專利名稱：氫傳感光纖和氫傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫傳感光纖(氫傳感纖維,hydrogen sensing fiber)和包括一個或多個氫傳感光纖的氫傳感器(hydrogen sensors)。因為通常氣體的泄漏和/或形成,并且特別是氫的泄漏，經(jīng)常是諸如水輻射分解或金屬結(jié)構(gòu)腐蝕的化學活性的指示，所以特別需要實際上是氫分子檢測的氫檢測。
背景技術(shù)：
由于一些現(xiàn)有技術(shù)的氫傳感器依靠其他技術(shù),所以它們并不包括氫傳感光纖。這樣的現(xiàn)有技術(shù)的氫傳感器與基于氫傳感光纖的氫傳感器相比經(jīng)常不呈現(xiàn)相同的靈活性(柔性，適應性，flexibility)?！┈F(xiàn)有技術(shù)的氫傳感器包括氫傳感光纖。這樣的現(xiàn)有技術(shù)的氫傳感器已表現(xiàn)出一些優(yōu)勢，特別是它們分布和移動傳感系統(tǒng)的能力。但是，如將在下面討論的這樣的現(xiàn)有技術(shù)的氫傳感器，不是盡可能可靠和/或靈活的(柔性的)，因為它們經(jīng)常表現(xiàn)出一個或多個以下缺點氫存在檢測不是足夠精確的，氫存在檢測在延長的時間段不能維持穩(wěn)定，氫存在檢測具有太長的響應時間、太高的復雜性。根據(jù)第一個現(xiàn)有技術(shù)，例如在國際申請W02009154216 (Al)中描述的，其公開了氫光纖傳感器系統(tǒng)，其中由于在光纖的外圍包含鉬催化劑的檢測層，而實現(xiàn)氫檢測，所述檢測層的折射率由氫的存在而改變。該第一個現(xiàn)有技術(shù)公開了非常復雜且昂貴的基于具有鉬和氧化鎢層的涂層的光纖結(jié)構(gòu)(纖維結(jié)構(gòu))。根據(jù)第二個現(xiàn)有技術(shù)，例如在國際申請W02009067671 (Al)中描述的，其公開了其中由于在一個或多個波長處在氫的存在下光纖特性的改變而實現(xiàn)氫檢測的氫光纖傳感器系統(tǒng)。該第二個現(xiàn)有技術(shù)公開了隨著時間的推移是不可靠的并具有長的響應時間，尤其是在其中溫度可以以大規(guī)模且以不可預測的方式變化的環(huán)境中，特別是因為所利用的現(xiàn)象是衰減的不可逆增加，這是由于OH峰的不可逆增加，例如在1380nm處。根據(jù)第三個現(xiàn)有技術(shù)，例如在國際申請WO 2003/056313A1中描述的，其公開了與光纖包層(fiber cladding)上的金屬催化劑的不可逆反應。該第三個現(xiàn)有技術(shù)公開了復雜且昂貴的基于金屬催化劑的使用的光纖結(jié)構(gòu)。根據(jù)第四個現(xiàn)有技術(shù)，例如在國際申請US 5，153,931中描述的，其公開了通過在氫傳感光纖包層上的氫吸附的氫存在檢測。該第四個現(xiàn)有技術(shù)公開了基于光纖包層的氫吸附的氫傳感光纖結(jié)構(gòu)，其僅可以檢測氫存在而不能以可靠方式對其定量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是至少部分減少上面提到的缺點。更特別地，本發(fā)明的目的在于提供一種包括氫傳感光纖的氫傳感器，其提高氫存在檢測精度、隨時間的氫存在檢測可靠性、縮短響應時間的氫存在檢測之間的整體折衷，同時保持氫傳感器結(jié)構(gòu)，并且尤其是氫傳感光纖結(jié)構(gòu)的相對簡單性。
為了提高精度，本發(fā)明的一些實施方式的目的優(yōu)選在于通過作為在氫傳感器附近的氫濃度的更可能代表的氫傳感光纖的性質(zhì)改變來檢測氫存在，于是不僅允許簡單的氫存在檢測而且還允許氫濃度的實時定量。有利地，這樣的所測性能是光纖衰減，它的光纖衰減最直接地受光纖芯(纖維芯)中的氫擴散影響。為了增加可靠性的持續(xù)時間，本發(fā)明的一些實施方式目的優(yōu)選在于以可逆的方式檢測氫存在，使得氫傳感器的理論壽命與氫傳感器附近氫的量相比更受氫傳感光纖的壽命的限制，如果在較長的時間段內(nèi)太高，則對于一些現(xiàn)有技術(shù)的傳感器，氫傳感器附近氫的量可以使氫傳感光纖過早地飽和。有利地，為了改變傳感光纖性質(zhì)氫與氫傳感光纖相互作用將被選擇為可逆相互作用；當氫出現(xiàn)和然后消失時，氫傳感光纖的性質(zhì)被改變，然后回到初始值。為了縮短響應時間,本發(fā)明的一些實施方式的目的優(yōu)選是促進氫對氫傳感光纖的作用(影響)，并且甚至更優(yōu)選地加速氫對氫傳感光纖的作用，因此氫存在檢測更快速地發(fā)生。有利地，氫對氫傳感光纖的作用基本上是由于在氫擴散到氫傳感光纖芯中之后存在于氫傳感光纖芯中的氫引起的。本發(fā)明的第一個目的通過包括芯(core)和包層(cladding)的氫傳感光纖來實現(xiàn)，其中用能夠與存在于未處理的光纖內(nèi)的玻璃缺陷起反應的氣體來預處理光纖，使得在將至少一部分光纖暴露在包含氫的氣氛中后光纖在任何波長下并不表現(xiàn)出不可逆的氫致?lián)p失。