CN102778443B - 一种氢气浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

一种氢气浓度检测装置，它由氢气传感头（10）、集成光信号模块（2）和信号处理单元（3）组成，彼此之间相互连接；其中，氢气传感头（10）包括有镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤（1）、第一光纤耦合器4a、保护套管（5）、光纤固定架（6）、光纤适配器（7）、尾纤护套（14）；集成光信号模块（2）包括光源（8）、光谱接收装置（9）和第二光纤耦合器4b；该装置采用的光路性能可靠、稳定；采用的镀有钯膜的保偏光子晶体光纤的材料一致性好，具有良好的温度不敏感性；氢敏钯膜的镀膜长度可以根据灵敏度要求设计，实现高灵敏度检测。本发明对温度的变化不敏感，系统结构简单、操作方便，抗干扰能力强、精度高。

Description

一种氢气浓度检测装置

技术领域

本发明涉及一种氢气浓度检测装置，更特别地说，涉及一种基于光纤传感系统的氢气浓度检测装置。属于气体浓度检测设备技术领域。

背景技术

氢气是重要的化工原料，也是重要的清洁能源，因此得到了广泛应用。在航天工业中，氢已成为航天器发动机的主要燃料。氢气分子非常小，无论是固态还是液态的氢都非常易挥发、易燃、易爆，在存储与运输过程中易发生泄漏。当空气中泄漏的氢气浓度达到4%-74.2%，空气变得易燃，从而也极易导致空气爆炸。因此，研制能探测氢气爆炸下限范围内浓度变化的探测器显得尤为重要。

目前，氢气的检测技术主要有光纤氢气传感器、电化学氢气传感器、半导体氢气传感器、声表面波(SAW)传感器、光声气体传感器、气相色谱-原子吸收光谱法、质谱法等。与其他类型的传感器相比，光纤氢传感器具有许多独特的优点：体积小，重量轻，安装简单，成本低；灵敏度高，响应时间短；光纤传感系统不易受电磁场干扰，能避免产生火花，对被测环境干扰小，这不仅能够提高系统的安全度，而且可以减少维护成本，增加使用的可靠度。

根据检测原理的不同，光纤氢气传感器分为F-P干涉型、微镜型、消逝场型、布拉格光栅型等类型。F-P干涉型和消逝场型的氢气传感器制造技术复杂、可靠性差；微镜型和布拉格光栅型氢传感器发展较为成熟、开始进入实用检测氢气浓度，由于使用的光纤类型限制，这种技术受温度的影响大，容易产生温度和氢气浓度传感信号交叉，影响其使用效果。

本发明提供的是一种基于保偏光子晶体光纤干涉系统的氢气浓度检测装置。传感光纤可以制作成满足检测浓度要求的最佳长度，所镀钯膜的长度可以较长，且钯膜的长度越长，氢气浓度检测灵敏度越高。对于其他类型光纤氢气传感器，例如光栅式传感器的钯膜长度略大于栅区长度，消逝场型传感器的钯膜只能镀在拉锥或研磨区域等，长度一般较短；增加光学检测系统中传感光纤的镀膜长度易于实现，从而提高了氢气检测的灵敏度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了实现高灵敏度的氢气浓度检测，克服温度对氢气浓度检测的传感信号交叉，本发明提供一种新型的基于光纤传感系统的氢气浓度检测装置。

