阅读说明：本技术 一种石墨烯量子点复合材料光纤气体传感器制作方法 (Manufacturing method of graphene quantum dot composite material optical fiber gas sensor ) 是由 黄国家 李茂东 杨波 冯文林 杨晓占 陈翠 翟伟 李仕平 郭华超 李爽 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光纤气体传感器的制备方法,其中该光纤传感器为由第一单模光纤、第一多模光纤、光子晶体光纤、第二多模光纤、第二单模光纤构成,光子晶体光纤两端分别连接第一多模光纤和第二多模光纤,第一多模光纤及第二多模光纤两端分别熔接有第一单模光纤和第二单模光纤,光子晶体光纤表面涂覆有二氧化钛/氨基化石墨烯量子点复合敏感膜；制备方法包括制备二氧化钛/氨基化石墨烯量子点复合材料及将其涂覆于光子晶体光纤上,形成检测膜并将多段光纤熔接形成干涉仪。本发明的石墨烯量子点复合材料光纤气体传感器制作成本低,体积小,结构简单,稳定,易于制备。(The invention discloses a preparation method of optical fiber gas sensors, wherein the optical fiber sensors are composed of single-mode optical fibers, multi-mode optical fibers, photonic crystal optical fibers, second multi-mode optical fibers and second single-mode optical fibers, two ends of each photonic crystal optical fiber are respectively connected with multi-mode optical fibers and the second multi-mode optical fibers, two ends of each multi-mode optical fiber and the second multi-mode optical fibers are respectively welded with single-mode optical fibers and the second single-mode optical fibers, and the surface of each photonic crystal optical fiber is coated with a titanium dioxide/aminated graphene quantum dot composite sensitive film.)

一种石墨烯量子点复合材料光纤气体传感器制作方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种石墨烯量子点复合材料光纤气体传感器制作方法。

背景技术

硫化氢(H₂S)是无色，剧毒，酸性的气体，即使是在浓度很低的情况下，人的嗅觉也会遭到损伤，因此对低浓度H₂S的监控十分重要。而敏感材料中，功能化的石墨烯量子点，是石墨烯中含有异质原子/分子，而氨基化的石墨烯量子点——含氮基团表面修饰成键的一种二维碳材料。氨基化石墨烯量子点具有极大的比表面积和丰富的含氧官能团，使得二氧化钛/氨基化石墨烯量子点与H₂S气体的接触面积大，使吸附H₂S气体更为容易。传统硫化氢传感器检测响应时间较长，制造成本较高。

光纤传感技术是一项正在发展中的具有广阔前景的新型高技术。由于光纤本身在传递信息过程中具有许多特有的性质，如光纤传输信息时能量损耗很小，给远距离遥测带来很大方便。光纤材料性能稳定，不受电磁场干扰，在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变所以光纤传感器从问世至今，一直都在飞速发展。因此，如何利用光纤传感技术制作一种对低浓度硫化氢浓度进行检测的气体传感器，使其能够具有工作稳定，检测效果好，效应时间快，精度和可靠性高等效果，就成为需要进一步考虑的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯量子点复合材料光纤气体传感器制作方法，旨在解决通过光纤气体传感器对低浓度硫化氢检测，提高检测精度和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型光纤气体传感器的制备方法，其中该光纤传感器为由第一单模光纤、第一多模光纤、光子晶体光纤、第二多模光纤、第二单模光纤构成，光子晶体光纤两端分别连接第一多模光纤和第二多模光纤，第一多模光纤及第二多模光纤两端分别熔接有第一单模光纤和第二单模光纤，光子晶体光纤表面涂覆有二氧化钛/氨基化石墨烯量子点复合敏感膜；该方法具体包括如下步骤：

步骤1：配置二氧化钛/氨基化石墨烯量子点复合材料溶液；

步骤2：将制备好的二氧化钛/氨基化石墨烯量子点复合材料涂覆于光子晶体光纤上，形成检测膜。

步骤3：利用光纤切割刀将镀好膜的光子晶体光纤的两端切平，保持光子晶体光纤的长度4.5cm，用光纤熔接机将已切割好断面的两端通过拉锥熔接的方式分别与一段多模光纤进行熔接，而后，两段多模光纤再分别与一段单模光纤熔接。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明通过在光子晶体光纤涂覆有二氧化钛/氨基化石墨烯量子点复合敏感膜，二氧化钛可有效的提高光纤传感器对硫化氢气体灵敏度，提高了采用单一石墨烯作为气体传感器的精度和可靠性，通过光谱检测仪检测干涉波峰的移动，从而能够检测硫化氢气体；本发明的石墨烯量子点复合材料光纤气体传感器制作成本低，体积小，结构简单，稳定，易于制备。

附图说明

图1是本发明实施例中光纤气体传感器的制备方法示意图。

图2是本发明实施例不同浓度硫化氢气体检测波长偏移与波长线性拟合示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种光纤气体传感器的制备方法，其中该光纤传感器由第一单模光纤、第一多模光纤、光子晶体光纤、第二多模光纤、第二单模光纤构成，其中光子晶体光纤两端分别连接第一多模光纤和第二多模光纤，第一多模光纤及第二多模光纤两端分别熔接有第一单模光纤和第二单模光纤；其中，光子晶体光表面涂覆一层二氧化钛/氨基化石墨烯量子点复合敏感膜；该方法具体包括传感原件制备和二氧化钛/氨基化石墨烯量子点复合材料的制备，包括如下步骤：

