模光纤的纤芯直径大于标准单模光纤，标准多模光纤、标准单模光纤、标准多模光纤三部分光纤依次熔接，熔接后三部分光纤的轴线处于同一直线上，所述标准单模光纤的表面涂覆有掺杂石墨烯的氧化锡层。本发明专利技术的纤芯失配型光纤传感器的输出光强度有良好并且合理的线性关系以及优良的可恢复性，且灵敏度更高、响应速度更快，能够克服D型光纤气敏传感器诸多不足。

A graphene based fiber core mismatch optical fiber sensor and its preparation method

The invention relates to a graphene-based fiber core mismatch optical fiber sensor and a preparation method thereof, belonging to the technical field of sensors. The sensor includes a standard single-mode fiber, a standard multimode fiber and a tin oxide layer doped with graphene. The cladding diameters of the standard multimode fiber and the standard single-mode fiber are the same. The core diameters of the standard multimode fiber are larger than that of the standard single-mode fiber, and the standard multimode fiber, the standard single-mode fiber and the standard multimode fiber are composed of three parts. The fibers are fused in turn, and the axes of the three parts of the fibers are in the same line. The surface of the standard single-mode fiber is coated with a tin oxide layer doped with graphene. The output light intensity of the fiber-core mismatch type fiber-optic sensor of the invention has good and reasonable linear relationship and excellent restorability, and has higher sensitivity and faster response speed, which can overcome many shortcomings of the D-type fiber-optic gas sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯基纤芯失配型光纤传感器及制备方法
本专利技术涉及传感器
，具体涉及一种石墨烯基纤芯失配型光纤传感器及制备方法。
技术介绍
甲烷是矿井瓦斯主要成分，在空气中极易发生爆炸，是矿井安全生产监测的重点。目前，检测甲烷气体的方法主要有催化燃烧型、半导体型、电化学型、光学型等，光纤甲烷传感器因具有电绝缘性好、抗电磁干扰能力强、防爆、远距离在线监测、传感单元结构简单等特点,适宜恶劣和危险环境下测量，是甲烷传感器研究热点之一。二氧化锡是n型半导体，存在自由电荷，当光波在其中传播时，有吸收损耗,当甲烷气体分子接触到二氧化锡薄膜表面时由于甲烷为还原性气体，会向二氧化锡放出电子，成为正离子。于是二氧化锡的载流子增多，电导率增大，折射率n亦增大。石墨烯是碳原子以SP2杂化轨道组成六角形，呈蜂巢结构排列的单层二维晶体，它有超高的电荷迁移率[约为10000cm2/(V·s)]、巨大的比表面积(理论值约为2630m2/g)、极高的热导率[约为5000W/(m·K)]、低的约翰孙噪声等许多独特的性质。