[发明专利]一种基于空芯Bragg光纤的PM2.5

说明书

本发明公开了一种基于空芯Bragg光纤的PM_2.5浓度检测装置，包括超辐射宽带光源SLD、光纤PM_2.5浓度传感器、测试气室、PM_2.5发生器、开关阀门、气体流量计、光谱分析仪和与光谱分析仪连接的计算机，光纤PM_2.5浓度传感器由单模光纤、空气纤芯内表面涂覆有掺碘聚乙炔光致导电吸附薄膜的空芯Bragg光纤、多模光纤、以及光纤连接器组成。本发明在空芯Bragg光纤的空气纤芯内表面涂覆对PM_2.5粒子具有光致导电吸附作用的掺碘聚乙炔纳米薄膜，能够充分发挥传感器的吸附作用，基于此形成的PM_2.5浓度传感器，表现出灵敏度高、结构简单等特点。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于薄膜折射率变化的空芯 Bragg光纤细颗粒物浓度检测装置。

背景技术

大气细颗粒物PM_2.5是空气污染首要的污染物，PM_2.5是空气动力学直径小于或等于2.5微米的颗粒物。大气中PM_2.5的主要来源有：燃煤，硫酸盐，硝酸盐及有机物等。PM_2.5对人体健康，日常生活以及大气环境质量造成巨大影响。因此，对大气细颗粒物PM_2.5的质量浓度进行检测，对于减少人群患病率，保障生命安全，预防空气污染的发生具有十分重要的意义。

目前用于空气中细颗粒物PM_2.5质量浓度的检测方法主要有重量法，β射线衰减法以及光散射法等。其中，重量法是通过颗粒物采样器将大气中的颗粒物采样到采样器中，然后被测气体进入PM_2.5切割器，将直径大于2.5微米的颗粒分离，直径小于或等于2.5微米的颗粒随着气流经分离器出口被阻留在已恒重的滤膜上。根据采样前后滤膜的重量差以及采样的体积，计算出PM_2.5的质量浓度。但是这种方法的准确性基本取决于采样流量和分析所用的天平误差的不确定度，且存在不能实时在线测量，操作繁琐，采样器笨重等缺点。β射线衰减法的工作原理是环境空气由采样器吸入，通过切割器和滤膜后排出，直径小于或等于2.5微米的颗粒物沉积在滤膜上面，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时会发生能量的衰减，通过对β射线衰减量的测定求出PM_2.5的质量浓度。但是β射线衰减法测量的准确性不仅与采样器的采样流量有关，还受到颗粒成分的影响，且易受外界环境因素的影响。光散射法主要基于Mie(米氏)散射，光源发出一束光射向气流通道，光在颗粒物上发生散射，射向各个方向，通过在一定方向上的某一立体角接收到的光强差能求出PM_2.5的质量浓度。光散射法测量速度快，准确度高，能在线检测，但是此光学系统较为复杂。

光纤传感器是一种体积小，耐腐蚀，可实现远距离长期在线监测，传感单元结构简单，稳定可靠，易组成光纤传感网络的光学型细颗粒物PM_2.5传感器。

在基于光谱强度调制的光纤细颗粒物PM_2.5传感器研究方面，苗心向等(强激光与粒子束,2014,26(11):216-219.)根据微纳光纤的强约束能量和大倏逝场的特点，利用微纳光纤表面吸附气溶胶颗粒后引起附加损耗的特点，提出了一种基于微纳光纤传感的密闭空间气溶胶检测方法，其传感装置主要由半导体激光器(1550nm)、直径为1.5μm的微纳光纤传感器，探测器和计算机组成，其气溶胶传感过程对光源稳定性有较高的要求。Hongyi Qin等(Journal of Aerosol Science，2012,45,19～25.)提出一种基于聚吡咯纳米薄膜的气溶胶光纤传感方案，在已磨平的光纤末端上涂覆聚吡咯纳米薄膜，气溶胶粒子与聚吡咯纳米薄膜光致静电作用，从而改变聚吡咯纳米薄膜的光学性质，当光纤的入射光被薄膜反射时，探测器可以探测到反射信号光强的变化量，即可得到气溶胶浓度。其具有体积小，操作简单，有效的降低了探测成本，但是该方法对涂覆层的均匀性，光滑程度有较高要求，且传感信号属于强度调制，易受环境温湿度波动等影响。

发明内容