一种光纤光栅气体传感器阵列制造技术

本发明专利技术提供一种可同时检测气体成分和浓度的光纤光栅气体传感器阵列，包括三根阵列式光纤光栅：一根为温度光纤光栅，一根为温度补偿气敏光纤光栅，一根为气敏光纤光栅；所述的温度光纤光栅为裸光纤光栅，套管封装；所述的温度补偿气敏光纤光栅为涂覆气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅，套管封装；所述的气敏光纤光栅为涂覆气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅，暴露在检测环境中。本发明专利技术可实现单一气体的浓度多点检测、多组分气体种类及其浓度的同时检测，极大地提高了所述气体传感器的性价比和集成度，避免了传统气体传感器只能进行单一气体检测、组建多点检测和多组分检测成本高、体积大、组网困难等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤光栅气体传感器阵列
本专利技术属于气体传感器、气体检测领域，具体涉及一种可同时检测气体成分和浓度的光纤光栅气体传感器阵列。
技术介绍
气体传感器是一种将气体的成分、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。随着人类对环境及公共安全等问题的日益重视，气体传感器在工业、民用和环境监测等三大主要领域内获得了广泛应用。气体传感器对不同气体的不同响应曲线是传感器检测目标气体成分和浓度的基本依据，气体传感器的输出信号受气体的成分和浓度两个关键参数影响：气体传感器对不同的气体成分有不同的曲线响应变化率，气体浓度是被测物理量，影响的是曲线变化的深度和幅度。现阶段市面上的气体传感器主要基于接触燃烧、电化学和半导体气敏等原理。这类传感器技术相对成熟，成本较低，可以达到较高的灵敏度和响应速度。但是从本质上看，这类传感器需要和气体发生反应，容易受到交叉灵敏的影响，也会因为空气中的杂质造成传感器“中毒”。在不同位置进行多点测量时，检测节点越多，成本越高，不适合大范围组网。如何使用一只传感器同时检测多组分气体，成为当今气体传感器领域的一大热点。目前市场上的气体传感器只能测量单种类气体，对于多组分的气体需要多只气体传感器组合才能进行检测，相比于单只气体传感器能同时检测多组分气体，成本增加，传感器的体积也相对变大。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种可同时检测气体种类和浓度的光纤光栅气体传感器阵列。光纤光栅气体传感器采用反射式光波长调制，光波长的变化不受传感系统噪声的影响，仅受被测量参量调制，所以其抗干扰能力强、测量精度与准确度高。同时，通过在同一根光纤上刻制多个具有不同的光栅栅距的光栅，涂覆不同气敏膨胀型高分子膜，根据各种气敏膨胀型高分子膜对不同气体的膨胀形变不同，带动光纤光栅产生不同程度的轴向应变，阵列模式可得到多个光反射信号，而后通过模式识别技术实现对多种气体的浓度和种类分析。若在同一根光纤的不同光栅区涂覆相同的高分子膜，则可以实现对同一气体的多点测量，获得气体浓度在空间中的分布。通过设置另一条温度光纤光栅，可以实现对环境温度的测量。本专利技术的第一个目的，在于提供一种可同时检测气体成分和浓度的光纤光栅气体传感器阵列；本专利技术的第二个目的，在于提供上述光纤光栅气体传感器阵列的应用。为实现上述目的，具体的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的第一个方面，提供一种可同时检测气体成分和浓度的光纤光栅气体传感器阵列，包括三根阵列式光纤光栅：一根为温度光纤光栅，一根为温度补偿气敏光纤光栅，一根为气敏光纤光栅；所述的温度光纤光栅为裸光纤光栅，套管封装，管口密封，用来检测温度；所述的温度补偿气敏光纤光栅为涂覆气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅，套管封装，管口密封，用来检测在无气体影响条件下仅由温度引起的气敏膨胀型高分子薄膜的热膨胀量；所述的气敏光纤光栅为涂覆气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅，暴露在检测环境中，用来检测在实际环境中气敏膨胀型高分子薄膜的膨胀量；优选的，阵列式温度光纤光栅、温度补偿气敏光纤光栅以及气敏光纤光栅平行、相邻排列，每个温度光纤光栅单元、温度补偿气敏光纤光栅单元以及气敏光纤光栅单元一一对应，得到阵列式光纤光栅；优选的，所述光纤光栅的直径为80或125μm；专利技术人通过研究发现，直径越小的光纤光栅制作的气敏元件对有害气体的检测灵敏度越高，故进一步优选的，所述光纤光栅的直径为80μm；优选的，所述温度光纤光栅、温度补偿气敏光纤光栅、气敏光纤光栅都包括多个刻制有不同光栅栅距的光栅单元；进一步优选为6-26个光栅单元；优选的，所述温度补偿气敏光纤光栅与气敏光纤光栅的各个光栅单元涂覆膨胀响应程度不同的气敏膨胀型高分子薄膜，每个光栅单元均是一个独立的传感器单元，一条刻制了多个光栅的光纤可构成光纤光栅阵列；优选的，所述温度补偿气敏光纤光栅与气敏光纤光栅的对应光栅单元上涂覆气敏高分子膜的种类与涂覆厚度完全相同，在做模式识别处理时把两者反射光信号进行差减，即可得到仅因吸附气体而膨胀的高分子薄膜产生的反射光中心波长偏移量；进一步优选的，所述温度补偿气敏光纤光栅与气敏光纤光栅可以是在一根光纤的各个光栅单元涂覆有相同种类和厚度的气敏膨胀型高分子薄膜，从而实现对同一气体的多点检测；或者可以是在一根光纤上的各个光栅单元涂覆不同种类的气敏膨胀型高分子薄膜，从而