[发明专利]基于氧化石墨烯/乙酸纤维素的长周期光纤光栅NH3气体传感器

说明书

本发明公开了一种基于氧化石墨烯/乙酸纤维素功能化的长周期光纤光栅NH₃气体传感器，其特征在于，包括输入光纤、长周期光纤光栅探头和输出光纤，长周期光栅探头的一端与输入光纤连接，另一端与输出光纤连接；所述光纤探头上涂覆有氧化石墨烯/乙酸纤维素复合膜，该复合膜在氧化石墨烯与乙酸纤维素物理共混时形成分子间氢键。本发明的传感器具有测量精度和灵敏度较高、稳定性高以及无损检测等特点，并且可以快速解吸附，可以用于实时检测。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于长周期光纤光栅的NH3气体传感器，特别涉及基于氧化石墨烯(graphene oxide,GO)/乙酸纤维素(CA)功能化的长周期光纤光栅NH₃气体传感器。

背景技术

随着世界工业化的不断发展，各种工业废气的排放量越来越大，这些工业废气中含有大量易燃易爆和有毒气体，若是泄漏到空气中会严重污染环境并且对人体健康造成严重伤害。在这些气体中，氨气(NH₃)是一种典型的有毒、有害气体，因此，及时准确地控制和监测环境和有关污染源中的NH₃气体的体积分数，对环境保护和监测具有重大意义。

目前通用的电化学传感器体积较大，且使用的仪器相对较为昂贵；相对于传统常规传感器，光纤传感器具有灵敏度高、全光器件、易弯曲、耐高温高压、结构简单、抗电磁干扰、可远距离检测等优点。因此我们提出一种基于长周期光纤光栅的NH₃气体传感器。长周期光纤光栅具有体积小、损耗低、重量轻的特点，实际使用时可将传感头放入人和仪器不宜进入的恶劣环境中(如有毒气体、高温等)，而工作人员可进行遥测遥控，实现在线、连续监测整个污染过程。但是长周期光栅对NH₃气体的检测灵敏度有限，因此，我们引入了氧化石墨烯作为敏感材料。石墨烯是单层碳原子以sp²杂化轨道紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构材料，具有独特的零带隙能带结构、优异的机械性能、超高的热导率、极大的比表面积、超宽带的光学响应谱及极强的非线性光学特性，使其在新型光学和光电传感领域具有显著的优势。相对石墨烯，氧化石墨烯不仅具有非常高的比表面积，其表面的间或分布的环氧基团和羟基也可以极大提高探头对NH₃气体分子的吸附量；此外将氧化石墨烯分散于乙酸纤维素中，结合乙酸纤维素多孔结构进一步扩大传感器对氨气分子的吸附量与灵敏度，从而提高传感器检测NH₃分子的灵敏性。

发明内容

本发明针对技术背景中的问题，提出了一种结合氧化石墨烯/乙酸纤维素和光纤光栅折射率传感的技术，设计了一种基于氧化石墨烯/乙酸纤维素功能化的长周期光纤光栅NH₃气体传感器，该制作方法能确保基于氧化石墨烯/乙酸纤维素功能化的长周期光纤光栅NH₃气体传感器的测量精度、灵敏度和稳定性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于氧化石墨烯/乙酸纤维素功能化的长周期光纤光栅NH₃气体传感器，其特征在于，包括输入光纤、长周期光纤光栅探头和输出光纤，长周期光栅探头的一端与输入光纤连接，另一端与输出光纤连接；

所述光纤探头上涂覆有氧化石墨烯/乙酸纤维素复合膜，该复合膜在氧化石墨烯与乙酸纤维素物理共混时形成分子间氢键。

接上述技术方案，输入光纤和输出光纤均为单模传导光纤。

接上述技术方案，所述氧化石墨烯/乙酸纤维素采用物理共混法制备，配置的氧化石墨烯溶液中，氧化石墨烯原液与水的体积比为0.1％-10％，氧化石墨烯与乙酸纤维素质量比例为0.5％-10％。

接上述技术方案，所述长周期光纤光栅探头包括多组不同周期的光栅，不同周期光栅的栅区侧面镀有不同厚度的氧化石墨烯/乙酸纤维素。

接上述技术方案，长周期光纤光栅探头的光栅周期为100-550μm。

本发明还提供了一种长周期光纤光栅探头的制作方法，该制作方法包括以下步骤：