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随着光纤传感技术的快速发展,光纤气体传感器的研究受到广泛重视。甲烷是矿井瓦斯主要成分,在空气中极易发生爆炸,被视为煤矿事故的“头号杀手”,故监测其浓度意义重大。光子晶体光纤具有不同于传统光纤的传输特性,从而使其在传感方面具有很好的应用,而它在结构上的多孔特点,又使其在气体传感方面具有特殊的应用。论文提出一种基于模间干涉的光子晶体光纤(PCF)甲烷传感方法,采用模间干涉原理分析甲烷传感器的导光机理,并通过有限元法仿真分析PCF甲烷传感过程;研究敏感薄膜折射率对甲烷的响应特性;利用光纤偏移熔接、毛细浸涂法制作PCF甲烷敏感薄膜传感器;建立甲烷传感实验系统,评价传感器性能。主要内容包括:(1)基于模间干涉原理,理论分析敏感薄膜折射率、厚度和作用长度对PCF反射干涉谱特征波长的影响。采用有限元法分析纤芯基模和包层模电场分布、纤芯基模和包层模有效折射率,模间有效折射率差(PCF特征波长)随纳米薄膜折射率、厚度和作用长度的变化规律。仿真结果表明,随着敏感膜厚度从100nm增加至300nm和薄膜折射率从1.455减少至1.410时,模间有效折射率差呈缓慢下降趋势,干涉谱特征波长向短波方向移动。(2)以Cryptophane A/紫外光固化氟硅氧烷纳米薄膜为对象,研究甲烷浓度对薄膜折射率影响;在线测量结果表明敏感薄膜折射率随甲烷浓度增加而线性减小,相关系数0.996。通过优化光纤熔接参数、PCF塌缩长度、薄膜涂覆工艺,配制敏感膜涂覆溶液,并采用光纤偏移熔接、毛细浸涂技术制作PCF甲烷敏感薄膜传感器,表明光子晶体光纤最佳塌缩长度约240μm。(3)在0%~3.5%甲烷浓度范围里,实验研究不同敏感薄膜厚度、PCF作用长度对干涉谱特征波长影响,表明随着甲烷浓度增加,敏感膜折射率减小,从而引起干涉谱特征波长向短波方向移动。在薄膜厚度110nm至290nm范围内,240nm厚度的传感器表现出良好的线性关系,相关系数0.994。同时,研究非甲烷类气体硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)、氧气(O2)和氮气(N2)对传感器影响,表明传感器具有良好的选择性。