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原文传递 MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器

专利名称：	MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器
摘要：	本发明专利提供了一种监测MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感装置及实现方法，它包括宽带光源光源(1)、环形器(2)、传感器系统(3)、光谱分析仪(4)、解调模块(5)、计算机(6)。本发明专利通过光纤进行传感，利用光线追踪原理，使宽带光源发出的光在马赫曾德干涉仪中产生干涉光谱，通过对干涉光谱的检测，测量气体和磁场，并且通过解调模块，实现数字输出，达到可以在计算机上显示的目的。本发明降低了传感单元的尺寸，增加了传感的灵敏度，降低了不同参量的交叉影响，实现了同时监测气体和磁场的目的。同时可以在计算机上输出，实现了对气体和磁场的实时监测。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	黑龙江;23
申请人：	哈尔滨理工大学
发明人：	刘欣;张寒梅;沈涛
专利状态：	有效
申请日期：	2021-11-30T00:00:00+0800
发布日期：	2022-03-04T00:00:00+0800
申请号：	CN202111445413.7
公开号：	CN114136924A
分类号：	G01N21/45;G01R33/032;G01R33/00;G;G01;G01N;G01R;G01N21;G01R33;G01N21/45;G01R33/032;G01R33/00
申请人地址：	150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号
主权项：	1.MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器，其特征在于：它包括宽带光源(1)、环形器(2)、传感系统(3)、光谱分析仪(4)、解调模块(5)、计算机(6)；所述传感系统(3)包括左侧磁力座(3-5)、右侧磁力座(3-8)、左侧微调旋钮(3-1)、右侧微调旋钮(3-12)、左侧直角架(3-2)、右侧直角架(3-10)、左侧位移平台(3-4)、右侧位移平台(3-11)、磁铁A(3-3)、磁铁B(3-9)、气体传感箱(3-7)、传感单元(3-6)，其中：气体传感箱(3-7)的左右两侧分别放置固定左侧直角架(3-2)的位移平台(3-4)，并将左侧位移平台(3-4)固定在磁力座(3-5)上，并且在左侧直角架(3-2)固定带有N极磁场的磁铁A(3-3)，同样地，右侧直角架(3-10)固定带有S极磁场的磁铁B(3-9)，另外，传感单元(3-6)放置在气体传感箱(3-7)内；传感单元(3-6)中锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)与FBG(3-6-3)级联构成复合结构，并且将气敏材料(3-6-2)包裹在锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)上，另外FBG(3-6-3)部分粘贴在GMM材料(3-6-4)上共同构成传感单元(3-6)；传感单元(3-6)的具体制备过程包括光纤复合结构的制作、敏感材料的包覆；其中：光纤复合结构的制作包括锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)的制作，以及锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)与FBG(3-6-4)级联结构的制作；首先锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)的制备选取长为25cm的单模光纤，通过施加张力加热单模光纤(SMF)制成的，并将气敏材料(3-6-2)包裹在锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)上的SDS使锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)结构对环境相对气体的变化敏感；锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)自身构成马赫曾德干涉仪；之后将端面切割平整的锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)与栅区长为20mm且中心波长为1550nm的FBG(3-6-3)采用光纤熔接机进行熔接，形成光纤复合结构；敏感材料的包覆主要包括气敏材料(3-6-2)和GMM材料(3-6-4)的包覆，其中气敏材料(3-6-2)采用MXene材料；首先，MXene材料选用单层或少层Ti3C2，将其包裹在锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)上；另外，将干燥好的复合结构中FBG(3-6-3)栅区部分采用环氧树脂材料粘贴在GMM材料(3-6-4)表面，静置48小时； MXene材料选用单层或少层Ti3C2Tx，单层或少层Ti3C2Tx的具体制备方法为：采用MAXene(Ti3AlC2)选择性刻蚀Al的方法合成MXene(Ti3C2Tx)，简单地说，1.2gLiF加到15mL 9mol/L盐酸中，将蚀刻混合物搅拌5min，在5min以上的蚀刻液中逐渐加入0.75gTi3AlC2粉末，在32℃下连续搅拌24h，最后的反应混合物用去离子水离心洗涤多次(8000rpm)，直到上清液的pH值达到中性，然后将黑色浆液(Ti3C2Tx)从灰色固体(未刻蚀的Ti3AlC2)中分离出来，随后在多孔PTFE膜上真空过滤，获得最终的Ti3C2Tx功率，将0.2gTi3C2Tx加入到200mL去离子水中，超声几分钟，获得分层的Ti3C2Tx薄片，然后，以6000rpm离心35min，去除多层团聚体，获得的深色上清保存备用，再在烘干箱(60℃)里进行干燥就得到单层或少层Ti3C2Tx；所述的MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器，其特征还在于：宽带光源(1)发出光束传输至环形器(2)，环形器(2)输出光束传输至传感系统(3)中的传感单元(3-6)，光束在传感单元(3-6)中产生干涉，当传感系统(3)中磁场发生变化时，GMM材料(3-6-4)由于磁致伸缩效应产生伸长，粘贴在GMM材料(3-6-4)上的FBG(3-6-3)栅距发生变化，干涉光发生变化，而当气体发生变化时，由于气体影响MXene材料发生变化，光束传输至包裹MXene材料的锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)包裹MXene材料部分的光程发生变化，进而由锥形单模光纤(TSMF)(3-6-1)产生的马赫曾德干涉的干涉光变化，干涉光通过环形器(2)将反射光谱传输至光谱分析仪(4)显示干涉光谱，解调模块(5)将光谱分析仪(4)中的解调并传输至计算机(6)进行数据处理。 2.根据权利要求1所述的MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器，其特征在于：所述光源为宽带光源(1)，中心波长为1550nm用于产生光信号。 3.根据权利要求1所述的MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器，其特征在于：所述传感系统(3)测量气体时，将气体传感箱(3-7)开启，传感单元(3-6)放置在气体传感箱(3-7)内，实现气体测量，而测量磁场时，将气体传感箱(3-7)关闭，传感单元(3-6)放置在气体传感箱(3-7)内，操作位移平台(3-4)使磁场发生变化，实现磁场的测量。
所属类别：	发明专利