科学家们已经发现本征态石墨烯非常容易吸附极性分子，这些分子作为供体或受体会改变石墨烯的本地载流子浓度，并相应的改变电导率等物理参数，通过外加电压检测受外界分子影响后输出电流的变化，可实现超敏的气体传感。纤芯失配型光纤传感器是近年来发展起来的一种新型传感器,它具有灵敏度高、响应速度快、制作工艺简单、成本低等特点,是有毒有害、易燃易爆、强电磁干扰等特殊环境下物质折射率或浓度高精度测量的最佳选择。专利申请201710170879.8公开了一种基于石墨烯增敏的光纤甲烷传感器及制备方法。包括侧边抛磨光纤，所述侧边抛磨光纤的露出纤芯的表面涂有一层掺杂石墨烯的氧化锡薄膜。根据气体浓度对敏感材料折射率的影响，得到相对应的不同的输出光强，从而测得气体的浓度值的气体传感器(D型气敏传感器)。然而，D型气敏传感器存在诸多弊端，例如：制作难度高，成品率低，光强变化不明显，准确率低等，使得D型气敏传感器无法得到有效利用。因此，有必要研究一种新的甲烷气敏传感器，以解决上述现有甲烷传感器难度高，成品率低，光强变化不明显，准确率低的问题。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术目的是提供一种石墨烯基纤芯失配型光纤传感器及制备方法，本专利技术根据气敏光学原理和氧化锡对甲烷的敏感性原理，采用表面吸附理论及电磁理论，将62.5/125μm标准多模光纤(MMF)和9/125μm标准单模光纤(SMF)熔接制作多模一单模一多模(MM-SM-MM)结构的纤芯失配型光纤传感器，在纤芯裸露区涂覆掺杂了石墨烯的氧化锡，从而制备出了基于氧化锡掺杂石墨烯的光纤传感器。本专利技术的目的之一是提供一种石墨烯基纤芯失配型光纤传感器。本专利技术的目的之二是提供一种石墨烯基纤芯失配型光纤传感器的制备方法。本专利技术的目的之三是提供石墨烯基纤芯失配型光纤传感器及其制备方法的应用。为实现上述专利技术目的，具体的，本专利技术公开了下述技术方案：首先，本专利技术公开了一种石墨烯基纤芯失配型光纤传感器，所述传感器包括标准单模光纤、标准多模光纤、掺杂石墨烯的氧化锡层，所述标准多模光纤、标准单模光纤的包层直径相同，标准多模光纤的纤芯直径大于标准单模光纤，标准多模光纤、标准单模光纤、标准多模光纤三部分光纤依次熔接，熔接后三部分光纤的轴线处于同一直线上，所述标准单模光纤的表面涂覆有掺杂石墨烯的氧化锡层，其中，标准单模光纤作为传感区域，掺杂石墨烯的氧化锡层的涂覆厚度以及标准多模光纤、标准单模光纤、标准多模光纤的长度根据需要进行调节，优选的，标准多模光纤、标准单模光纤、标准多模光纤的长度比为4：3：4。优选的，所述标准单模光纤、标准多模光纤的包层直径均为125μm，纤芯直径分别为9μm、62.5μm，标准单模光纤纤芯折射率n0＝1.45223，包层折射率n1＝1.44726；标准多模光纤纤芯折射率n2＝1.4930，包层折射率n3＝1.4573，标准单模光纤的长度为3mm，掺杂石墨烯的氧化锡层的涂覆厚度为0.5mm。其次，本专利技术公开了一种石墨烯基纤芯失配型光纤传感器的制备方法，包括如下步骤：(1)掺杂石墨烯的氧化锡试剂的制备：将锡源溶于有机溶剂中，然后加入石墨烯，将配好的溶液室温搅拌，静置，备用；(2)光纤敏感区域的制备：将标准单模光纤作为光纤敏感区域，标准多模光纤、标准单模光纤、标准多模光纤三部分光纤依次熔接，熔接后三部分光纤的轴线处于同一直线上，即得MM-SM-MM纤芯失配型光纤结构，备用；(3)将步骤(1)中的掺杂石墨烯的氧化锡试剂涂覆在步骤(2)中纤芯失配型光纤结构中标准单模光纤表面，干燥后即得。步骤(1)中，所述锡源溶于有机溶剂后形成的溶液浓度为0.04-0.06mol/L；优选的，所述有机溶剂为异丙醇；所述锡源为SnCl·5H2O。步骤(1)中，所述锡源与石墨烯的投入比例为1mol：1g。步骤(1)中，所述搅拌为：磁力搅拌器搅拌4h。步骤(1)中，所述静置时间为24h。步骤(2)中，所述标准单模光纤、标准多模光纤的包层直径均为125μm，纤芯直径分别为9μm、62.5μm。步骤(2)中，所述标准单模光纤纤芯折射率n0＝1.45223，包层折射率n1＝1.44726。步骤(2)中，所述标准多模光纤纤芯折射率n2＝1.4930，包层折射率n3＝1.4573。步骤(2)中，所述标准单模光纤的长度为3mm。