[发明专利]拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器

说明书

本发明公开了一种拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器，制作方法为将光纤在氢氧焰下进行拉锥，使锥区长度为0.5~3cm，在拉锥区域镀10~500nm厚度的金属氧化物膜层形成拉锥光纤LMR传感器。本发明形成的拉锥光纤LMR传感器中的金属氧化物膜层的损耗模与拉锥光纤的导模在满足相位匹配条件时发生谐振，谐振波长对外界环境敏感，能够感知外界环境折射率的变化。在金属氧化物膜层上涂覆含有穴番A分子的有机膜层，穴番A分子在捕获甲烷分子时有机膜层的折射率发生改变，从而改变光纤LMR传感器的损耗模谐振波长，通过谐振波长的飘移可以解调出瓦斯气体的浓度。

技术领域

本发明涉及于光纤传感领域，特别涉及到基于损耗模谐振（LMR）的光纤传感技术，具体是一种拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器。

背景技术

我国属于贫油富煤的国家，长期以来一直以煤炭作为国家基础能源和工业原材料。总体上讲，我国煤矿开采技术条件相对于世界矿业发达国家而言较差，开采过程中的安全隐患突出，近年来特大、重大事故时有发生，瓦斯爆炸是其中较为突出的安全事故。瓦斯是一种易燃易爆的气体，其主要成分是甲烷（CH₄），当空气中甲烷浓度为4.7%~16.3%时，容易发生爆炸。因此，煤矿作业时实时监测井下瓦斯浓度的含量显得十分必要。准确高效地检测出井下空气中瓦斯的体积分数、变化率，进而推断出遇火发生爆炸的可能性，对于矿工人生安全，矿井安全运营有着重要作用。光纤传感器是以光波为信号载体、以光纤为信号传输介质，具有不带电、体积小、灵敏度高以及远距离传输的特点，能够很好满足矿井下对于传感器的要求，正成为井下瓦斯气体检测的一种热门的手段。

LMR（Loss mode resonance，损耗模谐振）存在于介质与介质的交界区域，是一种物理光学现象。要在光纤上发生损耗模谐振，需要满足如下条件：膜层材料介电常数的实部是正值且在幅度上要大于其虚部的绝对值以及大于其对应光纤波导介电常数的实部。当特定波长的光波在光纤中的导模与该材料形成的薄膜波导中的损耗模满足波矢匹配条件时，导模中的能量将耦合中即发生损耗模谐振，对应的光波波长称为谐振波长。在外界环境折射变化时，损耗模谐振波长发生变化，光纤LMR对外界环境变化有着极高的敏感性，能够用于多种物质参量的测量。光纤LMR传感器在环境监测、物质浓度测量、药物开发等领域有着广阔的应用前景。

发明内容

本发明目的是针对矿井下对瓦斯气体浓度检测的需求，提出了一种拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器，利用含有穴番A（cryptophane A）分子的有机膜层在吸收甲烷分子时其折射率发生改变以及光纤LMR器件谐振波长对环境折射率的敏感，实现涂覆含穴番A分子的有机膜层的拉锥光纤LMR传感器对瓦斯气体的高灵敏度测量。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器，包括传感光纤，所述传感光纤由光纤纤芯和光纤纤芯外的光纤包层构成，所述传感光纤的某一区域拉制成锥形区域，该锥形区域包括位于中部的锥腰和位于锥腰两端的过渡区Ⅰ和过渡区Ⅱ，所述锥腰外依次涂覆有金属氧化物薄膜和含有穴番A分子的有机膜层；所述传感光纤的锥形区域外采用硬质毛细管覆盖，所述硬质毛细管两端采用胶水固定，所述硬质毛细管上均匀设有气孔。

制作该传感器的载体是拉锥光纤，由单模光纤或多模光纤通过氢氧焰将传感光纤的一定区域拉制成锥形，并在锥形区域镀一定厚度的金属氧化物膜层，再在金属氧化物膜层上涂覆含有穴番A分子的有机膜层，然后用带孔洞的硬质毛细管对镀膜区域进行封装。