见图1、图3、图4A，本发明一种氢气浓度检测装置，它包括有：氢气传感头10、集成光信号模块2和信号处理单元3，彼此之间相互连接；其中，氢气传感头10包括有镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1、第一光纤耦合器4a、保护套管5、光纤固定架6、光纤适配器7、尾纤护套14；集成光信号模块2包括光源8、光谱接收装置9和第二光纤耦合器4b；它们之间的位置连接关系及信号光走向是：光源8发出的信号光接入第二光纤耦合器4b的反射端R端，从第二光纤耦合器4b的第一出射端A端经光纤适配器7插接入第一光纤耦合器4a的反射端R端；信号光被分成两束光，并从第一光纤耦合器4a的A端和B端输出，进入镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1，沿顺、逆时针方向传输，在第一光纤耦合器4a中发生干涉；干涉信号从第一光纤耦合器4a反射端R端输出，返回至第二光纤耦合器4b的第一出射端A端，并从第二光纤耦合器4b透射端T端接入光谱接收装置9。镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1置于光纤固定架6内，并在保护套管5内与第一光纤耦合器4a连接；保护套管5与光纤固定架6连接为一体；尾纤护套14一端与保护套管5连接，另一端与光纤适配器7连接；第一光纤耦合器4a的第一出射端A端、第二出射端B端分别与镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1的两端熔接；第二光纤耦合器4b的第一出射端A端与第一光纤耦合器4a的反射端R端引出的光纤适配器7插接；第二光纤耦合器4b的反射端R端与光源8熔接，透射端T端与光谱接收装置9熔接；信号处理单元3与光谱接收装置9通过数据线连接，接收输出的光谱特性，得到反射端干涉光谱极小峰值波长的移动，计算并输出氢气浓度值。

所述镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1是在光纤外径上镀有钯膜的保偏光子晶体光纤，该保偏光子晶体光纤可以为实芯保偏光子晶体光纤，也可以为空芯保偏光子晶体光纤。

所述信号处理单元3是在计算机上通过VC语言编写的峰值解调程序和信号解算程序，通过数据线连接计算机接受光谱接收装置9输出的光谱特性，峰值解调程序实时采集得到光谱特性中的极小峰值波长的移动，再利用根据数学模型设计的信号解算程序计算并输出氢气浓度值。

所述第一光纤耦合器4a和第二光纤耦合器4b是采用ORTE Photonics公司生产的典型的四端口结构的50/50分光的光纤耦合器，能够对中心波长为1550nm的光进行传输，反射端R端、透射端T端一般为光纤耦合器的入纤端，A端、B端为光纤耦合器的出射端。

所述保护套管5是呈圆柱形的空芯管，适合装入光纤耦合器。第一光纤耦合器4a粘接固定在保护套管5中，保护套管5一端与光纤固定架6连接成一体，另一端引出由尾纤护套14加固保护的第一光纤耦合器4a反射端R端尾纤。

所述光纤固定架6是由四根支柱和固定支柱上下的环形支架连接组成，每个支柱上带有阵列通孔，传感光纤盘旋穿过阵列通孔。盘旋的传感光纤各圈之间有一定间距，保证镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1与气氛充分接触。

所述光纤适配器7是连接敏感光路与光源及波长解调部分的接头，接头形式可以是FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC、ST/PC或者ST/APC。

所述光源8可以是Micron Optics公司生产的SM125型光纤光栅解调仪内部集成的扫描激光器，其扫描波长范围为1510nm至1590nm；也可以是宽谱的掺铒光纤光源（SFS），其中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽大于40nm。

所述光谱接收装置9可以是光纤光栅解调仪内部集成的光探测器；也可以是日本横河电机公司（YOKOGAWA公司）生产的AQ6370型光谱分析仪。

所述尾纤护套14是在保护套管5的出纤口处填充硅胶并外覆聚合物材料护套，保护第一光纤耦合器4a的反射端R端的尾纤。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据所建立的氢气浓度检测数值模型，通过对获得的反射光谱的极小值波长进行测试，实现对氢气浓度的检测。

本发明的氢气浓度的检测的数学模型为：其中：L是保偏光子晶体光纤的长度，L_Pd是镀有钯膜的光纤长度，λ_m是反射干涉谱中一个靠近1550nm的极小值波长，k是镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤的氢敏系数；采集干涉光谱极小峰值波长的移动Δλ，代入模型可得所检测的氢气浓度x。

本发明的氢气浓度检测装置的优点在于：

（1）利用镀有钯膜的保偏光子晶体光纤作为氢气传感头来获取被测对象的氢气浓度信息，具有温度和电磁干扰不敏感的特性，使测得的氢气浓度检测结果精确、测试适应性强。

（2）利用该光纤传感系统作为检测装置，该装置中的镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤可以根据检测灵敏度要求设计镀膜部分长度，通过增加镀有钯膜光纤的长度，可以提高氢气检测灵敏度。

