CN101451959A - 一种氢气传感器及钯膜氢敏感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氢气传感器及钯膜氢敏感系统，该氢气传感器包括导入光纤、反射光纤和空心管，空心管的表面具有钯或钯合金膜，导入光纤和反射光纤分别与空心管管腔的两端连接，相对的两个光纤端面相互平行并与管腔一起构成干涉腔体；该钯膜氢敏感系统通过向氢气传感器的导入光纤传输宽谱光，并接收导入光纤和反射光纤相对两端反射产生的干涉光，通过采集干涉光谱信号来确定干涉腔体腔长的变化，进而计算出氢气的浓度。本发明克服了现有技术中由于光源波动和光纤扰动等因素难以实现高分辨率稳定测量的问题，极易受环境温度扰动影响的问题，测量结果准确且温度性强，且成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及传感器测量领域，具体涉及一种基于EFPI的氢气传感器和钯膜氢敏感系统。
背景技术
目前测量氢气浓度的传感器主要包括三类，分别为：干涉型光纤氢传感器(参见Optical fiber hydrogen sensor，M.A.Butler，AppliedPhysics Letters，1984，Vol.45(10)，pp.1007-1009)、微透镜型光纤氢传感器(参见Fiber optic sensor for hydrogen concentrations near theexplosive limit，Butler Michael A.，Journal of the Electrochemical Society，Vol.138(9)，1991，PP.L46-L47)和基于布拉格光栅型光纤氢传感器(参见Pd-coated elastoopic fiber optic optic bragg grating sensors formultiplexed hydrogen sensing，Boonsong S.，Sensor and Actuators B，Vol.60，1999，pp.27-34)。
由于金属钯(Pd)在低分压氢气环境中吸收氢气产生伸长效应，在干涉型光纤氢传感器中，将金属钯蒸镀于某一段光纤上，利用伸长效应会造成光纤的径向及轴向应变，因此干涉型光纤氢传感器以镀钯光纤作为M-Z(马赫-曾德/Mach-Zehnder)干涉仪的信号臂，通过检测出光的相位变化即可间接得到氢气浓度。如图1所示为现有M-Z干涉型光纤氢气传感器的结构图，其结构中包括信号臂1和参考臂2两路信号，信号臂1光路中的光纤上具有钯或钯金属膜3，当任意一路信号受到干扰都会影响测量结果，与其他只检测一路信号的传感器相比较，则这种结构更容易引入干扰。
在微透镜型光纤氢传感器中，在单模或多模光纤端面上蒸镀一层钯膜，钯膜厚度为10mm～50mm。由于注入光纤的光在输出端面上会产生折射，因此当把该微透镜型光纤传感器暴露于包含氢气的环境中时，蒸镀在光纤输出端面上的钯会与氢反应，从而引起钯膜折射率的变化，进而使经折射输出后的光强度发生变化。折射率变化的大小与氢浓度有关，通过检测光强度变化可以确定氢的浓度。对于微透镜型光纤氢传感器，在一定范围内增加钯膜厚度对提高传感器的响应度有所帮助。但是，随着厚度的增加，响应时间也将加长，这主要是因为当钯膜加厚时，氢含量达到饱和需要较长的时间。因此，从响应时间的角度来考虑，钯膜越簿越好，这就在灵敏度与响应时间之间形成了矛盾而不能同时优化。
在基于布拉格光栅型光纤氢传感器中，当镀有钯膜的光纤布拉格光栅(fibber bragg gratting，FBG)暴露于氢气中时，钯与氢反应生成钯的氢化物PdHx。一般PdHx密度较小使得钯膜膨胀产生张力，这一张力可以通过比较FBG的发射谱和反射谱确定。钯膜膨胀还使得光纤拉伸，从而引起光栅周期与折射率变化。由于张力的大小由氢气浓度决定，故布拉格波长的变化量与氢气浓度有关，从而通过布拉格波长可以确定该处氢气浓度的大小。基于布拉格光栅型光纤氢传感器检测需要较复杂的技术和较昂贵的仪器。
发明内容
