本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器的自標(biāo)定技術(shù)及裝置。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的需求與日俱增。而現(xiàn)在所使用的石油、煤炭等能源都是不可再生資源。同時(shí)，這些能源的使用會(huì)排放出大量的二氧化碳和溫室氣體，對(duì)環(huán)境危害大。氫能是一種無(wú)污染，儲(chǔ)量大，熱值高的清潔能源，是保障能源安全的永久性戰(zhàn)略。但是，由于氫氣分子量小，容易泄露，在生產(chǎn)，儲(chǔ)存，運(yùn)輸，使用中存在很多安全隱患。因此，氫能在存儲(chǔ)和使用過(guò)程中必須對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有的氫氣傳感器有催化式、熱導(dǎo)式、電化學(xué)式、光學(xué)式等幾大類產(chǎn)品。然而目前還沒(méi)有任何一種氫氣傳感器能完全滿足所有的市場(chǎng)要求。面對(duì)未來(lái)氫能市場(chǎng)的巨大需求，不斷提升傳感器的靈敏度、選擇性、響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性一直是氫氣傳感技術(shù)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

光纖傳感器興起于八十年代，因其具有良好的實(shí)時(shí)性，具有較高的靈敏度等特點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)鄰域，特別是受環(huán)境溫濕度影響小，體積小，重量輕，是無(wú)源器件，不產(chǎn)生火花，本質(zhì)安全這些特點(diǎn)，光纖傳感技術(shù)在氫氣檢測(cè)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。目前，常見(jiàn)的光纖氫氣傳感器的類型主要有光纖干涉型、微透鏡型、倏逝場(chǎng)型和布拉格光柵型等。鈀因?yàn)槠鋵?duì)氫氣有很好的選擇性、透過(guò)性和吸收性而普遍被用作光學(xué)氫氣傳感中。當(dāng)氫氣遇到鈀時(shí)，氫氣能夠在鈀表面離解為氫原子，通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入鈀體內(nèi)。當(dāng)環(huán)境中的氫氣濃度降低時(shí)鈀中的氫又會(huì)結(jié)合成氫氣脫附，該反應(yīng)為可逆反應(yīng)。但是在一些特殊場(chǎng)合，光纖氫氣傳感器仍存在一些不足，例如沒(méi)有基準(zhǔn)線，會(huì)出現(xiàn)零基漂移，測(cè)量精度不高；鈀膜容易開(kāi)裂導(dǎo)致測(cè)量范圍小，探測(cè)靈敏度不高等問(wèn)題。

針對(duì)上述光纖氫氣傳感器中所存在的不足，解決零漂問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的高精度檢測(cè)。本發(fā)明提出了基于光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器的自標(biāo)定技術(shù)及裝置，這種技術(shù)選取雙f-p干涉腔中一組干涉峰作為自標(biāo)定線，解決零漂的問(wèn)題，充分利用了光纖微腔所形成的雙f-p干涉結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)游標(biāo)放大效應(yīng)，結(jié)合具有高穩(wěn)定性的銀鈀合金膜實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的高精度檢測(cè)。根據(jù)此技術(shù)所制做的光纖傳感器具有感應(yīng)氫氣量程大，選擇性好，精度高，響應(yīng)時(shí)間短，重復(fù)性好，抗溫度干擾等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了基于光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器的自標(biāo)定技術(shù)及裝置，以解決光纖氫氣傳感器普遍存在的零基漂移問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)包括以下步驟：

步驟一選擇一個(gè)輸出波長(zhǎng)為1420nm至1620nm的寬帶光源(1)，一個(gè)工作波長(zhǎng)覆蓋1420nm至1620nm的光譜分析儀(2)，一個(gè)3db耦合器(3)，單模光纖(4)，長(zhǎng)度差為5μm～50μm的空芯光纖(6)、多模光纖(7)；

步驟二將兩段空芯光纖(6)，多模光纖(7)的末端垂直切割，并用熔接機(jī)進(jìn)行熔接，形成雙f-p氫氣傳感模塊(5)，其中空芯光纖(6)構(gòu)成第一f-p光纖微腔(10)，多模光纖(7)構(gòu)成第二f-p光纖微腔(11)；

