一種能同時測量氫氣濃度和溫度的光纖傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種能同時測量氫氣濃度和溫度的光纖傳感器，包括寬譜光源1、傳感單元2和光譜儀3；所述的傳感單元2由單模光纖21、無芯光纖22、單模光纖光柵23組成，無芯光纖22外鍍有鈀基氫敏膜；寬譜光源1發(fā)出的光經(jīng)單模光纖21后進入無芯光纖22中，在熔接區(qū)24處激發(fā)出多個高階模式，這些模式在無芯光纖中以不同的傳播常數(shù)傳播并相互干涉，干涉光信號進入單模光纖光柵23，滿足單模光纖光柵23布拉格反射條件的光將會發(fā)生反射；當外界氫氣濃度變化時，干涉光譜會發(fā)生移動，而當外界溫度發(fā)生變化時，干涉光譜和布拉格反射波長均會發(fā)生移動，因此，通過觀測干涉光譜和布拉格波長的移動量即可反推出氫氣濃度和溫度的大小，實現(xiàn)氫氣濃度的高精度測量。
【專利說明】
一種能同時測量氫氣濃度和溫度的光纖傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種能同時測量氫氣濃度和溫度的光纖傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，氫氣的使用已遍布于人們生產(chǎn)和生活的各個角落，與此同時，研究和發(fā)展高 性能的氫氣傳感器也變得日益重要[文獻I. T. Hilbert, L. Boon-Brett，G. Black, U. Banach. Hydrogen sensors-A review [J], Sensors and Actuators B: Chemical, 2011，157(2): 329-352.]。光纖氫氣傳感器的測量原理是利用氫氣與沉積在光纖上的氫 敏材料發(fā)生反應(yīng)來改變氫敏材料的某些性質(zhì)，使得光纖中光信號的波長或強度發(fā)生變化， 進而通過檢測光信號的改變量來反推出外界氫氣的濃度，由于是采用了光信號作為傳感和 解調(diào)介質(zhì)，光纖氫氣傳感器具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、耐高溫高壓、耐腐蝕等優(yōu)點，可工作 于如礦井、核設(shè)施及太空等各種惡劣環(huán)境中，能夠滿足未來市場對氫氣傳感器的多樣化需 求，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的商業(yè)前景[文獻2.許琰瑋，劉永智.光纖氫氣傳感技術(shù) 的研究進展[J]，激光與光電子學進展，2006, 43(7): 1-5.]。
[0003] 光纖氫氣傳感器中所用到的氫敏材料主要有三氧化鎢(WO3)和鈀(Pd)兩種。前者 是利用WO3與氫氣反應(yīng)放熱的特性實現(xiàn)氫氣濃度測量的[文獻3. Y. Wang，D. N. Wang， F. Yang, Z. Li, M. Yang. Sensitive hydrogen sensor based on selectively infiltrated photonic crystal fiber with Pt-Ioaded W03 coating [J]， Optics Letters，2014, 39(13): 3872-3875.]，但是該類傳感器易受外界溫度的干擾。此外，由于 WO3與氫氣反應(yīng)放熱，而且反應(yīng)過程中還需要有氧氣的存在，因此會增加氫氣爆炸的危險 [文獻4.王閔.微型光纖干涉型氫氣傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]，武漢：武漢理工大學， 2013.]。所以，從安全角度考慮，基于Pd基敏感材料的光纖氫氣傳感器成為近幾年眾多科研 工作者研究的熱點[文獻 5· N. Javahiraly. Review on hydrogen leak detection: comparison between fiber optic sensors based on different designs with palladium [J]，Optical Engineering，2015，54(3): 030901·] D該類傳感器利用Pd吸 氫后體積發(fā)生膨脹以及折射率降低的特性實現(xiàn)氫氣濃度的測量。2013年，A. Hosoki等人 [文南犬6. A. Hosoki, M. Nishiyamaj H. Igawaj A. Seki，Y. Choi, K. ffatanabe. A surface plasmon resonance hydrogen sensor using Au/Ta205/Pd multi-layers on hetero-core optical fiber structures [J]，Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, 185: 53-58.]