CN109781664B

CN109781664B - 拉锥光纤lmr瓦斯气体传感器

Info

Publication number: CN109781664B
Application number: CN201910029572.5A
Authority: CN
Inventors: 王涛; 张明江; 张建忠; 乔丽君
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2019-01-14
Filing date: 2019-01-14
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2039-01-14
Also published as: CN109781664A

Abstract

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。

Description

拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器

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。

优选的，所述锥腰外通过磁控溅射镀膜方式、电子束溅射镀膜方式、蒸发镀膜方式或者化学沉积镀膜方式，均匀镀厚度为10~500nm的金属氧化物薄膜。该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到损耗模即发生损耗模谐振，对应的光波波长称为谐振波长。金属氧化材料包括TiO₂、ZnO、ITO、SnO₂或者In₂O₃等满足上述特征的材料。

优选的，含有穴番A分子的有机膜层通过化学沉积和逐层成膜方式涂覆在金属氧化物薄膜上。穴番A分子均匀分布在有机膜层中，其中穴番A分子能够根据外界甲烷气体浓度的变化捕获和释放甲烷分子。所述含有穴番A的有机膜层的层数为1~80。

优选的，所述光纤包层半径为30~100μm。

优选的，所述光纤纤芯直径为4~12μm。

优选的，光纤锥区直径比未拉锥区域要细，光纤锥腰长度为0.5~3cm。

优选的，硬质毛细管的材质包括玻璃、陶瓷、不锈钢等；在毛细管上均匀分布有微小孔洞，瓦斯气体能够通过孔洞与有机膜层作用。硬质毛细管与锥形光纤的连接方式为胶粘。

基于该方法制作的传感器在进行瓦斯气体浓度检测时，瓦斯气体的浓度检测范围为0~5%（v/v）。

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。

应用时，一种基于拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器的测试系统，包括上述的拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器，该传感器的一端通过光纤跳线Ⅰ连接宽带光源、其另一端通过光纤跳线Ⅱ连接光谱仪，所述光谱仪连接计算机。

使用时，从宽带光源发出的光经过光纤跳线传输到传感器，再经过光纤跳线传输到光谱分析仪进行光谱的采集读取，从光谱分析仪获得的光谱数据传输到计算机进行瓦斯气体浓度的解调处理，在该系统中，传感器放置在盛放有瓦斯气体的气体池中。

通过本发明设计的瓦斯气体传感技术方案与现有技术相比，能够取得如下有益效果：

本发明是采用氢氧火焰将光纤一定区域拉制成锥形，再在拉锥区域四周均匀镀特定厚度的金属氧化物膜层，然后将含有穴番A分子的有机膜层均匀涂覆在有机膜层上。金属氧化物薄膜的LMR模式与拉锥光纤中传输的导模在满足相位匹配条件时发生谐振，该谐振波长对金属氧化物介质表面环境折射率非常敏感，环境折射率变化时，该谐振波长发生变化。因此，本发明提出的拉锥光纤LMR传感结构具有很高的折射率传感灵敏度。含有穴番A的有机膜层在吸收甲烷分子后，其折射率会发生变化。这样，通过将含有穴番A的有机膜层涂覆在金属氧化物薄膜表面，就可以通过LMR谐振波长的飘移来测量瓦斯气体的含量。穴番A分子能够特异性与瓦斯气体中的甲烷分子结合，因此，本发明提出的拉锥光纤LMR瓦斯气体传感方法是一种能够特异性、高灵敏度地检测瓦斯气体的传感方法。

