PCF‑LPG甲烷检测装置及传感器制作方法与流程
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 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。
光子晶体光纤长周期光栅(PCF-LPG)因具有对环境折射率变化灵敏的特性而得到广泛应用；并且传感信号属于波长调制，可以避免在测量过程中光强的波动及光纤损耗的影响。相对于长周期光纤光栅(LPG)，光子晶体光纤长周期光栅是由二氧化碳激光器对光子晶体光纤(PCF)进行等间隔的加热而得到的，因此具有较好的热稳定性。由于光子晶体光纤的包层内分布着呈正六边形排列的空气孔，气体和液体可以在空气孔内流动从而使光子晶体光纤长周期光栅的包层模式更好地与待测目标发生作用。
Yinian Zhu等(Sensors and Actuators B,2008,129:99-105；Sensors and Actuators B,2008,131:265-269)数值模拟折射率引导型光子晶体光纤长周期光栅模式耦合特性和谐振波长变化规律，表明在1.33～1.40的折射率范围内，传感器灵敏度4.3×10-8RIU(折射率单位)，在1.00～1.25范围内，灵敏度为4.1×10-7。并且利用二氧化碳激光器进行点对点残余应力松弛技术对光子晶体光纤进行长周期光栅的刻写，研制出一种高灵敏度的折射率传感器，实验表明所制作的传感器对外部折射率变化有较高的灵敏度，对于1.42～1.45折射率范围而言，灵敏度为2.27×10-6RIU。Zonghu He等(Biosensors and Bioelectronics,2011,26:4774-4778)利用光子晶体光纤长周期光栅对折射率的灵敏特性研制了一种光子晶体光纤长周期光栅无标记生物传感器，通过使用敏感材料对光子晶体光纤空气孔内表面进行修饰，可以实现对生物分子的检测。Shijie Zheng等(Sensors and Actuators B:Chemical,2013,176:264-274)采用静电自组装技术对光子晶体光纤长周期光栅包层空气孔涂覆敏感材料进行湿度测量，相对于传统的光纤光栅和只进行外部涂覆的光子晶体光纤长周期光栅，在空气孔内表面涂覆的光子晶体光纤长周期光栅传感器在相对湿度变化范围38％～39％时，其最大谐振强度为0.00022％/10-3dBm，表现出较高的灵敏度，并且所采用的静电自组装技术对涂覆的敏感膜层的厚度能够精确地控制。鉴于光子晶体光纤长周期光栅对外界折射率的响应具有较高的灵敏度，并且静电自组装技术对敏感膜层厚度的精确控制能力，可以将光子晶体光纤长周期光栅与静电自组装技术和笼形分子结合研制一种新型的光子晶体光纤长周期光栅高灵敏度传感器。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是提供一种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，PCF是Photonic Crystal Fiber的缩写，PCF即光子晶体光纤，LPG是Long Period Grating的缩写，LPG即长周期光栅，以充分发挥光子晶体光纤长周期光栅的波长调制、对环境折射率敏感、结构上的多孔可改善环境温度影响、敏感薄膜厚度均匀可控、以及笼形分子对甲烷气体具有高选择性等优点，实现对瓦斯气体中甲烷浓度的高灵敏度、高稳定性检测。
本发明PCF-LPG甲烷检测装置，包括不锈钢气室，所述不锈钢气室上设置有进气口、出气口、前光纤入口、后光纤入口、以及用于密封气室的密封盖，所述密封盖上设置有真空压力表；
还包括与不锈钢气室的进气口连接的第一气阀和质量流量控制器，与不锈钢气室的出气口连接的第二气阀和真空泵；
还包括设置在不锈钢气室内的PCF-LPG甲烷传感器和光纤连接器；
还包括宽带光源；
还包括第一单模光纤，第一单模光纤的一端与宽带光源连接，第一单模光纤的另一端经前光纤入口进入不锈钢气室、并通过光纤连接器与PCF-LPG甲烷传感器的一端连接；