本發(fā)明的第二個目的通過包括根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的氫傳感光纖的氫傳感器來實現(xiàn)，所述氫傳感光纖至少部分地與來自氫傳感器外部的氣氛接觸。本發(fā)明的第三個目的通過氫檢測方法來實現(xiàn)，所述氫檢測方法包括以下步驟在其中氫傳感光纖仍可經(jīng)歷可逆氫致?lián)p失的第一波長下，將光發(fā)射到包括在氫傳感器內(nèi)的根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的氫傳感光纖中；在所述第一波長下檢測從所述氫傳感光纖出來的光；通過將在所述第一波長下檢測的光功率(light power)與發(fā)射的光功率進行比較來計算在所述第一波長下的光纖衰減；通過計算的光纖衰減來直接或間接地確定氫傳感器周圍的外部氣氛中的氫存在的量。本發(fā)明的第四個目的通過氫傳感光纖預處理方法來實現(xiàn)，所述氫傳感光纖預處理方法順序包括在預定的壓力、在預定的溫度，在第一預定時間期間內(nèi)，將所述氫傳感光纖暴露于包括預定氫濃度的氣氛的步驟；在第二預定時間期間內(nèi)在環(huán)境條件下向外集中(外上光，out gazing)的步驟。優(yōu)選的實施方式包括一個或多個以下特征-所述氣體為氫(氫氣)。-光纖芯是純二氧化硅或摻雜有氟的二氧化硅。-光纖包層的厚度為從5μ m至30 μ m。-光纖包層由聚合物材料制成。-所述氫傳感光纖為多模光纖-氫傳感器進一步包括光檢測器，所述光檢測器適合于在由于光纖芯存在的氫引起的可 逆衰減增加的光譜范圍內(nèi)在第一波長下將光發(fā)射到所述氫傳感光纖內(nèi)，適合于在所述第一波長下檢測從所述氫傳感光纖出來的光。
-所述光源和所述光檢測器包圍在光時域反射計(光學時域反射計)中。-所述第一波長為約1242nm。-氫傳感器進一步包括適合于加熱所述氫傳感光纖的加熱器。-氫傳感器進一步包括計算器，所述計算器適合于通過將在所述第一波長處檢測的光功率與發(fā)射的光功率進行比較來計算光纖衰減并且通過計算的光纖衰減來直接或間接地確定氫傳感器周圍的氣氛中的氫存在的量。-所述計算器進一步適合于計算所述第一波長處的光纖衰減與所述第二波長處的光纖衰減之間的差，并且適合于通過計算的差來確定在氫傳感器周圍的氣氛中的氫存在的量，所述氫傳感光纖在所述第二波長下呈現(xiàn)出獨立于存在于光纖芯中的氫的量的衰減。-氫傳感器進一步包括耦接至所述氫傳感光纖并向所述計算器提供代表所述氫傳感光纖溫度的信號的溫度傳感器，并且其中所述計算器適合于根據(jù)氫傳感光纖的溫度變化來校正所計算的一個或多個光纖衰減。-氫傳感光纖的長度為至少100m，優(yōu)選至少500m，更優(yōu)選至少1000m。-對于氫傳感光纖的至少一點，來自所述點與各自的源和檢測器之間的兩個距離中的最小的為至少5m。-氫檢測方法進一步包括加熱氫傳感光纖,使得氫傳感光纖的溫度超過氫傳感器周圍的外部氣氛的溫度至少10°C，優(yōu)選至少20°C的步驟。-氫檢測方法進一步包括加熱氫傳感光纖，使得可以在少于I小時內(nèi)，優(yōu)選在少于10分鐘內(nèi)檢測并定量氫傳感器周圍的氣氛中1%氫存在的步驟。-氫傳感器周圍的氣氛是放射性的。-預定的壓力優(yōu)選為I至10大氣壓，更優(yōu)選2至10大氣壓，預定的溫度優(yōu)選從20°C至150°C，更優(yōu)選從50°C至90°C，第一預定時間優(yōu)選從30小時至1000小時，第二預定時間優(yōu)選為至少2周。-預定的氫濃度為從1%至4%或從90%至100%。本發(fā)明的第五個目的通過制造氫傳感器的方法來實現(xiàn)，所述方法順序包括用能夠與在未處理的光纖中存在的玻璃缺陷反應的氣體來預處理包括芯(11)和包層(12)的氫傳感光纖(1)，使得在光纖的至少一部分暴露在包含氫的氣氛中之后光纖在任何波長下并不顯示不可逆的氫致?lián)p失的第一步驟；將預處理的氫傳感光纖裝配到所述氫傳感器中的第
二步驟。該制造或生產(chǎn)氫傳感器的方法意味著在可以使用其中將裝配氫傳感光纖的氫傳感器之前預處理該氫傳感光纖。根據(jù)一個實施方式，所述預處理的氫傳感光纖被裝配在所述氫傳感器的外殼中。根據(jù)另一個實施方式，所述預處理的氫傳感光纖被裝配到所述氫傳感器的纜式結(jié)構(gòu)(索式結(jié)構(gòu)，cable structure)中。優(yōu)選地，所述預處理的氫傳感光纖被裝配到所述氫傳感器中，一旦完全裝配，所述氫傳感器也包括光源(4)，適合于在由于在光纖芯(11)中的氫存在引起的可逆衰減增加的光譜范圍內(nèi)在第一波長下將光發(fā)射到所述氫傳感光纖(I)內(nèi)；光檢測器(5)，適合于在所述第一波長下檢測從所述氫傳感光纖(I)出來的光。優(yōu)選地，所述第一步驟是先前描述的氫傳感光纖預處理方法。
參照下面列出的附圖，根據(jù)以下作為非限制性實例給出的本發(fā)明實施方式的描述，本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點將顯而易見。