实现对多组分气体的同时检测；优选的，所述气敏膨胀型高分子薄膜包括多种对各种气体敏感度不同的高分子薄膜材料，如对四氯化碳、氯仿、丙酮等气体敏感的聚苯乙烯薄膜；对甲醇、乙醇、异丙醇等气体敏感的聚环氧乙烷薄膜；对苯、甲苯、二甲苯等气体敏感的聚乙烯薄膜；对氯仿、四氯化碳、丙酮等气体敏感的聚氨酯薄膜；对四氢呋喃、乙酸乙酯、氯仿等气体敏感的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜；优选的，所述的气敏膨胀型高分子薄膜的厚度为10-60μm；优选的，所述薄膜涂覆方法包括但不限于溶液成膜法、乳液涂覆法、溶液浇铸法，本领域技术人员可根据实际情况针对不同的气敏膨胀型高分子薄膜选择合适的涂覆方法，如对于聚苯乙烯薄膜、聚环氧乙烷薄膜和聚乙烯薄膜，可采用溶液成膜法；对于聚氨酯薄膜，可直接采用乳液涂覆法；对于聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，可采用溶液浇铸法；相较于无机材料成膜，高分子材料成膜的工艺简单、条件温和。本专利技术的第二个方面，公开了上述光纤光栅气体传感器阵列在检测气体和/或温度中的应用；优选的，所述气体为痕量气体。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1)本专利技术采用气敏膨胀型高分子薄膜带动光纤光栅产生轴向应变，改变光栅反射光的中心波长，通过计算反射光中心波长改变量可得气体种类与浓度。光纤光栅气体传感器采用反射式波长调制，光波长的变化不受传感系统噪声的影响，仅受被测量参量调制，且可检测百万分之一的轴向应变，所以其抗干扰能力强、测量精度与准确度高。2)本专利技术可基于相似相溶原理，找到对应的对于某种有害气体有着很好的吸附与脱吸附能力的气敏膨胀型高分子薄膜，使得其制备工艺简单、条件温和且检测灵敏度高。3)本专利技术可实现单一气体的浓度多点检测、多组分气体种类及其浓度的同时检测，极大地提高了所述气体传感器的性价比和集成度，避免了传统气体传感器只能进行单一气体检测、组建多点检测和多组分检测成本高、体积大、组网困难等问题。附图说明图1为一种光纤光栅气体传感器阵列的示意图。其中包括：温度光纤光栅T、温度补偿气敏光纤光栅S、气敏光纤光栅L。图2为一种复合气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅气敏元件的结构剖分示意图。其中，1-光纤，2-气敏膨胀型高分子薄膜，3-光栅区，4-保护膜。图3为当光纤光栅伸长率为0.001％时气敏膨胀型聚氨酯高分子膜的模量与其理论伸长率的关系曲线图。图4为直径80μm光纤产生不同应变时聚氨酯高分子膜的模量与其理论伸长率关系曲线的对比图。图5为直径125μm光纤产生不同应变时聚氨酯高分子膜的模量与其理论伸长率关系曲线的对比图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可同时检测气体成分和浓度的光纤光栅气体传感器阵列，包括三根阵列式光纤光栅：一根为温度光纤光栅，一根为温度补偿气敏光纤光栅，一根为气敏光纤光栅；所述的温度光纤光栅为裸光纤光栅，套管封装，管口密封，用来检测温度；所述的温度补偿气敏光纤光栅为涂覆气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅，套管封装，管口密封，用来检测在无气体影响条件下仅由温度引起的气敏膨胀型高分子薄膜的热膨胀量；所述的气敏光纤光栅为涂覆气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅，暴露在检测环境中，用来检测在实际环境中气敏膨胀型高分子薄膜的膨胀量。

【技术特征摘要】
1.一种可同时检测气体成分和浓度的光纤光栅气体传感器阵列，包括三根阵列式光纤光栅：一根为温度光纤光栅，一根为温度补偿气敏光纤光栅，一根为气敏光纤光栅；所述的温度光纤光栅为裸光纤光栅，套管封装，管口密封，用来检测温度；所述的温度补偿气敏光纤光栅为涂覆气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅，套管封装，管口密封，用来检测在无气体影响条件下仅由温度引起的气敏膨胀型高分子薄膜的热膨胀量；所述的气敏光纤光栅为涂覆气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅，暴露在检测环境中，用来检测在实际环境中气敏膨胀型高分子薄膜的膨胀量。2.如权利要求1所述的气体传感器阵列，其特征在于，所述温度光纤光栅、温度补偿气敏光纤光栅和气敏光纤光栅平行、相邻排列，每个温度光纤光栅单元、温度补偿气敏光纤光栅单元和气敏光纤光栅单元一一对应。3.如权利要求1所述的气体传感器阵列，其特征在于，光纤光栅的直径为80μm或125μm；优选的，所述光纤光栅的直径为80μm。4.如权利要求1所述的气体传感器阵列，其特征在于，所述温度光纤光栅、温度补偿气敏光纤光栅、气敏光纤光栅都包括多个刻制有不同光栅栅距的光栅单元；优选为6-26个光栅单元。5.如权利要求1所述的气体传感器阵列，其特征在于，所述温度补偿气敏光纤光栅与气敏光纤光栅的各个光栅单元涂覆膨胀响应程度不同的气敏膨胀型高分子薄膜，每个光栅单元均是...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾玉玺，刘安娜，刘惠，徐永正，刘大河，
申请(专利权)人：山东格蓝云天环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37