还包括光谱分析仪和与光谱分析仪连接的计算机；
还包括第二单模光纤，第二单模光纤的一端与光谱分析仪连接，第二单模光纤的另一端经后光纤入口进入不锈钢气室、并通过光纤连接器与PCF-LPG甲烷传感器的另一端连接；
还包括设置在前光纤入口和后光纤入口的端部上用于密封单模光纤与光纤入口之间间隙的含O型密封圈的螺母；
所述PCF-LPG甲烷传感器结构包括纤芯、实心包层、包层空气孔、长周期光栅、以及对甲烷气体敏感的薄膜，所述包层空气孔沿光纤轴向延伸且围绕纤芯呈正六边形排列，对甲烷气体敏感的薄膜附着在空气孔内壁，所述对甲烷气体敏感的薄膜包括含氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管的静电自组装薄膜和附着在静电自组装薄膜上的笼形分子A-6Me薄膜。
本发明PCF-LPG甲烷传感器制作方法，包括以下步骤：
(1)依次采用蒸馏水、无水乙醇、丙酮对刻有长周期光栅的光子晶体光纤的包层空气孔的孔壁进行脱脂清洁，将清洗后的PCF-LPG放入真空干燥箱中，在60℃条件下干燥20min；
(2)将浓盐酸与甲醇按照1:1的体积比配制成混合溶液，同时将混合溶液注入到PCF-LPG的包层空气孔内并保持3小时，对包层空气孔内壁进行表面处理使其带正电；
(3)以去离子水为介质，配制浓度为0.02mL/L的聚丙烯酸水溶液4mL，聚丙烯酸为PAA；
(4)以去离子水为介质，配制浓度为2mg/mL的聚丙烯胺盐酸盐水溶液4mL，聚丙烯胺盐酸盐为PAH；
(5)制备氨基化二氧化硅包覆碳纳米管
I、称取0.5g羟基化单壁碳纳米管，羟基化单壁碳纳米管即Short-SWNTs-OH，所称取的羟基化单壁碳纳米管的长度为1-3μm，外径为1-2nm，将称取的羟基化单壁碳纳米管溶于200mL乙醇和40mL水组成的溶液中，超声分散100min，再加入20mL浓氨水；
II、取1.5g正硅酸四乙酯溶于20mL乙醇中，所述正硅酸四乙酯即TEOS，在超声的同时将TEOS溶液滴加于Short-SWNTs-OH的乙醇与水的混合液中，在20min内滴加完毕；
III、超声100min后，在室温下磁力搅拌18h；
IV、将2g 3-氨基丙基三甲氧基硅烷溶解于4mL乙醇与乙酸的体积比为1:1的混合溶液中，并将该混合溶液加入到经步骤III处理的溶液中，然后再磁力搅拌6h；所述3-氨基丙基三甲氧基硅烷即A-1110；
V、将步骤IV得到的产物用有机滤膜抽滤5-6次，每次抽滤加水15mL，并将抽滤所得固态产物在70℃真空条件下干燥2h即得氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管，所述氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管即SWNTs-SiO2-NH2；
(6)以乙醇与水的体积比为500:1的混合溶液为介质，配制浓度为0.5mg/mL的氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管乙醇/水溶液4mL，通过超声波分散器对碳纳米管进行30分钟分散以形成均匀的分散液；
(7)制备含SWNTs-SiO2-NH2的静电自组装薄膜
a、将PAA溶液压入到PCF-LPG的包层空气孔内，PAA在静电作用下附着在带正电的包层空气孔孔壁上，形成PAA膜；
b、用蒸馏水对包层空气孔进行清洗，去掉残余的PAA，并用稳定的氮气流吹干包层空气孔；
c、再将PAH水溶液压入PCF-LPG的包层空气孔内，水溶液中的PAH带正电，通过静电作用使PAH附着在带负电PAA膜上，形成静电自组装薄膜；
d、重复步骤a-c，直至获得所需厚度的PAA/PAH静电自组装薄膜；
e、重复步骤a、b；
f、将超声波分散的SWNTs-SiO2-NH2的乙醇/水溶液压入PCF-LPG的包层空气孔内，溶液中的SWNTs-SiO2-NH2带正电，通过静电作用使其附着在带负电PAA膜上，用乙醇对包层空气孔进行清洗，去掉残余的SWNTs-SiO2-NH2，并用稳定的氮气流吹干包层空气孔，即形成含SWNTs-SiO2-NH2的PAA/PAH静电自组装薄膜；
