[发明专利]基于包层涂覆敏感膜的迈克尔逊干涉式硫化氢传感器

说明书

本发明公开了基于光纤包层涂覆敏感膜的光纤迈克尔逊干涉式硫化氢气敏传感器，将无截止波长光子晶体光纤两端分别与单模光纤端面进行熔接，靠近光源一端进行熔接拉锥，使得塌陷层较长并加强干涉，另一端正常熔接形成塌陷层并将单模光纤另一端连接法拉第旋光镜，从而形成迈克尔逊结构的传感器。将Cu/rGO敏感膜包覆于光子晶体光纤包层，本发明提供的传感器对硫化氢气体有明显的选择性，在硫化氢气体浓度为0‑70ppm范围内，随着被测气体浓度不断增大，其干涉光谱呈现明显红移，且线性度较好,其响应恢复时间分别为70s和88s。该传感器成本低、灵敏度高、选择性强、结构简单，适用于低浓度硫化氢气体灵敏性探测。

技术领域

本发明涉及硫化氢传感器技术领域，特别涉及一种基于包层涂覆敏感膜的迈克尔逊干涉式硫化氢传感器。

背景技术

硫化氢(hydrogen sulfide,简写为：H₂S)是无色易燃，臭鸡蛋味的毒性气体。硫化氢天然的溶脂性使其极易被身体吸收，主要途径为肺部，作用于血液和心脏。该气体在下水道、水库、石化工厂、重水生产、农业及温泉中常见，相应的中毒事件也时有发生。目前国内外对H₂S检测常用金属氧化物半导体型、电化学固体电解质型和电化学高分子电解质型、旁热电阻型等传感器，但在选择性、稳定性、可靠性方面都还存在一定问题。光纤迈克尔逊干涉式传感器选择性强、稳定性良好、灵敏度高并且体积小、成本低、结构简单。同时此类传感器在温度、压力、应变测量与滤波调制等方面有诸多优势应用，由此基于迈克尔逊干涉式传感器对H₂S气体检测有重要的指导意义。气体检测中，敏感膜的选择尤为重要，还原氧化石墨烯(rGO)复合纳米铜后，其光稳定性和光电流密度得到提高，Cu的加入可以提高rGO表面羟基接受气体分子的能力和吸附效率。结合Cu/rGO薄膜的光纤气体传感器在新型光学气敏传感器件的开发领域有重要的理论和实践意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于包层涂覆敏感膜的迈克尔逊干涉式硫化氢传感器，该传感器成本低、灵敏度高、选择性强、结构简单，适用于低浓度硫化氢气体灵敏性探测。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的基于包层涂覆敏感膜的迈克尔逊干涉式硫化氢传感器，包括第一单模光纤、光子晶体光纤、第二单模光纤、敏感膜和旋光镜；

所述光子晶体光纤的一端熔接第一单模光纤；所述光子晶体光纤的另一端熔接第二单模光纤；所述敏感膜涂覆于光子晶体光纤的包层上；所述第二单模光纤的另一端连接旋光镜。

进一步，所述光子晶体光纤与第一单模光纤之间采用拉锥熔接方式连接，以适于形成作为功率耦合器的锥形结构。

进一步，所述敏感膜为Cu/rGO敏感膜。

进一步，所述旋光镜将穿过包层光和纤芯光反射在锥形结构，以适于耦合回光子晶体光纤的纤芯中。

进一步，所述光子晶体光纤为无截止波长光子晶体光纤。

进一步，所述Cu/rGO敏感膜包覆层按照以下步骤进行制作，具体步骤如下：

①将适量的氧化石墨烯水分散液放入到异丙醇和过氧化氢溶液中混合均匀分散，得到GO混合溶液；

②将适量纳米铜水分散液加入到异丙醇中超声分散，得到纳米Cu混合溶液；

③将熔接好的PCF浸没在GO混合溶液中一段时间后，取出用热空气干燥，再浸没在纳米Cu溶液中一段时间后，取出干燥，重复操作，直到在PCF外包覆上Cu/rGO复合膜；

④将包覆好的光纤置于预设温度环境中并静置一段时间后，转移到真空冷冻干燥机中干燥后取出；

⑤将干燥好的光纤放入马弗炉中氮气煅烧，使得氧化石墨烯在高温下还原。

进一步，所述预设温度环境为-25℃至-15℃环境。