[發明專利]一種監測鉛離子/細菌雙參量光纖傳感裝置及實現方法

有效

• 申請號: 202011298520.7
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112444502B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 沈濤;王振家;恭艾娜;陳姣姣;劉馳;黃海;張偉超
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G01N21/55
• 分類號: G01N21/55;G01N21/59;G01N21/01
• 代理公司: 暫無信息
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1.一種監測鉛離子/細菌雙參量光纖傳感裝置，其特征在于：它包括ASE光源(1)、光纖耦合器(2)、傳感單元(3)、鉛離子/細菌容納裝置(4)、光電轉換器(5)、信號處理模塊(6)；

所述傳感單元(3)包括單模光纖(3-1)、玻璃插芯(3-2)、摻雜銀的二維二硫化鉬材料(3-3)和碳納米管(3-4)、硅膜片(3-5)，其中：

單模光纖(3-1)和硅膜片(3-5)內表面形成空氣法珀腔，并且此空氣法珀腔的腔長約為20nm，硅膜片(3-5)自身構成硅法珀腔，硅法珀腔的腔長為硅膜片(3-5)的厚度40μm；

摻雜銀的二維二硫化鉬材料(3-3)和碳納米管(3-4)使用CVD方法制備而成，在制備過程當中選擇循環通入氮氣，作為保護，以免摻雜銀的二維二硫化鉬材料(3-3)與其反應，最后高壓定形；

傳感單元(3)中單模光纖(3-1)插入玻璃插芯(3-2)中，玻璃插芯(3-2)、摻雜銀的二維二硫化鉬材料(3-3)和碳納米管(3-4)、硅膜片(3-5)依次疊放并粘結并封裝后構成傳感單元(3)；

傳感單元(3)的具體制備過程包括部件的尺寸選擇、材料制備、部件的放置位置、部件的封裝；

其中：部件的尺寸選擇包括選擇硅膜片(3-5)的厚度為40μm、直徑為4mm的圓形膜片，碳納米管(3-4)直徑為20nm；

材料制備方法如下：在二氧化硅襯底上用電子束蒸發器沉積鉬層，然后將襯底放置在管式爐的中心，純硫被放置在同一石英管中的逆風低溫區；石英管首先保持在高純度氮氣的流動保護氣氛中，經過氮氣吹掃30分鐘后，爐內溫度在40分鐘內從室溫逐漸升高到500℃，然后在90分鐘內溫度從500℃升高到800℃，并保持不變，在800℃冷卻10分鐘后，在120分鐘冷卻到室溫，二硫化鉬層的厚度取決于預沉積的鉬的厚度；

用氧化石墨烯、環氧丙烷-3、4、9、10四羧酸四鈉鹽或環氧丙烷-3，4，9，10四羧基二酐對二氧化硅/硅襯底進行涂覆，將三氧化鉬粉末置于陶瓷容器中，預處理的二氧化硅/硅襯底正面放在容器的頂部；在三氧化鉬粉末旁邊放置一個單獨的含硫粉末的陶瓷容器，可以將星形二硫化鉬合并成一個連續的二硫化鉬薄膜，其橫向尺寸為2毫米；

部件的放置位置包括將硅膜片(3-5)和摻雜銀的二維二硫化鉬材料(3-3)和碳納米管(3-4)按順序疊放在高溫加熱臺上，將外徑為3mm的玻璃插芯(3-2)放置在摻雜銀的二維二硫化鉬材料(3-3)和碳納米管(3-4)上面，將玻璃插芯(3-2)與硅膜片(3-5)和摻雜銀的二維二硫化鉬材料(3-3)和碳納米管(3-4)的中心對齊；

部件的封裝包括使用粘結劑將玻璃插芯(3-2)、摻雜銀的二維二硫化鉬材料(3-3)和碳納米管(3-4)、硅膜片(3-5)密封，之后將切割平整的單模光纖(3-1)插入玻璃插芯(3-2)的合適位置，使用紫外膠進行預固定，之后再用環氧樹脂進行完全的固定，靜置48小時。

2.根據權利要求1所述的一種監測鉛離子/細菌雙參量光纖傳感裝置的實現方法，其特征在于：ASE光源(1)發出光束傳輸至光纖耦合器(2)，光纖耦合器(2)輸出光束傳輸至傳感單元(3)，光束在傳感單元(3)中進行反射和透射，當傳感單元(3)放置在鉛離子/細菌容納裝置(4)中時，傳感單元(3)在鉛離子/細菌容納裝置(4)中的摻雜銀的二維二硫化鉬材料(3-3)和碳納米管(3-4)厚度改變，空氣法珀腔發生變化，影響反射光的光程，進而產生光的干涉，干涉光通過單模光纖(3-1)返回至光纖耦合器(2)并通過光纖耦合器(2)傳輸至光電轉換器(5)中，光電轉換器(5)產生模擬信號并傳輸至信號處理模塊(6)中進行數據處理。

3.根據權利要求2所述的一種監測鉛離子/細菌雙參量光纖傳感裝置的實現方法，其特征在于：

所述ASE光源(1)為寬帶光源，中心波長為1550nm用于產生光信號。

4.根據權利要求2所述的一種監測鉛離子/細菌雙參量光纖傳感裝置的實現方法，其特征在于：

所述信號處理模塊(6)包括A/D模塊(6-1)、數據緩沖模塊(6-2)、IIC串口(6-3)、主機(6-4)依次相連。

5.根據權利要求2所述的一種監測鉛離子/細菌雙參量光纖傳感裝置的實現方法，其特征在于：所述的信號處理模塊(6)由光電轉換器(5)產生的模擬信號進入信號處理模塊(6)中，通過信號處理模塊(6)中的A/D模塊(6-1)進行模擬信號與數字信號的轉換，將其輸出的數字信號輸入到數據緩沖模塊(6-2)進行數字信號的緩存，之后信號經過IIC串口(6-3)傳輸到主機(6-4)，并在主機(6-4)中顯示數據。