(8)称取经过二次过柱纯化的笼形分子A-6Me 0.2g，将其溶解于4mL二氯甲烷中，配制成浓度为0.05g/mL的笼形分子A-6Me溶液；
(9)将笼形分子A-6Me溶液压入到PCF-LPG的包层空气孔内，笼形分子A-6Me被静电自组装薄膜中的SWNTs-SiO2-NH2吸附固定，然后将PCF-LPG放入真空干燥箱，在50℃条件下干燥2小时，得到厚度均匀的对甲烷敏感的笼形分子A-6Me薄膜，从而形成含笼形分子A-6Me和静电自组装薄膜的PCF-LPG甲烷传感器。
本发明的有益效果：
1、本发明PCF-LPG甲烷检测装置，其能通过真空泵将不锈钢气室内的空气抽出，从而能使瓦斯气体顺利的进入不锈钢气室以及包层空气孔内，并且通过真空压力表和质量流量控制器能准确的控制进入不锈钢气室的瓦斯气体量，而且设置的含O型密封圈的螺母很好地保证了不锈钢气室的密封性能，从而能保证测试的准确性和稳定性。
2、本发明PCF-LPG甲烷检测装置，其采用光纤连接器将光子晶体光纤长周期光栅的两端与单模光纤进行连接，能保证光纤的两个端面精密正对，发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去；同时相对于采用熔接机将光纤光栅与单模光纤熔接的方法，这种方法能够使待测气体顺利地进入到包层空气孔内，从而与甲烷敏感薄膜充分作用，提高甲烷传感装置检测的精度和灵敏度。
3、本发明PCF-LPG甲烷检测装置，其中的光子晶体光纤长周期光栅属于透射型带阻滤波器，透射光谱中的损耗峰能够表征薄膜折射率和环境介质浓度的变化情况，并且其热稳定性较好，不会受到工作环境温度变化的影响，因此可以避免交叉敏感的现象干扰测量结果；甲烷检测装置仅涉及光信号，在矿井环境中应用能够避免易燃易爆气体发生安全事故；将甲烷检测装置接入光纤传感网络，可以实现多功能、多参量的智能化检测，具有广阔的应用空间。
4、本发明PCF-LPG甲烷传感器制作方法，其甲烷敏感薄膜中氨基化二氧化硅包覆碳纳米管具有高比表面积、孔状结构、分散能力强等特点，能稳固地高效吸附笼形分子A-6Me，使甲烷传感器在测试过程中瓦斯气流不会造成笼形分子A-6Me脱落，检测灵敏度高、响应速度快。
5、本发明PCF-LPG甲烷传感器制作方法，其利用静电自组装技术在光子晶体光纤长周期光栅的包层空气孔内表面形成含氨基化二氧化硅包覆碳纳米管的静电自组装薄膜，通过控制涂覆的PAA、PAH、SWNTs-SiO2-NH2的次数能准确地控制静电自组装薄膜厚度，并且静电自组装薄膜表面SWNTs-SiO2-NH2结构中的氨基和纳米管孔状结构又能稳固地大量吸附笼形分子A-6Me，因此本方法能制得厚度均匀可控、结构稳定的敏感薄膜，同时所获得的敏感薄膜在包层空气孔内，不易受环境污染的影响，使得甲烷传感器的检测灵敏度和准确性更高，稳定性更好。
6、本发明PCF-LPG甲烷传感器制作方法，其制得的含笼形分子A-6Me和氨基化二氧化硅包覆碳纳米管的静电自组装薄膜复合而成的敏感薄膜为高折射率敏感材料，其折射率范围为1.51-1.59，敏感性好；该敏感薄膜仅对甲烷气体有响应，随着甲烷气体浓度的变化，敏感膜的折射率也会发生变化；对氧气、氮气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等非甲烷类气体几乎无响应，表现出良好的选择性。
附图说明
图1为本发明PCF-LPG甲烷检测装置的整体结构示意图；
图2为本发明中不锈钢气室部分的结构示意图；
图3为本发明中刻有长周期光栅的光子晶体光纤的立体结构示意图；
图4为刻有长周期光栅的光子晶体光纤的端面局部放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本实施例中PCF-LPG甲烷检测装置，包括不锈钢气室1，所述不锈钢气室上设置有进气口2、出气口3、前光纤入口4、后光纤入口5、以及用于密封气室的密封盖6，所述密封盖上设置有真空压力表7；
还包括与不锈钢气室的进气口连接的第一气阀8和质量流量控制器9，待测瓦斯气体10与流量控制器连接；
