光纤光栅传感器及制备方法、二氧化硫气体检测方法

本发明涉及二氧化硫气体检测领域，具体涉及光纤光栅传感器及制备方法、二氧化硫气体检测方法。

背景技术：

1、煤和石油燃烧、工业过程及火山爆发时将生成二氧化硫，二氧化硫是最常见、最简单、有刺激性的硫氧化物。2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单中，将二氧化硫列为3类致癌物。因此，研发二氧化硫浓度实时在线检测传感器，准确检测环境及工业生产中二氧化硫浓度，对于及时发现潜在二氧化硫泄露保障人员安全，探明二氧化硫转化机理与规律，及提升二氧化硫利用效率都至关重要。

2、当前用于二氧化硫气体检测方法主要有电化学法、化学法、光谱吸收法。其中电化学法检测二氧化硫的选择性和灵敏度易受硫化氢、氨气、氯化氢、二氧化碳等电导率敏感气体和碘化合物的影响。化学法操作过程繁琐、重复性低并且准确性易受含硫化合物气体和氢气的影响。虽然光谱吸收法操作简单，但灵敏度低，且测量结果受空气中其他成分(如：二氧化碳、水等)影响大。紫外荧光法虽然克服了化学检测方法重复性低、操作繁琐和主观性强等问题，但该方法在检测时检测数据易受到温度与光强波动、外界环境中杂质气体、环境中碳氢化合物的影响。

3、因此，本技术对二氧化硫气体的检测方法进行了改进，以求获得一种二氧化硫选择性强、灵敏度高、检测结果准确的检测方法和工具。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供光纤光栅传感器及制备方法、二氧化硫气体检测方法，以解决现有技术中的二氧化硫气体检测方法对于二氧化硫的选择性弱或灵敏度低，亦或者容易受到外界影响，进而容易导致检测结果准确度较低的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、第一方面，基于上述解决的技术问题，本发明公开了一种光纤光栅传感器，包括光纤，所述光纤具有纤芯，所述纤芯上具有光栅区，所述光栅区对应的纤芯外周涂覆有二氧化硫敏感膜，所述二氧化硫敏感膜外周涂覆有疏水透气涂层；

4、所述二氧化硫敏感膜为采用二氧化硫敏感材料涂覆与纤芯表面并干燥后得到，所述二氧化硫敏感材料包括kaust-8敏感材料，所述kaust-8敏感材料是通过将包括氢氧化铝、硝酸镍、氟化氢、吡嗪以及去离子水的混合匀质溶液进行离心后收集产物得到。

5、本发明的工作原理是：测试过程中，通过调节检测环境内二氧化硫浓度，引起传感器负载的二氧化硫敏感薄膜折射率发生变化，导致二氧化硫敏感光纤光栅的谐振波波长发生漂移；二氧化硫浓度越高，敏感薄膜折射率变化越大，导致光纤光栅谐振波波长漂移量越大。由于二氧化硫敏感膜对二氧化硫具有选择吸附性，同时，疏水透气涂层可以隔绝水汽对光纤光栅传感器的影响。因此，本发明公开的光纤光栅传感器能够实现对不同环境内二氧化硫浓度的准确测量。

6、作为优选，所述二氧化硫敏感材料中还包括dut-67-hcl材料，所述dut-67-hcl材料是通过将包括氧氯化锆八水合物、2,5-噻吩二羧酸、甲酸、n,n-二甲基乙酰胺的混合匀质溶液加热提纯后制成。

7、作为优选，所述二氧化硫敏感材料中还包括聚砜/聚酰亚胺复合溶胶，用于增强二氧化硫敏感膜在光纤表面的粘附强度；所述聚砜/聚酰亚胺复合溶胶是将聚砜和聚酰亚胺溶解在n-甲基吡咯烷酮溶液中搅拌后制得的。

8、作为优选，所述二氧化硫敏感膜的表面还涂覆有一层疏水透气层，所述疏水透气层材料为氧化硅。

9、作为优选，光纤光栅传感器采用封装结构进行封装，所述封装结构包括工字型金属板，所述工字型金属板上开设有凹槽，用于固定光纤光栅传感器，工字型金属板上具有多个开孔，多个开孔均匀分布于工字型金属板四周，用于采用螺丝将工字型金属板进行固定。

