专利名称：高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法
技术领域：
本发明涉及光纤氢气传感器制备工艺，具体涉及光纤光栅氢气传感器探头的制备工艺和封装技术。
背景技术：
近年来光纤氢气传感器由于具有体积小、本质安全和抗电磁干扰等优点而成为研究热点。目前光纤氢气传感器主要分为消逝场型、微透镜型、F-P干涉型、表面离子共振型及光纤光栅型。相对于其他类型的光纤氢气传感器，光纤光栅传感器由于采用波长作为解调信号而具有大容量监测能力，并且光纤光栅氢气传感器可以采用参考光栅的方法进行温度补偿，从而可以提高传感器测量的精确度和稳定性。WO3是一种优良的气敏材料，在催化剂的作用下可以与多种还原性气体反应。通过控制WO3的物相结构和催化剂的类型，可以制备出对氢气具有很好的选择性和灵敏度的WO3-Pt复合氢气敏感材料。将WO3-Pt复合氢气敏感材料与增敏的光纤光栅相结合，利用WO3-Pt复合氢气敏感材料与氢气反应放出的热量，改变光纤光栅的中心波长，通过检测光纤光栅中心波长的变化来获得氢气的浓度。W03-Pt复合氢气敏感材料的微观结构对氢气性能的影响具有重要作用一方面可以通过优化W03_Pt复合氢气敏感材料的物相结构和成分来提高对氢气灵敏度和降低氢气浓度的最低检测极限；另一方面可以对光纤光栅进行温度增敏来进一步提高传感器的灵敏度。利用改性的WO3-Pt复合氢气敏感材料与增敏光纤光栅的相结合制备传感探头，并进行保护性封装对该光纤光栅氢气传感器的实用化具有重要意义。

发明内容
本发明目的是提供一种高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法。本发明目的是通过下述技术方案来实现
一种高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法，其步骤为将沉积有Ti薄膜的光纤光栅与刻蚀有凹槽的玻璃基底粘结一起，且光纤光栅的栅区位于凹槽的中央；将改性WO3-Pt复合氢气敏感材料与去离子水混合均匀后涂覆凹槽中，并均匀地覆盖在光纤光栅的栅区部分；烘干WO3-Pt复合氢气敏感材料后，将所述的玻璃基底连同沉积有Ti薄膜的光纤光栅封装在多孔Ti管中，即得到高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头。本发明的一种高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法，包括如下步骤
1)、WO3-Pt复合氢气敏感材料制备利用离子交换法制备钨酸溶胶，将钨酸溶胶经过离心，去离子水清洗后与氯钼酸混合均匀，在经过烘干后，放入高温炉在250°C -360°c热处理lh-8h，一般热处理温度为315°C，热处理时间为lh，得到WO3-Pt复合氢气敏感材料，其中W:Pt摩尔比在1:1~8.91之间；
2)2)、将光纤光栅在无水乙醇中超声清洗30分钟，然后在去离子水中超声清洗20分钟，用紫外灯烘烤干后，放入镀膜机腔体中溅射Ti薄膜，Ti膜厚度10nm-200 μ m ；3 )、将镀膜后的光纤光栅固定于刻蚀有凹槽的玻璃基底的凹槽中，使栅区部分位于凹槽的中央，在凹槽两端分别有封装槽，光纤光栅两端的光纤位于封装槽中；对光纤光栅栅区的两端光纤施加预应力，用耐高温的胶水涂在封装槽中，待胶水完全固化后，镀膜光纤光栅就固定了；
4)、将步骤DWO3-Pt复合氢气敏感粉末与去离子水混合均匀后涂覆玻璃基底的凹槽中，并均匀地覆盖在光纤光栅的栅区部分，烘干，其中W:Pt摩尔比在1:广8. 9 1之间；
