CN104568841A - 一种基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置 - Google Patents

Abstract

一种基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，由宽带光源、光环形器、包层空气孔涂覆聚合物敏感薄膜的光子晶体光纤甲烷传感器、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。其中，光纤甲烷传感器由单模光纤、光子晶体光纤以及两者的熔接区域构成，采用的光子晶体光纤为无截止单模实芯光子晶体光纤；聚合物敏感薄膜为含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜，通过气压驱动装置将其涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁；当待测甲烷气体与光子晶体光纤包层空气孔内壁的敏感薄膜作用时，敏感薄膜折射率改变，使传感器反射干涉谱特征波长移动，分析传感器与甲烷气体接触前后反射干涉谱特征波长的平均移动量即可获取待测甲烷气体浓度。本发明具有灵敏度高、稳定性和选择性好等特点。

Description

一种基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置

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模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置。

背景技术

光纤气体传感器具有电绝缘性好、抗强电磁干扰、本质安全、体积小、耐腐蚀等特点，特别适宜易燃、易爆、高温等恶劣环境使用，可用于工业气体在线监测、有害气体分析、环境空气质量监测和爆炸气体检测等。

光子晶体光纤(PCF，Photonic Crystal Fiber)是一种折射率呈周期性变化的人工构建的光物理功能材料，其横截面上含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿光纤整个长度，光波被限制在低折射率纤芯区域内传播。光子晶体光纤具有无截止单模、不同的色度色散、极好的非线性效应和双折射效应、较高的入射功率、可多芯传输等特点，是开发高性能光纤气体传感器重要平台。

根据导光机制的不同，光子晶体光纤分为实芯光子晶体光纤(也称折射率引导型光子晶体光纤，Index-Guiding PCF)和空芯光子晶体光纤(也称空芯光子带隙光纤，Hollow Core Photonic Band-Gap PCF)。

对于基于光谱吸收原理的光子晶体光纤甲烷传感器而言，Hoo Y L等(IEEEPhotonics Technology Letters,2003,15(10):1434～1436)建立了以横截面呈六角形分布的实芯光子晶体光纤为平台的甲烷传感器，通过测量实芯光子晶体光纤中由倏逝波吸收引起的光衰减，进而获取气体扩散系数。但是，这种倏逝波光衰减测量方式的能量利用率较低，仅占全部传输功率的6％。而采用空芯光子晶体光纤进行吸收传感更具优势，因检测样品处于纤芯区域内使分布在纤芯区域内的光功率很高(约占95％)，故光谱吸收型空芯光子晶体光纤传感器的检测灵敏度和准确性更高。

对此，Cubillas A M等(Sensors,2009,9(8):6261～6272)以空芯光子晶体光纤为气体池，制作了基于近红外吸收的光纤甲烷传感器，具有体积小、与气体作用长度长等特点，气体在空芯光子晶体光纤的填充时间与光纤长度和几何形状有关；Cubillas A M等(Optics Express,2007,15(26):17570～17576)还开展了基于1670nm空芯光子晶体光纤气体传感器研究，使测量能够在甲烷的最强吸收峰1670nm处实现，信噪比高，检测限10ppm；Lazaro J M等(Proc.of SPIE,2008,7004:70044U-1～4)针对空芯光子晶体光纤气体传感器存在的气体填充时间长、响应时间更长等不足，通过多光纤耦合缩短响应时间；Parry J P等(Measurement Scienceand Technology,2009,20(7):075301-1～8)利用1550nm空芯光子晶体光纤制作一种紧凑、低容量的甲烷和乙炔气体传感器，但仍存在被探测样品折射率影响出射光强、空芯易被污染、清洗复杂、环境要求高、光源稳定性要求也高、甲烷选择性有待进一步提高等问题。

为了解决光谱吸收型光子晶体光纤甲烷传感器问题，人们提出了一种基于模间干涉的实芯光子晶体光纤传感器解决方案，其核心是基于包层空气孔特性变化导致的包层模有效折射率改变。