本发明的目的是提供一种氢气传感器和钯膜氢敏感系统，克服了现有技术中由于光源波动和光纤扰动等因素难以实现高分辨率稳定测量的问题，及易受环境温度扰动影响的问题，测量结果准确且温度性强，且成本低廉。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种氢气传感器，包括导入光纤、反射光纤和空心管，所述空心管表面具有钯或钯合金膜，所述导入光纤和反射光纤分别与所述空心管管腔的两端连接，相对的两个光纤端面相互平行并与所述管腔一起构成干涉腔体。
优选地，所述空心管为空芯光子晶体光纤，其表面镀有钯或钯合金膜，所述导入光纤和反射光纤均为单模光纤，并分别与所述空芯光子晶体光纤的两端熔接在一起。
优选地，所述空心管为毛细管，所述导入光纤和反射光纤从两端一同置入所述毛细管内，且导入光纤和反射光纤的外径均与毛细管的内径相匹配。
优选地，所述毛细管为石英毛细管，所述石英毛细管的表面上镀有钯或钯合金膜；
或所述毛细管为钯金属毛细管；
或所述毛细管为钯合金毛细管。
优选地，还包括用于调整毛细管和导入光纤、反射光纤的相对位置的螺旋微进装置和压电陶瓷。
优选地，连接导入光纤和反射光纤的毛细管套在不锈钢保护套管内，所述不锈钢保护套管上与毛细管上有钯或钯合金膜的位置对应处开槽。
优选地，所述不锈钢保护套管上套有光纤热缩管。
优选地，所述反射光纤上不与导入光纤相对的光纤端面经过毛化处理。
本发明还提供了另一种氢气传感器，包括导入光纤、反射光纤、毛细管和V形钯槽，所述毛细管固定在所述V形钯槽内，所述导入光纤和反射光纤从两端一同置入所述毛细管内，且导入光纤和反射光纤的外径均与毛细管的内径相匹配，相对的两个光纤端面相互平行并与毛细管管腔一起构成干涉腔体。
优选地，所述V形钯槽的长度大于所述毛细管的长度，所述毛细管以一端与V形钯槽一端对齐或向外凸出方式固定在所述V形钯槽内，在V形钯槽的另一端间隔固定另一毛细管，反射光纤穿过另一毛细管，另一毛细管向外的一端与所述V形钯槽的另一端对齐或向外凸出。
本发明还提供了一种使用上述氢气传感器的钯膜氢敏感系统，该系统包括：
光源，用于发出宽谱光；
氢气传感器，置于氢气浓度测量环境中，导入光纤接收宽谱光后经导入光纤和反射光纤相对的光纤端面分别反射后产生干涉光；
光纤耦合器，通过传输光纤接收光源发出的宽谱光，将其传输到氢气传感器，接收氢气传感器产生的干涉光将其传输到光谱仪；
光谱仪，用于接收光纤耦合传输过来的干涉光，采集接收干涉光谱信号并对其数字化；
处理单元，与光谱仪连接，用于根据光谱仪数字化后的干涉光谱信号计算干涉腔体腔长的变化，由所述腔长的变化确定氢气的浓度。
优选地，所述光纤耦合器为2×2光纤耦合器，其中一个端口A连接光源，一个端口B接入所述氢气传感器中的导入光纤，一个端口C通过传输光纤连接光谱仪；另一个端口D连接置于折射率匹配溶液中的传输光纤。
利用本发明提供的氢气传感器及钯膜氢敏感装置，具有以下有益效果：
1)由于基于相位测量方式，测量时对光强信号进行归一化，则光源波动和光纤扰动不会对测量结果有影响；
2)由于石英和光纤的热膨胀系数均小于1×10-6/℃，克服了通常干涉式和光纤光栅式氢气传感器易受环境温度扰动影响的问题；
3)核心设备微型光纤光谱仪相对低廉的价格，使得其对比得到最广泛关注的光纤光栅式氢气传感方案，在低通道数传感系统中具有明显的价格优势。
附图说明
图1为现有技术中M-Z干涉型光纤氢气传感器的结构图；
图2为本发明实施例1中氢气传感器的结构图；
图3为本发明实施例2中氢气传感器的结构图；
图4为本发明实施例3中氢气传感器的结构图；
图5为本发明实施例4中氢气传感器的另一种结构的主视图；
图6为本发明实施例4中氢气传感器的剖视图；
图7为本发明实施例5中钯膜氢敏感系统的结构图；
图8为本发明实施例5中光纤耦合器的结构图；
图9为本发明实施例5中实验时系统的结构图；
图10为本发明实施例5中测量氢气浓度的曲线图。
图中：1、信号臂；2、参考臂；3、钯或钯合金膜；4、氢气传感器；401、导入光纤；402、反射光纤；403、石英毛细管；404、钯或钯合金毛细管；405、空心光子晶体光纤；406、干涉腔体；407、熔接点；408、固定点；409、V形钯槽；410、另一毛细管；5、光源；6、光纤耦合器；7、传输光纤；8、光谱仪；9、PC机；10、法兰；11、气罐；12、氢气瓶；13、氮气瓶。
