基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器制造技術

本發明專利技術公開了一種基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器，涉及光纖傳感器領域。傳感器主要包括一根宏彎光纖，宏彎光纖上一定長度的一段為錐形宏彎結構，錐形宏彎結構為利用粗糙化加工后去掉了光纖包層及部分纖芯的剩余纖芯結構，錐形宏彎結構的表面上附著有聚吡咯薄膜，形成乙醇氣體敏感探頭，宏彎光纖位于錐形宏彎結構兩端的光纖部分采用屏蔽外界光的黑色套管遮擋，宏彎光纖一端與LED光源連接，另一端與光功率計連接。同時還公開了該傳感器的制備方法和檢測方法。本發明專利技術提供的檢測方法和制備方法比較簡單，薄膜形態良好，可以滿足在復雜空間結構內任意布置的檢測需求，結構簡單、成本較低。

A roughened conical Macrobend optical fiber ethanol gas sensor based on polypyrrole film

【技術實現步驟摘要】
基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器
本專利技術涉及光纖傳感器領域，具體為一種基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器，適用于乙醇氣體的檢測。
技術介紹
現有技術中，乙醇氣體的檢測普遍采用金屬氧化物等消耗物質作為敏感物質，測量溫度較高，不適合室溫使用，同時氣體響應時間不理想，測量氣體濃度范圍無法滿足實際的需求，影響了測試的實時性。此外現有的氣體傳感器通過將氣體注入在一個密閉空間里面以此來提高氣體響應時間，但是由于其約束條件較多，很難適用于一般的環境中。因此需要在常溫常壓的環境下，可以實時監測折射率的變化，并大幅度提高氣體檢測的響應時間和靈敏度的乙醇氣體傳感器。
技術實現思路
本專利技術為了解決現有技術中乙醇氣體檢測所采用的傳感器不適用于常溫常壓下檢測的問題，提供了一種基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器。本專利技術是通過如下技術方案來實現的：一種基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器，包括一根宏彎光纖，所述宏彎光纖上一定長度的一段為錐形宏彎結構，所述錐形宏彎結構為利用粗糙化加工后去掉了光纖包層及部分纖芯的剩余纖芯結構，所述錐形宏彎結構的表面上附著有聚吡咯薄膜，形成乙醇氣體敏感探頭，所述宏彎光纖位于錐形宏彎結構兩端的光纖部分采用屏蔽外界光的黑色套管遮擋，所述宏彎光纖一端與LED光源連接，另一端與光功率計連接。本專利技術利用粗糙化錐形宏彎光纖與聚吡咯薄膜構成了一種新型乙醇氣體檢測傳感器。通過過量氯化鐵與吡咯單體來制備聚吡咯薄膜，生成um級別的薄膜，使用粗加工的方式使光纖表面粗糙化，所形成的錐形宏彎結構，使薄膜與光纖貼合后表面積體積比增加，錐形宏彎結構是指粗糙化加工后纖芯所形成的形狀。聚吡咯薄膜與乙醇氣體反應，會改變其薄膜表面折射率，乙醇濃度不同，會使折射率變化不同，使最終功率輸出不同，利用該原理可實現乙醇氣體濃度的測定。而本專利技術所提供的光纖表面修飾聚吡咯薄膜的工藝方法，將聚吡咯薄膜與錐形光纖相結合，實現了ppm級乙醇氣體濃度的測量，響應時間低于50s。一種基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器的制備方法，包括如下步驟：①取一根塑料光纖，將其中固定長度的一段采用粗糙化加工，去掉該段處的光纖包層及部分纖芯，這段中剩余的纖芯部分為錐形宏彎結構；②稱取0.2164gFeCl3粉末，吡咯3ul；將10ml去離子水中加到0.2164gFeCl3粉末中，在燒杯中均勻攪拌，靜置半小時，在燒杯底部沉積雜質；在10ml去離子水中加入3ul吡咯，攪拌后，用磁力攪拌器均勻分開；取直徑8cm的玻璃培養皿，將FeCl3溶液倒入培養皿中，而后加入吡咯溶液，均勻混合，蓋上蓋子，室溫反應4h，在反應溶液表面上形成一層黑灰色聚吡咯薄膜；③將塑料光纖彎曲，使錐形宏彎結構位于彎曲塑料光纖的頭部，然后將塑料光纖彎曲的頭部即錐形宏彎結構伸入玻璃培養皿中2-3min后取出，形成乙醇氣體敏感探頭，即得聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器；④將錐形宏彎結構兩側的塑料光纖部分采用黑色套管進行遮擋；⑤將塑料光纖的一端與LED光源連接，另一端與光功率計連接。本專利技術所提供的一種基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器的制備方法，利用過量的氯化鐵來制備聚吡咯薄膜，降低薄膜的厚度，以此來增加透光性。同時室溫下氧化還原反應形成的聚吡咯膜，能夠保持薄膜形態；而且提出了在塑料光纖表面粗加工（利用砂紙等工具），去掉光纖包層及部分光纖纖芯，制成錐形宏彎結構，粗糙的光纖表面能夠使其與聚吡咯薄膜貼合更為緊密，并且通過彎曲光纖來增加倏逝波強度，提高敏感度?；诰圻量┍∧ば揎椀拇植诨腻F形宏彎光纖乙醇氣體傳感器的乙醇氣體檢測方法，包括如下步驟：①將用聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖的一端與光功率計的一側連接，另一端與LED光源連接，所述光功率計的另一側與計算機連接，所述LED光源為光功率可調的光源；②將聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖置于所要檢測乙醇氣體的環境中，乙醇氣體敏感探頭起作用，當環境中不存在乙醇氣體時，功率計輸出穩定的數值，存在乙醇氣體時，聚吡咯薄膜與乙醇相互反應，使輸出功率發生突變，出現下降趨勢，而且乙醇濃度越大，響應的越快，功率的變化量也就越大；當乙醇濃度減小時，輸出功率值則上升，恢復到穩定數值；通過功率計數值的變化來對應乙醇濃度，同時根據上升與下降的時間來判定傳感器氣體的響應與恢復時間。本專利技術所提供的基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器的乙醇氣體檢測方法，原理為：當附有聚吡咯薄膜的光纖表面遇到乙醇氣體時，由于乙醇具有還原性易失去電子，聚吡咯是P型聚合物，空穴濃度大于電子濃度，當兩者接觸時發生反應，使聚吡咯空穴濃度降低，改變其折射率，光纖傳感器耦合率隨之變化，脈沖強度突變，而由脈沖波形變化的高低可對應得到氣體濃度的大小。該方法既可以實時監測濃度的變化，又可以以一種低成本、結構簡單的方法實現高精度氣體濃度檢測。與現有技術相比本專利技術具有以下有益效果：本專利技術所提供的基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器、制備方法以及檢測方法，利用過量氯化鐵和吡咯來制備um級別的聚吡咯薄膜，方法簡單，薄膜形態良好；利用聚吡咯薄膜與錐形塑料光纖可實現乙醇氣體檢測，同時可以滿足在復雜空間結構內任意布置的檢測需求，結構簡單、成本較低，還可以進行非接觸式測量；利用砂紙等方法來打磨光纖呈錐形，粗糙的光纖表面能夠使其與聚吡咯薄膜貼合更為緊密，能夠增加氣體檢測敏感度，同時薄膜不易脫落，適合多次試驗。并且通過彎曲光纖成U型來增加倏逝波強度；同時未來可以應用于通訊、郵電、金融系統及圖書館、博物館、檔案館、機場、油庫以及石油、石化、藥業等行業的氣體檢測。附圖說明圖1為本專利技術具體實施例打磨后的2cm長錐形宏彎結構的粗糙面示意圖。圖2為本專利技術中宏彎光纖的錐形宏彎結構鍍上聚吡咯薄膜的宏彎結構示意圖。圖3為本專利技術的乙醇氣體傳感器的檢測原理示意圖。圖4為本專利技術具體實施例的實驗檢測裝置的組裝示意圖。圖5為本專利技術具體實施方式PPy1對比例的功率隨乙醇濃度變化的時間響應圖。圖6為本專利技術具體實施方式PPy2實施例的功率隨乙醇濃度變化的時間響應圖。圖7為本專利技術具體實施方式PPy3對比例的功率隨乙醇濃度變化的時間響應圖。圖8為三個實施例功率隨著濃度變化的曲線圖。圖9為三個實施例所制備出的聚吡咯薄膜圖。圖中標記如下：1-聚吡咯薄膜，2-宏彎光纖，3-乙醇氣體敏感探頭，4-黑色套管，5-纖芯，6-光功率計，7-LED光源，8-電腦，9-乙醇氣體濃度計，10-USB連接口，11-氣體實驗箱。具體實施方式以下結合具體實施例對本專利技術作進一步說明。一種基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器，如圖1~2所示，包括一根宏彎光纖，所述宏彎光纖上一定長度的一段為錐形宏彎結構，所述錐本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器，其特征在于：包括一根宏彎光纖，所述宏彎光纖上一定長度的一段為錐形宏彎結構，所述錐形宏彎結構為利用粗糙化加工后去掉了光纖包層及部分纖芯的剩余纖芯結構，所述錐形宏彎結構的表面上附著有聚吡咯薄膜，形成乙醇氣體敏感探頭，所述宏彎光纖位于錐形宏彎結構兩端的光纖部分采用屏蔽外界光的黑色套管遮擋，所述宏彎光纖一端與LED光源連接，另一端與光功率計連接。/n