步骤1：配置二氧化钛/氨基化石墨烯量子点复合材料溶液；该配置过程具体为：用电子天平称量0.04g的粒径为5-10nm的纳米二氧化钛，将纳米二氧化钛分散于50 ml的去离子水中，配置纳米二氧化钛水溶液，加入搅拌子，盖上保鲜膜；将混合液放在恒温加热磁力搅拌器上搅拌，用移液管取1 ml于小试管中，再取1 ml浓度为1mg/ml、粒径为2.5-4.5nm的氨基化石墨烯量子点,两者混合，放在机械超声波清洗机中进行处理；超声过程中，控制温度低于4 ℃，超声20 分钟，该过程严格密封，避光保存，以制备二氧化钛/氨基化石墨烯量子点复合材料；

步骤2：制备好的二氧化钛/氨基化石墨烯量子点复合材料涂覆于光子晶体光纤上，形成检测膜。该过程具体为：将光子晶体光纤部段呈悬空状态固定后放入真空干燥箱中进行干燥处理，干燥后取7cm长度的光纤晶体光纤，用光纤剥线钳去掉涂覆层，用酒精清洗干净；其中，将光子晶体光纤部段呈悬空状态固定进行干燥处理，以防止水平放置出现成膜不均匀的情况；另外煅烧过程可以进一步增强石墨烯材料与光子晶体光纤部段的附着力，使之成为稳定的膜结构，同时不会破坏光子晶体光纤部段结构。

将剪切好的光子晶体光纤放在干净的载玻片上，用移液管取制备好的二氧化钛/氨基化石墨烯量子点溶液，在光纤上滴加该溶液，浸涂10分钟后取出；

将上述步骤五反复进行多次，优选为四次；

将放有光子晶体光纤的载玻片置于真空干燥箱中进行干燥；其中，最佳干燥温度为300℃干燥2小时，从而形成涂覆有二氧化钛/氨基化石墨烯量子点复合材料的光子晶体光纤；

步骤3：利用光纤切割刀将镀好膜的光子晶体光纤的两端切平，保持光子晶体光纤的长度4.5cm，用光纤熔接机将已切割好断面的两端通过拉锥熔接的方式分别与一段多模光纤进行熔接，而后，两段多模光纤再分别与一段单模光纤熔接；其中，熔接时光子晶体光纤远离电极，进行两次放电；第一次放电后，熔接点处边缘首先熔接上，而中心由于光子晶体光纤包层空气孔的塌陷排出的空气被捕获形成空气腔；实时监测反射谱，多次追加放电，使反射条纹的精细度和对比度最大。待光纤端面熔化完成，对准光子晶体光纤与第一多模光纤并推进预设长度，再往回拉伸，以完成光子晶体光纤与第一多模光纤的熔接；再将光子晶体光纤另一端面与第二多模光纤重复步骤上述步骤，直至拉伸距离到预设值。为了保证光纤熔接具有较低的损耗，达到最好的熔接效果，除了光纤末端清洁并且剥除干净，不同光纤在熔接前应选择适当熔接程序。应保证熔接处没有气泡，会形成塌陷层，干涉光谱没有出现杂峰，使单模光纤传输的光在熔接处有部分光会进入光子晶体光纤的包层，形成两束光，满足干涉条件。本实施例提供的拉锥方法，通过加长塌陷层长度，可以使纤芯和包层光更好地干涉，其干涉强度、光谱位移也会随之增大。

不同长度的光子晶体光纤，搭建成的马赫-曾德干涉结构，通过光谱仪观察干涉波峰和干涉峰的数量，以确认能找到最佳的干涉效果，从而找到气体传感器光子晶体光纤最佳的长度。传感结构中，光子晶体光纤的长度越长，得到的干涉波峰的数量越多，也即干涉峰越加密集，光子晶体的长度越短，得到的干涉波峰的数量明显下降，甚至出现得波峰不光滑。本发明综合考虑波峰数量适宜且曲线光滑毛刺少的特点，选择光子晶体光纤的最佳长度为4.5cm。

通过该方法制得的光纤硫化氢气体传感器对不同浓度的硫化氢进行检测，如检测浓度分别为10 ppm、20 ppm、30 ppm、40 ppm、50 ppm以及55 ppm的H₂S气体，通过光谱仪采集不同浓度下的硫化氢气体的光谱图，在光谱图中选取相同波峰的中心波长，并通过线性拟合得到p＝m-nc，即c＝(m-p)/n，其中p为硫化氢气室检测光谱中该波峰的中心波长，m为不含硫化氢气体检测光谱中该波峰的中心波长，n为每1ppm硫化氢气体在光谱中的偏移量，也及该传感器的灵敏度，c为硫化氢气体的浓度。如图1所示，在输出光谱中选取1538.9nm处的波峰进行监测，测试波峰随0～55 ppm范围内H2S气体浓度的偏移情况，随着通入H2S气体浓度的增大，输出光谱呈现明显的蓝移现象。传感区域二氧化钛/氨基化石墨烯量子点敏感膜吸附了H₂S气体分子，增加了包层的折射率，使纤芯和包层的有效折射率之差增大，使中心波长发生了蓝移，实验结果与理论分析吻合。在0-55 pp硫化氢浓度范围内，通过上述线性拟合的方式，计算得出该传感器对硫化氢灵敏度为26.62pm/ppm，线性度为0.99249。实验结果，表明该传感器对H₂S具有很高的选择性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。