[发明专利]一种基于长周期光纤光栅的甲烷传感装置

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种获取甲烷浓度的基于敏感膜折射率变化的长周期光纤光栅甲烷传感装置。

背景技术

甲烷是矿井瓦斯主要成分，在空气中极易发生爆炸，被视为煤矿事故的“头号杀手”。 同时，甲烷也是天然气、沼气和多种液体燃料的主要成分，是重要工业原料和日常生活燃气。因此，及时检测甲烷气体的浓度，对于煤矿安全生产和甲烷安全使用具有重要作用。

目前，用于甲烷气体浓度检测的方法有多种，主要包括半导体型、接触燃烧型、电化学型、光学型等气体传感器。光纤传感器是一种具有电绝缘性好、抗电磁干扰能力强、防爆、可远距离长期在线测量、传感单元结构简单、稳定可靠、易于组成光纤传感网络等特点的光学型气体传感器，特别适宜恶劣和危险环境下甲烷浓度测量。

对此，Suozhu Wu等（Analytica Chimica Acta, 2009, 633: 238~243; Chinese Chemical Letters, 2009, 20: 210~212）提出一种基于笼形分子A的模式滤光甲烷传感方法，其传感装置主要由He-Ne激光二极管光源(635nm)、纤芯直径300μm的光纤传感器、含笼形分子A的硅树脂甲烷敏感膜(该硅树脂即为聚硅氧烷，其折射率1.41左右)、电荷耦合器件(CCD)和计算机等组成，其甲烷传感过程对传感器涂覆敏感膜的均匀性和激光入射至光纤纤芯角度的稳定性具有较高的要求。M. Benounis等（Sensors and Actuators B, 2005, 107: 32~39）提出一种基于塑料包层石英纤芯(PCS)的光纤甲烷传感方案，传感装置主要由激光二极管光源(670nm)、护套直径为400μm的PCS光纤传感器、厚度5μm的含笼形分子的聚硅氧烷甲烷敏感膜、光电探测器(320～1100nm硅光电二极管)和计算机组成，其甲烷检出限仅2%，且PCS光纤存在远距离传输损耗大、与普通标准通讯光纤不匹配、成本高、工程应用困难等问题。杨建春等（ZL200710093035.4）提出一种基于纤芯失配的光纤甲烷传感系统，传感装置主要由发光二极管光源(1310nm)、纤芯失配型光纤传感器、含笼形分子的聚硅氧烷甲烷敏感膜、光电探测器(700～1700nm光功率计)和计算机组成；该传感系统采用价廉的标准通讯光纤作为传感材料，代替上述价格昂贵的PCS光纤，具有传输损耗小、成本低、使用方便等特点，但这种方法的传感信号属于强度调制，工作时易受电源、电压、温度和湿度等因素影响。同时，CN101183076A（一种薄膜荧光检测甲烷的方法）提出将含笼形分子A、聚氯乙烯、葵二酸二辛酯的四氢呋喃溶液旋涂于石英片上形成甲烷敏感膜，该传感器的检测信号为荧光强度，不涉及敏感膜折射率。

长周期光纤光栅是一种新型的光致纤芯折射率变化的光纤器件，其周期远大于一般的光纤光栅，它具有插入损耗小、背向反射低、传感特性好以及制作工艺简单、成本低等优点；且其传感信号属于波长调制，可避免测量过程中光强波动及光纤损耗的影响；长周期光纤光栅折射率敏感特性非常高，特别适合化学传感，尤其适宜易燃、易爆、强电磁干扰环境中有毒有害物质的检测。

对于直接与气体或液体等介质接触的长周期光纤光栅而言，其谐振波长对介质折射率的敏感区是1.40～1.45，而对低于1.40的折射率变化几乎不响应(Patrick H J et al., Journal of Lightwave Technology, 1998, 16(9): 1606~1612)；而通常情况下气体折射率近似为1，故长周期光纤光栅难以直接用于气体检测，这在很大程度上限制了其在化学检测方面的应用。如果在长周期光纤光栅包层表面涂覆一层具有气敏特性的化学敏感薄膜，则可突破长周期光纤光栅用于气体检测的局限性（Nicholas D R et al., Optics Letters, 2002, 27(9): 686~688)。而对于甲烷气体的检测而言，若直接将上述的含笼形分子的聚硅氧烷甲烷敏感膜涂覆于长周期光纤光栅包层表面形成甲烷传感器，则对甲烷气体的灵敏度差，无法实现对甲烷气体浓度的检测。