MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器制造技术

本发明专利技术专利提供了一种监测MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感装置及实现方法，它包括宽带光源光源(1)、环形器(2)、传感器系统(3)、光谱分析仪(4)、解调模块(5)、计算机(6)。本发明专利技术专利通过光纤进行传感，利用光线追踪原理，使宽带光源发出的光在马赫曾德干涉仪中产生干涉光谱，通过对干涉光谱的检测，测量气体和磁场，并且通过解调模块，实现数字输出，达到可以在计算机上显示的目的。本发明专利技术降低了传感单元的尺寸，增加了传感的灵敏度，降低了不同参量的交叉影响，实现了同时监测气体和磁场的目的。同时可以在计算机上输出，实现了对气体和磁场的实时监测。和磁场的实时监测。和磁场的实时监测。

【技术实现步骤摘要】
MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器


[0001]本专利技术属于光纤传感
，具体涉及MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器。

技术介绍

[0002]光纤传感器与传统的电子传感器相比，具有高灵敏度与精度、安全性好、操作方便、耐腐蚀、能与数字通信系统兼容等优点。近几年来，多参量的光纤传感需求量越来越大。因此，可多参量测量传感器的发展成为必然趋势。设计一种基于MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器，可监测气体和磁场的双参量测量传感器具有以下优点：高灵敏度与精度、安全性好、操作方便、耐腐蚀、能与数字通信系统兼容。
[0003]MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器，传感单元采用锥形单模光纤(TSMF)与FBG级联构成复合结构，其中将气敏材料包裹在锥形单模光纤(TSMF)上；单模光纤(SMF)是通过施加张力加热单模光纤(SMF)制成的。气敏材料包裹在锥形单模光纤(TSMF)上，使锥形单模光纤(TSMF)结构对环境相对气体浓度的变化敏感。气敏材料的折射率随环境气体浓度的变化而变化；此外，FBG粘贴在GMM材料上，磁场变化GMM产生磁致伸缩使FBG栅距发生变化中心波长发生漂移实现磁场测量，目前采用MXene材料以及GMM材料作为敏感材料，或者采用FBG级联结构进行双参量测量的传感器可以实现温度、应力、压力、振动等多参量监测。例如：2018年，Yuan W等人(Yuan W,Yang K,Peng H,et al.A flexible VOCs sensor based on a 3D Mxene framework with a high sensing performance[J].Journal of Materials Chemistry A,2018,6(37):18116
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18124.)采用LiF和盐酸去刻蚀Ti3AlC2来制备Ti3C2T
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，并演示了一种基于3D Mxene框架(3D
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m)的高性能和灵活的VOCs传感器，通过有效的静电纺丝技术和自组装方法制备了3D
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M，该传感器3D
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M传感器可以在室温下进行，由于高度互连的多孔结构，使得气体分子容易进入和扩散，因此对极低浓度的VOCs(ppb水平)表现出很高的灵敏度；2020年Riza M A等人(Riza M A,Go Y I,Harun S W,et al.FBG sensors for environmental and biochemical applications—A review[J].IEEE Sensors Journal,2020,20(14):7614
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7627.)设计了一种薄膜改性长周期光纤光栅(LPFG)和光纤Bragg光栅(FBG)级联的新型光栅传感器，其中将湿敏材料聚乙烯醇涂覆在长纤光纤(LPFG)的表面，以达到LPFG对湿度有不同的响应灵敏度，该传感器主要利用温度变化产生的热光效应来影响LPFG的效应，来实现对温湿度传感特性研究；2020年，Tong R等人(Tong R,Zhao Y,Hu H,et al.Large measurement range and high sensitivity temperature sensor with FBG cascaded Mach
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Zehnder interferometer[J].Optics&Laser Technology,2020,125:106034.)将FBG与MZI级联设计一种可大量程检测光纤温度传感器，其中采用单模光纤错位熔接的方式构成MZI，并在错位熔接区涂敷温敏材料聚二甲硅氧烷(PDMS)，采用FBG判断温度，采用MZI实现温度精确读取；2020年，Liu Z等人(Liu Z,Zhang M,Zhang Y,et al.Spider silk
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based tapered optical fiber for humidity sensing based on multimode interference[J].Sensors and Actuators A:Physical,2020,313:
112179.)开发了一种新型的湿度传感器，将蜘蛛拖丝(SDS)包裹在锥形单模光纤(TSMF)上，配置多模干涉(MMI)结构并获得光谱。单模光纤(SMF)是通过施加张力加热单模光纤(SMF)制成的。SDS作为湿敏材料，包裹在TSMF上的SDS使TSMF结构对环境相对湿度(RH)的变化敏感，SDS的折射率随环境RH的变化而变化，导致多模(MMI)干涉光谱发生位移。