提出基于表面等離子體共振原理的光纖氫氣傳感探頭，利用鈀基復合 膜吸收氫氣后折射率發(fā)生變化的特性實現(xiàn)氫氣濃度測量，但這種傳感器的測量信號易受環(huán) 境溫度干擾，而且制備工藝復雜，不適于批量生產(chǎn)應(yīng)用；為了避免溫度的干擾，2014年，M. Wang等人[文獻7· M. Wang，D. N. Wang，M. Yang，J. Cheng，J. Li. In-line Mach-Zehnder Interferometer and FBG with Pd film for simultaneous hydrogen and temperature detection [J]，Sensors and Actuators B: Chemical, 2014，202: 893- 896.]將Pd膜涂覆在經(jīng)過腐蝕的馬赫-曾德干涉儀和光纖光柵表面，實現(xiàn)了溫度和氫氣濃度 的同時檢測，但經(jīng)過腐蝕處理的干涉儀傳感探頭質(zhì)地較脆弱，不利于長期穩(wěn)定使用；2015 年，Y. H. Yang等人[文獻8· Y. H. Yang, F. L. Yang, H. Wang, W. Yang, W. Jin. Temperature-insensitive hydrogen sensor with polarization-maintaining photonic crystal fiber-based Sagnac interferometer [J], Journal of Lightwave Technology，2015, 33(12): 2566-2571.]提出基于Pd和金屬銀復合膜的保偏光子晶體光 纖環(huán)境氫氣傳感器，測量靈敏度達到131 pm/%，而且受溫度干擾影響較小，但保偏光子晶體 光纖的價格較高，增加了傳感器的成本。綜上，基于Pd基敏感材料的光纖氫氣傳感探頭目前 仍在制備工藝復雜、成本高、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等方面存在不同程度的問題，最為關(guān)鍵的是，當前 的一些避免溫度干擾的技術(shù)仍沒有達到理想的程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一)要解決的技術(shù)問題 本發(fā)明的目的在于克服目前基于Pd基敏感材料的光纖氫氣傳感器的不足之處，提出一 種制備工藝簡單、成本低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、且能有效克服溫度干擾的光纖氫氣傳感器。
[0005] (二)技術(shù)方案 為了達到上述目的，本發(fā)明提出一種能同時測量氫氣濃度和溫度的光纖傳感器，包括 寬譜光源1、傳感單元2和光譜儀3;所述的傳感單元2是由單模光纖21、無芯光纖22、單模光 纖光柵23組成，其中，單模光纖、無芯光纖、單模光纖光柵之間通過熔接機進行熔接，無芯光 纖22外表面鍍有鈀基氫敏膜;寬譜光源1發(fā)出的光經(jīng)單模光纖21后進入無芯光纖22中，在熔 接區(qū)24處激發(fā)出多個高階模式，這些模式在無芯光纖中以不同的傳播常數(shù)傳播，隨后在熔 接區(qū)25處耦合并相互干涉，干涉光信號進入單模光纖光柵23,滿足單模光纖光柵23布拉格 反射條件的光將會發(fā)生反射，因此，干涉光經(jīng)過單模光纖光柵23后，將會在布拉格波長處出 現(xiàn)一個下墜峰，最后，透射出去的光信號將進入光譜儀4;當外界氫氣濃度變化時，會改變鈀 基氫敏膜的折射率，使干涉光譜發(fā)生移動，當外界溫度發(fā)生變化時，不僅會改變鈀基氫敏膜 的折射率進而使干涉光譜發(fā)生移動，還會改變單模光纖光柵23的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而使布拉格 波長發(fā)生移動，因此，利用雙波長矩陣方法，通過觀測干涉光譜和布拉格波長的移動量即可 反推出氫氣濃度和溫度的大小。
[0006] (三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果： 1) 本發(fā)明提出的這種光纖氫氣傳感器，繼承了傳統(tǒng)光纖傳感器所具有的本質(zhì)安全、抗 電磁干擾、耐高溫高壓、耐腐蝕等優(yōu)點 2) 本發(fā)明提出的這種光纖氫氣傳感器，不僅制備工藝簡單、成本低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且通 過同時測量氫氣濃度和溫度的大小，可有效降低溫度對氫氣濃度測量精度的影響。
