專利名稱：用于氨氮污水降解監測的級聯光纖光柵傳感器封裝體及制作方法
技術領域：
—種用于氨氮污水降解監測的級聯長周期光纖光柵傳感器的封裝及制作方法，屬
于光纖光柵封裝和光纖傳感技術。
背景技術：
氨氮廢水對環境的影響已引起環保領域和全球范圍的重視，氨氮是一類普遍存在于生活污水、養殖場廢水和一些特殊工業廢水(如化肥、焦化、石化、制藥、食品等)中的有毒物質，由于其普遍性和頑固性，很難將其去除。氨極易溶于水，在水中濃度高于0. lmg/L時就會危害水生生物生存，氮是一種植物營養素，富含氨氮的水中藻類將大量繁殖，造成水體富營養化，嚴重者還會引起水質惡化甚至湖泊退化。 近20年來國內外對氨氮廢水處理方面開展了較多的研究。研究范圍涉及生物、物理、化學等方法。其中三維電極電化學技術以其電極面積大、面/體比高、傳質速度快等優勢逐漸成為研究的熱點。而超聲催化氧化技術作為一種高級氧化技術，與三維電極技術結合更是會產生非常好的降解效果。 測定及控制氨氮含量已成為污水排放中的一項重要指標，廢水中氨氮尤其是高濃度氨氮的降解監測有著重要的意義。目前，主要應用的氨氮濃度檢測方法有氣相分子吸收光譜法、納式試劑分光度法等。兩種方法雖然都能較準確的測量出氨氮含量，但是都是離線測量，即通過化學方法處理后單獨采樣測定，操作復雜且實時性差，不適于大規模快速測 長周期光纖光柵(long-period fiber grating簡稱LPG)因其具有比光纖布拉格光柵(Bragg fiber grating簡稱FBG)更高的溫度、彎曲靈敏度使其在傳感領域發揮了重要作用，但由于LPG的損耗峰的帶寬一般較寬，以致其分辨率降低，這在很多情況下影響了LPG的傳感應用。將兩個參數完全相同的LPG刻寫在同一根光纖上即可實現LPG級聯，級聯后的LPG光譜特性較單個LPG有很大的變化，級聯長周期光柵作為長周期光柵的一個特殊結構形式，除擁有長周期光柵諸多優點外，還具有很多特殊性質。級聯長周期光纖光柵是一種新型的光纖光柵，國內在此方面的研究尚處于起步階段， 級聯長周期光纖光柵具有光纖光柵傳感器所共同的一系列優點靈敏度高、動態范圍寬、不受電磁干擾、本質防爆、耐腐蝕、質量輕、體積小、可埋入復合材料制成智能結構等。級聯長周期光纖光柵與單個長周期光纖光柵相比，級聯LPG有著較高的消光比，具有多個干涉峰，且每個干涉峰具有很窄的帶寬，比單個長周期光纖光柵的帶寬要窄很多倍。這些特點能大大提高測量的分辨率和靈敏度。這使得級聯LPG在光纖傳感領域能有著更加廣泛的應用。 級聯長周期光纖光柵由于其高響應速度和易操作性非常適合于氨氮濃度的測量。用級聯長周期光纖光柵測量液體的濃度和折射率結構簡單，操作方便，整個系統實現全光纖化，具有良好的應用前景。
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據報道，級聯長周期光纖光柵的液體有NaCl溶液，蔗糖溶液等。大多采用裸光纖 光柵直接進行檢測。無論是國內還是國外，應用級聯長周期光纖光柵對氨氮進行檢測尚無 先例。 現有的常規光纖光柵的封裝方式有光纖光柵封裝技術從功能上大致可以分為三 類l.保護性封裝，2.敏化封裝，3.補償性封裝。 級聯長周期光纖光柵是無覆層的，而且級聯長周期光纖光柵因為有兩段光纖光柵 及中間一段用作傳感的光纖部分，整體長度相對于單個長周期光纖光柵要長的多，級聯長 周期光纖光柵應用在惡劣的環境中，纖細柔軟，且因為較長的長度也很容易折斷，因此需要 采用一些封裝方法，保護光柵。