还包括与不锈钢气室的出气口连接的第二气阀11和真空泵12；
还包括设置在不锈钢气室内的光子晶体光纤长周期光栅甲烷传感器13和光纤连接器14；
还包括宽带光源15；
还包括第一单模光纤16，第一单模光纤的一端与宽带光源连接，第一单模光纤的另一端经前光纤入口进入不锈钢气室、并通过光纤连接器14与光子晶体光纤长周期光栅甲烷传感器的一端连接；
还包括光谱分析仪17和与光谱分析仪连接的计算机20；
还包括第二单模光纤18，第二单模光纤的一端与光谱分析仪连接，第二单模光纤的另一端经后光纤入口进入不锈钢气室、并通过光纤连接器与光子晶体光纤长周期光栅甲烷传感器的另一端连接；
还包括设置在前光纤入口和后光纤入口的端部上用于密封单模光纤与光纤入口之间间隙的含O型密封圈的螺母19；
所述光子晶体光纤长周期光栅甲烷传感器结构包括纤芯111、实心包层112、包层空气孔113、长周期光栅114、以及对甲烷气体敏感的薄膜，所述包层空气孔沿光纤轴向延伸且围绕纤芯呈正六边形排列，对甲烷气体敏感的薄膜附着在空气孔的内壁上，所述对甲烷气体敏感的薄膜包括含氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管的静电自组装薄膜115和附着在静电自组装薄膜上的笼形分子A-6Me薄膜116。
本实施例中PCF-LPG甲烷传感器制作方法，包括以下步骤：
(1)依次采用蒸馏水、无水乙醇、丙酮对刻有长周期光栅的光子晶体光纤的包层空气孔的孔壁进行脱脂清洁，将清洗后的PCF-LPG放入真空干燥箱中，在60℃条件下干燥20min；
(2)将浓盐酸与甲醇按照1:1的体积比配制成混合溶液，同时将混合溶液注入到PCF-LPG的包层空气孔内并保持3小时，对包层空气孔内壁进行表面处理使其带正电；
(3)以去离子水为介质，配制浓度为0.02mL/L的聚丙烯酸水溶液4mL，聚丙烯酸为PAA；
(4)以去离子水为介质，配制浓度为2mg/mL的聚丙烯胺盐酸盐水溶液4mL，聚丙烯胺盐酸盐为PAH；
(5)制备氨基化二氧化硅包覆碳纳米管
I、称取0.5g羟基化单壁碳纳米管，羟基化单壁碳纳米管即Short-SWNTs-OH，所称取的羟基化单壁碳纳米管的长度为1-3μm，外径为1-2nm，将称取的羟基化单壁碳纳米管溶于200mL乙醇和40mL水组成的溶液中，超声分散100min，再加入20mL浓氨水；
II、取1.5g正硅酸四乙酯溶于20mL乙醇中，所述正硅酸四乙酯即TEOS，在超声的同时将TEOS溶液滴加于Short-SWNTs-OH的乙醇与水的混合液中，在20min内滴加完毕；
III、超声100min后，在室温下磁力搅拌18h；
IV、将2g 3-氨基丙基三甲氧基硅烷溶解于4mL乙醇与乙酸的体积比为1:1的混合溶液中，并将该混合溶液加入到经步骤III处理的溶液中，然后再磁力搅拌6h；所述3-氨基丙基三甲氧基硅烷即A-1110；
V、将步骤IV得到的产物用有机滤膜抽滤5-6次，每次抽滤加水15mL，并将抽滤所得固态产物在70℃真空条件下干燥2h即得氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管，所述氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管即SWNTs-SiO2-NH2；
(6)以乙醇与水的体积比为500:1的混合溶液为介质，配制浓度为0.5mg/mL的氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管乙醇/水溶液4mL，通过超声波分散器对碳纳米管进行30分钟分散以形成均匀的分散液；
(7)制备含SWNTs-SiO2-NH2的静电自组装薄膜
a、将PAA溶液压入到PCF-LPG的包层空气孔内，PAA在静电作用下附着在带正电的包层空气孔孔壁上，形成PAA膜；
b、用蒸馏水对包层空气孔进行清洗，去掉残余的PAA，并用稳定的氮气流吹干包层空气孔；
c、再将PAH水溶液压入PCF-LPG的包层空气孔内，水溶液中的PAH带正电，通过静电作用使PAH附着在带负电PAA膜上，形成静电自组装薄膜；
