[发明专利]PCF-LPG甲烷检测装置及传感器制作方法

说明书

本发明公开了一种PCF‑LPG甲烷检测装置及传感器制作方法，甲烷检测装置包括不锈钢气室、带有真空压力表的气室密封盖、质量流量控制器、真空泵、甲烷传感器、光纤连接器、宽带光源、光谱分析仪和计算机；传感器制作方法包括：对PCF‑LPG包层空气孔内壁进行表面处理使其带正电，通过静电作用依次将带负电的聚丙烯酸膜、带正电的聚丙烯胺盐酸盐膜交替附着在空气孔内壁以形成自组装内层膜，自组装外层膜为带负电的聚丙烯酸膜、带正电的氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管膜，内层与外层膜构成含碳纳米管的静电自组装薄膜；同时笼形分子A‑6Me被自组装膜外层的氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管吸附固定，形成甲烷传感器；本发明可实现高灵敏度和高稳定性甲烷检测。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种PCF-LPG(光子晶体光纤长周期光栅)甲烷检测装置及传感器制作方法。

背景技术

瓦斯气体会伴随着煤炭的生产过程而产生，它的主要成分是甲烷。由于甲烷的爆炸极限为4.9％～16％，空气中存在较低浓度的甲烷气体也会引起爆炸，同时，瓦斯气体的泄漏可能也会导致非常严重的事故。因此，检测矿井中甲烷气体的浓度对于安全生产有着十分重要的意义。

目前，用于甲烷检测的方法主要有：电学类传感器、气敏半导体类传感器、催化燃烧类传感器和气相色谱法以及光纤类传感器等方法。其中，光纤类传感器因具有不易受电磁干扰，能够在极端环境下工作；信号可以进行远距离传输,结构简单，稳定性好等诸多优点,而广泛用于温度、应力、湿度、折射率、气体等参量的检测。

在光纤甲烷传感技术研究方面，Jianchun Yang等(OPTICS EXPRESS,2011,19:14696～14706；Sensors and Actuators B:Chemical,2015,207:477～480)提出一种将笼形分子A涂覆于长周期光纤光栅(LPG)包层外表面的甲烷传感方法，其测试系统由一个质量流量控制器，一个不锈钢螺旋管和不锈钢气室，2mW的超辐射发光二极管组成的宽带光源(中心波长1550nm，带宽为40nm)，光谱分析仪和计算机组成，研制出的测试系统的工作原理是利用长周期光栅对折射率敏感的特性，通过测出由甲烷浓度变化导致的敏感膜折射率变化来得到甲烷气体的浓度，但是涂覆在长周期光纤光栅表面的敏感材料易受到外界环境污染。Chuanyi Tao等(Sensors and Actuators B:Chemical，2011,156:553～558)提出一种基于笼形分子A与硅纳米线荧光猝灭的光纤甲烷传感方法，传感装置由LED-380光源、光纤光谱仪、质量流量控制器、测试不锈钢气室、反射/反向散射探头和硅衬底上经过笼形分子A修饰的硅纳米线，这种方法通过测试荧光光强来得到甲烷气体的浓度变化，其重复性与选择性较好，但是对于硅纳米线的修饰工艺要求较高。Suozhu Wu等(Analytica ChimicaActa,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的甲烷敏感膜、电荷耦合器件(CCD)和计算机等组成，其甲烷传感过程对激光入射至光纤纤芯角度的稳定性具有较高的要求。Jianchun Yang等(Sensors and Actuators B:Chemical,2016,235:717～722)提出了一种基于模间干涉原理的光纤甲烷传感器，其敏感膜是由紫外光固化氟硅氧烷和笼形分子A相结合而成。这种传感器的实验装置主要由一个质量流量控制器，一个不锈钢螺旋管和不锈钢气室，2mW的超辐射宽带光源(中心波长1550nm，带宽为40nm)，光谱分析仪和计算机组成，其结构简单，使用方便，但是在制作过程中涂覆敏感膜的厚度无法控制，同时其测试结果容易受到熔接强度的影响。Shanya Li等(Materials Today:Proceedings，2016,3，439～442)提出了一种基于无芯光纤结构的新型反射式甲烷传感器，其敏感膜是采用浸渍提拉技术涂覆的笼形分子A与聚硅氧烷的混合膜。这种传感器的测试装置由质量流量控制器，一个不锈钢螺旋管和不锈钢气室，2mW的超辐射宽带光源(中心波长1550nm，带宽为40nm)，一个光纤耦合器、光谱分析仪和计算机组成。这种方法制作的传感器结构简单，但是涂覆敏感膜厚度不能够精确控制，制作传感器的成品率较低。