当包层空气孔注入液体时可形成液体折射传感器，Jha R,Villatoro J等(Applied Physics Letters,2008,93(19):191106-1～3；Optics Letters,2009,34(5):617～619；Proc.of SPIE,2009,7316:73161B-1～6)提出了反射/透射型光子晶体光纤干涉仪并用于液体折射率测量，折射率变化范围1.320～1.440，其稳定性好、分辨率高、温度敏感性低；黄静等(Proc.of SPIE,2013,9044:90440S-1～5)还对基于模间干涉的光子晶体光纤折射率传感器进行模拟计算，并进行了液体折射率传感器实验佐证，表明理论计算与实验结果的一致性。同时，Villatoro J等(OpticsExpress,2009,17(3):1447～1453；Proc.of SPIE,2009,7316:73161A-1～6)还提出了基于折射率变化的模间干涉型光子晶体光纤气体传感器，其传感原理是填充于包层空气孔的介质折射率影响包层模有效折射率，而包层空气孔的介质折射率与待测气体浓度相关，该传感器由一段光子晶体光纤与普通标准单模光纤熔接而成，当光子晶体光纤包层空气孔渗入挥发性有机化合物时，其反射光谱呈正弦干涉条纹，检测水平达纳摩尔量级。但是，这种气体传感器仅以挥发性有机化合物密度变化为依据，选择性差，灵敏度不高。

发明内容

为了克服现有技术不足，充分发挥模间干涉型光子晶体光纤的波长调制、对包层空气孔介质折射率敏感、抗环境温度和光纤曲率变化干扰以及笼形分子E-(OC₂H₅)₆对甲烷气体选择性高等优点，本发明设计一种稳定性好、灵敏度高的模间干涉型光子晶体光纤甲烷传感装置。其传感过程是以含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂的聚合物薄膜作为甲烷敏感材料，涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁以形成甲烷传感器，当甲烷气体进入包层空气孔并与敏感薄膜特异性相互作用时膜层折射率发生变化，使包层模有效折射率改变进而影响反射干涉谱特征波长，即可实现对甲烷气体高灵敏度、高选择性、高稳定性检测。

为实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，包括宽带光源、光环形器、包层空气孔涂覆敏感薄膜的光子晶体光纤甲烷传感器、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。所述光纤甲烷传感器由单模光纤、光子晶体光纤以及两者的熔接区域构成，单模光纤的另一端通过光环形器的输入端连接到宽带光源，光环形器的输出端连接光谱分析仪和计算机；光纤甲烷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。所述敏感薄膜涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁，光子晶体光纤开口端与待测甲烷气体直接相通。所述含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜是将聚碳酸酯树脂、笼形分子E-(OC₂H₅)₆溶于四氢呋喃，超声波混合均匀后，通过气压驱动装置涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁。所述试剂用量分别为笼形分子E-(OC₂H₅)₆135μmol，聚碳酸酯树脂1g，四氢呋喃20mL。

该传感装置的工作原理如下：

光子晶体光纤甲烷传感器反射干涉谱第m级干涉的特征波长λ_m：

λ_m＝2Δn_eff L/m (1)

其中:Δn_eff为光子晶体光纤纤芯基模有效折射率与包层模有效折射率的差值m为整数，是干涉级次；L是模间干涉长度。

由于甲烷气体浓度变化引起敏感薄膜折射率变化较小，相应的光波累积相位差小于2π，根据式(1)可得

△λ_m≈2πLδ(△n_eff) (2)

其中：△λ_m为第m级干涉条纹特征波长移动量；δ(△n_eff)为某一甲烷气体浓度(c)的△n_eff(c)相对于甲烷气体浓度为0的△n_eff(0)的变化量，即δ(△n_eff)＝△n_eff(c)-△n_eff(0)。由式(2)可知，当模间干涉长度L一定时，干涉条纹特征波长的漂移量将随着甲烷气体浓度的变化而改变。

为了减小测量误差，选择M个反射干涉谱特征波长移动量平均值作为某一甲烷气体浓度处的特征波长平均移动量

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\λ}}=\frac{1}{M}(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_m+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{m+1}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{m+2}+...+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{m+M-1})---\left(3\right)$