具体实施方式
本发明提出的氢气传感器及钯膜氢敏感系统，结合附图和实施例说明如下。
本发明提出的氢气传感器及钯膜氢敏感系统是基于非本征型法布里-珀罗干涉EFPI(Extrinsic Fabry-Perot Interferometric)的，“非本征”是指光纤在传感器中仅起到光传输介质的作用，对外界信息的敏感是通过其他功能元件来实现的。EFPI是一种结构特点和干涉技术。基于EFPI的光纤传感器的结构特点为：采用导入光纤和反射光纤的光纤端面上的反射光形成干涉光，干涉腔体为导入光纤与反射光纤相对光纤端面间的空气隙。EFPI这一结构已被应用到不同的领域，比如已经应用到温度、应力等方面的传感。但还未涉及应用到氢气传感器领域。
本发明将EFPI结构应到氢气传感器中，所提出的氢气传感器4包括：导入光纤401、反射光纤402和空心管，空心管的表面具有钯或钯合金膜3，导入光纤401和反射光纤402分别与空心管管腔的两端连接，相对的两个光纤端面相互平行并与空心管管腔一起构成干涉腔体406。
下面给出本发明氢气传感器和使用该氢气传感器的钯膜氢敏感系统的优选实施方式。
实施例1
本实施例中空心管可采用毛细管，其中一种优选的实施方式，如图2所示，该氢气传感器包括：导入光纤401、反射光纤402和石英毛细管403，石英毛细管403的表面镀有钯或钯合金膜3，实现石英毛细管403对氢气的敏感，具有良好垂直端面的导入光纤401和反射光纤402从两端一同置入石英毛细管403内，利用CO2激光或环氧树脂将两根光纤与石英毛细管403固定在一起，如图2所示的固定点407，导入光纤401、反射光纤402相对的两个光纤端面与石英毛细管403管腔一起构成干涉腔体406，且导入光纤401和反射光纤402的外径均与石英毛细管403的内径相匹配，可以保证导入光纤401和反射光纤402在石英毛细管403内相互同轴；导入光纤401和反射光纤402均与石英毛细管403平行，二者之间无倾角即平行，这样可以保证干涉效果较好；反射光纤402的背端(即不与入射光纤401直接相对的光纤端面)经过毛化处理，这样能消除该光纤端面的反射干扰。通过螺旋微进装置和压电陶瓷调整石英毛细管403和导入光纤401、反射光纤402的相对位置，使两个光纤端面间有十几至数百微米的间距，构成一个低细度的非本征FP光纤干涉仪，两个相对的光纤端面反射率约为4％，则可认为是反射率远小于1的低细度FP干涉仪。
传感器除了采用毛细管作为空心管的结构外，还包括套接在毛细管外部的不锈钢保护套管，由于使用中氢气传感器中导入光纤401和反射光纤402的另外两端裸漏在外，容易损坏，毛细管外部的不锈钢保护套管，使裸露的光纤置于不锈钢保护套管内固定，并在不锈钢保护套管对应毛细管上有钯或钯合金膜的位置处开槽，以便氢气通入。同时在不锈钢保护套管上套一光纤热缩管以保障光纤与保护套管连接处不损坏。
实施例2
如图3为氢气传感器的另一实施方式的结构图，其结构与采用石英毛细管403的结构基本相同，不同的是毛细管具体为钯或钯合金毛细管404，实现对氢气的敏感，由于钯或钯合金毛细管404本身表面具有钯或钯合金膜3，因此，制作时省略实施例1中需要再镀一层钯或钯合金膜的步骤。
实施例3
本发明基于EFPI的氢气传感器具体为基于空芯光子晶体光纤法-珀干涉传感器，如图4所示，即采用一段空芯光子晶体光纤405(PCF)作法布里-珀罗腔体(干涉腔体)，导入光纤401和反射光纤402均为单模光纤，利用光纤熔接方法在熔接点408将空芯光子晶体光纤405与两根单模光纤熔接起来，与空芯光子晶体光纤405熔接处的单模光纤相对的两个端面分别形成法布里-珀罗腔的两个反射面，在空芯光子晶体光纤405表面镀一定厚度的钯或钯合金膜3来实现对氢气的敏感。本实施例中具体利用磁控溅射方式在空芯光子晶体光纤405表面镀一定厚度的钯或钯合金膜3，构成氢气传感器。
实施例4
