本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光纤传感
，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。
技术介绍
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一一瓦斯 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。
技术实现思路
本专利技术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。 本专利技术是这样实现的，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，甲烧敏感膜为笼形超分子材料CryptophaneA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3dBf禹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3dBf禹合器，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； 光从入射方向进入第一个塌陷点时被分成两路分别进入光子晶体光纤的纤芯和 包层，经过另一个塌陷点时，两束光会合，由于两束光满足干涉条件，在会合点发生干涉。 进一步地，宽带光源为ASE宽带光源，输出波长在1520nm~1570nm之间。 笼形分子内部存在内腔（或空穴），由于存在配合（络合）效应，非常有利于甲烷 分子自由进入其内部。当甲烷分子进入内腔后，笼形分子与甲烷分子间能够发生非共价键 相互作用，形成分子聚集体-超分子，其中笼形分子为受体，甲烷分子为给体，笼形分子内 部的内腔体积与待测甲烷分子体积之间存在占位比，而甲烷比非甲烷气体，如氧气、氢气、 二氧化碳的体积要大些，更接近最优占位比，也更加稳定，但是，甲烷分子刚进入时，超分子 依然处于不稳定状态，甲烷分子会继续向靠近中心位置的内腔移动，使超分子最终达到能 量最小的结构。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1.将新兴材料笼形分子敏感膜与光子晶体 光纤相结合，实现了对甲烷的灵敏检测；2.将反射式MZI干涉电路引入光子晶体光纤，形成 长尾式探头结构，可以使光子晶体光纤传感器实现远程分布式实时监测；3.对光子晶体光 纤和单模光纤的熔接点采用过熔塌陷法进行熔接，以减小二者熔接时所引起的损耗，使单 模光纤中入射到光子晶体纤维中的光耦合到空气孔包层中，形成更加优异的干涉谱，对甲 烷浓度的检测更加精准。【附图说明】 下面结合附图及实施方式对本专利技术作进一步详细的说明： 图1为本专利技术提供的基于敏感膜涂覆的光子晶体光纤甲烷传感器结构示意图； 图2为光子晶体光纤与单模光纤熔接点显微镜影像示意图； 图3为光经过单模光纤和光子晶体光纤熔接点时的光路走向示意图； 图4为涂覆笼形分子A敏感膜的光子晶体光纤甲烷传感器测量的干涉谱漂移情况 结果图； 图5为涂覆笼形分子A敏感膜的光子晶体光纤甲烷传感器测量的甲烷气体浓度与 谐振谷波长之间的关系图； 图6为涂覆笼形分子E敏感膜的光子晶体光纤甲烷传感器测量的干涉谱漂移情况 结果图； 图7为涂覆笼形分子E敏感膜的光子晶体光纤甲烷传感器测量的甲烷气体浓度与 谐振谷波长之间的关系图。【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对 本专利技术进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，并 不用于限定本专利技术。 如图1所示，为本专利技术提供的基于敏感膜涂覆的光子晶体光纤甲烷传感器结构示 意图，包括宽带光源1、单模光纤2、3dB耦合器3、光子晶体光纤4、反射镜5、折射率匹配液 6和光谱分析仪7组成，3dB耦合器3 -侧的两个端口分别通过单模光纤2与宽带光源1和 光谱分析仪7连接，3dB耦合器3另一侧的两个端口一个通过单模光纤2与光子晶体光纤4 熔接，另一个通过单模光纤2通向折射率匹配液6,光子晶体光纤4的另一端通过单模光纤 连接反射镜5 ;光子晶体光纤4包层外侧涂覆笼形分子敏感膜，与光子晶体光纤4熔接的单 模光纤2、涂覆有笼形分子敏感膜的光子晶体光纤4和反射镜5-起构成光子晶体光纤甲烷 传感器的探头结构。 笼形分子敏感膜的制备与涂覆： 参考下列方程式为生成本专利技术所采用的笼形分子的过程： 笼形分子A和E的敏感膜制备首先称取制备好的笼当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于敏感膜涂覆的光子晶体光纤甲烷传感器，其特征在于，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，所述3dB耦合器一侧的两个端口分别通过所述单模光纤与所述宽带光源和光谱分析仪连接，所述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，所述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、涂覆有甲烷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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：高朋，于吉，
申请(专利权)人：沈阳师范大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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