步驟三在空芯光纖(6)外表面涂覆銀膠，再對(duì)雙f-p氫氣傳感模塊(5)進(jìn)行磁控濺射，使得雙f-p氫氣傳感模塊(5)外表面均勻鍍上銀膜(11)、銀/鈀復(fù)合膜(12)；銀膜(11)的厚度應(yīng)為2nm～10nm，銀/鈀復(fù)合膜(12)的厚度應(yīng)為10nm～40nm，銀/鈀復(fù)合膜(12)中鈀含量為銀含量的2.5～3.5倍；由于空芯光纖(6)已涂覆銀膠，所以不能緊密粘敷銀膜(11)和銀/鈀復(fù)合膜(12)；進(jìn)一步洗凈銀膠，只有多模光纖(7)外表面鍍的銀膜(11)和銀/鈀復(fù)合膜(12)被保留，從而形成敏感探頭；先濺射銀膜(11)，后濺射銀/鈀復(fù)合膜(12)能夠提高膜與光纖傳感頭的結(jié)合力，另一方面也能夠提高傳感器的重復(fù)性和靈敏度；第一f-p光纖微腔(10)外表無(wú)鍍膜，作為自標(biāo)定技術(shù)“雙標(biāo)尺”中穩(wěn)定的“基標(biāo)尺”，為自標(biāo)定技術(shù)提供一系列基準(zhǔn)線，第二f-p光纖微腔(11)外表鍍有銀膜(11)，銀/鈀復(fù)合膜(12)，作為“游標(biāo)尺”，用于感應(yīng)待測(cè)量，可隨待測(cè)量移動(dòng)；

步驟四3db耦合器(3)一側(cè)的兩個(gè)端口分別與寬帶光源(1)，光譜分析儀(2)相連，3db耦合器(3)另一側(cè)的端口通過(guò)單模光纖(4)與帶有自標(biāo)定功能的雙f-p氫氣傳感模塊(5)相連；光譜分析儀(2)作為信號(hào)解調(diào)部分。

本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題所采取的裝置：

其特征在于：由寬帶光源(1)、光譜分析儀(2)、3db耦合器(3)、單模光纖(4)、雙f-p氫氣傳感模塊(5)組成；所述雙f-p氫氣傳感模塊(5)由空芯光纖(6)、多模光纖(7)熔接而成；其中空芯光纖(6)構(gòu)成第一f-p光纖微腔(10)；多模光纖(7)構(gòu)成第二f-p光纖微腔(11)，外表面鍍有銀膜(11)，銀/鈀復(fù)合膜(12)；3db耦合器(3)一側(cè)的兩個(gè)端口分別與寬帶光源(1)，光譜分析儀(2)相連，3db耦合器(3)另一側(cè)的端口通過(guò)單模光纖(4)與雙f-p氫氣傳感模塊(5)相連；光譜分析儀(2)作為信號(hào)解調(diào)部分。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明選取雙f-p干涉腔中一組干涉峰作為自標(biāo)定線，解決零漂的問(wèn)題，充分利用了光纖微腔所形成的雙f-p干涉結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)游標(biāo)放大效應(yīng)，結(jié)合具有高穩(wěn)定性的銀鈀合金膜實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的高精度檢測(cè)。根據(jù)此技術(shù)所制做的光纖傳感器具有感應(yīng)氫氣量程大，選擇性好，精度高，響應(yīng)時(shí)間短，重復(fù)性好，抗溫度干擾等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的雙f-p氫氣傳感模塊(5)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述。

參見(jiàn)附圖1，基于光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器的自標(biāo)定技術(shù)及裝置，包括寬帶光源(1)、光譜分析儀(2)、3db耦合器(3)、單模光纖(4)、雙f-p氫氣傳感模塊(5)；所述雙f-p氫氣傳感模塊(5)由空芯光纖(6)、多模光纖(7)熔接而成；其中空芯光纖(6)構(gòu)成第一f-p光纖微腔(10)；多模光纖(7)構(gòu)成第二f-p光纖微腔(11)，外表面鍍有銀膜(11)，銀/鈀復(fù)合膜(12)；3db耦合器(3)一側(cè)的兩個(gè)端口分別與寬帶光源(1)，光譜分析儀(2)相連，3db耦合器(3)另一側(cè)的端口通過(guò)單模光纖(4)與雙f-p氫氣傳感模塊(5)相連；光譜分析儀(2)作為信號(hào)解調(diào)部分。