（3）利用该光学检测系统作为检测装置，测试系统性能可靠、稳定，结构简单、操作方便，抗干扰能力强、精度高，实现对波长的绝对检测，波长检测精度高。

（4）设计所使用的光纤耦合器反射端作为光源与光谱接收装置的共用端口，增强了系统的集成性并降低了成本。

附图说明

图1是本发明氢气浓度检测装置原理图；

图2A是本发明中使用宽谱光源的光源光谱图；

图2B是本发明中使用宽谱光源的反射谱图；

图3是本发明氢气浓度检测装置结构图；

图4A是本发明氢气传感头的结构图；

图4B是本发明氢气传感头的俯视图；

图5是本发明使用的扫描激光光源解调方案原理图；

图6是本发明使用的宽谱光源解调方案原理图；

图中符号说明如下：

1.镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤2.集成光信号模块3.信号处理单元4.光纤耦合器5.保护套管6.光纤固定架7.光纤适配器8.光源9.光谱接收装置10.氢气传感头11.宽谱光源12.光谱分析仪13.光纤解调仪14.尾纤护套。

具体实施方式

参见图1、图3、图4A、图4B所示，本发明是一种氢气浓度检测装置，该装置包括氢气传感头10、集成光信号模块2和信号处理单元3，彼此之间相互连接；其中，氢气传感头10包括镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1、第一光纤耦合器4a、保护套管5、光纤固定架6、光纤适配器7、尾纤护套14；集成光信号模块2包括光源8、光谱接收装置9和第二光纤耦合器4b；它们之间的位置连接关系及信号光走向是：第一光纤耦合器4a的A端、B端分别与镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1的两端熔接；第二光纤耦合器4b的A端与第一光纤耦合器4a的反射端R端引出的光纤适配器7插接；第二光纤耦合器4b的反射端R端与光源8熔接，透射端T端与光谱接收装置9熔接；信号处理单元3与光谱接收装置9通过数据线连接，接收输出的光谱特性，得到反射端干涉光谱极小峰值波长的移动，计算并输出氢气浓度值。

参见图4A、图4B所示，氢气传感头10包括镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1、第一光纤耦合器4a、保护套管5、光纤固定架6、光纤适配器7、尾纤护套14；保护套管5与光纤固定架6焊接为一体；第一光纤耦合器4a粘接固定在保护套管5里，其A端、B端分别与镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1两端熔接，镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1盘旋穿过光纤固定架6的四根带有阵列通孔的支柱；第一光纤耦合器4a的R端从保护套管5伸出并受尾纤护套14加固保护，末端连有即插式的光纤适配器7；光纤适配器7接头形式可以是FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC、ST/PC或者ST/APC。

参见图5所示，所述的光源及波长解调部分由光纤解调仪13、信号处理单元3组成；光纤解调仪13内部集成扫描激光器和光探测器，可以通过一个端口直接获得干涉光谱；氢气传感头10通过光纤适配器7与光纤解调仪13的一个信号端口连接；信号处理单元3是在计算机上通过VC语言编写的峰值解调程序和信号解算程序，通过数据线连接计算机接受光谱接收装置9输出的光谱特性，峰值解调程序实时采集得到光谱特性中的极小峰值波长的移动，再利用根据数学模型设计的信号解算程序计算并输出氢气浓度值。

参见图6所示，所述的光源及波长解调部分也可以由宽谱光源11、光谱分析仪12、第二光纤耦合器4b、信号处理单元3组成；氢气传感头10通过光纤适配器7与第二光纤耦合器4b的第一出射端A端连接；宽谱光源11和光谱分析仪12分别与第二光纤耦合器4b的R端和T端熔接；光谱分析仪12与信号处理单元3通过数据线相连，接收输出的光谱特性，得到反射端干涉光谱的峰值波长移动。

下面将对本发明氢气检测装置中的各个器件所实现的功能进行详细说明：

（一）镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1

镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1用于对气氛中的氢气浓度值进行传感。反射光在镀有钯膜的光纤段内传输，当镀有钯膜的光纤暴露于含有氢气的气氛中，吸收氢气后，所生成的氢化物发生膨胀，主要沿光纤轴向产生应变拉伸光纤，致使保偏光子晶体光纤的有效光程增加，所传输光的干涉相位差发生改变，从而透射端口的干涉谱线的极小值波长发生移动。

