基于涂层的氯离子光纤传感器及其制备方法、应用

本申请涉及传感监测，特别是涉及基于涂层的氯离子光纤传感器及其制备方法、应用。

背景技术：

1、滨海沿江等地区，氯盐含量丰富，由于氯离子半径较小，穿透能力强，容易通过混凝土孔隙到达钢筋表面的钝化膜上，同时会改变混凝土内部的碱性环境，引起钝化膜的破坏以及钢筋腐蚀，锈蚀产物的累积会在混凝土内部形成膨胀应力，引发锈胀开裂，导致钢筋混凝土等重要构件的承载性能严重下降。大量研究表明，当混凝土内部孔隙液中的氯离子浓度大于或等于0.55mol/l时，钢筋表面的钝化膜开始破坏，钢筋腐蚀加快。因此，对混凝土孔隙液内的氯离子临界浓度的监测具有重要意义。

2、目前监测混凝土孔隙液中氯离子浓度主要为电化学监测法，如采用ag/agcl电极导电性变化等方法对混凝土孔隙液中的氯离子浓度进行监测，还有研究在混凝土内引入碳纳米管/水泥净浆复合物进一步提高电化学方法对氯离子浓度的灵敏度。虽然电化学方法可以实现对混凝土内氯离子浓度的监测，但是该方法中的电极受混凝土内部环境影响较大，寿命短而且测试准确率较低。

技术实现思路

1、基于此，本申请提供了能够提高氯离子检测准确性和使用寿命的基于涂层的氯离子光纤传感器及其制备方法、应用。

2、第一方面，本申请提供了一种基于涂层的氯离子光纤传感器，包括布拉格光纤光栅和涂层；

3、所述布拉格光纤光栅包括光纤纤芯，所述光纤纤芯至少部分为微纳结构，所述微纳结构是指光纤纤芯的直径≤10μm的纤芯结构；

4、所述涂层至少覆盖在所述微纳结构的表面；

5、所述涂层的材料包括银纳米线。

6、在其中一些实施例中，所述涂层的材料还包括银纳米粒子，所述银纳米粒子与所述银纳米线耦合。

7、在其中一些实施例中，所述银纳米粒子和所述银纳米线的质量比为1:(4~6)。

8、在其中一些实施例中，所述涂层的厚度为100nm~300nm。

9、在其中一些实施例中，所述布拉格光纤光栅还包括包层，所述包层包裹所述光纤纤芯除所述微纳结构以外的其他区域，所述涂层覆盖在所述包层的表面。

10、第二方面，本申请还提供了上述第一方面任一实施例中所述的基于涂层的氯离子光纤传感器的制备方法，包括如下步骤：

11、制备含有涂层材料的分散液；

12、至少将所述微纳结构浸泡于所述含有涂层材料的分散液中，使所述涂层材料沉积于所述微纳结构的表面，干燥后形成所述涂层。

13、在其中一些实施例中，所述涂层材料还包括银纳米粒子，所述含有涂层材料的分散液的制备包括如下步骤：

14、将含有所述银纳米粒子的分散液和含有所述银纳米线的分散液混合，形成混合液；

15、对所述混合液进行加热搅拌，使所述银纳米粒子沉积于所述银纳米线的表面形成耦合结构，制备含有所述耦合结构的分散液。

16、在其中一些实施例中，在含有所述银纳米粒子的分散液中，所述银纳米粒子的浓度为3mg/l~8mg/l。

17、在其中一些实施例中，在含有所述银纳米粒子的分散液中，分散剂包括水以及酒精中的一种或多种。

18、在其中一些实施例中，在含有所述银纳米线的分散液中，所述银纳米线的浓度为6mg/l~16mg/l。

19、在其中一些实施例中，在含有所述银纳米线的分散液中，分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮。

20、在其中一些实施例中，加热搅拌的温度为50℃~70℃，时间为30分钟~1小时。

21、在其中一些实施例中，所述微纳结构的制备包括如下步骤：

22、采用氢氟酸对至少部分光纤纤芯的表面进行腐蚀。

23、第三方面，本申请还提供上第一方面任一实施例中所述的基于涂层的氯离子光纤传感器在氯离子浓度监测中的应用。

24、本申请提供的基于涂层的氯离子光纤传感器采用了具有微纳结构的布拉格光纤光栅，并且至少在微纳结构的表面覆盖有涂层，涂层由包括银纳米线的材料组成，在光源激励下，该涂层中的银离子可以与氯离子专一结合，通过改变涂层的介质环境（如氯离子浓度变化）而引起倏逝场增强效应的改变，再结合信号解耦合可实现对氯离子浓度的精准监测。本申请提供的基于涂层的氯离子光纤传感器中的光纤具有耐高温、抗腐蚀以及易埋等特性，能适应混凝土内高碱性环境，数据采集可靠，误差相对较小，且使用寿命长。本申请提供的基于涂层的氯离子光纤传感器对氯离子具有高灵敏响应，光纤的反射波长变化明显，信号采集难度较低，对解调仪的要求不高，可有效减低传感器的制造成本。

技术特征：

1.基于涂层的氯离子光纤传感器，其特征在于，包括布拉格光纤光栅和涂层；

2.根据权利要求1所述的基于涂层的氯离子光纤传感器，其特征在于，所述涂层的材料还包括银纳米粒子，所述银纳米粒子与所述银纳米线耦合。

3.根据权利要求2所述的基于涂层的氯离子光纤传感器，其特征在于，所述银纳米粒子和所述银纳米线的质量比为1:(4~6)。

4.根据权利要求1所述的基于涂层的氯离子光纤传感器，其特征在于，所述涂层的厚度为100nm~300nm。

5.根据权利要求1~4任一项所述的基于涂层的氯离子光纤传感器，其特征在于，所述布拉格光纤光栅还包括包层，所述包层包裹所述光纤纤芯除所述微纳结构以外的其他区域，所述涂层覆盖在所述包层的表面。

6.权利要求1~5任一项所述的基于涂层的氯离子光纤传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于涂层的氯离子光纤传感器的制备方法，其特征在于，所述涂层材料还包括银纳米粒子，所述含有涂层材料的分散液的制备包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的基于涂层的氯离子光纤传感器的制备方法，其特征在于，在含有所述涂层的材料的分散液的制备满足以下条件中的至少一个条件：

9.根据权利要求6~8任一项所述的基于涂层的氯离子光纤传感器的制备方法，其特征在于，所述微纳结构的制备包括如下步骤：

10.权利要求1~5任一项所述的基于涂层的氯离子光纤传感器在氯离子浓度监测中的应用。

技术总结本申请涉及基于涂层的氯离子光纤传感器及其制备方法、应用。基于涂层的氯离子光纤传感器，包括布拉格光纤光栅和涂层；所述布拉格光纤光栅包括光纤纤芯，所述光纤纤芯至少部分为微纳结构，所述微纳结构是指光纤纤芯的直径≤10μm的纤芯结构；所述涂层至少覆盖在所述微纳结构的表面；所述涂层的材料包括银纳米线。在光源激励下，光纤传感器涂层中的银离子可以与氯离子专一结合，通过改变涂层的介质环境（如氯离子浓度变化）而引起倏逝场增强效应的改变，再结合信号解耦合可实现对氯离子浓度的精准监测。本申请提供的光纤传感器中的光纤具有耐高温、抗腐蚀以及易埋等特性，能适应混凝土内高碱性环境，数据采集可靠，误差相对较小，且使用寿命长。技术研发人员：王运佳,周海俊,刘迪,姜凡,童俊豪,毛幸全,李龙云受保护的技术使用者：深圳大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13