因此，当不同浓度甲烷气体进入光子晶体光纤包层空气孔并与涂覆于包层空气孔内壁的含聚碳酸酯/笼形分子E-(OC₂H₅)₆敏感薄膜接触时，甲烷敏感薄膜折射率变化，导致包层模有效折射率改变，而纤芯基模不变，并使纤芯基模和包层模有效折射率差Δn_eff发生改变，进而出现干涉条纹特征波长λ_m移动，通过检测传感器与待测甲烷气体接触前后特征波长平均移动量即可计算出待测甲烷气体浓度，实现甲烷气体高灵敏度和高选择性检测。

所述光子晶体光纤是无截止单模实芯光子晶体光纤，其纤芯直径12μm，包层直径125μm，包层空气孔间距Λ8.0μm，空气孔相对孔径d/Λ 0.46μm(d为包层空气孔直径3.68μm)，长度l为30cm。

所述光子晶体光纤甲烷传感器敏感薄膜涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁，其折射率变化可显著影响反射干涉谱特征波长移动量，灵敏度高。(注：涂覆敏感薄膜的光子晶体光纤长度为l；形成敏感薄膜后，与单模光纤熔接的光子晶体光纤传感区域长度范围L为3～9cm)

所述基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感器采用实芯光子晶体光纤，测量方法是基于反射干涉谱特征波长移动量，不受背景光干扰，对环境温度、光纤曲率变化不敏感，稳定性高。

所述聚合物敏感薄膜为含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜，该敏感薄膜仅对甲烷气体有响应，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，选择性好。

所述含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜为高折射率敏感材料，折射率1.56左右，韧性好。

所述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。

所述光谱分析仪为600～1700nm波长范围的Agilent 86140B光谱分析仪。

所述光子晶体光纤反射干涉谱特征波长移动量△λ_m为传感器接触甲烷气体后、接触前第m级干涉峰特征波长之差。

本发明的优点如下：

1.基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感器，其甲烷敏感薄膜是含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂薄膜，并涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁。当甲烷气体进入光子晶体光纤包层空气孔并与敏感薄膜充分接触时，敏感薄膜折射率变化并导致包层模有效折射率改变，使反射干涉谱特征波长显著移动，易于形成灵敏度高的甲烷传感器。

2.传统的光纤甲烷传感器敏感薄膜一般涂覆在光纤纤芯或包层表面，易受背景光的影响，如模式滤光型光纤甲烷传感器(Wu S Z等,Analytica Chimica Acta,2009,633(2):238～243)、塑料包层石英纤芯甲烷传感器(Benounis M等,Sensorsand Actuators B,2005,107(1):32～39)、纤芯失配型光纤甲烷传感器(ZL200710093035.4)、长周期光纤光栅甲烷传感器(ZL 201010593704.6)，这些传感器的甲烷敏感薄膜仅涂覆于光纤纤芯或包层表面，灵敏度有限；而本发明的光子晶体光纤甲烷传感器则将甲烷敏感薄膜涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁，不受背景光干扰，且光子晶体光纤本身对环境温度、光纤曲率变化不敏感，灵敏度将远大于传统光纤甲烷传感器。

因此，模间干涉型光子晶体光纤甲烷传感器的稳定性高于传统的光纤甲烷传感器。

3.本发明采用的敏感材料笼形分子E-(OC₂H₅)₆比笼形分子E的内腔尺寸小，可以较好地抑制非甲烷类分子的进出，使含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的敏感薄膜对甲烷分子具有更高的选择性；选用聚碳酸酯树脂作为甲烷敏感薄膜基质材料，与苯乙烯-丙烯腈树脂(ZL 201010593704.6)相比，能够进一步改善甲烷敏感薄膜的韧性，更好地避免膜层出现裂纹、不均匀等现象，从而改善成膜质量，提高传感器灵敏度。

4.本发明采用气压驱动方式将含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁，比传统提拉法形成的膜层更均匀、无孔洞缺陷，通过多次涂覆能够较好地控制膜层厚度在200～300nm之间。因此，由此所形成的光子晶体光纤传感器灵敏度远优于传统提拉的含笼形分子E的苯乙烯-丙烯腈树脂(ZL 201010593704.6)甲烷敏感薄膜，表现出灵敏度高、选择性好、稳定性高、检出限低等特征。

