[发明专利]一种基于敏感膜涂覆的光子晶体光纤甲烷传感器

说明书

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于敏感膜涂覆的光子晶体光纤甲烷传感器，由宽带光源、单模光纤、3dB耦合器、光子晶体光纤、反射镜、折射率匹配液和光谱分析仪组成，3dB耦合器一侧的两个端口分别通过单模光纤与宽带光源和光谱分析仪连接，另一侧的两个端口一个通过单模光纤与光子晶体光纤熔接，另一个通过单模光纤通向折射率匹配液，光子晶体光纤的另一端通过单模光纤连接反射镜，形成反射式MZI干涉电路；光子晶体光纤包层外侧涂覆笼形分子敏感膜，与光子晶体光纤熔接的单模光纤、涂覆有笼形分子敏感膜的光子晶体光纤和反射镜一起构成光子晶体光纤甲烷传感器的探头结构，可以使光子晶体光纤传感器实现远程分布式实时监测。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于敏感膜涂覆的光子晶体光纤甲烷传感器。

背景技术

我国煤炭资源丰富，是世界上煤炭生产大国，同时也是世界上发生矿难最多的地区之一，煤炭生产面临十分严峻的安全生产问题，而阻碍安全生产的重要危险源——瓦斯灾害，则是群死群伤的重大隐患。瓦斯是一种吸附于煤体及周围岩层中的有害气体，而甲烷是矿井瓦斯主要成分，约占83～89％。瓦斯事故的发生，给国家和人民财产造成巨大损失，严重影响着煤矿安全生产，控制瓦斯事故发生势在必行。其中，最有效的手段是监测甲烷气体浓度，其监测结果对于有效预防瓦斯事故发生以及实时掌握矿井中甲烷含量状态信息变化情况、评价瓦斯治理效果、改善我国煤矿安全生产环境具有十分重要的意义。作为检测的瓦斯传感器直接关系到煤矿安全监控系统可靠性和灵敏度，对监测监控起着决定作用。目前，已有基于半导体、热催化、光干涉、红外吸收、电化学法等不同类型的甲烷传感器，但都无法进行远程分布式实时监测，给瓦斯监测工作带来了很大局限性，因此，研究一种安全可靠、高灵敏度的分布式甲烷浓度远程检测系统，具有重大的社会经济效益。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于敏感膜涂覆的光子晶体光纤甲烷传感器，通过在光子晶体光纤包层外侧涂覆笼形分子敏感膜，对其具有高光敏性的甲烷的浓度改变会使敏感膜折射率发生改变，进而改变光子晶体光纤空气孔包层的有效折射率，使干涉谱相位差发生改变，波峰或波谷发生漂移，实现甲烷浓度检测；并且将反射式MZI干涉光路引入光子晶体光纤，形成长尾式探头结构，为光子晶体光纤传感器的实用化和分布式组网提供了新的思路。

本发明是这样实现的，一种基于敏感膜涂覆的光子晶体光纤甲烷传感器，由宽带光源、单模光纤、3dB耦合器、光子晶体光纤、反射镜、折射率匹配液和光谱分析仪组成，3dB耦合器一侧的两个端口分别通过单模光纤与宽带光源和光谱分析仪连接，3dB耦合器另一侧的两个端口一个通过单模光纤与光子晶体光纤熔接，另一个通过单模光纤通向折射率匹配液，光子晶体光纤的另一端通过单模光纤连接反射镜；

所述光子晶体光纤包层表面涂覆甲烷敏感膜，与所述光子晶体光纤熔接的单模光纤、涂覆有笼形分子敏感膜的光子晶体光纤和反射镜一起构成所述光子晶体光纤甲烷传感器的探头结构。

进一步地，甲烷敏感膜为笼形超分子材料Cryptophane A和E制备的敏感膜。

进一步地，光在光子晶体光纤甲烷传感器中的传输形成反射式MZI干涉光路，传输路径如下：宽带光源发出的宽谱光由单模光纤传输，经过3dB耦合器分成光强相等的两路，一路经单模光纤入射到光子晶体光纤中，另一路入射到所述折射率匹配液中被吸收，入射到光子晶体光纤的光经由单模光纤被反射镜反射，再次经过光子晶体光纤以及与其熔接的单模光纤和3dB耦合器，被分成两束光后，其中一束入射到光谱分析仪中进行分析，另一束返回宽带光源。

进一步地，光子晶体光纤为单实芯纯石英光子晶体光纤。

进一步地，光子晶体光纤与单模光纤的熔接方法为过熔塌陷法，在光子晶体光纤的两个端点处形成两个塌陷点，使单模光纤中的基模分成两路耦合到光子晶体光纤的纤芯和包层；