級聯長周期光纖光柵的中心波長易受溫度、應變、壓力等物 理量的影響而產生漂移，光纖光柵的溫度補償方法具體可以分為兩類其一，有源方式，即 由外加電路控制光柵器件所在的工作環境溫度，其二，無源方式，即以適當的結構與材料對 光纖光柵進行封裝，封裝使光柵產生一定的應變，該應變引入的波長的漂移應可抵消由溫 度變化引起的波長的漂移。現有的封裝一般僅實現一種功能，該封裝集保護和與補償于一 體，根據級聯長周期光纖光柵的結構，提出了相應的封裝，更好地保護了級聯長周期光纖光 柵，提高其使用壽命，且大大降低了級聯長周期光纖光柵對溫度的靈敏度。因為測試的氨氮 溶液相比于NaCl溶液，蔗糖溶液容易附著在光纖光柵上，按常規的方式整個級聯長周期光 纖光柵浸入液體，光柵段不僅很難清洗，而且清洗的過程很容易把級聯長周期光纖光柵折 斷。封裝中引入一個凹槽，使待測溶液通過通孔進入，用級聯長周期光纖光柵的兩端光柵之 間的光纖作為傳感部分接觸液體，清洗時只需清洗光纖段即可，極大地提高了級聯長周期 光纖光柵的使用壽命。
發明內容
本發明的目的在于提供一種用于氨氮污水降解監測的級聯長周期光纖光柵傳感 器的封裝及制作方法，使其能夠更好的應用于氨氮濃度和氨氮降解過程的檢測，具有溫度 補償功能，便于清洗，使用壽命延長。 —種用于氨氮污水降解監測的級聯光纖光柵傳感器封裝體，其特征在于包括基 座，基座上設置有兩平行槽道，即第一槽道和第二槽道，其中第一槽道放置單模光纖第二凹 槽放置級聯式光纖光柵，在基座上位于級聯式光纖光柵傳感器區開有液槽，上述級聯式光 纖光柵傳感器區位于該級聯式光纖光柵兩段光柵中間的光纖部分；上述單模光纖的一端和 級聯式光纖光柵的同向端均與基體固定，上述單模光纖的另一端和級聯式光纖光柵的另一 端通過可調節的固定片固聯在一起作為自由端；該封裝體還包括與基座配合且保持單模光 纖與級聯式光纖光柵自由平直的封蓋，該封蓋上具有與上述液槽貫通的通孔；上述基座采 用負溫度系數的溫度補償復合材料。 上封裝體的制作方法(1)、利用負溫度系數的溫度補償復合材料澆鑄基座；(2)、 在基座上刻出第一槽道和第二槽道以及液槽；(3)、制作具有通孔的封蓋；(4)、將單模光纖 置于第二槽道中；(5)、采用靜電自組裝法在級聯長周期光纖光柵上組裝聚合物膜以提高級 聯光纖光柵對外界折射率的敏感度；然后將其置于第一槽道中；(6)、將單模光纖的一端和 級聯式光纖光柵的同向端用雙組分環氧樹脂與基體固定；(7)將單模光纖的另一端和級聯 式光纖光柵的另一端通過可調節的固定片固聯在一起作為自由端。
當環境溫度上升時，光纖光柵體積膨脹，而封裝材料的負溫度效應會使光纖光柵 隨溫度升高而體積縮小；相反，當環境溫度降低時，光纖光柵體積收縮，而封裝材料的負溫 度效應使光柵的體積膨脹。合理的材料選擇會使光纖光柵的反射中心波長基本不變，達到 溫度補償的效果。 該級聯長周期光纖光柵的封裝裝置極有利地將光纖支撐和保護和補償功能結合 在單個封裝內，能方便地對氨氮液體進行檢測，它既能保護光纖使其免受物理變形，又能保 護其免受溫度的影響。封裝過程簡單，成品率高，傳感器質量輕。 上述的檢測氨氮濃度和氨氮降解過程的級聯長周期光纖光柵傳感器系統的檢測 方法級聯長周期光纖光柵的透射譜是光柵纖芯基模和包層模干涉的結果，模式耦合的變 化將會導致級聯長周期光纖光柵的干涉條紋發生偏移且干涉峰幅值也發生變化。
