近红外气敏检测空芯光纤的研究及其应用

随着人们对环境监测要求的日益提高，气敏检测在人们的生活中扮演着越来越重要的作用。红外光谱法是近年进行气敏检测研究的热点之一，它克服了传统气敏传感器受环境温度影响大，使用寿命短，响应速度慢的缺点，具有特征性强、操作简便、测量快速、无需破坏试样、需样量少的优点。应用红外光谱法进行气敏检测，检测精度受分子吸收、光程等因素的影响。气体分子之间间隙大，对光谱的吸收响应较弱，因此造成了气敏分析灵敏度低，定量分析误差较大，测试所需光程长的缺点。为了提高光谱法检测气体的灵敏度，多种现代技术被应用到了光谱检测方法中，空芯光纤和white结构是其中最有代表性的方法。其中空芯光纤具有结构简单、光程长、造价低、弯曲性能好的特点是目前最具潜力的一种气敏检测方法。空芯光纤进行气敏检测在中红外波段已经得到了很多应用，并取得了很多研究成果。而在近红外检测中，由于空芯光纤传输损耗较大而应用不多。本论文首先分析了空芯光纤技术的发展历史、分类和近红外检测的原理，在此基础上提出了近红外专用空芯光纤的概念，并设计了全反射式近红外空芯光纤，详细研究了全反射近红外空芯光纤的薄膜材料和镀膜技术。针对气敏检测中空芯光纤在单位长度内检测效率不高的缺陷，我们设计了液膜空芯光纤，并对其检测效果做了初步研究。最后我们对近红外空芯光纤在气敏检测仪器中的应用进行了研究，设计开发了一种小型化空芯光纤检测系统，该系统对空心光纤光谱检测仪器的小型化有重要意义。具体来讲，本论文主要取得了以下几方面成果：1、设计开发了一种近红外专用全反射空芯光纤。空芯光纤在近红外波段传输损耗较中红外大，这是由于近红外光波长较短，空芯光纤反射薄膜的散射效应对近红外光的影响较大。通常研究近红外低损耗空芯光纤的方法是在银膜表面镀介质膜，通过更换材料找到在需要的波段具有低损耗窗口特性的介质膜，进而制成在需要波段具有低损耗特性的近红外空芯光纤。本论文通过分析比较近红外和中红外空芯光纤的传输特性和损耗因素，提出了全反射模式近红外空芯光纤。该光纤利用金属在近红外波段的反常色散特性，设计了n<1的全反射模式近红外空芯光纤。在此基础上我们详细研究了不同薄膜厚度对近红外空芯光纤损耗特性的影响，及反射膜成膜的各种实验条件。通过对空芯光纤传输损耗的测试，这种全发射式近红外空芯光纤在近红外宽波带范围内具有平坦的低损耗性能。2、采用铜膜作为反射薄膜，扩展了空芯光纤薄膜材料的范围。空芯光纤通常采用银膜作为反射膜，因为银膜的生长条件简单，制作技术成熟，同时银膜具有较好的光学性质和成膜形貌。然而由于银是一种贵金属，其制作成本较高。通过比较我们发现在近红外波段，铜的光学性质和色散特性与银十分接近，因此我们尝试了采用铜膜作为反射膜材料的近红外空芯光纤的制作。铜薄膜可以采用化学镀方法成膜，因此成膜也比较容易。通过实验我们研究了铜膜的生长条件、薄膜形貌和成膜后的光传输性质，并对铜膜空芯光纤和银膜空芯光纤进行了比较。3、针对空芯光纤单位长度内气敏检测效率不高的缺点，我们设计开发了一种液膜空芯光纤。光谱法进行气敏检测，通常要求具有较长的光程，尤其是气体浓度较低时。空芯光纤进行气敏检测也受此条件的限制，空芯光纤研究常用的几十厘米长的光波导结构往往只能检测到1%量级的甲烷或者CO2。因此研究一种新方法提高单位长度内空芯光纤的气敏检测效率已经成为空芯光纤研究的热点。在本论文中，我们提出一种利用液态薄膜吸收气体来提高气敏检测灵敏度的液膜空芯光纤。该液膜空芯光纤采用液态薄膜作为介质膜，同时采用气相色谱技术中的固定液作为液态薄膜材料。这种固定液具有良好的粘性能够非常容易地在空芯光纤内部形成薄膜，而且它具有良好的气体吸收特性，能够将气体分子溶解到薄膜中，从而提高了空芯光纤中气体分子的浓度，达到提高气敏检测效率的目的。我们对液膜空芯光纤方法进行了理论分析和实验验证，探讨了液膜空芯光纤的制作方法。在近红外波段取得了很好的增强气敏检测信号的效果。4、设计了一种小型化的近红外空芯光纤气敏检测装置。通过对近红外空芯光纤的研究，我们发现近红外空芯光纤检测方法适于进行复杂气体成分的分析和定量测量。然而在实际应用中，由于光谱仪往往具有较大的体积，空芯光纤检测装置也体积庞大难于移动。因此本章我们以一款小型光栅光谱仪为核心设计了一种小型化空芯光纤检测装置。该装置可检测光谱范围800nm-1700nm，该范围涵盖了大部分有机气体和CO，CO2的近红外吸收谱线，可对多种气体进行定性和定量分析。通过实验这种装置的损耗性能、检测效果都达到了令人满意的效果。