5.本发明采用气压驱动装置制作甲烷敏感薄膜，将光子晶体光纤固定于气压驱动装置底座的底部，溶液流动方向自上而下，驱动压力降至0.15Mpa，这使得涂膜容易，涂覆更加方便。另外，本气压驱动装置是沿底座轴向开孔并内衬聚四氟乙烯涂层作为容器，将底座与容器合二为一并形成一个整体，结构简洁；进一步还采用易拆卸的不含光子晶体光纤密封盖，避免光子晶体光纤折断问题；密封盖通过螺纹连接底座，密封盖与底座之间用O形圈密封，适宜密封盖频繁拆卸情形。

中国专利文献CN103616362提出的“一种荧光光纤传感器探头及其制备方法”，虽然也利用了光纤空气孔，在孔内壁涂覆纳米金/甲基丙烯酸甲酯溶液，但其采用的光纤为轮形微结构特种光纤，纤芯与包层之间通过拉筋进行连接，难以远距离传输，应用困难；并且其光纤空气孔直径很大(6μm)，使涂覆纳米金/甲基丙烯酸甲酯溶液相对容易，驱动压力较小(10psi，约0.07Mpa)，密闭容器盖子仅采用橡胶塞，不适宜空气孔直径较小而需较大气压驱动情形；其测量方式为强度调制，工作时易受电源、电压、温度和湿度等因素影响；测量对象为硝基芳烃类爆炸物。

而本发明采用的是无截止单模实芯光子晶体光纤，结构截然不同，其对包层空气孔介质折射率敏感、抗环境温度和光纤曲率变化干扰，与普通单模光纤连接容易，适宜远距离传输；其包层空气孔直径小(仅3.68μm)，使涂覆甲烷敏感薄膜难度增大，需要特殊的气压驱动装置，其密封盖的密封孔材料为聚四氟乙烯，能够更好的起到密封作用，使增加驱动压力时不会泄漏；测量方式是波长调制，可避免测量过程中光强波动及光纤损耗的影响；测量对象为甲烷气体。

6.模间干涉型光子晶体光纤传感信号属于波长调制，可避免测量过程中电源电压、环境温湿度波动引起的光信号干扰；且传感系统仅涉及光信号，本质安全，特别适宜易燃、易爆、强电磁干扰环境中有毒有害物质的检测；通过光纤传感网络，可实现多功能、智能化检测，显著降低工程化应用成本。

附图说明

图1是本发明光子晶体光纤甲烷传感装置结构示意图。

图2是图1中光子晶体光纤甲烷传感器结构端面示意图。

图3是图1中光子晶体光纤甲烷传感器结构轴向剖面图。

图4是图1中光子晶体光纤包层空气孔涂覆甲烷敏感薄膜气压驱动装置示意图。

具体实施方式

本发明光子晶体光纤甲烷传感装置参见图1，将含笼形分子E-(OC2H5)6的聚碳酸酯树脂敏感薄膜的光子晶体光纤的一端与单模光纤熔接，形成光子晶体光纤甲烷传感器3，并装配到传感装置测试气室4内密封。采用超辐射宽带光源SLD1通过光环形器2的输入端连接到光子晶体光纤甲烷传感器3的单模光纤，甲烷传感器3的反射干涉信号返回到单模光纤并通过光环形器2的输出端连接Agilent86140B光谱分析仪5，该光谱分析仪5通过GPIB接口连接线6与计算机7相接。测试气室4分别有一通入、通出待测甲烷气体12的进气口8和出气口9，进气口8通过开关阀门10与控制待测甲烷气体12的质量流量控制器11连接。

参见图2，光子晶体光纤甲烷传感器的结构从截面看包含有：光子晶体光纤石英玻璃包层21、纤芯(实芯)22、包层空气孔23、包层空气孔内壁24和敏感薄膜25。

参见图3，光子晶体光纤甲烷传感器结构从轴向剖面看包含有：单模光纤SMF 31、熔接区域32和光子晶体光纤33(传感区域长度L为3～9cm)，12为待测甲烷气体。其中，光子晶体光纤采用无截止单模实芯光子晶体光纤，如可选用Blaze Photonics公司提供的ESM-12-01，其长度l为30cm、纤芯直径12μm，包层直径125μm，包层空气孔间距Λ8.0μm，空气孔相对孔径d/Λ为0.46μm(d为包层空气孔直径)。光子晶体光纤包层空气孔内壁涂覆含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜的方法为气压驱动法；单模光纤采用康宁SMF-28光纤，其纤芯直径9μm左右，包层直径125μm。

