[發明專利]一種石墨烯光纖氣體傳感器測量系統及其測量硫化氫氣體的方法

有效

• 申請號: 201911034880.3
• 申請日: 2019-10-29
• 公開（公告）號: CN110749572B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 黃國家;楊波;李茂東;馮文林;楊曉占;陳翠;張雙紅;李悅;王志剛;文芳;徐青永
• 申請（專利權）人: 廣州特種承壓設備檢測研究院
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;B82Y15/00;B82Y20/00;G02B6/02
• 代理公司: 廣州海藻專利代理事務所(普通合伙) 44386
• 代理人: 張大保

本發明公開了一種石墨烯光纖氣體傳感器測量系統及其測量硫化氫氣體的方法，包括：寬帶光源、通過光纖連接的光纖傳感器和光譜儀、計算機、報警裝置，光纖傳感器的兩端具有進氣口和出氣口；光纖傳感器結構為光子晶體光纖兩端分別連接第一多模光纖和第二多模光纖，第一多模光纖及第二多模光纖兩端分別熔接有第一單模光纖和第二單模光纖，所述光子晶體光纖表面涂覆一層二氧化鈦/氨基化石墨烯量子點復合敏感膜。本發明的傳感器選擇性好、抗外界干擾、成本低，有望應用于0?55ppm環境下的硫化氫氣體檢測。

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種石墨烯光纖氣體傳感器測量系統及其測量硫化氫氣體的方法。

背景技術

空氣中的有毒污染氣體對人們身體健康和公共安全造成了重大威脅和傷害，尤其，硫化氫(H₂S)氣體無色、易燃、腐蝕性極強，且在極低濃度時即可致死，嚴重影響人們的健康。因此研制對硫化氫氣體實時快速檢測的高靈敏度氣體傳感器具有重要的理論和實際應用價值。自石墨烯發現以來，由于其極大的比表面積和優異的電學特性，對氣體分子具有出色的室溫檢測能力。但是單一的石墨烯作為氣體傳感器敏感材料時，受制于本征褶皺和電子累積效應，存在響應不飽和、恢復困難和選擇性差等不足。

光纖傳感技術是一項正在發展中的具有廣闊前景的高技術。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至今，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低濃度硫化氫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，效應時間快，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

針對現有技術的不足，本發明提供一種石墨烯光纖氣體傳感器測量系統及其測量硫化氫氣體的方法，旨在解決通過光纖氣體傳感器對低濃度硫化氫氣體檢測，提高檢測精度和可靠性。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種光纖硫化氫氣體傳感器測量系統，其特征在于，包括：寬帶光源、通過光纖連接的光纖傳感器和光譜儀，光纖傳感器的兩端具有進氣口和出氣口；所述光纖傳感器結構由第一單模光纖、第一多模光纖、光子晶體光纖、第二多模光纖、第二單模光纖構成，其中光子晶體光纖兩端分別連接第一多模光纖和第二多模光纖，第一多模光纖及第二多模光纖兩端分別熔接有第一單模光纖和第二單模光纖。

優選地，所述光子晶體光纖表面涂覆一層二氧化鈦/氨基化石墨烯量子點復合敏感膜。

優選地，所述第一多模光纖和第二多模光纖的長度均為0.3cm，光子晶體光纖長度為4.5cm。

本發明進一步公開了一種硫化氫氣體的檢測方法，具體步驟如下：

步驟1：采用上述氣體傳感器檢測系統，獲得在沒有硫化氫氣體下的二氧化鈦/氨基化石墨烯量子點涂層的光子晶體光纖的傳感器干涉儀的光譜圖；

步驟2：配置濃度分別為10ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm以及55ppm的H₂S氣體，將不同濃度的硫化氫氣體通過進氣口2通入氣體傳感器測量系統中，光譜儀光譜選擇1538.9nm，觀察光譜儀在給光譜下獲取不同硫化氫濃度下的光譜圖；

步驟3：選取步驟1中光譜圖其中一段波峰的中心波長，并在步驟2中不同濃度硫化氫氣體的光譜圖中選取相同波峰的中心波長，并通過線性擬合得到p＝m-nc，即c＝(m-p)/n，其中p為硫化氫氣室檢測光譜中該波峰的中心波長，m為不含硫化氫氣體檢測光譜中該波峰的中心波長，n為每1ppm硫化氫氣體在光譜中的偏移量，c為硫化氫氣體的濃度；

步驟4：將上述氣體傳感器檢測系統放入待檢測硫化氫氣室中并獲取該氣室檢測的光譜圖，選取其中一段波峰的中心波長，代入公式c＝(m-p)/n得到硫化氫氣體的濃度。