本发明另一种基于EFPI结构氢气传感器的实施方式，如图5所示，包括导入光纤401、反射光纤402、毛细管和V形钯槽409，导入光纤401和反射光纤402从两端一同置入毛细管内，且导入光纤401和反射光纤402的外径均与毛细管的内径相匹配，相对的两个光纤端面相互平行并与毛细管管腔一起构成干涉腔体406，与上面实施不同的是，毛细管表面不直接镀钯或钯合金膜3，而是将毛细管固定在V形钯槽409内，由V形钯槽409实现对氢气的敏感，V形钯槽409的形变引起干涉腔体406腔长长度的变化。
优选地，如图6所示，V形钯槽409的长度大于毛细管的长度，毛细管以一端与V形钯槽409一端对齐或向外凸出方式固定在V形钯槽409内，在V形钯槽409的另一端间隔固定另一毛细管410，反射光纤402穿过另一毛细管410，另一毛细管410向外的一端与V形钯槽409的另一端对齐或向外凸出，这样的好处是V形钯槽409发生形变时更容易带动干涉腔体406的形变。
实施例5
如图7为本实施例中使用上述氢气传感器的钯膜氢敏感系统，该系统包括：光源5，用于发出宽谱光，一般光谱范围为几十纳米以上即为宽谱光，通常采用LED作光源即可；氢气传感器4，置于氢气浓度测量环境中，当宽谱光经传输光纤7传输到导入光纤401后，宽谱光在导入光纤401的光纤端面一部分透射，另一部分反射，一部分透射光在反射光纤402的光纤端面反射，则导入光纤401与反射光纤402相对端面的反射光形成干涉；光纤耦合器6，通过传输光纤7接收光源5发出的宽谱光，将其通过传输光纤7传输到氢气传感器4，接收氢气传感器4产生的干涉光将其传输到光谱仪8；光谱仪8，用于接收光纤耦合器6传输过来的干涉光，采集接收干涉光谱信号并对其数字化；PC机9，与光谱仪8连接，用于根据光谱仪数字化后的干涉光谱信号确定氢气的浓度。
如图8所示为本实施例中光纤耦合器结构图，该光纤耦合器6为2×2光纤耦合器，其中一个端口A通过传输光纤7连接光源5，一个端口B通过传输光纤7接入氢气传感器4中的导入光纤，一个端口C通过传输光纤7连接光谱仪8；另一个端口D连接置于折射率匹配溶液中的传输光纤7，折射率匹配溶液具有高增透、防潮等特点，因为与传输光纤的折射率相近，从而起到减少表面剩余反射的作用。上述四路传输光纤7中均连接有法兰6。
下面给出使用本实施例中的钯膜氢敏感系统的测量过程及原理：光源5所发生的宽谱光首先经端口A传输到光纤耦合器6，然后经端口B传输到氢气传感器4，当宽谱光通过导入光纤401传输过来后，导入光纤401和反射光纤402的相对的两个光纤端面反射后产生干涉光谱信号，反射回的干涉光谱信号再次经过传输光纤7传输到耦合器6，经耦合器6的端口C通过传输光纤7输出传送给光谱仪8；光谱仪8采集接收的干涉光谱信号并将其数字化发送给PC机9，PC机9接收光谱仪8数字化后的干涉光谱信号，根据该数字化后的干涉光谱信息确定空气中氢气的浓度。测氢气浓度的原理为：钯或钯合金膜吸收氢气后产生的形变通过空心管将传递到干涉腔体406上，引起干涉腔体406腔长的变化，反过来，通过采集返回的干涉光谱信号来测量干涉腔体406腔长的变化就可以反映出氢气的浓度。
如图9为实验时的系统结构图，为了验证本发明系统测量的准确性，实验中将氢气传感器4置于气罐11中，氢气瓶12和氮气瓶13通过连接有流量计的管路通入气罐11中，实验中分别控制氢气流量计流量为25ml/min，氮气流量计流量为1L/min，可以得到浓度约为2.5％的氢气，利用基于交叉相关的解调算法，对光谱仪采集的数据进行处理可得氢气浓度曲线。在实验中，实验开始后10秒通入氢气、氮气混合气体，800秒时通气停止，然后在1100秒时通入纯氮气，2500秒时停止，如图10所示为对应得到的实验结果图。
本发明提出的基于EFPI结构的氢气传感器是基于相位测量方式，测量时对光强信号进行归一化，则光源波动和光纤扰动不会对测量结果有影响，克服了基于强度测量方式的光纤氢气传感器由于光源波动和光纤扰动等因素难以实现高分辨率稳定测量的问题。
