二氧化硫监测的光纤传感方法研究

1期黎学明,等:二氧化硫监测的光纤传感方法研究53

型多孔硅在贮存和测试过程不稳定,有轻微自然氧化,经稳定化处理后该伸缩振动峰强度增加,且分裂为1146cm-1、1048cm-1双峰;同时,曲线b中出现了与O原子相连的Si2H键伸缩振动峰(波数为2254cm-1)1比较稳定化处理前后各振动峰强度变化可以发现,该稳定化处理方法不是将多孔硅彻底氧化,而是用Si2O键部分取代Si2Hx键,结构中含有Si2O键、剩余Si2Hx(x=1,2,3)键,这种结构能够确保多孔硅良好的贮存性能、光致发光性能和SO2传感性能

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因此,该实验系统具有良好的便携、微型化能力1

传感实验时将空气中贮存4周后的氧化多孔硅片置于荧光四通光比色皿(宜兴市晶科光学仪器有限公司)中,用聚四氟乙烯塞密封,如图3.通过橡皮塞上的微孔缓慢通入体积分数分别为10000×10-6,1000×10-6,100×10-6,10×10-6SO2标准气体(N2为补充气)或恢复性气体N2.将比色皿置于样品架上,开展SO2传感实验,被N2置换的SO2气体用1mol/LNaOH溶液吸收,以防止刺激性SO2逸出.3.2　结果

图4为通入SO2气体后氧化多孔硅光致发光谱变化.分析该图可以发现,当激发光源为蓝光LED时,由n型单晶硅制备的多孔硅经光化学氧化后仍具有良好的光致发光能力,其发光峰值波长为660nm附近,与p[11],为典;气体的通入,SO2浓度,,但是,不随SO2浓度变化而改变,与p型多孔硅完全不一样[11].该结果表明改变基底材料单晶硅的掺杂类型有助于提高多孔硅在SO2气氛中发光的稳定性,如图SO2气体的浓度越高多孔硅发光的猝灭程度也越大,当浓度达到一定程度,其发光的强度几乎完全猝灭

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图2　新鲜多孔硅(a)和稳定化处理(b)的n型

多孔硅FT2IR光谱图

Fig.2　FT2IRspectraoffreshly(a)andstabilized

(b)n2typeporoussilicon

3　传感实验

3.1　实验装置

采用由USB20002FLG微型光纤光谱仪、LS2450发光二极管激发光源、R40027反射式探头(美国OceanOptics公司)组成的系统对氧化多孔硅光致发光谱进行测定,装置如图31其中,微型光纤光谱仪重量为190g,不需要其它驱动电源,只需将USB接口与计算机直接相连即可,该光谱仪的光学

分辨率为10nmFWHM;激发光源LS2450的重量为140g,驱动电压为12VDC,中心波长470nm1R40027反射式探头包含7根直径为400μm的光纤,其中6根为入射光纤,1根为接收光纤,入射光纤呈对称将接收光纤包围,尺寸为3.0″×0.25″的不锈钢圆筒将7根光纤束包裹形成光纤传感器探头

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图4　SO2引起的稳定化多孔硅光致发光谱的变化Fig.4　Variationofphotoluminescencespectraforthe

stabilizedporoussiliconinSO2medium

图3　SO2光纤传感实验系统

Fig.3　Experimentalsystemoffiberopticsensing

forSO2gas

图5给出氧化多孔硅传感SO2的可逆性实验结果1当体积分数为50×10-6SO2气体通入瞬间,可以发现氧化多孔硅光致发光峰强度迅速下降;当多孔硅光致发光完全猝灭后,其峰值强度不再变化,维持恒定的数值,该强度变化值设为ΔFmax.随着恢复性气体N2的通入,多孔硅光致发光峰强度缓慢增加,需较长的时间才能恢复至SO2气体通入前的状态,有明显拖尾现象,其原因可能与多孔硅片紧贴石英玻璃不利于气体交换或吸附到多孔硅内的SO2分子解吸较困难有关1通过20次吸附—解吸SO2