一种能同时测量氢气浓度和温度的光纤传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提出一种能同时测量氢气浓度和温度的光纤传感器，包括宽谱光源1、传感单元2和光谱仪3；所述的传感单元2由单模光纤21、无芯光纤22、单模光纤光栅23组成，无芯光纤22外镀有钯基氢敏膜；宽谱光源1发出的光经单模光纤21后进入无芯光纤22中，在熔接区24处激发出多个高阶模式，这些模式在无芯光纤中以不同的传播常数传播并相互干涉，干涉光信号进入单模光纤光栅23，满足单模光纤光栅23布拉格反射条件的光将会发生反射；当外界氢气浓度变化时，干涉光谱会发生移动，而当外界温度发生变化时，干涉光谱和布拉格反射波长均会发生移动，因此，通过观测干涉光谱和布拉格波长的移动量即可反推出氢气浓度和温度的大小，实现氢气浓度的高精度测量。
【专利说明】
一种能同时测量氢气浓度和温度的光纤传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种能同时测量氢气浓度和温度的光纤传感器，属于光纤传感技术领 域。
【背景技术】
[0002] 目前，氢气的使用已遍布于人们生产和生活的各个角落，与此同时，研究和发展高 性能的氢气传感器也变得日益重要[文献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.]。光纤氢气传感器的测量原理是利用氢气与沉积在光纤上的氢 敏材料发生反应来改变氢敏材料的某些性质，使得光纤中光信号的波长或强度发生变化， 进而通过检测光信号的改变量来反推出外界氢气的浓度，由于是采用了光信号作为传感和 解调介质，光纤氢气传感器具有本质安全、抗电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀等优点，可工作 于如矿井、核设施及太空等各种恶劣环境中，能够满足未来市场对氢气传感器的多样化需 求，具有巨大的发展潜力和广阔的商业前景[文献2.许琰玮，刘永智.光纤氢气传感技术 的研究进展[J]，激光与光电子学进展，2006, 43(7): 1-5.]。
[0003] 光纤氢气传感器中所用到的氢敏材料主要有三氧化钨(WO3)和钯(Pd)两种。前者 是利用WO3与氢气反应放热的特性实现氢气浓度测量的[文献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.]，但是该类传感器易受外界温度的干扰。此外，由于 WO3与氢气反应放热，而且反应过程中还需要有氧气的存在，因此会增加氢气爆炸的危险 [文献4.王闵.微型光纤干涉型氢气传感器关键技术研究[D]，武汉：武汉理工大学， 2013.]。所以，从安全角度考虑，基于Pd基敏感材料的光纤氢气传感器成为近几年众多科研 工作者研究的热点[文献 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该类传感器利用Pd吸 氢后体积发生膨胀以及折射率降低的特性实现氢气浓度的测量。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.]提出基于表面等离子体共振原理的光纤氢气传感探头，利用钯基复合 膜吸收氢气后折射率发生变化的特性实现氢气浓度测量，但这种传感器的测量信号易受环 境温度干扰，而且制备工艺复杂，不适于批量生产应用；为了避免温度的干扰，2014年，M. Wang等人[文献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.]将Pd膜涂覆在经过腐蚀的马赫-曾德干涉仪和光纤光栅表面，实现了温度和氢气浓度 的同时检测，但经过腐蚀处理的干涉仪传感探头质地较脆弱，不利于长期稳定使用；2015 年，Y. H. Yang等人[文献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和金属银复合膜的保偏光子晶体光 纤环境氢气传感器，测量灵敏度达到131 pm/%，而且受温度干扰影响较小，但保偏光子晶体 光纤的价格较高，增加了传感器的成本。综上，基于Pd基敏感材料的光纤氢气传感探头目前 仍在制备工艺复杂、成本高、结构不稳定等方面存在不同程度的问题，最为关键的是，当前 的一些避免温度干扰的技术仍没有达到理想的程度。
【发明内容】
[0004] (一)要解决的技术问题 本发明的目的在于克服目前基于Pd基敏感材料的光纤氢气传感器的不足之处，提出一 种制备工艺简单、成本低、结构稳定、且能有效克服温度干扰的光纤氢气传感器。