参见图4，涂覆甲烷敏感薄膜到光子晶体光纤包层空气孔内壁采用气压驱动装置，气压驱动装置包括底座43、内衬聚四氟乙烯容器47、聚四氟乙烯密封环45，密封盖49。所述底座43中轴向开孔并内衬聚四氟乙烯涂层作为内衬聚四氟乙烯容器47，内衬聚四氟乙烯容器47用于贮存液体介质48。密封盖49用于密封内衬聚四氟乙烯容器47的上端开口，密封盖49与底座43之间通过O形圈44密封。内衬聚四氟乙烯容器47的底部开口处为光子晶体光纤接入固定位置，采用聚四氟乙烯密封环45密封；底座43上有通往内衬聚四氟乙烯容器47的氮气进口和出口，与氮气气路40连接。氮气气路上有进气阀41和出气阀50，还有用于气压驱动装置内部压力指示的压力表42。

涂敷时，将长度l为30cm的光子晶体光纤46安装于内衬聚四氟乙烯容器47的底部开口处，用聚四氟乙烯密封环45进行密封，光子晶体光纤46上端一小段露出内衬聚四氟乙烯容器47，容器47内盛液体介质48。用密封盖49密封内衬聚四氟乙烯容器47的上端开口。涂膜过程中氮气40通入、进气阀41打开、出气阀50关闭，涂膜结束后取密封盖49时需提前关闭氮气40、进气阀41关闭、出气阀50打开使压力表42指示为0。

含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜涂覆过程如下：

(1)将光子晶体光纤46清洁后固定于气压驱动装置的内衬聚四氟乙烯容器47底部，并通过密封环45密封。依次将蒸馏水、无水乙醇、丙酮装入内衬聚四氟乙烯容器47。旋紧密封盖49到底座43上。将气压驱动装置与氮气40连通，施加0.15MPa压力使蒸馏水、无水乙醇、丙酮分别通过光子晶体光纤包层空气孔23，清洁后将含光子晶体光纤的底座43置于真空干燥箱中60℃干燥20min。

(2)以蒸馏水为溶剂，配制1％的γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷偶联剂水溶液，装入内衬聚四氟乙烯容器47，盖上密封盖49。对气压驱动装置施加0.15MPa压力，使硅烷偶联剂水溶液通过光子晶体光纤包层空气孔23，持续10min，形成硅烷偶联剂薄膜，厚度小于20nm；清洁内衬聚四氟乙烯容器47。

(3)分别称取135μmol笼形分子E-(OC₂H₅)₆，1g聚碳酸酯树脂，溶于20ml四氢呋喃溶剂中，超声溶解5hrs，过滤除去未溶解的颗粒物，取部分滤液置于内衬聚四氟乙烯容器47内，盖上密封盖49。对气压驱动装置施加0.15MPa压力，使含笼形分子E-(OC₂H₅)₆、聚碳酸酯树脂、四氢呋喃混合溶液48通过光子晶体光纤包层空气孔23，持续10min，形成含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜并通过硅烷偶联剂固定于包层空气孔内壁24；清洁内衬聚四氟乙烯容器47。