附图说明

图1表示拉锥光纤结构示意图。

图2表示锥区镀金属氧化物薄膜的拉锥光纤结构示意图。

图3表示锥区镀金属氧化物并涂覆含穴番A分子的有机膜层的拉锥光纤结构示意图。

图4表示使用硬质带均匀气孔毛细管对拉锥光纤LMR瓦斯传感器进行封装的结构示意图。

图5表示拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器的实验系统示意图。

图中，1-光纤包层，2-光纤纤芯，3-过渡区Ⅰ，4-锥腰，5-过渡区Ⅱ，6-金属氧化物薄膜，7-含穴番A分子的有机膜层，8-硬质毛细管，9-气孔，10-胶水，11-宽带光源，12-光纤跳线Ⅰ，13-气体池，14-拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器，15-光纤跳线Ⅱ，16-光谱分析仪，17-计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚明了，下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种高灵敏的可在矿井下特异性检测瓦斯气体浓度的拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器，旨在解决现有光纤瓦斯气体传感器体积大、检测灵敏度低等缺点，有望应用于煤矿开采、煤层气开采等实际应用中。具体包括传感光纤，传感光纤由光纤纤芯2和光纤纤芯2外的光纤包层1构成，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4和位于锥腰4两端的过渡区Ⅰ3和过渡区Ⅱ5，锥腰4外依次涂覆有金属氧化物薄膜6和含有穴番A分子的有机膜层7；传感光纤的锥形区域外采用硬质毛细管8覆盖，硬质毛细管8两端采用胶水10固定，硬质毛细管8上均匀设有气孔9。

如图1所示，该传感器是通过将光纤中部用氢氧焰加热后拉制形成锥形，在拉制过程中，光纤包层1与光纤纤芯2的直径缩小形成锥区。拉制成的光纤锥形区域包括过渡区Ⅰ3、锥腰4、过渡区Ⅱ5。

如图2所示，在拉制好的锥形光纤腰锥区域四周通过磁控溅射的方式均匀镀厚度为10~500nm的金属氧化物薄膜6。

如图3所示，将配置好的含有穴番A分子的有机膜层通过化学沉积和逐层成膜方式涂覆在金属氧化物薄膜6上，形成有机膜层7。

如图4所示，将带有均匀气孔9的不锈钢毛细管8套在镀膜后的拉锥光纤锥区，两端用胶水10粘贴到光纤上。用带均匀气孔的不锈钢毛细管对拉锥光纤镀膜区域进行封装，是为了在增强传感器机械强度的同时又保证甲烷气体能够与传感器敏感膜层充分接触。

图5给出了拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器在测试传感器性能时的系统结构图。拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器14的一端通过光纤跳线Ⅰ12连接宽带光源、其另一端通过光纤跳线Ⅱ15连接光谱仪16，光谱仪16连接计算机17。从宽带光源11发出的光经过光纤跳线12传输到传感器14，再经过光纤跳线15传输到光谱分析仪16进行光谱的采集读取，从光谱分析仪16获得的光谱数据传输到计算机17进行瓦斯气体浓度的解调处理，在该系统中，传感器14放置在盛放有瓦斯气体的气体池13中。

Claims

1.一种拉锥光纤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（2）和光纤纤芯（2）外的光纤包层（1）构成，其特征在于：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（4）和位于锥腰（4）两端的过渡区Ⅰ（3）和过渡区Ⅱ（5），所述锥腰（4）外依次涂覆有金属氧化物薄膜（6）和含有穴番A分子的有机膜层（7）；所述传感光纤的锥形区域外采用硬质毛细管（8）覆盖，所述硬质毛细管（8）两端采用胶水（10）固定，所述硬质毛细管（8）上均匀设有气孔（9）；

所述锥腰（4）外通过磁控溅射镀膜方式、电子束溅射镀膜方式、蒸发镀膜方式或者化学沉积镀膜方式，均匀镀厚度为10~500nm的金属氧化物薄膜（6）；

所述含有穴番A分子的有机膜层（7）通过化学沉积和逐层成膜方式涂覆在金属氧化物薄膜（6）上；含有穴番A的有机膜层（7）的层数为1~80。

2.根据权利要求1所述的拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器，其特征在于：所述光纤包层半径为30~100μm。

3.根据权利要求2所述的拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器，其特征在于：所述光纤纤芯直径为4~12μm。

4.根据权利要求3所述的拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器，其特征在于：所述拉锥光纤锥腰长度为0.5~3cm。

5.根据权利要求1所述的拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器，其特征在于：光纤包括单模光纤和多模光纤。

6.根据权利要求1所述的拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器，其特征在于：金属氧化材料包括TiO₂、ZnO、ITO、SnO₂或者In₂O₃。

7.一种基于拉锥光纤LMR瓦斯气体测试系统，其特征在于：包括权利要求1~6任一所述的拉锥光纤LMR瓦斯气体传感器（14），该传感器的一端通过光纤跳线Ⅰ（12）连接宽带光源、其另一端通过光纤跳线Ⅱ（15）连接光谱仪（16），所述光谱仪（16）连接计算机（17）。