专利名称：一种基于长周期光纤光栅的甲烷传感装置的制作方法
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。Mit, Suozhu Wu^CAnalytica Chimica Acta, 2009, 633: 238^243; Chinese Chemical Letters, 2009, 20: 21(T212)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300 μ m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勻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400 μ m的PCS光纤传感器、厚度5 μ m的含笼形分子的聚硅氧烷甲烷敏感膜、光电探测器(320 IlOOnm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(—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。对此，徐艳平等(上海理工大学学报，2005，27(3): 215 218)采用耦合模理论建立了长周期光纤光栅薄膜传感器的理论模型，分析其传感机理，并进行气敏实验；表明敏感膜折射率1. 57、膜厚500nm时，传感器灵敏度最佳，并以溶胶_凝胶法涂覆二氧化锡薄膜的长周期光纤光栅乙醇蒸气传感实验进行了验证。彭勇等(大连海事大学学报，2007，33(2) 27 31)采用溶胶-凝胶法将折射率大于包层折射率的二氧化硅-三氧化钨复合薄膜涂覆于长周期光纤光栅包层表面，当敏感膜折射率1. 67、膜厚278nm时，长周期光纤光栅谐振波长变化率最大，灵敏度最高，并开展了长周期光纤光栅一氧化氮气体传感实验。Zhi Wang等 (APOC'05, Shanghai, 2005，6019-48)提出聚合物敏感膜折射率为1. 4(Tl. 45的长周期光纤光栅气体传感器，但其需用氢氟酸腐蚀光纤来减小光栅包层直径，以提高传感器灵敏度， 然而腐蚀后的光栅包层直径较小，实际应用困难，且只进行了理论分析，未开展气体传感实验。因此，当建立一种包层未腐蚀的长周期光纤光栅甲烷传感方法及装置时，若甲烷敏感膜厚度约为500nm，则适宜的敏感膜折射率为1.57左右，此时的甲烷传感器才具有较高的灵敏度。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，充分发挥聚合物材料苯乙烯-丙烯腈树脂 (即苯乙烯-丙烯腈共聚物，Styrene-acrylonitrile copolymer)折射率高、含笼形分子E 的苯乙烯-丙烯腈树脂敏感膜对甲烷气体高度选择性、长周期光纤光栅的波长调制和折射率敏感等特点，提出一种基于长周期光纤光栅的甲烷传感装置，该传感过程是以含笼形分子E的苯乙烯-丙烯腈树脂敏感膜作为甲烷敏感材料，并涂覆于长周期光纤光栅包层表面形成甲烷传感器，即可实现对甲烷气体高灵敏度、高选择性地检测。为实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案如下
一种基于长周期光纤光栅的甲烷传感装置，它包括宽带光源、涂有聚合物敏感膜的光纤传感器、测试气室、开关阀门、质量流量控制器、光谱分析仪和计算机构成。所述涂有聚合物敏感膜的光纤传感器前端连接宽带光源，后端依次连接光谱分析仪和计算机；光纤传感器位于测试气室内，测试气室有通入待测甲烷气体的进气口和出气口，进气口通过开关阀门连接控制待测甲烷气体的质量流量控制器。所述光纤传感器采用长周期光纤光栅，聚合物敏感膜涂覆于长周期光纤光栅包层表面。所述含笼形分子E的苯乙烯-丙烯腈树脂甲烷敏感膜是将笼形分子E先溶于二氯甲烷，然后向该混合溶液中加入苯乙烯-丙烯腈树脂，混合均勻而得。所述试剂用量分别为笼形分子E150 μ mol，二氯甲烷15mL，苯乙烯-丙烯腈树脂lg。 该传感装置的工作过程如下
长周期光纤光栅谐振波长< 由下式给出
权利要求
1.一种基于长周期光纤光栅的甲烷传感装置，其包括有宽带光源、涂有聚合物敏感膜的光纤传感器、测试气室、开关阀门、质量流量控制器、光谱分析仪和计算机；所述涂有聚合物敏感膜的光纤传感器前端连接宽带光源，后端依次连接光谱分析仪和计算机；所述光纤传感器位于测试气室内，测试气室有通入待测甲烷气体的进气口和出气口，进气口通过开关阀门连接控制待测甲烷气体的质量流量控制器；其特征在于所述光纤传感器采用长周期光纤光栅，聚合物敏感膜涂覆于长周期光纤光栅包层表面，所述聚合物敏感膜为含笼形分子E的苯乙烯-丙烯腈树脂甲烷敏感膜，其膜厚为500 600nm ；所述含笼形分子E的苯乙烯-丙烯腈树脂甲烷敏感膜是将笼形分子E先溶于二氯甲烧，然后向该混合溶液中加入苯乙烯-丙烯腈树脂，混合均勻而得，所述试剂用量分别为笼形分子E150 μ mol，二氯甲烷15mL，苯乙烯-丙烯腈树脂lg。
2.根据权利要求1所述的基于长周期光纤光栅的甲烷传感装置，其特征在于所述长周期光纤光栅由康宁SMF-观单模光纤制作，其参数为光栅周期40(Γ520μπι、光栅长度 l(T40mm、透射损耗2(T40dB、谐振波长初始值1520 1580歷。
3.根据权利要求1或2所述的基于长周期光纤光栅的甲烷传感装置，其特征在于所述含笼形分子E的苯乙烯-丙烯腈树脂甲烷敏感膜的折射率为1. 57。
4.根据权利要求1或2所述的基于长周期光纤光栅的甲烷传感装置，其特征在于所述宽带光源采用光谱范围146(Tl620nm的宽带光源。
5.根据权利要求1或2所述的基于长周期光纤光栅的甲烷传感装置，其特征在于所述光谱分析仪为600 1700nm波长范围的光谱分析仪。
全文摘要
一种基于长周期光纤光栅的甲烷传感装置，由宽带光源、涂有聚合物敏感膜的光纤传感器、测试气室、开关阀门、质量流量控制器、光谱分析仪和计算机构成。涂有聚合物敏感膜的光纤传感器前端连接宽带光源，后端依次连接光谱分析仪和计算机。其中，光纤传感器采用长周期光纤光栅；聚合物敏感膜为含笼形分子E的苯乙烯-丙烯腈树脂甲烷敏感膜，其涂覆于长周期光纤光栅包层表面；当待测甲烷气体与长周期光纤光栅包层表面的敏感膜发生作用时，改变敏感膜折射率，使长周期光纤光栅谐振波长发生移动，通过分析传感器与甲烷气体接触前后光栅谐振波长的移动量，即可获取待测甲烷气体浓度。本发明具有结构简单、灵敏度高和选择性好等特点。
文档编号G01N21/25GK102183485SQ20101059370
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者朱广琴, 杨建春, 陈伟民, 陶传义 申请人:重庆大学