技术实现思路

[0004]目前研究者采用FBG或FBG级联结构已经实现了温度、折射率、应力、磁性等参数的测量，但是多存在级联结构测量单一参量结构复杂，不能同时实现双参量测量、或者多参量测量结构实现复杂等原因；结合目前现有技术的优势，以及现有技术的缺点，本专利技术提出一种具有高灵敏度、可实现双参量测量、制作方法简单、可重复性强、低制作成本、高利用率的MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器。
[0005]本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0006]技术方案：MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器，其特征在于，它包括宽带光源(1)、环形器(2)、传感系统(3)、光谱分析仪(4)、解调模块(5)、计算机(6)；
[0007]所述传感系统(3)包括左侧磁力座(3
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5)、右侧磁力座(3
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8)、微调旋钮(3
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1)、左侧直角架(3
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2)、右侧直角架(3
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10)、左侧位移平台(3
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4)、右侧位移平台(3
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12)、磁铁A(3
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3)、磁铁B(3
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9)、气体传感箱(3
‑
7)、传感单元(3
‑
6)，其中：
[0008]气体传感箱(3
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7)的左右两侧分别放置固定左侧直角架(3
‑
2)的左侧位移平台(3
‑
4)，并将左侧位移平台(3
‑
4)固定在左侧磁力座(3
‑
5)上，并且在左侧直角架(3
‑
2)固定带有N极磁场的磁铁A(3
‑
3)，同样地，右侧直角架(3
‑
10)固定带有S极磁场的磁铁B(3
‑
9)，另外，传感单元(3
‑
6)放置在气体传感箱(3
‑
7)内；
[0009]传感单元(3
‑
6)中锥形单模光纤(TSMF)(3
‑6‑
1)与FBG(3
‑6‑
3)级联构成光纤复合结构，并且在锥形单模光纤(TSMF)(3...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器，其特征在于：它包括宽带光源(1)、环形器(2)、传感系统(3)、光谱分析仪(4)、解调模块(5)、计算机(6)；所述传感系统(3)包括左侧磁力座(3
‑
5)、右侧磁力座(3
‑
8)、左侧微调旋钮(3
‑
1)、右侧微调旋钮(3
‑
12)、左侧直角架(3
‑
2)、右侧直角架(3
‑
10)、左侧位移平台(3
‑
4)、右侧位移平台(3
‑
11)、磁铁A(3
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3)、磁铁B(3
‑
9)、气体传感箱(3
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7)、传感单元(3
‑
6)，其中：气体传感箱(3
‑
7)的左右两侧分别放置固定左侧直角架(3
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2)的位移平台(3
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4)，并将左侧位移平台(3
‑
4)固定在磁力座(3
‑
5)上，并且在左侧直角架(3
‑
2)固定带有N极磁场的磁铁A(3
‑
3)，同样地，右侧直角架(3
‑
10)固定带有S极磁场的磁铁B(3
‑
9)，另外，传感单元(3
‑
6)放置在气体传感箱(3
‑
7)内；传感单元(3
‑
6)中锥形单模光纤(TSMF)(3
‑6‑
1)与FBG(3
‑6‑
3)级联构成复合结构，并且将气敏材料(3
‑6‑
2)包裹在锥形单模光纤(TSMF)(3
‑6‑
1)上，另外FBG(3
‑6‑
3)部分粘贴在GMM材料(3
‑6‑
4)上共同构成传感单元(3
‑
6)；传感单元(3
‑
6)的具体制备过程包括光纤复合结构的制作、敏感材料的包覆；其中：光纤复合结构的制作包括锥形单模光纤(TSMF)(3
‑6‑
1)的制作，以及锥形单模光纤(TSMF)(3
‑6‑
1)与FBG(3
‑6‑
4)级联结构的制作；首先锥形单模光纤(TSMF)(3
‑6‑
1)的制备选取长为25cm的单模光纤，通过施加张力加热单模光纤(SMF)制成的，并将气敏材料(3
‑6‑
2)包裹在锥形单模光纤(TSMF)(3
‑6‑
1)上的SDS使锥形单模光纤(TSMF)(3
‑6‑
1)结构对环境相对气体的变化敏感；锥形单模光纤(TSMF)(3
‑6‑
1)自身构成马赫曾德干涉仪；之后将端面切割平整的锥形单模光纤(TSMF)(3
‑6‑
1)与栅区长为20mm且中心波长为1550nm的FBG(3
‑6‑
3)采用光纤熔接机进行熔接，形成光纤复合结构；敏感材料的包覆主要包括气敏材料(3
‑6‑
2)和GMM材料(3
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4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欣，张寒梅，沈涛，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：