5)、将玻璃基底连同涂覆有WO3-Pt复合氢气敏感材料的镀Ti膜光纤光栅部分，放入多孔Ti管中(长为6cm、内部直径为3. 4mm、外部直径为4mm的多孔Ti管)，光纤从Ti管的两端伸出，用耐高温胶水使玻璃基底两端的光纤与多孔Ti管固定在一起，即制得高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头。本发明的技术方案中，所述的光纤光栅或者是去除部分包层的光纤光栅，其直径在 16μπι-125μπι 之间。本发明的技术方案中，所述的Ti的替代材料为Cr、N1、W、Al、Cu、Pt或Au ;使用Cr、N1、W、Al、Cu材料时，在镀膜光纤光栅栅区套2cm长的毛细玻璃管，然后一同固定在玻璃基底凹槽中，再涂覆WO3-Pt复合敏感材料。本发明的技术方案中，多孔Ti管或者用多孔聚四氟乙烯管、多孔玻璃钢管、多孔陶瓷管或多孔不锈钢管替代。6、本发明的技术方案中，玻璃基底可以用相同规格的Ti金属基底、硅酸盐陶瓷基底、聚四氟乙烯或纯S iO2基底替代。本发明的技术方案中，玻璃基底大小为长度1-8mm、宽l-5mm、厚O. 5-3mm;玻璃基底的凹槽的大小根据基底的尺寸设定，长度l_3mm、宽O. 4_4mm、深O. l_2mm之间；
本发明的技术方案中，所述的耐高温胶水是EP0XY-353ND-A和B (中文名热固化环氧树脂A和B)，按照质量比A:B为10:1搅拌均匀后涂覆于封装槽和光栅两端光纤部分。本发明将优化了成分和物相结构的WO3-Pt复合氢气敏感材料与经过温度增敏的光纤光栅相结合制备能够检测低浓度氢气的高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头；通过WO3-Pt复合氢气敏感材料物相结构和成分的优化，使其在IOOppm氢气有明显的热效应，从而改变环境的温度，在一定的氢气浓度下温度达到平衡，利用光纤光栅的温度敏感性可以将氢气的浓度间接的检测出来。本发明的高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头，工作原理是光纤光栅解调仪中光源发出稳定的宽带光，通过耦合器到达涂覆了 WO3-Pt复合氢气敏感材料的光纤光栅，一定的波长的光被该光纤光栅反射到光纤光栅解调仪。当传感探头放在不同浓度的氢气氛围时，WO3-Pt复合氢气敏感材料与氢气反应，放出热量并达到平衡，改变增敏光纤光栅周围的温度，使增敏光纤光栅的中心波长发生改变，通过检测增敏光纤光栅反射光的中心波长的变化来实现氢气浓度的高灵敏度精确测量。本发明中的传感光纤采用单模光纤，用相位掩模板法，通过准分子激光器发出产生的紫外光，在透过掩模板衍射时，零级衍射光被衰减到低于透射功率的3%，而一级衍射相加或相减被最大化，分别占整个透射功率的35%左右。一级衍射条纹发生干涉，干涉条纹照射在光纤纤芯上，使照射部分纤芯折射率发生永久性改变，在8_的曝光部分形成栅区。通过相同的工艺制作一批中心波长为1300nm或1550nm附近的光纤光栅。通过用相位掩模板法制备的光纤光栅具有可靠性高，反射率在90%以上，可以提高检测信号的大大增强。为了提高WO3-Pt复合氢气敏感材料的氢气活性，WO3在315°C下进行热处理lh，使其物相中含有尽可能多的非晶相结构，同时增加WO3-Pt复合氢气敏感材料中催化剂Pt的含量以进一步提高氢气活性；为了克服WO3-Pt复合氢气敏感材料与光纤光栅直接结合容易脱落的缺点，将光纤光栅固定在刻蚀有凹槽的玻璃基底上，凹槽有比较粗糙的表面，将复合氢气敏感材料涂覆凹槽与光纤光栅之间，可以将WO3-Pt复合氢气敏感材料很好的固定在光纤光栅的周围；在光纤光栅上沉积Ti薄膜,一方面可以提高光纤光栅的温度灵敏度，以进一步提高传感器的灵敏度，另一方面可起到保护膜的作用，保护光纤光栅以提高传感器的耐久性；将涂覆了复合氢气敏感材料的玻璃基底和光纤光栅一同封装在多孔Ti管可以对传感器敏感部分起到保护作用。


图1、是本发明的氢气传感器探头中氢气敏感材料、光纤光栅与玻璃基底装配不意图
图2、是本发明的氢气传感器探头中玻璃基底与光纤光栅封装示意图 图3、是本发明的氢气传感器探头中多孔Ti管结构示意图
