[發明專利]硫化氫氣體傳感器及其制作方法和硫化氫濃度的檢測方法

有效

• 申請號: 201611260981.9
• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN106596452B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 馮文林;鄧大申;秦祥;馬詩章;彭志清
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 李海華;趙英

技術領域

本發明涉及一種氣體傳感領域，具體涉及一種硫化氫氣體傳感器及其制作方法和硫化氫濃度的檢測方法。

背景技術

硫化氫是僅次于氰化物的劇毒物，是易致人死亡的有毒氣體。硫化氫不僅嚴重威脅著人們的生命安全，而且還造成嚴重的環境污染，對金屬設備造成嚴重的腐蝕破壞。因此，為確保人員的絕對安全，杜絕硫化氫中毒事故的發生，了解硫化氫氣體的來源和危害，掌握硫化氫氣體的預防與處理知識和硫化氫檢測方法非常重要。

光纖傳感技術是一項正在發展中的具有廣闊前景的新型高技術。由于光纖本身在傳遞信息過程中具有許多特有的性質,如光纖傳輸信息時能量損耗很小,給遠距離遙測帶來很大方便。光纖材料性能穩定,不受電磁場干擾,在高溫、高壓、低溫、強腐蝕等惡劣環境下保持不變所以光纖傳感器從問世到如今,一直都在飛速發展。因此，如何利用光纖傳感技術制作一種對硫化氫氣體濃度進行檢測的氣體傳感器，使其能夠具有工作穩定，檢測效果好，響應時間快，精度和可靠性高等效果，就成為需要進一步考慮的問題。

發明內容

針對上述現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是：如何提供一種工作穩定，檢測效果好，響應時間快，精度和可靠性高的硫化氫氣體傳感器。

為了解決上述技術問題，本發明采用了如下的技術方案：

一種硫化氫氣體傳感器，其特征在于：包括薄芯光纖和熔接在其兩端的單模光纖，單模光纖的纖芯層直徑大于薄芯光纖的纖芯層直徑且小于薄芯光纖的包層直徑，薄芯光纖兩端的纖芯層端面中心分別與相鄰單模光纖一端的纖芯層端面中心相對應，薄芯光纖的包層表面上覆蓋有一層厚度為10～340nm的二硫化鎢膜層。

在本發明中，光束從其中一根單模光纖開始傳輸，光束在經過第一個熔接點后，一部分光束耦合至薄芯光纖的纖芯層中以纖芯模式繼續傳輸，作為參考臂；另一部分光束耦合至薄芯光纖的包層區域中以包層模式傳輸，作為信號臂。由于薄芯光纖的纖芯直徑比單模光纖纖芯直徑要小，有部分光束會由纖芯模式逐漸向包層模式耦合過渡，以纖芯模式傳輸的光能量逐漸減弱，而在包層區域以包層模式傳輸的光能量逐漸增強。當其傳輸到第二熔接點時，薄芯光纖中光束傳輸的包層模式與纖芯模式在輸出單模光纖中發生干涉。干涉光強和干涉的中心波長可表示為：

式中I為輸出總光強；I₁、I₂分別為纖芯模式和包層模式中的光強；為相位差；λ_m為m級干涉的中心波長；L為干涉長度，即兩個熔接點之間的距離；Δn_eff為薄芯光纖纖芯折射率和包層區域有效折射率的差值。

當外界環境折射率發生改變時，薄芯光纖信號臂包層區域的有效折射率隨著環境折射率的變化而變化，而纖芯折射率則保持不變；外界折射率改變引起的波長漂移量可表示為

式中Δλ_m為第m階干涉條紋中心波長漂移量，Δn為包層有效折射率變化引起的折射率差值的變化量。從(3)式中可以看出，波長漂移量受到干涉長度L和折射率差值Δn變化的影響。在干涉長度L一定時，干涉條紋中心波長的漂移量隨著包層有效折射率的變化而線性變化。因此，可以通過檢測第m階干涉條紋中心波長的漂移量來測量外界環境的折射率。而由于敏感膜的吸附引起了包層有效折射率的變化，從而引起了波長的偏移。通過對波長的偏移進行檢測，進而計算出硫化氫氣體濃度值，其工作穩定，檢測效果好，響應時間快，精度和可靠性高。

本發明還公開了一種硫化氫氣體傳感器的制作方法，包括以下步驟：

1)獲取一根薄芯光纖和兩根單模光纖，其中單模光纖的纖芯層直徑大于薄芯光纖的纖芯層直徑且小于薄芯光纖的包層直徑，然后分別將兩根單模光纖熔接在薄芯光纖的兩端，熔接時，單模光纖的纖芯層端面中心與薄芯光纖的纖芯層端面中心相對應；

2)將二硫化鎢納米粉末按照(0.2～0.4):(30～40)的質量比加入到0.784g/ml的異丙醇溶液中混合制成二硫化鎢分散液；

3)將步驟1)中熔接后的薄芯光纖部段放入到二硫化鎢分散液中浸涂0.4～1.2h，然后將其置于150～350℃的氮氣中進行煅燒，煅燒時間為3～6h，隨爐冷卻至室溫，使薄芯光纖部段包層外表面形成二硫化鎢膜層。