液膜近红外气体检测空芯光纤结构的研究

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伴随社会经济的发展和工业化进程的加快,大气污染日益严重。人们追求高质量的生活,对环境监测水平的要求也越来越高。新型气体传感器成为传感器研究领域的热点。其中,光谱吸收型传感器检测范围广,具有较高的精度和良好的选择性。光纤传感技术,因其抗电磁干扰强,选择性良好,传输损耗小等优点得到了越来越多的重视,成为传感领域的新热点。空芯光纤是上世纪七十年代开始制作的一种光纤结构,其空芯既是传光波导,又是气体吸收室。传输损耗小,灵敏度高,高选择性及较宽的检测范围使其满足了气体检测的要求。其中,介质膜空芯光纤多用于气体检测。介质膜空芯光纤利用介质折射率的不同,在中红外区域,以窗口的形式降低空芯光纤的传输损耗。近红外波段的研究在很长时间被人们冷落,这是因为近红外的光谱吸收多为合频吸收或者倍频吸收,且吸收信号较弱。对于空芯光纤传输,近红外波长较短,散射损耗大。本研究针对气体在近红外光谱区域吸收峰弱的特点,设计了一种新型的液膜空芯光纤。这种空芯光纤是在银膜空芯光纤的基础上,将介质膜中固体膜替换成固定液SE‐54膜。根据气体分子与液膜材料相似相溶的原理,当液膜材料与被检测气体极性相同时,这种新型的空芯光纤可以提高气体在光纤内部的相对浓度,从而在不增加光程长度的基础上,加强了气体红外光谱的吸收峰强度。本研究选择石英管作为基管材料,并根据Miyagi理论确定了石英管的内径。我们选择银膜作为反射膜,以便获得较小的损耗系数。探究了不同反应时长及反应温度对银膜生长情况的影响。在本研究中,对液膜空芯光纤的制备方法进行了详细的说明。根据Miyagi理论,确定了液膜的厚度以便获得较低的传输损耗。本研究对液膜空芯光纤进行了传输损耗测试。液膜空芯光纤在近红外区域传输损耗较为平坦,且变化幅度很小。液膜空芯光纤是一种良好的近红外谱段气体检测空芯光纤,具有较宽的测试范围。我们组建了液膜空芯光纤所用气体检测系统,并对不同体积分数的乙炔、甲烷气体进行了气体吸收测试。研究发现,液膜空芯光纤对与其液膜极性相同的气体吸收效果有增强作用。对与其固定液极性不同的气体,无吸收增强效果。本研究所制液膜空芯光纤可以检测体积分数为1000PPM数量级以上的乙炔气体。我们通过实验证明,液膜空芯光纤是一种可重复使用的空芯光纤。
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