本发明专利技术公开了一种pH光纤传感器，用于贴附于石质文物本体表面，包括第一光纤，所述第一光纤具有第一纤芯，所述第一纤芯上具有第一布拉格光栅区，所述第一布拉格光栅区对应的第一光纤外周包覆有pH敏感水凝胶膜，所述pH敏感水凝胶膜中含有聚乙烯醇和聚丙烯酸的复合pH敏感材料；采用本发明专利技术所公开的pH光纤传感器及其制备方法，在光纤的布拉格光栅区涂覆pH敏感水凝胶膜，基于pH敏感水凝胶膜的机械特性以及pH灵敏度，使得pH光纤传感器的应力应变特性与布拉格光栅区的特性兼容，根据布拉格波长的漂移，能够反映pH值的相关信息，进而得到能够简便的实现测量石质文物本体表面或内部浸润的液体pH值的pH光纤传感器。
1、石质文物是人类文明历史中宝贵的文化遗产之一，它们的分布遍及全球，常被用于纪念、纪录历史事件、传递文化信息等，是我们研究各时代文化的重要凭据。石质文物主要由石头或岩石制成，例如雕塑、石碑、石刻等，石质文物多采用雕刻、凿刻等技术制作，需要经过精细的加工和雕琢。
2、然而石质文物的良好保存是一个亟待解决的问题，由于很多石质文物不便移动，常年处于露天环境中，极易受到气候与环境变化的影响，其中苔藓植物的定殖是引起石质文物破坏的主要因素之一。
3、当苔藓植物在石质文物上进行定殖时，其自身会分泌草酸、柠檬酸等有机酸来改变其生长环境的ph值，这些有机酸会腐蚀石质文物表面、改变石材的孔隙度，并且沿着石材的孔隙进行渗透，在不同深度处对文物造成腐蚀，致使岩石脆化、开裂，在温度变化的作用下，整个破坏过程更加剧烈。因此，在线实时准确检测石质文物温度及渗透液ph值变化信息，对于预防性保护石质文物破坏极其重要，具有重大社会意义。
4、目前关于石质文物本体参数变化信息的在线检测方法主要包括光谱分析技术、光学相干层析成像技术等。其中光谱分析技术主要使用光谱仪等设备对文物进行光谱扫描，得到文物的材料成分变化信息；光学相干层析成像技术可对文物表面形态进行非侵入式扫描，通过样品的折射率或者介电常数变化，反映其内部结构特征；但这些技术的测量系统装置笨重、成本高，难以实现对石质文物病害过程在线实时检测。
>5、目前还能够采用光纤类传感器用于文物检测，例如法布里珀罗、mach～zehnder、反射式光子晶体光纤干涉传感器等；这些传感器虽然检测过程抗环境光干扰能力强、检测结果准确度高，但现有光纤类传感器均只用于文物保存位置的空间环境信息的检测，还未有关于石质文物本体表面或内部浸润的液体ph值在线原位实时检测的传感器、检测原理及方法。6、因此，针对现有技术中有关石质文物本体温度及ph值难以实施在线原位实时检测的技术问题，有必要进行石质文物本体温度及渗透液ph值在线原位实时检测用的检测传感器、检测原理以及方法的专利技术。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于提供一种ph光纤传感器及制备方法、石质文物参数原位检测方法，以解决现有技术中有关石质文物本体温度及渗透液ph值难以实施在线原位实时检测的技术问题。
2、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：
3、第一方面，本专利技术公开了一种ph光纤传感器，用于贴附于石质文物本体表面，包括第一光纤，所述第一光纤具有第一纤芯，所述第一纤芯上具有第一布拉格光栅区，所述第一布拉格光栅区对应的第一光纤外周包覆有ph敏感水凝胶膜，所述ph敏感水凝胶膜中含有聚乙烯醇和聚丙烯酸的复合ph敏感材料。
4、ph光纤传感器的工作机理是：ph变化能够引起ph敏感水凝胶膜的体积发生变化，从而导致第一布拉格光栅区的布拉格波长发生漂移，那么由ph变化引起的第一布拉格光栅区的布拉格波长漂移量与ph之间具有一一对应的关系，因此，ph光纤传感器能够用来检测ph的变化情况。
5、作为优选，所述聚乙烯醇和聚丙烯酸的复合ph敏感材料是由聚乙烯醇溶液和聚丙烯酸溶液按照预设比例混合制成的混合水凝胶，在110～140℃的真空条件下发生交联反应形成的ph敏感水凝胶膜。