[0005] (二)技术方案 为了达到上述目的，本发明提出一种能同时测量氢气浓度和温度的光纤传感器，包括 宽谱光源1、传感单元2和光谱仪3;所述的传感单元2是由单模光纤21、无芯光纤22、单模光 纤光栅23组成，其中，单模光纤、无芯光纤、单模光纤光栅之间通过熔接机进行熔接，无芯光 纤22外表面镀有钯基氢敏膜;宽谱光源1发出的光经单模光纤21后进入无芯光纤22中，在熔 接区24处激发出多个高阶模式，这些模式在无芯光纤中以不同的传播常数传播，随后在熔 接区25处耦合并相互干涉，干涉光信号进入单模光纤光栅23,满足单模光纤光栅23布拉格 反射条件的光将会发生反射，因此，干涉光经过单模光纤光栅23后，将会在布拉格波长处出 现一个下坠峰，最后，透射出去的光信号将进入光谱仪4;当外界氢气浓度变化时，会改变钯 基氢敏膜的折射率，使干涉光谱发生移动，当外界温度发生变化时，不仅会改变钯基氢敏膜 的折射率进而使干涉光谱发生移动，还会改变单模光纤光栅23的结构参数，进而使布拉格 波长发生移动，因此，利用双波长矩阵方法，通过观测干涉光谱和布拉格波长的移动量即可 反推出氢气浓度和温度的大小。
[0006] (三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果： 1) 本发明提出的这种光纤氢气传感器，继承了传统光纤传感器所具有的本质安全、抗 电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀等优点 2) 本发明提出的这种光纤氢气传感器，不仅制备工艺简单、成本低、结构稳定，而且通 过同时测量氢气浓度和温度的大小，可有效降低温度对氢气浓度测量精度的影响。
【附图说明】
[0007] 图1为本发明提供的光纤传感器结构示意图； 图2为传感器输出光谱曲线。
【具体实施方式】
[0008] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明的具体结构、原理以及工作过程作进一步的详细说明。
[0009] 如图1所示为本发明提出的一种能同时测量氢气浓度和温度的光纤传感器。其工 作过程为:宽谱光源发出的光首先经单模光纤后进入无芯光纤，然后进入单模光纤光栅，最 后进入光谱仪进行光谱移动量的监测。其中，单模光纤、无芯光纤、单模光纤光栅之间通过 熔接机进行熔接。
[0010] 当光从单模光纤传输到无芯光纤的纤芯时，由于无芯光纤的纤芯直径与单模光纤 的纤芯直径差距较大，因此在第一个单模光纤与无芯光纤熔接点处，单模光纤传输光的单 一模式将被破坏，且能激发出多个传导模式，这些模式在无芯光纤中传输的传播常数是不 同的，若忽略所有辐射模式，则所有导模都是正交的，即波的总功率都等于各模式功率的叠 加，当输入光为宽谱光时，从无芯光纤中出射的光将在无芯光纤与单模光纤光栅的熔接点 处发生干涉，传输光变成具有一定周期性分布的干涉谱。若保持外界环境条件固定不变，当 改变无芯光纤周围的环境折射率时，无芯光纤中各个模式的激发系数和传播常数会发生变 化，进而使干涉谱发生移动，利用这种现象就可以实现对外界环境折射率的测量。本发明 中，将钯基敏感膜镀在无芯光纤上，当周围氢气浓度或者温度发生变化时，会引起钯基敏感 膜的折射率（即无芯光纤外界的折射率)发生变化，进而使得干涉谱发生移动。而该干涉光 谱在经过单模光纤光栅后，由于布拉格反射原理，满足单模光纤光栅布拉格反射条件的光 将不能通过单模光纤光栅，因此，最后光谱仪监测到的干涉光谱将带有一个下坠峰，如图2 所示，其中，下坠峰所对应的波长即是单模光纤光栅的布拉格反射波长，该波长大小与光纤 光栅外界的温度有关。结合双波长矩阵方法，可得：
其中，Δ X1、Δ 分别为干涉光谱的移动量和布拉格反射波长（即下坠峰对应的光波 长)的移动量；Δ(λ Δ T分别为氢气浓度的变化量和外界温度的变化量。a为氢气浓度变化时 干涉光谱的移动灵敏度系数;b、d分别为外界温度变化时干涉光谱的移动灵敏度系数和布 拉格反射波长的移动灵敏度系数。当传感器探头的结构参数固定时，a、b、d均为固定值，因 此，由式（1)可得，通过观察干涉光谱的移动量和布拉格反射波长的变化量即可反推出外界 的氢气浓度和温度大小，不仅可解决温度对氢气浓度测量的交叉敏感问题，还可以实现氢 气浓度和温度的同时监测，避免温度过高所引起的潜在的氢气爆炸危险，为氢气浓度的高 精度测量提供了可能。
【主权项】
1. 一种能同时测量氢气浓度和温度的光纤传感器，包括宽谱光源1、传感单元2和光谱 仪3，其特征在于:所述的传感单元2是由单模光纤21、无芯光纤22、单模光纤光栅23组成的， 其中，单模光纤、无芯光纤、单模光纤光栅之间通过熔接机进行熔接，无芯光纤22外表面镀 有钯基氢敏膜;宽谱光源1发出的光经单模光纤21后进入无芯光纤22中，在熔接区24处激发 出多个高阶模式，这些模式在无芯光纤中以不同的传播常数传播，随后在熔接区25处耦合 并相互干涉，干涉光信号进入单模光纤光栅23,满足单模光纤光栅23布拉格反射条件的光 将会发生反射，而透射出去的光信号将进入光谱仪4;当外界氢气浓度变化时，会改变钯基 氢敏膜的折射率，使干涉光谱发生移动，而当外界温度发生变化时，不仅会改变钯基氢敏膜 的折射率还会改变单模光纤光栅23的结构参数，使干涉光谱和布拉格反射波长均发生移 动，最后，通过观测干涉光谱和布拉格波长的移动量即可反推出氢气浓度和温度的大小。
【文档编号】G01N21/45GK105841840SQ201610189417
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】张亚男, 赵勇, 胡海峰, 彭慧杰
【申请人】东北大学