圖1不出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖的實例。圖2不出了在其外殼內(nèi)包括根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖的傳感器的實例。圖3不出了包括根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖的分布式傳感器的實例。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫存在檢測方法的實例。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖預處理方法的實例。圖6不出了顯不由于在光纖芯內(nèi)在不同的條件下氫擴散的作為時間函數(shù)的光纖衰減增加的曲線的實例。圖7不出了顯不由于在光纖芯內(nèi)對于氫傳感光纖的不同溫度的氫擴散的作為時間函數(shù)的氫存在檢測的曲線的實例。圖8示出了顯示作為氫傳感光纖溫度和氫傳感光纖包層厚度的函數(shù)的在光纖芯中氫擴散時間的曲線的實例。圖9不出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖的另一個實例。圖10不出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖的又一個實例。
具體實施例方式圖1不出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖的一個實例。氫傳感光纖I，更一般地稱為傳感光纖I或甚至稱為光纖I，具有光纖芯11和光纖包層12。傳感光纖I也可以具有在光纖包層12周圍的一個或多個光纖涂層以使其被更好地保護。傳感光纖I具有直徑d和光纖包層厚度th。當氫10存在于傳感光纖I附近時，例如當氫10包圍傳感光纖I時，氫10將隨時間從傳感光纖I外部通過傳感光纖I，首先通過一個或多個光纖涂層(如果存在的話)，然后通過光纖包層12擴散，并且最后朝向光纖芯中央擴散到光纖芯11中。已經(jīng)預處理傳感光纖I從而便于(減緩，ease)來自傳感光纖I外部的氫10向光纖芯11的未來擴散。實際上，測量的傳感光纖11的性質(zhì)為主要依賴于光纖芯11狀態(tài)的傳感光纖I衰減。所以，氫10可以更快速地擴散，直到其存在于光纖芯11中和優(yōu)選存在于整個光纖芯11中，特別是存在于光纖芯11中央，氫傳感光纖I和相關(guān)的包括該氫傳感光纖I的氫傳感器的響應時間最短。優(yōu)選在傳感光纖I的整個壽命期間，預處理傳感光纖I直到其在任何波長無法經(jīng)歷另外的不可逆氫致?lián)p失。實際上，如果傳感光纖I與氫10之間的所有可能的不可逆相互作用在預處理階段期間已經(jīng)發(fā)生，則當使用傳感光纖I時，因為存在于光纖包層12和/或光纖芯11中的缺陷將不再阻止氫，所以氫10將在光纖芯11內(nèi)更快地擴散，并更快地朝向光纖芯中央擴散，其同時通過與部分氫分子相互作用而會阻礙氫擴散。在能夠與現(xiàn)有的光纖玻璃(玻璃纖維)缺陷反應的氣體下預處理傳感光纖I。優(yōu)選地，預先使所有光纖缺陷飽和。于是，隨后，當將要使用傳感光纖I時，這些缺陷將不再減緩氫擴散，因為這些缺陷已經(jīng)與所述氣體反應，將不再能夠與來自外部的氫反應。有利地，的確可以與氫反應的所有缺陷已經(jīng)以不可逆的方式反應，最好是使這些缺陷預先與氫反應，實際上是在預處理階段期間。氘將不是適合的用于預處理的氣體，直到傳感光纖I不能經(jīng)歷另外的不可逆氫致?lián)p失，因為氫可以替換在光纖缺陷的區(qū)(plots)的氘，然后代替氫擴散，朝向光纖芯中央的氘擴散將不具有相同的對光纖衰減增加(其相反將具有氫擴散)的效果O光纖芯11優(yōu)選為純二氧化硅或摻雜有氟的二氧化硅。這樣摻雜的光纖芯11在苛刻的環(huán)境如其中氫傳感器周圍的外部氣氛是放射性的環(huán)境下更堅固。例如，在地下存在一些存儲位置，用于存儲放射性廢物。當在這些存儲位置中存在氫泄漏時，意味著存在問題。存在金屬容器的腐蝕，或存在由于放射性廢物的容器的泄漏弓I起的在放射性廢物與外部環(huán)境之間的反應。此外，外部空氣中的高于4%氫濃度的水平，存在不可忽視的爆炸危險。這樣的放射性環(huán)境的另外實例可以是核電站。因此，在這樣的放射性環(huán)境中，因為縮短的響應時間氫傳感光纖I已經(jīng)是感興趣的，響應時間在本文中是相當關(guān)鍵的參數(shù)，并且當其非常堅固時是特別感興趣的。相對于用對輻射更敏感的鍺來摻雜光纖芯11，用氟摻雜的光纖芯11或未摻雜的光纖芯11改善了堅固性。為了便于(ease)更多的氫擴散到光纖芯11中，可以減少光纖包層12的厚度th。以這種方式，氫更快速地擴散通過光纖包層12。必須找到一種折衷(平衡)，因為如果沒有更多的光纖包層12或太少，則光纖芯11未受到足夠保護。因此，光纖包層12的厚度th優(yōu)選從5 μ m至30 μ m。由于類似原因，光纖包層12優(yōu)選由塑性材料(塑料)制成，而不是二氧化硅，并且特別是由聚合物材料制 成。