二氧化碳光纤传感器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二氧化碳光纤传感器，用于检测恒温恒湿环境中的二氧化碳气体浓度，包括光纤，所述光纤具有包层，所述包层中心具有纤芯，所述纤芯上具有布拉格光栅区，所述布拉格光栅区对应的所述包层外周包覆有含有聚砜

【技术实现步骤摘要】
二氧化碳光纤传感器及制备方法、双参数光纤传感器及应用方法


[0001]本专利技术涉及二氧化碳气体浓度检测领域，具体涉及一种二氧化碳光纤传感器及制备方法
、
双参数光纤传感器及应用方法
。

技术介绍

[0002]随工业的发展化石燃料的燃烧，大气中二氧化碳排放量日益增加，人类已经意识到我们所面临的温室效应问题主要是由于人类将大量二氧化碳排放到大气当中从而破坏了地球自然碳循环
。
国内对于二氧化碳转化研究的热情在逐年增加，同时对二氧化碳气体浓度的检测也成为气体传感器发展中的重点
。
[0003]因此，实时监控环境内二氧化碳气体浓度，发展二氧化碳气体浓度实时在线检测技术，及早发现潜在泄露对工作在危险环境内工人的安全至关重要
。
[0004]目前用于二氧化碳气体检测方法主要有电化学法
、
光谱吸收法
、
气相色谱法以及光纤传感法
。
其中电化学法检测二氧化碳大多数只能在低浓度下进行，且传感器寿命较短
。
光谱吸收法更易受到其他气体的干扰，从而影响传感器精度
。
而气相色谱法目前并不能针对二氧化碳气体浓度做到实时在线检测
。
[0005]其中，光纤传感器使用光信号在光纤中检测，无放电现象和安全隐患，本质上安全可靠，同时具备几何尺寸小
、
灵敏度较高
、
响应速度快
、
可分布式测量等显著优势，因此成为目前二氧化碳气体浓度实时在线检测技术中最有前途的一类传感器，但现有二氧化碳光纤传感器存在响应时间较长
(
约
30min)、
灵敏度低的缺点，需要针对此缺陷对二氧化碳光纤传感器进行改进，以提高其灵敏度和测量精度
。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种二氧化碳光纤传感器及制备方法
、
双参数光纤传感器及应用方法，以解决现有二氧化碳光纤传感器存在响应时间较长
、
灵敏度低的技术问题
。
[0007]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：
[0008]第一方面，本专利技术公开了一种二氧化碳光纤传感器，用于检测恒温恒湿环境中的二氧化碳气体浓度，包括光纤，所述光纤具有包层，所述包层中心具有纤芯，所述纤芯上具有布拉格光栅区，所述布拉格光栅区对应的所述包层外周包覆有含有聚砜
/
聚酰亚胺复合二氧化碳敏感材料的二氧化碳敏感膜，所述包层外周除包覆有二氧化碳敏感膜以外区域包覆有涂覆层
。
[0009]本专利技术的工作原理是，随着恒温恒湿检测环境内二氧化碳浓度的变化，二氧化碳敏感膜会跟随环境中的二氧化碳浓度的变化发生体积膨胀，从而引起布拉格光栅区产生应变，进而影响布拉格光栅区的中心波长，使得布拉格光栅区的中心波长发生漂移，而二氧化碳气体浓度与布拉格光栅区的中心波长漂移量之间具有对应的关系，进而能够对环境中的二氧化碳气体浓度进行测定
。
[0010]作为优选，所述二氧化碳敏感膜覆盖区域处的包层厚度小于光纤其他区域的包层厚度，这样，使得二氧化碳敏感膜更接近布拉格光栅区，能够进一步提高二氧化碳光纤传感器对二氧化碳气体的响应灵敏度
。
[0011]作为优选，所述二氧化碳敏感膜表面还包覆有疏水透气涂层，所述疏水透气涂层为氧化硅薄膜，所述氧化硅薄膜采用浸渍提拉法涂覆于所述二氧化碳敏感膜表面，镀膜提拉速度为
0.5
～
1mm/s。
涂覆疏水透气涂层能够增强二氧化碳光纤传感器在高湿环境下运行的稳定性和准确性
。
[0012]第二方面，本专利技术还公开了二氧化碳光纤传感器的制备方法，用于制备如上所述的二氧化碳光纤传感器，包括以下步骤：
[0013]S1.1、
选取一段具有布拉格光栅的待处理光纤并进行预处理，将布拉格光栅对应的包层去除一部分，使得布拉格光栅处对应的包层厚度小于光纤其他区域的包层厚度；
[0014]S1.2、
二氧化碳敏感混合液将聚砜和聚酰亚胺固体溶于有机溶剂中，并搅拌均匀，制备含有聚砜
/
聚酰亚胺复合二氧化碳敏感材料的二氧化碳敏感混合液；
[0015]S1.3、
将步骤
S1.2
制备的二氧化碳敏感混合液涂覆于步骤
S1.1
中已经进行预处理的布拉格光栅对应的包层外周，然后进行干燥处理使其在包层外周形成含有聚砜
/
聚酰亚胺复合二氧化碳敏感材料的二氧化碳敏感膜，进而得到二氧化碳光纤传感器
。
[0016]作为优选，步骤
S1.2