本發(fā)明的工作方式為：寬帶光源(1)產(chǎn)生信號(hào)光，由單模光纖(4)輸入到3db耦合器(3)，3db耦合器(3)將信號(hào)光通過(guò)單模光纖(4)輸入到雙f-p氫氣傳感模塊(5)在端面反射，反射光經(jīng)過(guò)單模光纖(4)，通過(guò)3db耦合器(3)與寬帶光源(1)相連接側(cè)的另一端口相干輸出到光譜分析儀(2)。

第一f-p光纖微腔(10)外無(wú)氫氣敏感膜，作為自標(biāo)定技術(shù)“雙標(biāo)尺”中穩(wěn)定的“基標(biāo)尺”，為自標(biāo)定技術(shù)提供一系列基準(zhǔn)線，第二f-p光纖微腔(11)外表鍍有銀膜(11)，銀/鈀復(fù)合膜(12)，作為“游標(biāo)尺”，用于感應(yīng)待測(cè)量，可隨待測(cè)量移動(dòng)；這時(shí)的光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器具有自標(biāo)定功能。

第一f-p光纖微腔(10)與第二f-p光纖微腔(11)分別對(duì)應(yīng)于游標(biāo)卡尺里面的標(biāo)尺和游尺，所以雙f-p氫氣傳感模塊(5)由于游標(biāo)放大效應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的高精度測(cè)量；

當(dāng)氫氣濃度增加，銀/鈀復(fù)合膜(12)吸收氫后，體積發(fā)生膨脹，從而對(duì)第二f-p光纖微腔(11)施加軸向的應(yīng)力，改變光纖干涉儀相位，導(dǎo)致光纖傳感頭干涉譜移動(dòng)；第一f-p光纖微腔(10)無(wú)氫氣敏感膜，微腔有效長(zhǎng)度不變，為實(shí)驗(yàn)提供“基線”；利用光譜分析儀(2)檢測(cè)干涉波長(zhǎng)的變化就可以得到氫氣的濃度。

該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)基于光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器的自標(biāo)定技術(shù)及裝置的關(guān)鍵技術(shù)有：

選取雙f-p干涉腔中一個(gè)無(wú)氫氣敏感膜的f-p光纖微腔作為自標(biāo)定技術(shù)“雙標(biāo)尺”中的“基標(biāo)尺”，為自標(biāo)定技術(shù)提供一系列基準(zhǔn)線，從而獲得一個(gè)穩(wěn)定的“基標(biāo)尺”，另一個(gè)鍍有銀膜，銀/鈀復(fù)合膜的f-p光纖微腔作為“游標(biāo)尺”，用于感應(yīng)待測(cè)量，可隨待測(cè)量移動(dòng)，以此解決零漂的問(wèn)題；利用了光纖微腔所形成的雙f-p干涉結(jié)構(gòu)，選取了兩段等效腔長(zhǎng)不同的f-p光纖微腔，實(shí)現(xiàn)游標(biāo)放大效應(yīng)；結(jié)合具有高穩(wěn)定性的銀鈀合金膜，通過(guò)多次交替濺射，提高膜與光纖傳感頭的結(jié)合力，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的高精度檢測(cè)。根據(jù)此技術(shù)所研制的光纖傳感器具有感應(yīng)氫氣量程大，選擇性好，精度高，響應(yīng)時(shí)間短，重復(fù)性好，抗溫度干擾等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，光源的輸出波長(zhǎng)為1200nm～1650nm；光譜儀的工作波長(zhǎng)覆蓋范圍為1200nm～1650nm；單模光纖用的是常規(guī)單模光纖(g.625)，纖芯直徑為8.2μm，包層直徑為125μm，多模光纖用的是漸變折射率多模光纖，纖芯直徑為62.5μm，包層直徑為125μm，空芯光纖用的是石英毛細(xì)管(tsp075150)，外徑為150μm，內(nèi)徑為75μm，涂層為12μm；空芯光纖和多模光纖的長(zhǎng)度分別為200μm和215μm，長(zhǎng)度差為15μm；銀膜厚度為5nm，銀/鈀復(fù)合膜厚度為30nm，銀和鈀的比例為1∶3，在氫氣濃度在0％至1.6％范圍內(nèi)，基于光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器的靈敏度為20nm/％。