d、重复步骤a-c，直至获得所需厚度的PAA/PAH静电自组装薄膜；
e、重复步骤a、b；
f、将超声波分散的SWNTs-SiO2-NH2的乙醇/水溶液压入PCF-LPG的包层空气孔内，溶液中的SWNTs-SiO2-NH2带正电，通过静电作用使其附着在带负电PAA膜上，用乙醇对包层空气孔进行清洗，去掉残余的SWNTs-SiO2-NH2，并用稳定的氮气流吹干包层空气孔，即形成含SWNTs-SiO2-NH2的PAA/PAH静电自组装薄膜；
(8)称取经过二次过柱纯化的笼形分子A-6Me 0.2g，将其溶解于4mL二氯甲烷中，配制成浓度为0.05g/mL的笼形分子A-6Me溶液；
(9)将笼形分子A-6Me溶液压入到PCF-LPG的包层空气孔内，笼形分子A-6Me被静电自组装薄膜中的SWNTs-SiO2-NH2吸附固定，然后将PCF-LPG放入真空干燥箱，在50℃条件下干燥2小时，得到厚度均匀的对甲烷敏感的笼形分子A-6Me薄膜，从而形成含笼形分子A-6Me和静电自组装薄膜的PCF-LPG甲烷传感器。
在具体实施中，含SWNTs-SiO2-NH2静电自组装膜的厚度范围可控制在90～210nm。
本实施例光子晶体光纤长周期光栅甲烷传感器的工作原理如下：
光子晶体光纤长周期光栅的相位匹配条件为：其中z0为光在光子晶体光纤长周期光栅入射处的位置。当满足相位匹配条件时，长周期光栅内的纤芯模式与包层模式会发生谐振耦合，因此可以将光子晶体光纤长周期光栅的谐振波长表示为：其中，为纤芯基模有效折射率，为第m阶包层模有效折射率，Λ为长周期光栅周期，Z为光在光子晶体光纤长周期光栅内的传输距离，N＝1,2,3......，。当不同浓度的甲烷气体进入到包层空气孔内并与含有笼形分子的甲烷敏感膜接触时，甲烷敏感膜的折射率会发生变化，从而导致不同阶次的包层模式有效折射率发生变化，使纤芯基模和包层模有效折射率的差值在沿着光传输方向的不同区域发生改变；由于上式中的光栅周期Λ为定值，上式中光子晶体光纤长周期光栅甲烷传感器的谐振波长λres也将发生变化；通过分析光子晶体光纤长周期光栅甲烷传感器接触甲烷前后光栅谐振波长λres的移动量Δλ，建立甲烷气体浓度c与光栅谐振波长移动量Δλ之间的关系；通过检测光子晶体光纤长周期光栅甲烷传感器与待测甲烷气体接触前后光栅谐振波长移动量Δλ，即可获取待测甲烷气体浓度。
本实施例光子晶体光纤长周期光栅甲烷检测装置及传感器的测试过程如下：
第一步：关闭第一阀门8，使用真空泵12排净不锈钢气室1内的气体，不锈钢气室内是否达到真空通过真空压力表7判断；
第二步：排气完成后，关闭第二阀门11，打开第一阀门8，通过质量流量控制器9控制进入不锈钢气室的瓦斯气体的流量，并通过真空压力表7判断进入不锈钢气室的瓦斯气体量，进入不锈钢气室的瓦斯气体在气压作用下进入到光子晶体光纤长周期光栅的包层空气孔中；
第三步：进气结束后，关闭第一阀门8，开启宽带光源，采用光谱分析仪对光子晶体光纤长周期光栅甲烷传感器的谐振波长进行检测，即可获得瓦斯气体中的甲烷浓度。
当待测甲烷气体经质量流量控制器进入到不锈钢气室内时，由于传感器的包层空气孔也为负压状态，因此待测气体可以进入到传感器的包层空气孔内并与空气孔内表面的甲烷敏感薄膜发生作用，从而使敏感膜的折射率发生改变；而敏感膜折射率的变化，会导致光子晶体光纤长周期光栅甲烷传感器透射谱中谐振波长的变化。采用光谱分析仪对传感器的谐振波长进行检测，并对传感器与甲烷气体接触前后谐振波长的移动量Δλ进行分析，即可获取待测甲烷气体浓度。
在实施中光子晶体光纤长周期光栅的参数优选为：光栅周期300～450μm、光栅长度10～40mm、透射损耗10～30dB、谐振波长初始值为1520～1580nm。
以下为对瓦斯气体中甲烷浓度进行具体测试的实例，其中光子晶体光纤长周期光栅甲烷检测装置采用：不锈钢气室内腔的体积为170mm×80mm×65mm；宽带光源采用中心波长1550nm的DL-CS5014A超辐射宽带光源SLD，带宽40nm；单模光纤为康宁SMF-28单模光纤，其纤芯直径9μm左右，包层直径125μm；光谱分析仪为600～1700nm波长范围的Agilent 86140B光谱分析仪。
