一种基于锥形多模干涉的高灵敏度光纤甲烷传感装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，具体设及一种获取甲烧浓度的锥形多模干设的高 灵敏度光纤甲烧传感方法及装置。
【背景技术】
[0002] 随着光纤传感技术的快速发展，光纤气体传感器研究受到广泛关注，因其具有电 绝缘性好、抗强电磁干扰、防爆、可远距离长期在线测量等特点而适宜恶劣环境中易燃易爆 气体监测。 阳00引单模光纤（SMF)-锥形多模光纤灯MMF)-单模光纤（SMF)结构（STM巧是一种基 于锥形多模光纤模式干设机制的光纤结构，其是由一段多模光纤嵌入到一段标准单模光纤 后将多模光纤拉锥而成。运种基于锥形光纤多模干设的光纤传感器具有结构简单、成本低 廉、灵敏度较高等优点，能通过波长调制而克服光波强度波动的影响，能够用于湿度、氨气、 氨气、氧气等信息检测。目前，研究人员已先后研制了不同STMS结构的光纤传感器。王雪 萍等[中国计量学院硕±学位论文，2014. 3. 1]提出一种涂覆聚乙締醇（PVA)膜的拉锥光 纤湿度传感器，其湿度敏感膜由多模光纤锥形区域在5%PVA水溶液中涂覆而成，湿度敏 感膜的折射率会随外界环境湿度变化而改变，根据光功率变化获取湿度信息，在湿度35~ 90%册范围内传感器最大灵敏度为0.251地/%册。化elVillatoro等（Sensorsand ActuatorsB, 2005, 110:23 ~27 ;I邸ESensorsJournal, 2003, 3(4) : 533 ~537)将钮涂 覆到拉锥多模光纤表面形成高灵敏度氨气传感器，检测限0. 3%，响应时间90秒。David Monz6nHerncindez等（SensorsandActuatorsB, 2010, 151:219 ~222)则将光纤拉锥至 5-10ym并W0. 1埃/秒锻覆钮、金膜W形成可快速检测氨气的光纤传感器，其响应时间2 秒。F'uxingGu等（AdvancedOpticalMaterials, 2014, 2:189 ~196)也将单晶钮纳米线涂 覆于锥形光纤传感器的作用区域，钮纳米线对氨气的检出限低至0.2%。化化theshRaj等 的pticsCommunications, 2015, 340:86~92)将纳米银颗粒、聚乙締化咯烧酬和聚醋酸乙 締醋涂覆于拉锥塑料光纤表面，评价不同纳米银质量分数（1. 6, 3. 3和6. 6% )的体系对氨 气选择性。S.A.Ibr址im等（OpticsExpress, 2015, 23 (3): 2837-2845)则涂覆聚苯胺纳米 纤维到锥形多模光纤传感区域W形成氨气传感器，响应和恢复时间分别为2. 27、9. 73min， 重现性和可逆性好。RenataJarzebinska等（Anal}fticalLetters, 2012, 45 (10): 1297 ~ 1309)提出静电自组装四-(4-横苯基）化嘟灯SP巧和聚締丙基胺盐酸盐（PAH)交替层 到锥形光纤表面形成氨气传感器，其束腰直径10ym，响应时间100秒，恢复时间240秒。 C.化lido等（SensorsandActuatorsB, 2013, 184:64~69)提出将巧光团嵌入拉锥聚合 物光纤形成光纤氧气传感器，利用氧气导致的巧光巧灭信号来测量氧气含量，响应时间28 秒。RongshengQien等（PhysiologicalMeasurement, 2013, ：M:N71 ~N81)也建立一个可 检测人体呼吸的光纤传感体系，其原理是将混有聚合物的巧光团涂覆于拉锥光纤表面，氧 气具有巧光巧灭特性，传感器响应时间150秒，可监测到每分钟60次的呼吸频率。陈达如等 狂L201110311888. 7)公开了基于锥形光纤的布拉格光栅液压传感方法，传感系统包括宽带 光源、光禪合器、光谱分析仪和锥形光纤的布拉格光栅，当锥形光纤的布拉格光栅置于待测 液压环境中，通过测量锥形光纤布拉格光栅中屯、波长移动量获取施加在布拉格光栅上的液 压。