【附圖說明】
[0007] 圖1為本發(fā)明提供的光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為傳感器輸出光譜曲線。
【具體實施方式】
[0008] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及工作過程作進一步的詳細說明。
[0009] 如圖1所示為本發(fā)明提出的一種能同時測量氫氣濃度和溫度的光纖傳感器。其工 作過程為:寬譜光源發(fā)出的光首先經(jīng)單模光纖后進入無芯光纖，然后進入單模光纖光柵，最 后進入光譜儀進行光譜移動量的監(jiān)測。其中，單模光纖、無芯光纖、單模光纖光柵之間通過 熔接機進行熔接。
[0010] 當光從單模光纖傳輸?shù)綗o芯光纖的纖芯時，由于無芯光纖的纖芯直徑與單模光纖 的纖芯直徑差距較大，因此在第一個單模光纖與無芯光纖熔接點處，單模光纖傳輸光的單 一模式將被破壞，且能激發(fā)出多個傳導模式，這些模式在無芯光纖中傳輸?shù)膫鞑コ?shù)是不 同的，若忽略所有輻射模式，則所有導模都是正交的，即波的總功率都等于各模式功率的疊 加，當輸入光為寬譜光時，從無芯光纖中出射的光將在無芯光纖與單模光纖光柵的熔接點 處發(fā)生干涉，傳輸光變成具有一定周期性分布的干涉譜。若保持外界環(huán)境條件固定不變，當 改變無芯光纖周圍的環(huán)境折射率時，無芯光纖中各個模式的激發(fā)系數(shù)和傳播常數(shù)會發(fā)生變 化，進而使干涉譜發(fā)生移動，利用這種現(xiàn)象就可以實現(xiàn)對外界環(huán)境折射率的測量。本發(fā)明 中，將鈀基敏感膜鍍在無芯光纖上，當周圍氫氣濃度或者溫度發(fā)生變化時，會引起鈀基敏感 膜的折射率（即無芯光纖外界的折射率)發(fā)生變化，進而使得干涉譜發(fā)生移動。而該干涉光 譜在經(jīng)過單模光纖光柵后，由于布拉格反射原理，滿足單模光纖光柵布拉格反射條件的光 將不能通過單模光纖光柵，因此，最后光譜儀監(jiān)測到的干涉光譜將帶有一個下墜峰，如圖2 所示，其中，下墜峰所對應(yīng)的波長即是單模光纖光柵的布拉格反射波長，該波長大小與光纖 光柵外界的溫度有關(guān)。結(jié)合雙波長矩陣方法，可得：
其中，Δ X1、Δ 分別為干涉光譜的移動量和布拉格反射波長（即下墜峰對應(yīng)的光波 長)的移動量；Δ(λ Δ T分別為氫氣濃度的變化量和外界溫度的變化量。a為氫氣濃度變化時 干涉光譜的移動靈敏度系數(shù);b、d分別為外界溫度變化時干涉光譜的移動靈敏度系數(shù)和布 拉格反射波長的移動靈敏度系數(shù)。當傳感器探頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)固定時，a、b、d均為固定值，因 此，由式（1)可得，通過觀察干涉光譜的移動量和布拉格反射波長的變化量即可反推出外界 的氫氣濃度和溫度大小，不僅可解決溫度對氫氣濃度測量的交叉敏感問題，還可以實現(xiàn)氫 氣濃度和溫度的同時監(jiān)測，避免溫度過高所引起的潛在的氫氣爆炸危險，為氫氣濃度的高 精度測量提供了可能。
【主權(quán)項】
1. 一種能同時測量氫氣濃度和溫度的光纖傳感器，包括寬譜光源1、傳感單元2和光譜 儀3，其特征在于:所述的傳感單元2是由單模光纖21、無芯光纖22、單模光纖光柵23組成的， 其中，單模光纖、無芯光纖、單模光纖光柵之間通過熔接機進行熔接，無芯光纖22外表面鍍 有鈀基氫敏膜;寬譜光源1發(fā)出的光經(jīng)單模光纖21后進入無芯光纖22中，在熔接區(qū)24處激發(fā) 出多個高階模式，這些模式在無芯光纖中以不同的傳播常數(shù)傳播，隨后在熔接區(qū)25處耦合 并相互干涉，干涉光信號進入單模光纖光柵23,滿足單模光纖光柵23布拉格反射條件的光 將會發(fā)生反射，而透射出去的光信號將進入光譜儀4;當外界氫氣濃度變化時，會改變鈀基 氫敏膜的折射率，使干涉光譜發(fā)生移動，而當外界溫度發(fā)生變化時，不僅會改變鈀基氫敏膜 的折射率還會改變單模光纖光柵23的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使干涉光譜和布拉格反射波長均發(fā)生移 動，最后，通過觀測干涉光譜和布拉格波長的移動量即可反推出氫氣濃度和溫度的大小。
【文檔編號】G01N21/45GK105841840SQ201610189417
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】張亞男, 趙勇, 胡海峰, 彭慧杰
【申請人】東北大學