另外，由于钯的热膨胀系数约为1.2×10-5/℃，环境温度漂移同样会通过钯膜的热膨胀使EFPI传感器的腔长发生变化，会对氢气浓度的测量结果造成误差。但本发明中石英和光纤的热膨胀系数均小于1×10-6/℃，为了对钯膜的热膨胀所造成的腔长变化进行补偿，可以通过选用一定长度具有较大热膨胀系数的金属丝代替反射光纤来实现这一目的。当环境温度发生漂移，金属丝的热膨胀效应与钯膜的热膨胀效应所带来的腔长变化影响相反，通过控制金属丝的长度，可以基本消除环境温度漂移对氢气浓度测量的影响，因此克服了通常干涉式和光纤光栅式氢气传感器易受环境温度扰动影响的问题。
同时，由于本发明中的核心设备微型光纤光谱仪相对低廉的价格，使得其对比得到最广泛关注的光纤光栅式氢气传感方案，在低通道数传感系统中具有明显的价格优势。并且近年发展起来的频分复用技术也使得本方案具有复用成阵的可能。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (12)
1、一种氢气传感器，其特征在于，包括导入光纤、反射光纤和空心管，所述空心管表面具有钯或钯合金膜，所述导入光纤和反射光纤分别与所述空心管管腔的两端连接，相对的两个光纤端面相互平行并与所述管腔一起构成干涉腔体。
2、根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述空心管为空芯光子晶体光纤，其表面镀有钯或钯合金膜，所述导入光纤和反射光纤均为单模光纤，并分别与所述空芯光子晶体光纤的两端熔接在一起。
3、根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述空心管为毛细管，所述导入光纤和反射光纤从两端一同置入所述毛细管内，且导入光纤和反射光纤的外径均与毛细管的内径相匹配。
4、根据权利要求3所述的氢气传感器，其特征在于，所述毛细管为石英毛细管，所述石英毛细管的表面上镀有钯或钯合金膜；
或所述毛细管为钯金属毛细管；
或所述毛细管为钯合金毛细管。
5、根据权利要求3或4所述的氢气传感器，其特征在于，还包括用于调整毛细管和导入光纤、反射光纤的相对位置的螺旋微进装置和压电陶瓷。
6、根据权利要求3或4所述的氢气传感器，其特征在于，连接导入光纤和反射光纤的毛细管套在不锈钢保护套管内，所述不锈钢保护套管上与毛细管上有钯或钯合金膜的位置对应处开槽。
7、根据权利要求6所述的氢气传感器，其特征在于，所述不锈钢保护套管上套有光纤热缩管。
8、根据权利要求1～4任一项所述的氢气传感器，其特征在于，所述反射光纤上不与导入光纤相对的光纤端面经过毛化处理。
9、一种氢气传感器，其特征在于，包括导入光纤、反射光纤、毛细管和V形钯槽，所述毛细管固定在所述V形钯槽内，所述导入光纤和反射光纤从两端一同置入所述毛细管内，且导入光纤和反射光纤的外径均与毛细管的内径相匹配，相对的两个光纤端面相互平行并与毛细管管腔一起构成干涉腔体。
10、根据权利要求9所述的氢气传感器，其特征在于，所述V形钯槽的长度大于所述毛细管的长度，所述毛细管以一端与V形钯槽一端对齐或向外凸出方式固定在所述V形钯槽内，在V形钯槽的另一端间隔固定另一毛细管，反射光纤穿过另一毛细管，另一毛细管向外的一端与所述V形钯槽的另一端对齐或向外凸出。
11、一种使用权利要求1或9所述氢气传感器的钯膜氢敏感系统，其特征在于，包括：
光源，用于发出宽谱光；
氢气传感器，置于氢气浓度测量环境中，导入光纤接收宽谱光后经导入光纤和反射光纤相对的光纤端面分别反射后产生干涉光；
光纤耦合器，通过传输光纤接收光源发出的宽谱光，将其传输到氢气传感器，接收氢气传感器产生的干涉光将其传输到光谱仪；
光谱仪，用于接收光纤耦合传输过来的干涉光，采集接收干涉光谱信号并对其数字化；
处理单元，与光谱仪连接，用于根据光谱仪数字化后的干涉光谱信号计算干涉腔体腔长的变化，由所述腔长的变化确定氢气的浓度。
12、如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述光纤耦合器为2×2光纤耦合器，其中一个端口A连接光源，一个端口B接入所述氢气传感器中的导入光纤，一个端口C通过传输光纤连接光谱仪；另一个端口D连接置于折射率匹配溶液中的传输光纤。
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