中，所述聚砜和聚酰亚胺的质量百分比范围是
10
～
20
％
。
[0017]作为优选，为保证二氧化碳敏感膜的体积膨胀能够有效传递到光纤上，将步骤
S1.1
中已经进行预处理的光纤，将其布拉格光栅区浸泡入含有硅烷偶联剂的乙醇溶液中，然后进行干燥处理
。
具体的方法是，浸泡时间为5～
10min
，所述硅烷偶联剂与乙醇溶液的质量百分比范围是1～3％；随后将浸泡过的光纤置入
70
～
90℃
真空干燥箱内干燥
20
～
30min
，以达到光纤表面硅烷处理，增强包层表面的附着力度
。
[0018]作为优选，在步骤
S1.2
中制备好的二氧化碳敏感混合液中添加聚乙二醇并进行持续搅拌，所述聚乙二醇与二氧化碳敏感混合液的质量百分比范围是
0.1
～
0.5
％
。
具体的，聚乙二醇
(PEG)
作为膜活化剂，在二氧化碳敏感混合液中添加聚乙二醇后在
40
～
60℃
条件下持续搅拌4～
6h。
[0019]为增强二氧化碳光纤传感器在高湿环境下运行的稳定性和准确性，作为优选，在步骤
S1.3
中得到的二氧化碳光纤传感器的二氧化碳敏感膜表面采用浸渍提拉法涂覆一层氧化硅疏水涂层，涂覆完成后进行干燥处理，所述氧化硅疏水涂层能够阻止水分子接触二氧化碳敏感膜，同时允许二氧化碳气体分子穿过并接触二氧化碳敏感膜
。
[0020]所述氧化硅疏水涂层的提拉速度为
0.5
～
1mm/s
；提拉完成后
60
～
80℃
真空干燥箱干燥
10
～
15min
，即可获得同时具有二氧化碳敏感膜和疏水透气涂层的二氧化碳光纤传感器，不容易被环境中的湿度所影响，能够适用于高湿环境，能够增强二氧化碳光纤传感器在高湿环境下运行的稳定性和准确性
。
[0021]第三方面，本专利技术还公开了一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
二氧化碳光纤传感器，用于检测恒温恒湿环境中的二氧化碳气体浓度，其特征在于，包括光纤，所述光纤具有包层，所述包层中心具有纤芯，所述纤芯上具有布拉格光栅区，所述布拉格光栅区对应的所述包层外周包覆有含有聚砜
/
聚酰亚胺复合二氧化碳敏感材料的二氧化碳敏感膜，所述包层外周除包覆有二氧化碳敏感膜以外区域包覆有涂覆层
。2.
根据权利要求1所述的二氧化碳光纤传感器，其特征在于，所述二氧化碳敏感膜覆盖区域处的包层厚度小于光纤其他区域的包层厚度
。3.
根据权利要求2所述的二氧化碳光纤传感器，其特征在于，所述二氧化碳敏感膜表面还包覆有疏水透气涂层，所述疏水透气涂层为氧化硅薄膜，所述氧化硅薄膜采用浸渍提拉法涂覆于所述二氧化碳敏感膜表面
。4.
二氧化碳光纤传感器的制备方法，用于制备如权利要求2所述的二氧化碳光纤传感器，其特征在于，包括以下步骤：
S1.1、
选取一段具有布拉格光栅的待处理光纤并进行预处理，将布拉格光栅对应的包层去除一部分，使得布拉格光栅处对应的包层厚度小于光纤其他区域的包层厚度；
S1.2、
二氧化碳敏感混合液将聚砜和聚酰亚胺固体溶于有机溶剂中，并搅拌均匀，制备含有聚砜
/
聚酰亚胺复合二氧化碳敏感材料的二氧化碳敏感混合液；
S1.3、
将步骤
S1.2
制备的二氧化碳敏感混合液涂覆于步骤
S1.1
中已经进行预处理的布拉格光栅对应的包层外周，然后进行干燥处理使其在包层外周形成含有聚砜
/
聚酰亚胺复合二氧化碳敏感材料的二氧化碳敏感膜，进而得到二氧化碳光纤传感器
。5.
根据权利要求4所述的二氧化碳光纤传感器的制备方法，其特征在于，步骤
S1.2
中，所述聚砜和聚酰亚胺的质量百分比范围是
10
～
20
％
。6.
根据权利要求4所述的二氧化碳光纤传感器的制备方法，其特征在于，将步骤
S1.1
中已经进行预处理的光纤，将其布拉格光栅区浸泡入含有硅烷偶联剂的乙醇溶液中，然后进行干燥处理
。7.
根据权利要求4所述的二氧化碳光纤传感器的制备方法，其特征在于，在步骤
S1.2
中制备好的二氧化碳敏感混合液中添加聚乙二醇并进行持续搅拌，所述聚乙二醇与二氧化碳敏感混合液的质量百分比范围是
0.1
～
0.5
％
。8.
根据权利要求4所述的二氧化碳光纤传感器的制备方法，其特征在于，在步骤
S1.3
中得到的二氧化碳光纤传感器的二氧化碳敏感膜表面采用浸渍提拉法涂覆一层氧化硅疏水涂层，涂覆完成后进行干燥处理，所述氧化硅疏水涂层能够阻止水分子接触二氧化碳敏感膜，同时允许二氧化碳气体分子穿过并接触二氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟年丙，宋少雄，刘慧玲，解泉华，贺媛媛，常海星，钟登杰，赵明富，汤斌，罗彬彬，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：