因為與二氧化硅的密度相比，聚合物的密度更低，所以與通過二氧化硅相比，氫更容易且更快速地擴散通過聚合物。傳感光纖I可以為具有大芯直徑d的多模光纖,例如約50 μ m或更大,或為具有小芯直徑的單模光纖，例如約ΙΟμπι或更小。因為與單模光纖相比，多模傳感光纖I不需要涂層或更少的涂層，所以優(yōu)選多模傳感光纖I。由于固有的脆性，單模光纖將需要涂層和較厚的涂層。涂層的存在將減慢氫擴散。優(yōu)選無涂層(但具有光纖包層12)的多模傳感光纖I。圖2不出了在其外殼中包括根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖的傳感器的實例。在氫傳感器9的外殼8內(nèi)，存在氫傳感光纖1、加熱器2、光源4、光檢測器5、計算器6、溫度傳感器7。光源4適于在其中傳感光纖I仍可經(jīng)歷可逆氫致?lián)p失的第一波長下將光發(fā)射到傳感光纖I中。光檢測器5適于在相同的第一波長下檢測從傳感光纖I發(fā)出的光。在傳感器9的外部,其在此表不其外殼8的外部,存在包含氫IOa的外部環(huán)境。這種氫IOa從外殼8的外部移動到外殼8中。這種空氣循環(huán)通過箭頭fa示出。然后，在外殼8中，存在將在傳感光纖I內(nèi)擴散的氫IOb,其首先通過光纖包層12,然后通過光纖芯11。在傳感光纖I中氫IOb的這種擴散通過箭頭fb不出。以該方式,傳感光纖I與來自氫傳感器9外部的氣氛接觸。光源4在傳感光纖I的一端將光發(fā)射到光纖芯11中。發(fā)射的光通過箭頭fc不出。該光全部沿傳感光纖I傳播直到在傳感光纖I的另一端傳出來。通過在光檢測器5處檢測來自傳感光纖I的光并在計算器6中分析它，可以計算光纖衰減。檢測的光通過箭頭fd示出。光纖衰減增加將是光纖芯11內(nèi)氫存在的指示。光纖衰減增加的量產(chǎn)生氫濃度值。為了使得由于光纖芯11中的氫存在引起的光纖衰減增加的測量更精確，由于光纖芯11中的氫存在，在可逆衰減峰的光譜范圍內(nèi)選擇第一波長。優(yōu)選地，選擇在對應于氫的共振頻率的第一諧波(泛音，overtone)的波長范圍內(nèi)的峰，這是因為其是在所有泛音中最高的峰，并且到目前為止，因此導致更精確的纖維衰減增加計算。第一諧波的峰優(yōu)于基本的峰，這是因為基本峰在大于2μπι的波長，其不在二氧化娃的“傳遞窗口(transmission window)”中，也就是說基本峰位于其中衰減本質(zhì)上非常高的光譜范圍中，檢測光纖衰減增加將更加困難并將導致較少精確的光纖衰減測量，產(chǎn)生較少精確的氫濃度定量。有利地，第一波長為約1242nm，例如1242nm±2nm，第一諧波峰的范圍為約 1240nm 至 1244nm。傳感器9包括適合于熱傳感光纖I的加熱器2。該加熱器2例如設(shè)置在傳感光纖I周圍。加熱傳感光纖I對傳感器響應時間縮短具有第一正作用(積極作用)，因為其加速氫向光纖芯中央的擴散。加熱傳感光纖I對氫定量精度具有第二負作用(負效應)，因為由于在光纖芯11中的氫存在其減少可逆衰減峰的水平。對傳感器響應時間的第一正作用，至少在寬的溫度范圍內(nèi)超過對定量精度的第二負作用，因此在優(yōu)選的更有限的溫度范圍內(nèi)很大程度上超過定量精度的第二負作用。有利地，當傳感器9處于使用中時，加熱器2適合于永久地加熱傳感光纖I。當傳感器9處于使用中時，如果在考慮的應用中僅在長的時間間隔需要氫濃度測量，則加熱器2也可以適合于間歇地加熱傳感光纖I。傳感器9包括適合于通過比較在第一波長下檢測的光功率與發(fā)射的光功率來計算光纖衰減的計算器6。計算器6也適合于通過計算的光纖衰減來直接或間接地確定氫傳感器9周圍的外部氣氛中氫存在的量。為了使測量更精確，在其中外部條件可以快速且強烈變化的環(huán)境中，計算器6優(yōu)選適合于計算第一波長處的光纖衰減與第二波長處的光纖衰減之間的差異，所述氫傳感光纖在所述第二波長處呈現(xiàn)出獨立于存在于光纖芯11中的氫的量的衰減。因此，在第二波長，不存在可逆氫致?lián)p失，但是可以存在不可逆氫致?lián)p失。然后計算器6也適合于通過所述計算的差異確定在傳感器9周 圍的外部氣氛中的氫存在的量。為了使測量更加精確，在其中外部溫度可以被快速且強烈變化的環(huán)境中，氫傳感器9進一步包括耦接至氫傳感光纖I和計算器6的溫度傳感器7，從而為計算器6提供氫傳感光纖I的溫度。然后計算器6適合于根據(jù)氫傳感光纖I溫度變化來校正計算的一個或多個光纖衰減。圖3不出了包括根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖的分布式傳感器的另一實例。氫傳感器9包括氫傳感光纖1、加熱器2、更簡單地稱為0TDR3的光時域反射計(光學時域反射儀)3、計算器6、溫度傳感器7。0TDR3包括光源和光檢測器。光源適于在其中傳感光纖仍可以經(jīng)歷可逆氫致?lián)p失的第一波長下將光發(fā)射到傳感光纖I中。光檢測器適合于在相同的第一波長下檢測從傳感光纖I發(fā)出來的光。氫10以與圖2中相同的方式擴散到光纖芯11中。