一种氧化钨薄膜修饰单模锥形光纤MZI的氨气传感器

本发明属于光纤传感，具体涉及一种获取氨气浓度的单模锥形光纤mzi传感器，其可以及时准确地对工业废气、食品和居住空气等环境中的氨气气体浓度信号进行监控与测量。

背景技术：

1、目前许多工业领域、空气污染、矿井安全等环境中对有害有毒气体的实施测量与控制非常重要。相比于其它气体传感器，光纤气体传感器以光纤具有体积小、频带宽、传输损耗低、抗电磁干扰性强和携带的信息量大的特点，由其构成的传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、便于复用、成网等诸多优点而倍受重视。

2、现有的测量技术中，均是根据不同气体对某种特定波长的吸收情况而对气体进行定量或定性的分析，该传感系统复杂、成本较高；一些直接采用火焰熔融拉锥技术获得的单模锥形光纤，锥角轮廓长而均匀，光能量主要集中在基模，干涉现象不明显。在沉积氧化钨薄膜后，插入损耗迅速增大，透射光强衰减剧烈，无法作为传感器使用。采用预先制备出突然锥体的单模光纤熔融拉锥，可以充分利用微纳光纤强的倏逝场作用，大大提高其传感器的灵敏度，而且具有制作简单、易于实现等优点。该传感器集纳米功能薄膜的优良特性与单模锥形光纤mzi的优势于一体，能够实现分布式测量、易于集成并且远程传感，因此具有其他传感器无可比拟的优势。目前尚未有结合纳米复合结构薄膜的特性与单模锥形光纤mzi的环境敏感特性的传感器对氨气浓度等信号感测及分析的方案。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提供一种结构简单、响应时间短、灵敏度高且制作方便、成本低廉、易于实施的基于单模锥形光纤mzi的氨气气体浓度测量仪。

2、本发明具体的技术方案：

3、一种氧化钨薄膜修饰单模锥形光纤mzi的氨气传感器，包括光源、光纤传感元件、光谱仪/光功率计和连接用光纤，所述的光源发出的光通过连接用光纤注入光纤传感元件，然后通过输出连接用光纤到达光谱仪/光功率计，光纤传感元件位于被测氨气气体中，其中所述的光纤传感元件为单模——单模锥形光纤mzi——单模结构，光纤传感元件上设有氧化钨薄膜。

4、进一步的，所述的连接用光纤为单模光纤。

5、进一步的，所述的光纤传感元件是单模光纤基于电弧放电和熔融拉锥技术得到的单模——单模锥形光纤mzi——单模结构。在单模锥形光纤mzi上沉积有氧化钨薄膜。

6、进一步的，所述的光源为超连续光源或宽带光源。

7、进一步的，所述的单模锥形光纤mzi是通过火焰熔融拉锥机在预先制备出突然锥体的单模光纤上拉制而得，制备出的单模锥形光纤mzi结构的腰区直径为～8μm。

8、进一步的，所述的氧化钨薄膜是通过电阻加热蒸发镀膜技术在真空条件下沉积而得，薄膜厚度为～500nm。

9、本发明制作的一种基于单模锥形光纤mzi的氨气传感器的工作原理为：单模光纤基于电弧放电和熔融拉锥技术得到单模——单模锥形光纤mzi——单模的传感元件结构，由于单模锥形光纤mzi是利用普通的单模光纤制作而成，所以制备简单而且不存在熔接损耗。当入射光从单模光纤进入单模锥形光纤mzi时，不满足全反射条件将会激发倏逝波，微纳光纤直径越小倏逝波的比例就越大，与外界环境物质作用时，也就越容易受到环境物质折射率变化的影响，致使其高阶模折射率发生变化，从而使干涉波谷发生漂移。

10、倏逝场对外界环境的折射率变化有很好的敏感性，当我们在单模锥形光纤上沉积有氧化钨薄膜，将其置于一定浓度的氨气中，由于氧化钨膜与气体的作用，将使得氧化钨膜的光学性质发生变化，从而引起折射率的变化，引起倏逝场发生变化，同时高阶模折射率发生变化，因此，单模锥形光纤mzi的干涉波谷将发生漂移。

11、对氨气气体敏感的薄膜材料主要是氧化钨膜，研究表明，当氨分子吸附在wo3纳米薄膜表面时，氨分子作为一种还原剂，与wo3之间会发生电荷迁移或重排，微纤维表面的折射率发生变化，致使基模和高阶模的有效折射率之差发生变化，根据耦合光强表达式

12、

13、可知，对应的干涉波谷将会发生飘移。

14、本发明有益效果是：本发明制作的单模锥形光纤mzi与传统的单模锥形光纤mzi相比，可以充分利用微纳光纤强的倏逝场作用，使得干涉波谷偏移对外界环境折射率变化具有高的灵敏度，因此可以广泛应用于传感器和恶劣环境中的氨气测量领域。

技术特征：

1.一种氧化钨薄膜修饰单模锥形光纤mzi的氨气传感器，其特征在于：包括光源、光纤传感元件、光谱仪/光功率计和连接用光纤，所述的光源发出的光通过连接用光纤注入光纤传感元件，然后通过输出连接用光纤到达光谱仪/光功率计，光纤传感元件位于被测氨气气体中，其中所述的光纤传感元件为单模——单模锥形光纤mzi——单模结构，光纤传感元件上设有氧化钨薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种氧化钨薄膜修饰单模锥形光纤mzi的氨气传感器，其特征在于：所述的连接用光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1所述的一种氧化钨薄膜修饰单模锥形光纤mzi的氨气传感器，其特征在于：所述的光纤传感元件是单模光纤基于电弧放电和熔融拉锥技术得到的单模——单模锥形光纤mzi——单模结构，在单模锥形光纤mzi上沉积有氧化钨薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种氧化钨薄膜修饰单模锥形光纤mzi的氨气传感器，其特征在于：所述的光源为超连续光源或宽带光源。

5.根据权利要求3所述的一种氧化钨薄膜修饰单模锥形光纤mzi的氨气传感器,其特征在于：所述的单模锥形光纤mzi是通过火焰熔融拉锥机在预先制备出突然锥体的单模光纤上拉制而得，制备出的单模锥形光纤mzi结构的腰区直径为～8μm。

6.根据权利要求1所述的一种氧化钨薄膜修饰单模锥形光纤mzi的氨气传感器,其特征在于：所述的氧化钨薄膜是通过电阻加热蒸发镀膜技术在真空条件下沉积而得，薄膜厚度为～500nm。

技术总结本发明公开一种氧化钨薄膜修饰单模锥形光纤MZI的氨气传感器，属于光纤传感技术领域，是一种能够对环境中氨气的浓度测量装置。包括光源、光纤传感元件、光谱仪/光功率计和连接用光纤。所述的光源发出的光通过单模光纤注入光纤传感元件，然后通过输出单模光纤到达光谱仪/光功率计。当光纤传感元件位于被测氨气气体中，氧化钨膜与气体的作用，将使得敏感薄膜的光学性质发生变化，引起倏逝场发生变化，同时高阶模折射率发生变化，因此，单模锥形光纤MZI的干涉波谷将发生漂移。与传统的锥形光纤MZI相比，由于其强倏逝场作用，使得透射光谱偏移量对外界环境折射率变化具有高的灵敏度，因此可以广泛应用于传感器和恶劣环境中的氨气测量领域。技术研发人员：邓国亮,赵润泽,王晓萱,周瑞奇,朱月红,张弘受保护的技术使用者：四川大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4