图4、是本发明的氢气传感器探头中沉积了 Ti膜的光纤光栅的栅区结构放大示意图其中1-多孔Ti管，2-玻璃基底，3-光纤，4-耐高温胶水，5-氢气敏感材料，6-沉积了 Ti膜的光纤光栅，7-封装槽，8-凹槽，9-光纤光栅的栅区，10-光纤的包层，11-光纤的纤芯，12-Ti 膜。
具体实施例方式下面将结合附图对发明的高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法作进一步详细说明。本发明的高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头结构如图1-4所示。其制作如下
1)、利用离子交换法制备钨酸溶胶，将钨酸溶胶经过离心，去离子水清洗后与氯钼酸混合均匀，在经过烘干后，放入高温炉在315°C温度下热处理lh，得到WO3-Pt复合氢气敏感材料，其中W:Pt摩尔比在1:1到8. 9:1之间，Pt含量越高催化效果越好；为了 WO3-Pt复合氢气敏感材料中含有尽可能多的非晶相WO3，热处理过程中温度尽可能低，保持在250°C到360°C之间，具体设定的热处理温度根据烘干后材料中的水分含量而定，一般情况下设定处理温度为315°C，热处理时间为Ih ；
2)、将光纤光栅在无水乙醇中超声清洗30分钟，然后在去离子水中超声清洗20分钟，用紫外灯烘烤干后，放入镀膜机腔体中溅射Ti薄膜12，Ti膜一方面能够作为保护膜，另一方面可以起到增强温度敏感作用；在长为5cm、宽为3_、厚Imm的玻璃基底2中间用氢氟酸腐蚀出长2cm、宽2mm和深O. 5mm的凹槽8，凹槽8能够作为氢气敏感材料5和沉积了(镀)Ti膜的光纤光栅6的容器；在凹槽8的两端分别腐蚀长1. 5cm、宽O. 6mm、深O. 5mm的封装槽7，封装槽7的作用是能够将光纤水平的固定在凹槽8中；将镀了 Ti膜的光纤光栅6放入凹槽8中，使栅区部分位于凹槽8的中央,使两端的光纤位于封装槽7中；对光纤光栅的栅区的两端光纤3施加预应力，将调好的热固化环氧树脂A和B (EP0XY-353ND-A和B)按照A:B为1:10的比例搅拌均匀后涂在封装槽7中，待胶水完全固化后，就完成了光纤光栅的固定；
3)、取一定量的WO3-Pt复合氢气敏感材料，在离心管中与去离子水混合均匀后，涂覆在凹槽8的光纤光栅的栅区部分，然后用热风枪将WO3-Pt复合氢气敏感材料中的水分烘干，这样就完成了氢气敏感材料5的固定；
4)、将玻璃基底2连同涂覆氢气敏感材料5的镀Ti膜光纤光栅6部分放入长为6cm、内部直径为3. 4mm、外部直径为4mm的多孔Ti管I中，光纤从多孔Ti管I的两端伸出，将耐高温胶水涂覆在的多孔钛管的两端，待胶水完全固化后，使玻璃基底两端的光纤3与多孔钛管I固定在一起，多孔Ti管对传感器探头部分起到保护作用，这样就完成了高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备。
权利要求
1.一种高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法，其特征在于方法步骤为将沉积有Ti薄膜的光纤光栅与刻蚀有凹槽的玻璃基底粘结一起,且光纤光栅的栅区位于凹槽的中央；将改性WO3-Pt复合氢气敏感材料与去离子水混合均匀后涂覆凹槽中，并均匀地覆盖在光纤光栅的栅区部分；烘干WO3-Pt复合氢气敏感材料后，将所述的玻璃基底连同沉积有Ti薄膜的光纤光栅封装在多孔Ti管中，即得到高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤 1)>WO3-Pt复合氢气敏感材料制备利用离子交换法制备钨酸溶胶，将钨酸溶胶经过离心，去离子水清洗后与氯钼酸混合均匀，在经过烘干后，放入高温炉在250°C _360°C热处理lh-8h，得到WO3-Pt复合氢气敏感材料，其中W:Pt摩尔比在1:1 8. 