0TDR3在傳感光纖I的一個末端向光纖芯11中發(fā)射激光脈沖。通過箭頭fc示出了發(fā)射的光。全部沿傳感光纖I，這些激光脈沖被瑞利背散射(Rayleigh back scattering)反射。通過在其中發(fā)射其的同一末端在0TDR3中檢測從傳感光纖I發(fā)出的反向散射激光脈沖，并通過在計算器6中分析它們，可以計算光纖衰減。通過箭頭fd示出檢測的光。光纖衰減增加將是光纖芯11內(nèi)氫存在的指示。光時域反射計可以給出傳感光纖I內(nèi)光纖衰減增加的位置從那里產(chǎn)生沿氫傳感光纖的氫存在的精確定位。光纖衰減增加的量導致氫濃度值。在氫傳感器9的實例中，氫傳感光纖I的長度為至少100m，優(yōu)選至少500m，更優(yōu)選至少1000m。于是，可以通過氫傳感器9來監(jiān)測寬區(qū)域。以該方式，在更廣大的區(qū)域上我們可以具有分布式傳感器9。優(yōu)選地,對于氫傳感光纖I的至少一個點，所述點與相應源4和檢測器5之間的兩個距離的最小的為至少50m，優(yōu)選至少200m，更優(yōu)選至少500m。在0TDR3包括源4和檢測器5的情況，對于氫傳感光纖I的至少一個點，所述點和0TDR3之間的距離優(yōu)選為至少5m。光時域反射計經(jīng)常需要傳感光纖I的最小長度，為了非常精確其略長。如果在小的氫檢測區(qū)域中使用，則為了相對于在檢測區(qū)域中的氫存在的位置以高精度使用光時域反射計，可以纏繞光纖。在這種情況下，可以使用具有低彎曲損耗的傳感光纖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫存在檢測方法的實例。氫檢測方法包括加熱的步驟SI，發(fā)射光的步驟S2，檢測光的步驟S3，計算衰減的步驟S4，定量氫存在的步驟S5?？梢酝ㄟ^圖2或圖3的氫傳感器來進行該氫檢測方法。步驟SI是加熱氫傳感光纖1，使得氫傳感光纖的溫度超過氫傳感器周圍的外部氣氛的溫度至少10°c，優(yōu)選至少20°C的步驟。實際上，為了保持傳感光纖溫度恒定，選擇加熱從而維持傳感光纖的溫度高于外部氣氛最大可能溫度至少10°C，優(yōu)選至少20°C。通過結(jié)合低光纖包層厚度和在20°C -300°C范圍，更優(yōu)選在50°C _150°C中利用的控制加熱溫度使傳感時間響應更加縮短。在高于傳感光纖在實際條件經(jīng)歷的最高溫度至少20°C的恒定溫度下加熱傳感光纖的可能性允許無論外部環(huán)境溫度怎樣變化也確保傳感可靠性。優(yōu)先選擇加熱步驟SI的強度，使得可在少于I小時，優(yōu)選在少于10分鐘內(nèi)檢測和定量氫傳感器周圍的外部氣氛中的1%氫存在。然而，在現(xiàn)有技術(shù)的檢測氫存在中，不管氫濃度定量，會容易花費更長的時間，并且例如范圍可從幾小時到至少幾天。步驟S2是在其中氫傳感纖維仍可經(jīng)歷可逆氫致?lián)p失的第一波長下將光發(fā)射到包括在氫傳感器內(nèi)的氫傳感光纖中的步驟。步驟S3是在第一波長下檢測從氫傳感光纖發(fā)出的光的步驟。步驟S4是通過比較在第一波長下檢測的光功率與發(fā)射的光功率來計算在第一波長處的衰減的步驟。步驟S5是通過計算的光纖衰減來直接或間接地確定氫傳感器周圍的外部氣氛中氫存在的量的步驟。圖5不出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖預處理方法的實例。氫傳感光纖預處理方法順序包括將傳感光纖暴露于特定的氣氛的步驟SlO和在另一氣氛中向外集中(out gazing)的步驟 S20。步驟SlO是在預定的壓力、在預定的溫度，在第一預定時間期間將氫傳感光纖暴露于包含預定氫濃度的氣氛的步驟。優(yōu)選地，預定的壓力優(yōu)選從I至10大氣壓，更優(yōu)選從2至10大氣壓。優(yōu)選地，預定的溫度優(yōu)選從20°C至150°C，更優(yōu)選從50°C至90°C。優(yōu)選地，第一預定時間優(yōu)選從30小時至1000小時。也是暴露步驟的處理持續(xù)時間的第一預定時間通過在其后預先存在的光纖芯或光纖包層缺陷已經(jīng)完全與氫反應的時間來定義。對更高的溫度和壓力條件該持續(xù)時間將更短。例如在氫預處理的情況中，達到缺陷飽和所需的時間可以例如通過在1385nm處SiOH峰的飽和來定義步驟S20是在預定條件下向外集中(out gazing)的步驟。特別地，溫度低于或等于光纖預處理的溫度，優(yōu)選在第二預定時間期間的環(huán)境條件下。優(yōu)選地，第二預定時間優(yōu)選為至少2周。該向外集中(out gazing)步驟S20可有利地與傳感光纖存儲階段結(jié)合。就在預處理階段期間的氫濃度而言，可以遵守嚴格的安全條件或者不遵守它們。在非嚴格安全環(huán)境下，更好的是使用范圍從1%至4%的預定氫濃度，以便保持在4%的閾值濃度下，而高于4%將導致增加的爆炸危險。在嚴格安全的環(huán)境中，為了具有可能有效和最短的預處理持續(xù)時間，更好的是使用范圍從90%至100%的預定氫濃度。