[0004] 甲烧是矿井瓦斯主要成分（约占83~89%)，是矿井安全监测的重点。笼形分 子化合物（化ypto地anes)是迄今发现的唯一对甲烧具有直接光敏感响应的新型功能分 子，能够与光纤传感技术结合形成高选择性的光纤甲烧敏感薄膜传感器，如倏逝波型、巧 光透射型、模式滤光型、长周期光纤光栅型、光子晶体光纤型等甲烧传感器（Sensors and Actuators B, 2005, 107(1):32 ~39 ;Analytica Qiimica Acta,2009, 633(2):238 ~243 ; Qiinese Optics Letters, 2010, 8巧）：482 ~484 ;0ptics Express, 2011, 19 (lf5): 14696~ 14706)。分析表明，目前的研究工作主要是将笼形分子A或E渗入到聚硅氧烷或苯乙締-丙 締腊材料中，并涂覆到塑料包层石英纤忍、纤忍失配型光纤或长周期光纤光栅上形成光纤 甲烧传感器。但是，运些方法的敏感薄膜来源于笼形分子渗入聚硅氧烷、苯乙締-丙締腊树 脂后涂覆而成，大部分笼形分子被包裹于薄膜材料内，易出现甲烧分子在运些薄膜材料中 迁移阻力大和与笼形分子接触困难等问题，使传感器的响应速度较慢（2~5分钟）、灵敏度 较低。 阳0化]可见，W上的技术都存在共同的问题，即笼形分子都不是直接裸露于甲烧气体中， 由此影响笼形分子响应甲烧分子的能力，使得传感器灵敏度较低，有必要改变敏感薄膜结 构。
【发明内容】
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[0006] 为了解决W上现有技术存在的问题，本发明提出了一种灵敏度高、响应速度快的 多模干设型光纤甲烧传感方法及装置，其传感过程是W含笼形分子A的a-氨径 基-聚二甲基硅氧烷多孔薄膜作为甲烧敏感材料，涂覆于SMF-TMMF-SMF结构的锥形多模光 纤传感区域，即可实现对甲烧气体高响应速度、高灵敏度、高选择性检测。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案如下：
[0008] 一种基于锥形多模干设的高灵敏度光纤甲烧传感装置，包括宽带光源、单模光纤、 SMF-TMMF-SMF结构的TMMF涂覆多孔敏感薄膜的光纤甲烧传感器、测试气室、开关阀口、质 量流量控制器、光谱分析仪和计算机等构成。所述多模光纤MMF两端分别与单模光纤SMF 烙接并进一步对多模光纤进行拉锥后形成SMF-TMMF-SMF结构，与TMMF相连的两端单模光 纤SMF分别连接到宽带光源、光谱分析仪和计算机；光纤传感器位于测试气室内，测试气室 有通入待测甲烧气体的进气口和出气口，进气口通过开关阀口连接控制待测甲烧气体的质 量流量控制器。所述SMF-TMMF-SMF结构光纤传感器的锥形多模光纤外表面先采用硅烷偶 联剂水溶液预处理再涂覆甲烧敏感薄膜。
[0009] 所述甲烧敏感薄膜是含笼形分子A的a-氨径基-聚二甲基硅氧烷多孔甲 烧敏感薄膜，是首先将光学级a-氨-径基-聚二甲基硅氧烷、笼形分子A、致孔剂碳酸 氨锭置于二氯甲烧与甲醇混合溶剂中，W2000转/分转速揽拌0. 5小时后进一步超声混合 均匀，然后自动提拉涂覆于锥形多模光纤传感区域，在溫度90°C和真空度0.OSMI^a条件下 脱出薄膜内二氯甲烧与甲醇混合溶剂W及热分解致孔剂碳酸氨锭，使形成的甲烧敏感薄膜 多孔化，孔隙率为12~15 %;试剂用量分别为笼形分子A600ymol，光学级a-氨径 基-聚二甲基娃氧焼Ig，致孔剂碳酸氨馈0.Ig，体积比5:1的二氯甲焼与甲醇纔合溶剂 12mL〇
[0010] 本发明将笼形分子与光学树脂混合形成的敏感薄膜多孔化，通过热分解敏感薄膜 内的致孔剂实现致密膜向多孔膜转变，敏感薄膜具有较高孔隙率，膜内裸露出的笼形分子 数量显著提高；同时，还将敏感薄膜涂覆到锥形多模光纤表面并多孔化，利用甲烧分子扩 散进入多孔敏感薄膜后折射率快速变化引起传感器透射干设谱特征波长移动，当待测甲烧 气体与锥形多模光纤外表面的多孔甲烧敏感薄膜作用时，敏感薄膜折射率快速改变，使传 感器干设谱特征波长移动，即可实现对甲烧气体高灵敏度、高响应速度、高选择性检测等目 的。
[0011] 所述多模光纤拉锥前直径125ym，拉锥后束腰直径D为25~35ym。
[0012] 所述锥形多模光纤（传感区域）长度为以其中拉锥长度Lt为0.55~0.85mm;涂 覆甲烧敏感膜至锥形光纤表面并多孔化，孔隙率12~15%，甲烧敏感膜折射率变化可显著 影响透射干设谱特征波长移动量，提高传感器灵敏度。
[0013] 所述锥形多模光纤外表面采用KH-550硅烷偶联剂（丫一氨丙基=乙氧基硅烷）的 水溶液进行预处理，体积浓度为0. 1 %，处理时间10秒，W形成硅烷偶联剂纳米涂覆层，厚 度仅为纳米级，用于改善甲烧敏感膜与光纤外表面的附着力。
[0014] 所述多孔聚合物敏感薄膜为含笼形分子A的a-氨径基-聚二甲基硅氧烷 甲烧敏感