步骤(3)中，所述掺杂石墨烯的氧化锡的涂覆厚度为0.5mm。最后，本专利技术还公开了石墨烯基纤芯失配型光纤甲烷传感器及其制备方法在环境监测、气体监测中的应用；优选为在矿井瓦斯监测中的应用，进一步优选为在甲烷监测中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术根据气敏光学原理和氧化锡对甲烷的敏感性原理，采用表面吸附理论及电磁理论。将标准多模光纤和标准单模光纤熔接制作多模一单模一多模结构的纤芯失配型光纤传感器，在纤芯裸露区涂覆掺杂了石墨烯的氧化锡，从而制作了基于氧化锡掺杂石墨烯的光纤传感器，试验表明：本专利技术的传感器与D型气敏传感器相比，当甲烷浓度从0％到50％的情况下，输出光强度有良好并且合理的线性关系以及优良的可恢复性，且灵敏度更高、响应速度更快，克服了D型光纤气敏传感器诸多不足。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术石墨烯基纤芯失配型光纤甲烷传感器的结构示意图。图2为本专利技术实施例1和对比例1中标准单模光纤表面涂覆层的SEM照片；其中，图2(a)为对比例1，图2(b)为实施例1。图3为本专利技术实施例1中传感器在1550nm波长的输入光下测得的输出光强度。图4为本专利技术实施例1和对比例2中传感器分别在1550nm、1560nm、1570nm、1580nm入射光下输出光强线性度曲线；其中，线A为对比例2中传感器敏感曲线，线B为实施例中传感器敏感曲线，直线为拟合曲线，折线为试验值曲线。图5为本专利技术实施例1和对比例2中传感器在检测浓度均为30ppm的甲烷气体后的恢复时间曲线图；其中，线A为实施例1中纤芯失配型光纤传感器敏感曲线，线B为对比例2中D型传感器敏感曲线。附图中标记代表：1-掺杂石墨烯的氧化锡层、MM-标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯基纤芯失配型光纤传感器，其特征在于：所述传感器包括标准单模光纤、标准多模光纤、掺杂石墨烯的氧化锡层，所述标准多模光纤、标准单模光纤的包层直径相同，标准多模光纤的纤芯直径大于标准单模光纤，标准多模光纤、标准单模光纤、标准多模光纤三部分光纤依次熔接，熔接后三部分光纤的轴线处于同一直线上，所述标准单模光纤的表面涂覆有掺杂石墨烯的氧化锡层；其中，标准单模光纤为传感区域。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯基纤芯失配型光纤传感器，其特征在于：所述传感器包括标准单模光纤、标准多模光纤、掺杂石墨烯的氧化锡层，所述标准多模光纤、标准单模光纤的包层直径相同，标准多模光纤的纤芯直径大于标准单模光纤，标准多模光纤、标准单模光纤、标准多模光纤三部分光纤依次熔接，熔接后三部分光纤的轴线处于同一直线上，所述标准单模光纤的表面涂覆有掺杂石墨烯的氧化锡层；其中，标准单模光纤为传感区域。2.如权利要求1所述的石墨烯基纤芯失配型光纤传感器，其特征在于：所述标准单模光纤、标准多模光纤的包层直径均为125μm，纤芯直径分别为9μm、62.5μm；优选的，所述标准多模光纤、标准单模光纤、标准多模光纤的长度比为4：3：4。3.如权利要求1所述的石墨烯基纤芯失配型光纤传感器，其特征在于：所述标准单模光纤纤芯折射率n0＝1.45223，包层折射率n1＝1.44726。4.如权利要求1所述的石墨烯基纤芯失配型光纤传感器，其特征在于：所述标准多模光纤纤芯折射率n2＝1.4930，包层折射率n3＝1.4573，标准单模光纤的长度为3mm。5.如权利要求1-4任一项所述的石墨烯基纤芯失配型光纤传感器，其特征在于：所述掺杂石墨烯的氧化锡层的涂覆厚度为0.5mm。6.一种石墨烯基纤芯失配型光纤传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)掺杂石墨烯的氧化锡试剂的制备：将锡源溶于有机溶剂中，然后加入石墨烯，将配好的溶液室温搅拌，静置，备用；(2)光纤敏感区域的制备：将标准单模光纤作为光纤敏感区...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊叶，刘汉平，李振华，王吉华，周耀旗，马克伟，卢立晓，
申请(专利权)人：德州学院，
类型：发明
国别省市：山东,37