9 1之间； 2)、将光纤光栅在无水乙醇中超声清洗30分钟，然后在去离子水中超声清洗20分钟，用紫外灯烘烤干后，放入镀膜机腔体中溅射Ti薄膜，Ti膜厚度10nm-200 μ m ； 3 )、将镀膜后的光纤光栅固定于刻蚀有凹槽的玻璃基底的凹槽中，使栅区部分位于凹槽的中央，在凹槽两端分别有封装槽，光纤光栅两端的光纤位于封装槽中；对光纤光栅栅区的两端光纤施加预应力，用耐高温胶水涂在封装槽中，待胶水完全固化后，镀膜光纤光栅就固定了 ； 4)、将步骤DWO3-Pt复合氢气敏感材料与去离子水混合均匀后涂覆于玻璃基底的凹槽中，并均匀地覆盖在光纤光栅的栅区部分，烘干，其中W:Pt摩尔比在1:广8. 9 1之间； 5)、将玻璃基底连同涂覆有WO3-Pt复合氢气敏感材料的镀Ti膜光纤光栅部分，放入多孔Ti管中，光纤从Ti管的两端伸出，用耐高温胶水使玻璃基底两端的光纤与多孔Ti管固定在一起，即制得高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头。
3.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法，其特征在于所述的光纤光栅或者是去除部分包层的光纤光栅，其直径在16μηι-125μηι之间。
4.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法,其特征在于所述的Ti的替代材料为Cr、N1、W、Al、Cu、Pt或Au ;使用Cr、N1、W、Al、Cu材料时，在镀膜光纤光栅栅区套2cm长的毛细玻璃管，然后一同固定在玻璃基底凹槽中，再涂覆WO3-Pt复合敏感材料。
5.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法,其特征在于多孔Ti管或者用多孔聚四氟乙烯管、多孔玻璃钢管、多孔陶瓷管或多孔不锈钢管替代。
6.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法，其特征在于玻璃基底可以用相同规格的Ti金属基底、硅酸盐陶瓷基底、聚四氟乙烯或纯SiO2基底替代。
7.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法,其特征在于玻璃基底大小为长度1 _8mm、宽l-5mm、厚O. 5_3mm ;玻璃基底的凹槽的大小根据基底的尺寸设定，长度l_3mm、宽O. 4_4mm、深O.1-2mm之间。
8.根据权利要求2所述的一种高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法，其特征在于步骤I)中所述的热处理温度为315°C，热处理时间为lh。
全文摘要
本发明涉及高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头的制备方法。其制法是将沉积有Ti薄膜的光纤光栅与刻蚀有凹槽的玻璃基底粘结一起，且光纤光栅的栅区位于凹槽的中央；将改性WO3-Pt复合氢气敏感材料与去离子水混合均匀后涂覆凹槽中，并均匀地覆盖在光纤光栅的栅区部分；烘干WO3-Pt复合氢气敏感材料后，将所述的玻璃基底连同沉积有Ti薄膜的光纤光栅封装在多孔Ti管中，即得到高灵敏度光纤光栅氢气传感器探头。本法通过热处理控制氢气敏感材料中WO3的物相和催化剂Pt的含量以提高其氢气敏感性能；将光纤光栅镀保护层Ti膜进行温度增敏，以进一步提高传感器的灵敏度和稳定性。本方法对光纤光栅氢气传感器的实用化具有重要意义。
文档编号G01N21/17GK103048270SQ20121055598
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者杨明红, 代吉祥, 杨志, 李智 申请人:武汉理工大学