級聯長周期光纖光柵包層有效折射率與外界折射率存在一定的非線性關系。將 級聯長周期光纖光柵置于溶液中，氨氮溶液的濃度變化會直接引起溶液折射率的變化，進 而引起包層折射率的變化，從而給光纖中的傳輸模式(導模和包層模的傳輸常數和模場分 布)帶來影響，最終表現為光柵諧振峰中心波長和強度的變化。測量其透射譜諧振峰的變 化可以直接獲得溶劑的折射率，進而根據經驗公式可以間接得到溶劑的濃度等化學參數。 本發明中氨氮催化降解通過超聲催化氧化技術和三維電極技術協同實現。
圖1是級聯光纖光柵傳感器封裝結構剖面圖。 圖2是級聯光纖光柵傳感器封裝結構立體圖。 圖3是級聯長周期光纖光柵氨氮檢測傳感器系統組成示意圖。 圖中的標號名稱l.級聯長周期光纖光柵，2.基座，3.單模光纖，4.凹槽，5.固定
片，6.第一槽道，7.第二槽道，8.通孔，9.封蓋，IO.曝氣器，ll.直流穩壓電源，12.寬帶光
源，13.光譜儀，14.超聲清洗器，15.鐵絲網陰極，16.活性炭顆粒，17.金屬氧化物涂層陽
極，18.封裝的級聯長周期光纖光柵，19.紗網。
具體實施例方式
圖1中級聯長周期光纖光柵1對溫度很敏感，這樣會影響測試的準確性。發明中 用一種負溫度系數(熱膨脹系數為-5. 2*10—6)的復合材料灌注在制作好的模具內作為對光 纖光柵進行溫度補償的基座2，經測量此時級聯光纖光柵的溫度靈敏度是裸級聯光纖光柵 的1/54，極大地減小了級聯長周期光纖光柵對溫度的敏感性。 為了提高光纖光柵的化學傳感的靈敏度及精確度，應用靜電自組裝法在級聯長周 期光纖光柵1上組裝聚合物膜，以改變光纖端面的反射特性。組裝過程是將事先準備好的 長周期光纖光柵固定在特定裝置上之后浸入聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)溶液中5分 鐘之后取出用蒸餾水簡單沖洗以去除表面雜質，之后再浸入聚4-苯乙烯璜酸鈉(PSS)溶液 中相同的時間，取出后再用蒸餾水沖洗。二者能交替吸附形成自組裝薄膜，這樣就組裝上了 一層雙膜。如此反復進行，根據實驗反復測試，我們組裝了 26層，相應的層數是適合氨氮濃 度檢測的最佳厚度，選擇合適的組裝材料和最佳厚度可實現對氨氮濃度高靈敏度的專屬性 檢測。
基座的中間的刻兩條相距為lcm槽道，基座2的長度應大于柵區裸露段的長度，用 砂紙將材料粘結表面打磨粗糙，然后用脫脂棉蘸酒精清潔表面和預先刻制的第一槽道6和 第二槽道7。在要放置單模光纖的第二槽道7中均勻涂上雙組分環氧樹脂，將光纖與基底緊 密地粘在一起。然后對級聯長周期光纖光柵1施加預張力放于第一槽道6中，級聯光纖光柵 置于槽道中，對光柵兩端光纖施加一定的預拉伸力使光柵保持水平伸直狀態，一端用雙組 分環氧樹脂固定，為了增加粘貼強度，級聯長周期光纖光柵要進行除油、敏化等預處理。另 一端用固定片固定。 該級聯光纖光柵長度一般為16cm，封裝元件的結構尺寸是20 X 3 X 5cm3，在實驗允 許的情況下，封裝元件的尺寸要盡可能的小。 測氨氮濃度的級聯光纖光柵傳感系統如圖2，由下面一些儀器設備組成級聯長 周期光纖光柵18、光譜分析儀13、寬帶光源12、超聲清洗機14、曝氣器10、三維電極催化降 解系統陽極采用金屬氧化物電極17，陰極采用鐵絲網19，在兩電極之間填充經過預吸附 處理的柱狀活性炭顆粒16作為第三極。 