(4)拆卸密封盖49后，将含光子晶体光纤的底座43置于真空干燥箱中，60℃保温2h，即可形成均匀性良好的甲烷敏感薄膜。

以上步骤完成为光子晶体光纤包层空气孔内壁24的一次涂覆，可通过多次重复(3)步骤，增加敏感薄膜厚度直至200～300nm。

甲烷敏感薄膜制作完成后，拆卸聚四氟乙烯密封环45并取下已涂覆甲烷敏感薄膜的光子晶体光纤46。将该光子晶体光纤的一端与单模光纤熔接，并采用光纤切割刀切割长度L为3～9cm的光子晶体光纤作为传感区域，装配于测量气室中。当待测甲烷气体经质量流量控制器、测试气室进气口进入并与光子晶体光纤包层空气孔内壁的甲烷敏感薄膜发生作用，敏感薄膜折射率改变；而敏感薄膜折射率的变化，将导致反射干涉谱特征波长移动。采用光谱分析仪检测反射干涉谱特征波长的移动情况，分析传感器与甲烷气体接触前后干涉谱特征波长的平均移动量即可获取待测甲烷气体浓度。

实验例1：包层空气孔内壁涂覆含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜的光子晶体光纤长度为3cm。以甲烷浓度为0～3.5％(v/v)的瓦斯标准气体为对象，分别与包层空气孔内表面的敏感薄膜发生作用，反射干涉谱特征波长随甲烷气体浓度增加而向长波长方向移动，且特征波长平均移动量与甲烷浓度c之间呈线性相关，其线性回归方程为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\λ}}=\mathrm{kc}+b$

式中c为待测甲烷气体浓度，为光子晶体光纤反射干涉谱特征波长平均移动量，k为斜率，b为截距。

实验中采用已知甲烷浓度为0、0.1、0.4、1.0、1.8、2.8、3.5％(v/v)的瓦斯标准气体分别进行检测。对于某一个甲烷浓度，得到并选择出M(M＝4)个反射干涉峰，根据式(3) $\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\λ}}=\frac{1}{M}(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_m+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{m+1}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{m+2}+...+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{m+M-1})$ 可得出反射干涉谱特征波长平均移动量其中△λ_m为干涉级次m＝0时的反射干涉谱特征波长移动量，△λ_m+1等以此类推。因此，与不同甲烷浓度对应的光子晶体光纤反射干涉谱特征波长平均移动量分别为0、0.30、0.44、1.48、2.16、2.72、3.02nm，其线性回归方程为：相关系数R²＝0.9542，即线性回归方程中k、b分别为0.8718、0.2501。

当待测甲烷气体与光子晶体光纤包层空气孔内表面的敏感薄膜接触后，反射干涉谱特征波长平均移动量为2.36nm，可计算出待测甲烷气体浓度c＝2.4％，其响应时间48秒，恢复时间75秒。

实验例2：包层空气孔内壁涂覆含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜的光子晶体光纤长度为5cm。以已知甲烷浓度为0、0.1、0.4、1.0、1.8、2.8、3.5％(v/v)的瓦斯标准气体进行检测，相应反射干涉谱特征波长随甲烷气体浓度增加而向长波长方向移动，其干涉谱特征波长平均移动量分别为0、0.34、0.48、1.58、2.18、2.80、3.08nm，线性回归方程为：相关系数R²＝0.9505，即线性回归方程中k、b分别为0.8827、0.2837。

当待测甲烷气体与光子晶体光纤包层空气孔内表面的敏感薄膜接触后，反射干涉谱特征波长平均移动量为0.92nm，可计算出待测甲烷气体浓度c＝0.7％，其响应时间为51秒，恢复时间为76秒。

实验例3：包层空气孔内壁涂覆含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜的光子晶体光纤长度为7cm。以已知甲烷浓度为0、0.1、0.4、1.0、1.8、2.8、3.5％(v/v)的瓦斯标准气体进行检测，相应干涉谱特征波长随甲烷气体浓度增加而向长波长方向移动，其干涉谱特征波长平均移动量分别为0、0.36、0.48、1.68、2.24、2.92、3.16nm，线性回归方程为：相关系数R²＝0.9448，即线性回归方程中k、b分别为0.9096、0.3011。

当待测甲烷气体与光子晶体光纤包层空气孔内表面的敏感薄膜接触后，干涉谱特征波长平均移动量为1.76nm，可计算出待测甲烷气体浓度c＝1.6％，其响应时间为46秒，恢复时间为66秒。