6、作为优选，聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的质量百分比范围是5％～10％，聚丙烯酸溶液中聚丙烯酸的质量百分比范围是2～5％，所述混合水凝胶中，所述聚乙烯醇溶液与聚丙烯酸溶液的质量比范围是1:1～2:1。
7、作为优选，所述ph敏感水凝胶中还含有二氧化硅，所述二氧化硅与所述混合水凝胶的质量百分比范围是1～5％。
8、第二方面，本专利技术还公开了一种ph光纤传感器制备方法，用于制备上述ph光纤传感器，包括以下步骤：
9、s1.1、取预设长度的第一光纤，所述第一光纤具有第一纤芯，所述第一纤芯上具有第一布拉格光栅区，所述第一布拉格光栅区对应的第一光纤外周包覆有第一涂覆层，将第一布拉格光栅区对应的第一涂覆层进行去除，然后进行清洗后备用；
10、s1.2、配置pirahan溶液，然后将步骤s1.1中去除了第一涂覆层的第一布拉格光栅区在pirahan溶液中浸泡，浸泡完成后将第一光纤取出，清洗并干燥后备用；
11、这样能够使去除了第一涂覆层的第一布拉格光栅区表面羟基化，能够增强第一布拉格光栅区表面对ph敏感水凝胶膜的粘附强度。
12、s1.3、配制聚乙烯醇溶液和聚丙烯酸溶液，并将两者在预设温度下按照预设比例混合制成混合水凝胶；
13、s1.4、将步骤s1.2中得到的第一光纤拉直，并在第一布拉格光栅区对应的第一光纤外周侧套设辅助管，所述第一光纤的第一纤芯中心线与辅助管的中心线重合，且辅助管的直径大于所述第一光纤的直径；然后将辅助管两端封闭，且使所述第一光纤与辅助管之间相对位置不发生变化，以使得辅助管内壁与所述第一光纤之间形成空腔；
14、s1.5、将混合水凝胶缓慢注入空腔中，直至空腔被填满，然后进行干燥处理使聚乙烯醇和聚丙烯酸在110～140℃的真空干燥条件下发生交联反应，形成ph敏感水凝胶膜附着于布拉格光栅区表面，进而得到ph光纤传感器。
15、作为优选，步骤s1.3中，所述聚乙烯醇溶液的质量百分比为5％～10％，所述聚丙烯酸溶液的质量百分比为2～5％，所述聚乙烯醇溶液和聚丙烯酸溶液的质量比范围是1:1～2:1。
16、作为优选，步骤s1.3中，向混合水凝胶中加入质量比范围为1～5％、粒径为5～300nm的二氧化硅，并使用恒温水浴锅在45～65℃下缓慢搅拌1～3h，得到半透明凝胶状的混合溶液，即性能改良后的混合水凝胶，在室温冷却之后保存于聚四氟乙烯容器中备用。
17、由于二氧化硅为光纤和石质文物的主要成分，因此还能够在增强ph敏感水凝胶膜的机械强度与使用寿命的同时，增强ph敏感水凝胶膜与第一布拉格光栅区表面之间的粘附性能，使ph敏感水凝胶膜不容易脱落。
18、作为优选，步骤s1.5中，用注射器将混合水凝胶缓慢注入空腔中，且每注入一次水凝胶，将其在室温下静置干燥6～8h，当空腔内被干燥的水凝胶充满时，停止注入。
19、第三方面，本专利技术还公开了一种石质文物参数原位检测方法，利用上述ph光纤传感器，包括以下步骤：
20、s2.1、建立ph光纤传感器的布拉格波长变化量与ph值之间一一对应关系；
21、s2.2、设置液体汲取单元，并将ph光纤传感器包覆于所述液体汲取单元之中，所述液体汲取单元能够吸收液体分子，并将液体分子传递至所述ph光纤传感器；
22、s2.3、将设置有ph光纤传感器的液体汲取单元贴附于石质文物表面，并将除了与石质文物接触面之外的液体汲取单元的其他外表面上均涂覆疏水材料，形成疏水层；
2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种pH光纤传感器，用于贴附于石质文物本体表面，其特征在于，包括第一光纤，所述第一光纤具有第一纤芯，所述第一纤芯上具有第一布拉格光栅区，所述第一布拉格光栅区对应的第一光纤外周包覆有pH敏感水凝胶膜，所述pH敏感水凝胶膜中含有聚乙烯醇和聚丙烯酸的复合pH敏感材料。
2.根据权利要求1所述的pH光纤传感器，其特征在于，所述聚乙烯醇和聚丙烯酸的复合pH敏感材料是由聚乙烯醇溶液和聚丙烯酸溶液按照预设比例混合制成的混合水凝胶，在110～140℃的真空条件下发生交联反应形成的pH敏感水凝胶膜。
3.根据权利要求2所述的pH光纤传感器，其特征在于，聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的质量百分比范围是5％～10％，聚丙烯酸溶液中聚丙烯酸的质量百分比范围是2～5％，所述混合水凝胶中，所述聚乙烯醇溶液与聚丙烯酸溶液的质量比范围是1:1～2:1。