10、第二方面，本发明还公开了一种光纤光栅传感器的制备方法，用于制备如上所述的光纤光栅传感器，包括以下步骤：

11、s1.1、选取一段光纤进行预处理，得到具有裸露光栅区的预处理光纤；

12、s1.2、对步骤s1.1中得到的具有裸露光栅区的预处理光纤进行表面依次进行羟基化处理和硅烷化处理，得到二次处理的光纤，包括以下步骤：

13、首先将具有裸露光栅区的预处理光纤放入氢氧化钾/乙醇水溶液的混合液中进行浸泡，干燥后得到光栅区表面羟基化处理的光纤；

14、然后将光栅区表面羟基化处理的光纤放入3-氨基丙基三乙氧基硅烷/乙醇溶液的混合液中进行浸泡，干燥后得到光栅区表面硅烷化处理的光纤；这样是为了使下文中的二氧化硫选择性敏感材料的折射率变化能够有效传递到光纤上；

15、s1.3、制备二氧化硫敏感材料，并将制备的二氧化硫敏感材料涂覆于步骤s1.2中二次处理的光纤的敏感区表面，干燥处理后即可获得涂覆有二氧化硫敏感膜的光纤，作为光纤光栅传感器。

16、作为优选，步骤s1.3中制备二氧化硫敏感材料包括以下步骤：

17、s1.3.1、制备kaust-8敏感材料，用于提升传感器的灵敏度，通过将包括氢氧化铝、硝酸镍、氟化氢、吡嗪以及去离子水的混合匀质溶液进行离心后收集产物得到；

18、s1.3.2、制备dut-67-hcl材料，用于提高传感器的选择性，通过将包括氧氯化锆八水合物、2,5-噻吩二羧酸、甲酸、n,n-二甲基乙酰胺的混合匀质溶液加热提纯后得到；

19、s1.3.3、将kaust-8敏感材料和dut-67-hcl材料按比例混合，得到kaust-8/dut-67-hcl二氧化硫敏感复合材料；

20、s1.3.4、制备聚砜/聚酰亚胺复合溶胶，用于增强二氧化硫敏感膜在光纤表面的粘附强度；所述聚砜/聚酰亚胺复合溶胶是将聚砜和聚酰亚胺溶解在n-甲基吡咯烷酮溶液中搅拌后制得的；

21、s1.3.5、将kaust-8/dut-67-hcl二氧化硫敏感复合材料与聚砜/聚酰亚胺溶胶混合后得得到含有kaust-8/dut-67-hcl/聚砜/聚酰亚胺复合材料的二氧化硫敏感材料。

22、作为优选，步骤s1.3.1中，各组分的重量份分别为0.2～0.3份氢氧化铝、2～2.5份硝酸镍、3.45～5.75份氟化氢、3～4份吡嗪、6～8份去离子水；步骤s1.3.2中的混合匀质溶液中，各组分的重量份分别为600～800份氧氯化锆八水合物、550～700份2,5-噻吩二羧酸、2.44～3.66份甲酸、14～29份n,n-二甲基乙酰胺。

23、作为优选，还包括步骤s1.4，在步骤s1.3中得到的光纤光栅传感器中的二氧化硫敏感膜表面，涂覆一层疏水透气涂层，用于增强二氧化硫光纤光栅传感器在高湿环境下运行的稳定性和准确性。

24、第三方面，本发明还公开了一种二氧化硫气体检测方法，利用如上所述的光纤光栅传感器，包括以下步骤：

25、s2.1、制备如上所述的光纤光栅传感器；

26、s2.2、采用多组具有已知二氧化硫浓度的标准样品，结合光纤光栅传感器，绘制二氧化硫浓度的标准曲线；

27、s2.3、将光纤光栅传感器封装入封装结构中，安装于需要进行二氧化硫浓度的监测环境中；

28、s2.4、读取光纤光栅传感器的谐振波波长漂移量，并根据标准曲线得到监测环境中实际的二氧化硫浓度值。

29、本发明具有以下有益效果：本发明公开的光纤光栅传感器通过涂覆的二氧化硫敏感膜选择性吸附环境中二氧化硫后将引起折射率发生变化，从而导致光纤光栅谐振中心波长发生漂移，从过测量光纤光栅谐振中心波长漂移量即可能够实现对二氧化硫浓度的准确测量，能够应对不同的环境，具有强选择性、高灵敏度、且不容易受到外界的影响。同时，本发明公开的光纤光栅传感器能够实现对二氧化硫浓度的在线测量。