圖6不出了顯不由于在光纖芯中在不同條件下氫擴散的作為以小時h表不的時間t的函數(shù)的以dB/km表示的光纖衰減增加Att曲線的實例。曲線Ca代表用于根據(jù)本發(fā)明實施方式的傳感光纖的衰減峰變化。曲線Cb代表根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的傳感光纖的衰減峰變化，也就是說沒有氫預處理。曲線Ce代表現(xiàn)在稱為“基線”的參考光纖的衰減峰不變化。圖6示出了與用于定義基線的1310nm相比的1242nm峰變化，這種峰變化表明在光纖芯中的分子氫的可逆存在。圖6不出了在1242nm對由玻璃制成的標準60 μ m光纖包層直徑，氫預處理對氫的延遲 時間檢測的影響。測量在1%氫濃度，I大氣壓的壓力值，70°C的溫度值，在144小時的期間內(nèi)進行。由于與分子氫H2相關(guān)的特定峰增加的測量而檢測了傳感光纖周圍的氫存在，該峰光譜范圍為約1240nm至約1244nm，利用由光纖衰減譜內(nèi)特定波長確定的基線校正，例如在不可逆OH峰已經(jīng)通過傳感光纖的氫預處理飽和的1310nm處，其水平不受可逆氫存在的影響。結(jié)論，根據(jù)本發(fā)明的傳感光纖對氫存在檢測具有更短的響應時間。圖7示出了顯示由于對氫傳感光纖的以攝氏度表示的不同溫度在光纖芯中的氫擴散的作為以小時h表不的時間t的函數(shù)的氫存在檢測[H2](以歸一化相對方式表不)曲線的實例。曲線C90代表作為時間函數(shù)的90°C傳感光纖溫度的氫檢測。曲線C75代表作為時間函數(shù)的75°C傳感光纖溫度的氫檢測。曲線C60代表作為時間函數(shù)的60°C傳感光纖溫度的氫檢測。曲線C45代表作為時間函數(shù)的45°C傳感光纖溫度的氫檢測。圖7示出了在具有標準60 μ m光纖包層直徑的光纖的情況下，溫度對氫到達光纖芯所需的時間的影響。檢測水平迅速增加直到穩(wěn)定化；以后，由于因為向外集中(outgazing)氫消失而使其減少。結(jié)論，我們可以看到溫度越高，檢測越快，于是傳感光纖的響應時間越短，并且該作用非常顯著。但是我們也可以看到溫度最高，衰減峰增加最小，于是氫定量越不精確，但該作用非常有限。圖8不出了顯不作為以。C表不的氫傳感光纖溫度T和以ym表不的氫傳感光纖包層厚度th函數(shù)的在光纖芯中以分鐘min表示的氫擴散時間t的曲線的實例。圖8示出了當降低傳感光纖玻璃包層厚度和增加傳感光纖溫度時潛在延遲時間減小。其可以在低如幾十分鐘達到響應時間。如果使用聚合物光纖包層代替玻璃光纖包層，甚至可顯著減少該響應。圖9不出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖的另一個實例。多模氫傳感光纖I具有光纖芯11和光纖包層12。光纖芯11可以為鍺或氟摻雜的二氧化娃。光纖包層12可以為低折射率聚合物。多模傳感光纖I也可以在光纖包層12周圍具有一個或多個薄光纖涂層以被更好地保護。但是，優(yōu)選地不具有這樣的涂層以便加速外部氫朝向芯擴散。傳感光纖I具有直徑d和光纖包層厚度th。傳感光纖I的直徑d為約80 μ m。圖10不出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖的又一個實例。單模氫傳感光纖I具有光纖芯11和光纖包層12。光纖芯11可以為鍺或氟摻雜的二氧化娃。光纖包層12可以為純二氧化硅。單模傳感光纖I也可以具有包圍光纖包層12的一個或多個光纖涂層以被更好地保護，例如主涂層(primary coating) 13和次涂層(輔助涂層，secondary coating)
14。傳感光纖1具有直徑d和光纖包層厚度th。傳感光纖I的直徑d為約80 μ m。為了確保快速和可靠的氫含量的響應，不管周圍的其他環(huán)境變化，尤其是溫度變化，如圖9中的多模傳感光纖或如圖10中的單模傳感光纖可以呈現(xiàn)優(yōu)選的可有利地彼此結(jié)合的以下特征光纖芯和光纖包層內(nèi)的堿和金屬雜質(zhì)的濃度低于O. lppb、光纖外徑在30到150 μ m之間，優(yōu)選在30到80 μ m之間、玻璃或聚合物光纖包層、光纖包層厚度在10到50 μ m之間，更優(yōu)選在10到30 μ m之間。在玻璃光纖包層的情況下，可使用抗20° C-300° C范圍，更優(yōu)選在500° C-150° C之間的溫度的薄且氣體可透過的聚合物涂層?，F(xiàn)在，詳細地描述根據(jù)本發(fā)明實施方式的氫傳感光纖的制造步驟的實例。該氫傳感光纖具有80 μ m塑料光纖包層直徑。順序?qū)崿F(xiàn)以下制造步驟。首先制造芯棒。通過PCVD (等離子體化學氣相沉積)技術(shù)通過將鍺和/或氟(共同摻雜Ge和F允許芯折射率(指數(shù))等于純二氧化硅的折射率)摻雜層順序沉積到基板管(substrate tube)的內(nèi)表面中實現(xiàn)了不具有包層的階躍型折射率分布。第二，使芯棒崩塌。第三，通過機械加工和HF蝕刻的順序步驟來進行基板管的去除。第四，完成將芯棒下拉成50 μ m直徑的光纖芯，其中加襯有具有15 μ m厚度的低折射率聚合物的涂層。聚合物折射率使得能夠達到充分的數(shù)值孔徑。