4.根据权利要求2或3所述的pH光纤传感器，其特征在于，所述pH敏感水凝胶中还含有二氧化硅，所述二氧化硅与所述混合水凝胶的质量百分比范围是1～5％。
5.pH光纤传感器制备方法，用于制备如权利要求1所述pH光纤传感器，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的pH光纤传感器制备方法，其特征在于，步骤S1.3中，所述聚乙烯醇溶液的质量百分比为5％～10％，所述聚丙烯酸溶液的质量百分比为2～5％，所述聚乙烯醇溶液和聚丙烯酸溶液的质量比范围是1:1～2:1。
7.根据权利要求5所述的pH光纤传感器制备方法，其特征在于，步骤S1.3中，向混合水凝胶中加入质量比范围为1～5％、粒径为5～300nm的二氧化硅，并使用恒温水浴锅在45～65℃下缓慢搅拌1～3h，得到半透明凝胶状的混合溶液，即性能改良后的混合水凝胶，在室温冷却之后保存于聚四氟乙烯容器中备用。
8.根据权利要求5所述的pH光纤传感器制备方法，其特征在于，步骤S1.5中，用注射器将混合水凝胶缓慢注入空腔中，且每注入一次水凝胶，将其在室温下静置干燥6～8h，当空腔内被干燥的水凝胶充满时，停止注入。
9.石质文物参数原位检测方法，利用如权利要求1所述的pH光纤传感器，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的石质文物参数原位检测方法，其特征在于，所述液体汲取单元包括第一吸水层、第二吸水层和第三引流层，所述第三引流层位于所述第一吸水层和第二吸水层之间，所述第三引流层的两面分别与所述第一吸水层和第二吸水层贴合；所述第三引流层上开设有引流通道；所述第二吸水层朝向第三引流层的一面对应于引流通道的位置凸出有引流条，所述引流条的延伸长度与所述引流通道相通，且所述第二吸水层与所述第三引流层贴合后，所述引流条伸入引流通道内，所述引流条便于液体和氢离子的传输；所述pH光纤传感器安置于所述第一吸水层朝向第三引流层的表面，所述pH光纤传感器包括包覆有pH敏感水凝胶膜的布拉格光栅区，所述布拉格光栅区正对所述引流通道。
...
【技术特征摘要】
1.一种ph光纤传感器，用于贴附于石质文物本体表面，其特征在于，包括第一光纤，所述第一光纤具有第一纤芯，所述第一纤芯上具有第一布拉格光栅区，所述第一布拉格光栅区对应的第一光纤外周包覆有ph敏感水凝胶膜，所述ph敏感水凝胶膜中含有聚乙烯醇和聚丙烯酸的复合ph敏感材料。
2.根据权利要求1所述的ph光纤传感器，其特征在于，所述聚乙烯醇和聚丙烯酸的复合ph敏感材料是由聚乙烯醇溶液和聚丙烯酸溶液按照预设比例混合制成的混合水凝胶，在110～140℃的真空条件下发生交联反应形成的ph敏感水凝胶膜。
3.根据权利要求2所述的ph光纤传感器，其特征在于，聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的质量百分比范围是5％～10％，聚丙烯酸溶液中聚丙烯酸的质量百分比范围是2～5％，所述混合水凝胶中，所述聚乙烯醇溶液与聚丙烯酸溶液的质量比范围是1:1～2:1。
4.根据权利要求2或3所述的ph光纤传感器，其特征在于，所述ph敏感水凝胶中还含有二氧化硅，所述二氧化硅与所述混合水凝胶的质量百分比范围是1～5％。
5.ph光纤传感器制备方法，用于制备如权利要求1所述ph光纤传感器，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的ph光纤传感器制备方法，其特征在于，步骤s1.3中，所述聚乙烯醇溶液的质量百分比为5％～10％，所述聚丙烯酸溶液的质量百分比为2～5％，所述聚乙烯醇溶液和聚丙烯酸溶液的质量比范围是1:1～2:1。
...
【专利技术属性】
技术研发人员：钟年丙，许长源，解泉华，贺媛媛，黄建，王波，刘扬，王建旭，赵明富，李林洋，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。