实验例4：包层空气孔内壁涂覆含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜的光子晶体光纤长度为9cm。以已知甲烷浓度为0、0.1、0.4、1.0、1.8、2.8、3.5％(v/v)的瓦斯标准气体进行检测，相应干涉谱特征波长随甲烷气体浓度增加而向长波长方向移动，其干涉谱特征波长平均移动量分别为0、0.38、0.50、1.74、2.26、2.96、3.22nm，线性回归方程为：相关系数R²＝0.9435，即线性回归方程中k、b分别为0.9207、0.3173。

当待测甲烷气体与光子晶体光纤包层空气孔内表面的敏感薄膜接触后，干涉谱特征波长平均移动量为3.08nm，可计算出待测甲烷气体浓度c＝3.0％，其响应时间为46秒，恢复时间为73秒。

Claims (7)

1.一种基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，包括宽带光源、光环形器、光纤甲烷传感器、测试气室、开关阀门、质量流量控制器、光谱分析仪和计算机；所述宽带光源通过光环形器的输入端连接到光纤甲烷传感器的单模光纤，光纤甲烷传感器的反射干涉信号返回到单模光纤并通过光环形器的输出端连接光谱分析仪和计算机；所述光纤甲烷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：所述光纤甲烷传感器由单模光纤、光子晶体光纤以及两者的熔接区域构成，采用无截止单模实芯光子晶体光纤，在光子晶体光纤包层空气孔内壁涂覆有聚合物敏感薄膜，所述聚合物敏感薄膜为含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜，其膜厚为200～300nm；所述含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜是将聚碳酸酯树脂、笼形分子E-(OC₂H₅)₆溶于四氢呋喃，超声混合均匀而得，用量分别为笼形分子E-(OC₂H₅)₆ 135μ mol，聚碳酸酯树脂1g，四氢呋喃20mL；所述含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜通过气压驱动装置涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁。

2.根据权利要求1所述的基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：所述光子晶体光纤的传感区域长度L为3～9cm，纤芯直径为12μm，包层直径为125μm，包层空气孔间距Λ为8.0μm，空气孔相对孔径d/Λ为0.46μm，其中d为包层空气孔直径。

3.根据权利要求1或2所述的基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：所述含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜折射率1.56左右。

4.根据权利要求1或2所述的基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：所述宽带光源采用光谱范围1460~1620nm的宽带光源。

5.根据权利要求1或2所述的基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，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。

6.根据权利要求1或2所述的基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：通过气压驱动装置涂覆含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜方法如下：

（1）将光子晶体光纤固定于气压驱动装置底座的底部，溶液流动方向为自上而下；

（2）采用气压驱动装置，施加氮气压力0.15MPa，依次用蒸馏水、无水乙醇、丙酮清洗长度l=30cm的光子晶体光纤包层空气孔；

（3）采用气压驱动装置，施加氮气压力0.15MPa，使γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷偶联剂水溶液通过光子晶体光纤包层空气孔，形成硅烷偶联剂薄膜；

（4）采用气压驱动装置，施加氮气压力0.15MPa，使含笼形分子E-(OC₂H₅)₆、聚碳酸酯树脂、四氢呋喃混合溶液通过光子晶体光纤包层空气孔，形成含笼形分子E-(OC₂H₅)₆的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜并通过硅烷偶联剂固定于包层空气孔内壁；多次气压驱动涂覆，使甲烷敏感薄膜厚度达到所需要求。

7.根据权利要求6所述的基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：所述气压驱动装置包括底座（43）、内衬聚四氟乙烯容器（47）、聚四氟乙烯密封环（45）和密封盖（49）；所述底座（43）中轴向开孔并内衬聚四氟乙烯涂层作为内衬聚四氟乙烯容器（47），内衬聚四氟乙烯容器（47）用于装液体介质（48）；密封盖（49）用于密封内衬聚四氟乙烯容器（47）的上端开口，密封盖（49）与底座（43）之间通过O形圈（44）密封；内衬聚四氟乙烯容器（47）的底部开口处为光子晶体光纤接入固定位置，采用聚四氟乙烯密封环（45）密封；底座（43）上有通往内衬聚四氟乙烯容器（47）的氮气进口和出口，与氮气气路（40）连接；氮气气路上有进气阀（41）和出气阀（50），还有用于气压驱动装置内部压力指示的压力表（42）。