具有在1. 36-1. 46 (850nm處給定的值)范圍中的包層折射率的塑料包層可來自商業(yè)可獲得的樹脂。第五，在純分子氫的10大氣壓的壓力下在高壓釜內(nèi)，在75°C的溫度下，處理光纖72小時以使所有玻璃缺陷飽和。第六，然后在20°C的溫度下在一周期間內(nèi)在大氣壓力下用氮(N2)置換高壓釜內(nèi)的氫壓力。然后，在空氣中在室溫下在至少兩周以上期間內(nèi)儲存處理的傳感光纖以達到總分子氫向外集中(out gazing)。然后可以將光纖整合到傳感器系統(tǒng)的纜式(索式)結(jié)構(gòu)中，其允許在高于最大環(huán)境溫度至少20°C的溫度下持續(xù)加熱。在該纜式(索式)結(jié)構(gòu)中，具有使氫氣進入直接與傳感光纖接觸的裝置。根據(jù)以上實例的傳感光纖可提供以下氫傳感特性。通過測量在1242nm+/_2nm波長附近的特定且可逆的峰，可以以可靠的方式測量環(huán)境中的分子氫濃度。由于氫朝向光纖芯減少的擴散時間其具有最短的時間響應延遲。該時間延遲在50°C的傳感光纖溫度下甚至可低于I分鐘并且在65°C的傳感光纖溫度下低于30秒。氫含量和在1242nm附近的波長處可逆的氫致?lián)p失(HIL)之間的關(guān)系隨時間仍然是可預測的。已經(jīng)參考優(yōu)選的實施方式描述了本發(fā)明。但是，許多變化可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.氫傳感光纖(1)，包括芯(11)和包層(12),其中,用能夠與在未處理光纖中存在的玻璃缺陷反應的氣體來預處理所述光纖，使得在將至少一部分所述光纖暴露在包含氫的氣氛中之后，所述光纖在任何波長下不呈現(xiàn)出不可逆的氫致?lián)p失。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫傳感光纖，其中，所述氣體是氫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項所述的氫傳感光纖,其中,光纖芯(11)是純二氧化娃或摻雜有氟的二氧化硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的氫傳感光纖，其中，光纖包層(12)的厚度(th)
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的氫傳感光纖，其中，光纖包層(12)由聚合物材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的氫傳感光纖,其中,所述氫傳感光纖(I)為多模光纖。
7.包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的氫傳感光纖(I)的氫傳感器，所述氫傳感光纖(I)至少部分地與來自氫傳感器(9)外部的氣氛接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氫傳感器，進一步包括 -光源(4)，適合于在由于在所述光纖芯(11)中的氫存在引起的可逆衰減增加的光譜范圍內(nèi)在第一波長下將光發(fā)射到所述氫傳感光纖(I)中， -光檢測器(5),適合于在所述第一波長下檢測從所述氫傳感光纖(I)出來的光。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氫傳感器，其中，所述光源(4)和所述光檢測器(5)包圍在光時域反射計(3)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的氫傳感器，其中，所述第一波長為約1242nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項所述的氫傳感器，進一步包括適合于加熱所述氫傳感光纖(I)的加熱器(2)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一項所述的氫傳感器，進一步包括計算器(6)，所述計算器適合于通過比較在所述第一波長下檢測的光功率與發(fā)射的光功率來計算光纖衰減并且適合于根據(jù)計算的光纖衰減來直接或間接地確定所述氫傳感器(9)周圍的氣氛中氫存在的量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的氫傳感器，其中，所述計算器(6)進一步適合于計算在所述第一波長的光纖衰減與在所述第二波長的光纖衰減之間的差，并且適合于根據(jù)計算的差來確定所述氫傳感器(9)周圍的氣氛中的氫存在的量,所述氫傳感光纖(I)在所述第二波長下表現(xiàn)出不依賴于在光纖芯(11)中存在的氫的量的衰減。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的氫傳感器，進一步包括溫度傳感器(7)，所述溫度傳感器耦接至所述氫傳感光纖(I)并向所述計算器(6)提供代表所述氫傳感光纖(I)的溫度的信號，并且其中所述計算器(6)適合于根據(jù)氫傳感光纖(I)的溫度變化來校正計算的一個或多個光纖衰減。