【技術特征摘要】
1.一種基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器，其特征在于：包括一根宏彎光纖，所述宏彎光纖上一定長度的一段為錐形宏彎結構，所述錐形宏彎結構為利用粗糙化加工后去掉了光纖包層及部分纖芯的剩余纖芯結構，所述錐形宏彎結構的表面上附著有聚吡咯薄膜，形成乙醇氣體敏感探頭，所述宏彎光纖位于錐形宏彎結構兩端的光纖部分采用屏蔽外界光的黑色套管遮擋，所述宏彎光纖一端與LED光源連接，另一端與光功率計連接。


2.根據權利要求1所述的一種基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器，其特征在于：所述錐形宏彎結構的長度為2-3cm。


3.權利要求1所述的一種基于聚吡咯薄膜修飾的粗糙化的錐形宏彎光纖乙醇氣體傳感器的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：
①取一根塑料光纖，將其中固定長度的一段采用粗糙化加工，去掉該段處的光纖包層及部分纖芯，這段中剩余的纖芯部分為錐形宏彎結構；
②稱取0.2164gFeCl3粉末，吡咯3ul；將10ml去離子水中加到0.2164gFeCl3粉末中，在燒杯中均勻攪拌，靜置半小時，在燒杯底部沉積雜質；在10ml去離子水中加入3ul吡咯，攪拌后，用磁力攪拌器均勻分開；取直徑8cm的玻璃培養皿，將FeCl3溶液倒入培養皿中，而后加入吡咯溶液，均勻混合，蓋上蓋子，室溫反應4h，在反應溶液表面上形成一層黑灰色聚吡咯薄膜；
③將塑料...

【專利技術屬性】
技術研發人員：侯鈺龍，胡彥君，劉文怡，
申請(專利權)人：中北大學，
類型：發明
國別省市：山西;14