测试例一：
光子晶体光纤长周期光栅的参数为：光栅周期450μm、周期数35、光栅长度15.75mm、透射损耗15dB、谐振波长初始值1532.5nm，甲烷敏感薄膜厚度为130nm。将甲烷浓度为0～3.5％(v/v)的标准瓦斯气体作为测试对象，通入到不锈钢测试气室内，使瓦斯气体与包层空气孔内表面的甲烷敏感薄膜发生作用，光谱仪得到的透射光谱中谐振波长随着甲烷气体浓度的增加而向短波长方向移动，并且谐振波长的移动量Δλ与瓦斯气体中甲烷浓度c之间呈线性相关，其线性回归方程为：
Δλ＝kc+b
式中c为待测瓦斯气体中的甲烷浓度，Δλ为光子晶体光纤长周期光栅谐振波长移动量，k为斜率，b为截距。
实验中采用已知甲烷浓度为0、0.5、1.0、1.5、2、2.5、3、3.5％(v/v)的瓦斯标准气体进行检测，相应光栅谐振波长移动量Δλ分别为0、-0.32、-0.71、-1.21、-1.45、-1.77、-2.12、-2.56nm，其线性回归方程为：Δλ＝-0.7224c+0.0033，相关系数R2＝0.9959，即线性回归方程中k、b分别为-0.7224、0.0033。
当待测甲烷气体与光子晶体光纤长周期光栅包层空气孔内表面的甲烷敏感薄膜接触后，光栅谐振波长移动量Δλ为-2.25nm，可计算出待测瓦斯气体的甲烷浓度c＝3.11％，其响应时间36秒，解吸时间48秒。
测试例二：
光子晶体光纤长周期光栅的参数为：光栅周期450μm、周期数35、光栅长度15.75mm、透射损耗15dB、谐振波长初始值1532.5nm，甲烷敏感膜的厚度为170nm。采用已知甲烷浓度为0、0.5、1.0、1.5、2、2.5、3、3.5％(v/v)的瓦斯标准气体进行检测，相应光栅谐振波长移动量Δλ分别为0、-0.75、-1.41、-2.07、-2.51、-3.59、-4.31、-5.1nm，其线性回归方程为：Δλ＝-1.44c+0.0525，相关系数R2＝0.9941，即线性回归方程中k、b分别为-1.44、0.0525。
当待测瓦斯气体与光栅包层空气孔内表面的甲烷敏感薄膜接触后，光栅谐振波长移动量Δλ为-1.65nm，可计算出待测甲烷气体浓度c＝1.11％，其响应时间39秒，解吸时间43秒。
测试例三：
光子晶体光纤长周期光栅的参数为：光栅周期300μm、周期数35、光栅长度10.50mm、透射损耗11.2dB、谐振波长初始值1551.1nm，甲烷敏感膜的厚度为130nm。采用已知甲烷浓度为0、0.5、1.0、1.5、2、2.5、3、3.5％(v/v)的瓦斯标准气体进行检测，相应光栅谐振波长移动量Δλ分别为0、-0.42、-0.92、-1.3、-1.76、-2.22、-2.68、-3.1nm，其线性回归方程为：Δλ＝-0.8895c+0.0067，相关系数R2＝0.9996，即线性回归方程中k、b分别为-0.8895、0.0067。
当待测瓦斯气体与光栅包层空气孔内表面的甲烷敏感薄膜接触后，光栅谐振波长移动量Δλ为-2.10nm，可计算出待测甲烷气体浓度c＝2.36％，其响应时间37秒，解吸时间46秒。
测试例四：
光子晶体光纤长周期光栅的参数为：光栅周期300μm、周期数35、光栅长度10.5mm、透射损耗11.2dB、谐振波长初始值1551.6nm，甲烷敏感膜的厚度为170nm。采用已知甲烷浓度为0、0.5、1.0、1.5、2、2.5、3、3.5％(v/v)的瓦斯标准气体进行检测，相应光栅谐振波长移动量Δλ分别为0、-0.75、-1.44、-2.2、-3.02、-3.82、-4.53、-5.2nm，其线性回归方程为：Δλ＝-1.5062c+0.0158，相关系数R2＝0.9994，即线性回归方程中k、b分别为-1.5062、0.0158。
当待测瓦斯气体与光栅包层空气孔内表面的甲烷敏感薄膜接触后，光栅谐振波长移动量Δλ为-1.76nm，可计算出待测甲烷气体浓度c＝1.16％，其响应时间38秒，解吸时间45秒。
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