15.根據(jù)權(quán)利要求7至14中任一項所述的氫傳感器,其中,所述氫傳感光纖(I)的長度為至少100m,優(yōu)選至少500m,更優(yōu)選至少1000m。
16.根據(jù)權(quán)利要求7至15中任一項所述的氫傳感器,其中,對于所述氫傳感光纖(I)的至少一個點，所述點與各自的源(4)和檢測器(5)之間的兩個距離中的最小的為至少5m。
17.氫檢測方法，包括 -在其中氫傳感光纖仍可經(jīng)歷可逆的氫致?lián)p失的第一波長下，將光發(fā)射到包括在氫傳感器中的根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的氫傳感光纖中的步驟(S2)， -在所述第一波長下檢測從所述氫傳感光纖出來的光的步驟(S3)， -通過比較在所述第一波長下檢測的光功率與發(fā)射的光功率來計算在所述第一波長的光纖衰減的步驟(S4)， -根據(jù)計算的光纖衰減來直接或間接地確定在所述氫傳感器周圍的外部氣氛中的氫存在的量的步驟(S5)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的氫檢測方法，進一步包括加熱氫傳感光纖，使得氫傳感光纖的溫度超過氫傳感器周圍的外部氣氛的溫度至少10°C，優(yōu)選至少20°C的步驟(SI)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的氫檢測方法，進一步包括加熱氫傳感光纖，使得可以在少于I小時內(nèi)，優(yōu)選在少于10分鐘內(nèi)檢測并定量在氫傳感器周圍的氣氛中的1%氫存在的步驟(SI)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項所述的氫檢測方法，其中，氫傳感器周圍的氣氛是放射性的。
21.氫傳感光纖預處理方法,順序包括 -在預定的壓力下、在預定的溫度、在第一預定時間期間內(nèi)將所述氫傳感光纖暴露于包含預定氫濃度的氣氛的步驟(S10)， -在環(huán)境條件下在第二預定時間期間內(nèi)向外集中(out glazing)的步驟(S20)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的氫傳感光纖預處理方法，其中 -所述預定的壓力優(yōu)選從I至10大氣壓，更優(yōu)選從2至10大氣壓， -所述預定的溫度優(yōu)選從20°C至150°C，更優(yōu)選從50°C至90°C， -所述第一預定時間優(yōu)選從30小時至1000小時， -所述第二預定時間優(yōu)選為至少2周。
23.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的氫傳感光纖預處理方法，其中，預定的氫濃度為從1%至4%或從90%至100%。
24.一種制造氫傳感器的方法，順序包括 -用能夠與在未處理光纖中存在的玻璃缺陷反應的氣體來預處理包括芯(11)和包層(12)的氫傳感光纖(I )，使得在至少一部分所述光纖暴露在包含氫的氣氛中之后在任何波長下所述光纖不呈現(xiàn)出不可逆的氫致?lián)p失的第一步驟； -將預處理的氫傳感光纖裝配到所述氫傳感器中的第二步驟。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的制造氫傳感器的方法，其中，將所述預處理的氫傳感光纖裝配到所述氫傳感器的外殼中。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的制造氫傳感器的方法，其中，將所述預處理的氫傳感光纖裝配到所述氫傳感器的纜式結(jié)構(gòu)中。
27.根據(jù)權(quán)利要求24至26中任一項所述的制造氫傳感器的方法，其中，將所述預處理的氫傳感光纖裝配到所述氫傳感器中，一旦完全裝配，所述氫傳感器也包括 -光源(4)，適合于在由于在光纖芯(11)中的氫存在引起的可逆衰減增加的光譜范圍內(nèi)在第一波長下將光發(fā)射到所述氫傳感光纖(I)中；-光檢測器(5),適合于在所述第一波長下檢測從所述氫傳感光纖(I)出來的光。
28.根據(jù)權(quán)利要求24至27中任一項所述的制造氫傳感器的方法，其中，所述第一步驟是根據(jù)權(quán)利要求21至23中任一項所述的氫傳感光纖預處理方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氫傳感光纖和氫傳感器。所述氫傳感光纖被預處理從而便于來自光纖(1)外部的氫(10、10a、10b)朝向光纖芯(11)的未來擴散。所述氫傳感器包括至少部分與來自氫傳感器(9)外部的氣氛接觸的氫傳感光纖(1)。
文檔編號G01N21/77GK103063658SQ20121040528
公開日2013年4月24日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者艾卡特里納·布羅夫, 阿蘭·帕斯圖里特, 吉勒·梅蘭 申請人:德雷卡通信技術(shù)公司