超聲清洗機14用于產生頻率在20kHz以上的聲波，即超聲波，形成空化核，使得水 分子裂解為 H、 0H、 H02和H202等強氧化自由基。這些強氧化自由基可以將氨氮污水 中NH3和NH4+氧化生成N2或N20氣體溢出，從而實現了氨氮降解。曝氣器10的作用是在超 聲作用消耗空化核的同時不斷提供空化核，使得溶液中空化核的濃度始終保持在一個較高 水平，保證了反應的相對充分，因而使得氨氮降解率維持在高水平。 三維電極催化降解系統的電解作用主要是依靠溶液與陰陽電極形成導通電路，使 得溶液中離子在兩極上產生氧化還原反應，從而達到降解的目的。紗網19用于固定電極與 活性炭。 降解過程中有氨氮的分解和水的分解，生成物質或以氣體方式逸出，或重新合成 水，并沒有新的鹽離子產生。氨氮降解過程中液體折射率的變化只由氨氮降解引起。應用 封裝的級聯長周期光纖光柵18通過監測折射率變化來監測氨氮降解過程是可行的。
權利要求
一種用于氨氮污水降解監測的級聯光纖光柵傳感器封裝體，其特征在于包括基座(2)，基座(2)上設置有兩平行槽道，即第一槽道(6)和第二槽道(7)，其中第一槽道放置單模光纖(3)，第二凹槽放置級聯式光纖光柵(1)，在基座(2)上位于級聯式光纖光柵傳感器區開有液槽(4)，上述級聯式光纖光柵傳感器區位于該級聯式光纖光柵兩段光柵中間的光纖部分；上述單模光纖(3)的一端和級聯式光纖光柵(1)的同向端均與基體固定，上述單模光纖(3)的另一端和級聯式光纖光柵(1)的另一端通過可調節的固定片(5)固聯在一起作為自由端；該封裝體還包括與基座配合且保持單模光纖(3)與級聯式光纖光柵自由平直的封蓋(9)，該封蓋上具有與上述液槽貫通的通孔(8)；上述基座(2)采用負溫度系數的溫度補償復合材料。
2. 根據權利要求1所述的用于氨氮污水降解監測的級聯光纖光柵傳感器封裝體的制 作方法(1) 、利用負溫度系數的溫度補償復合材料澆鑄基座；(2) 、在基座上刻出第一槽道和第二槽道以及液槽；(3) 、制作具有通孔的封蓋；(4) 、將單模光纖置于第二槽道中；(5) 、采用靜電自組裝法在級聯長周期光纖光柵上組裝聚合物膜以提高級聯光纖光柵 對外界折射率的敏感度；然后將其置于第一槽道中；(6) 、將單模光纖的一端和級聯式光纖光柵的同向端用雙組分環氧樹脂與基體固定；(7) 將單模光纖的另一端和級聯式光纖光柵的另一端通過可調節的固定片固聯在一起 作為自由端。
全文摘要
本發明是一種用于氨氮污水降解監測的級聯光纖光柵傳感器封裝體及制作方法，是光纖傳感區域的發明設計。用一種負溫度系數的復合材料作為基底，將級聯長周期光纖光柵和另一根單模光纖分別置于其上一對平行間隔為1cm的槽道中，用雙組分環氧樹脂分別固定單模光纖和級聯長周期光纖光柵的同一端，級聯長周期光纖光柵和單模光纖的另一端通過設置的一個可調節的固定片固定。放置級聯光纖光柵段的第一槽道中間一部分刻成液槽，液體通過封蓋上具有與上述液槽貫通的通孔流入，傳感部分懸空與液體充分接觸。所封裝的級聯長周期光纖光柵因組裝了聚合物膜而具有更高的折射率敏感性，封裝過程簡單，成品率高，傳感器具有溫度補償功能，使用壽命長，便于清洗等優點。
文檔編號G01N21/01GK101713726SQ200910035269
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月23日 優先權日2009年9月23日
發明者劉宏月, 曾捷, 梁大開, 胡興柳, 陸觀 申請人:南京航空航天大學