（二）信号处理单元3

信号处理单元3是在计算机上通过VC语言编写的峰值解调程序和信号解算程序，通过数据线连接计算机接受光谱接收装置9输出的光谱特性，峰值解调程序实时采集得到光谱特性中的极小峰值波长的移动，再利用根据数学模型设计的信号解算程序计算并输出氢气浓度值。

（三）光纤耦合器4

光纤耦合器4选用四端口，即二入二出，能够对中心波长为1550nm的光进行传输。在本发明中，光纤耦合器采用ORTE Photonics公司生产的典型的4端口结构的50/50分光的光纤耦合器，反射端R端、透射端T端一般为光纤耦合器的入纤端，A端、B端为光纤耦合器的出射端。工作波长1550nm，典型附加损耗0.07dB，插入损耗小于3.4dB。

（四）保护套管5

保护套管5用于保护并固定第一光纤耦合器4a及其尾纤在安装和使用中不受损伤。第一光纤耦合器4a粘接固定在保护套管5中，保护套管5一端与光纤固定架6焊接连接成一体，另一端引出由尾纤护套14加固保护的第一光纤耦合器4a反射端R端尾纤。

（五）光纤固定架6

光纤固定架6用于支撑及安装镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1。光纤固定架6是由四根支柱和固定支柱上下的环形支架组成，每个支柱上带有阵列通孔，传感光纤盘旋穿过阵列通孔。盘旋的传感光纤各圈之间有一定间距，保证镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1与气氛充分接触。

（六）光纤适配器7

光纤适配器7用于敏感光路与光源及波长解调部分的快捷连接。光纤适配器7与第一光纤耦合器4a的R端尾纤连接，接头形式可以是FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC、ST/PC或者ST/APC。

（七）宽谱光源11

宽谱光源11为系统提供光信号；选用的是掺铒光纤光源（SFS），其中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽大于40nm。

（八）光谱分析仪12

光谱分析仪12用于采集输出光的光谱特性。在本发明中，选用的是日本横河电机公司（YOKOGAWA公司）生产的AQ6370型光谱分析仪。

（九）光纤解调仪13

光纤解调仪13选用的是Micron Optics公司生产的SM125型光纤光栅解调仪，内部集成扫描激光器和光探测器，拥有四个光信号端口，可以通过一个端口直接获得干涉光谱，其扫描波长范围为1510nm至1590nm；实现对波长的绝对检测，波长检测精度为1pm。

（十）尾纤护套14

尾纤护套14是在保护套管5的出纤口处填充硅胶并外覆聚合物材料护套，保护并加固第一光纤耦合器4a的反射端R端的尾纤。

光源8发出的信号光接入第二光纤耦合器4b的反射端R端，从第二光纤耦合器4b的第一出射端A端经光纤适配器7插接入第一光纤耦合器4a的反射端R端；信号光被分成两束光，并从第一光纤耦合器4a的第一出射端A端和第二出射端B端输出，进入镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤1，沿顺、逆时针方向传输，在第一光纤耦合器4a中发生干涉，干涉信号从第一光纤耦合器4a反射端R端输出，经第二光纤耦合器4b返回光谱接收装置9。

干涉后的光强为：

$I_R=\mathrm{K\α}\left(\mathrm{\λ}\right)[1+\cos \left(\frac{2\mathrm{\π\ΔnL}}{\mathrm{\λ}}\right)]---\left(1\right)$

式（1）中所示的反射干涉光谱的极小值条件为式中m为整数，Δn为保偏光子晶体光纤的双折射，L为保偏光子晶体光纤的长度，λ_m为极小值处的峰值波长，该极小值对应的干涉相位差恒为(2m+1)π。峰值波长移动Δλ与传感光纤长度变化ΔL的对应关系为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_m}{L}\mathrm{\ΔL}---\left(2\right)$

钯膜光纤吸收氢气致长度拉伸的氢气浓度检测公式为：

ΔL=kL_Pdx                    （3）

式（3）中，k为镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤的氢敏系数，x为待测氢气浓度，L_Pd为镀有钯膜的光纤长度；由此可见，钯膜长度越长，系统测量氢气浓度敏感系数越高。

由式（2）、（3）可得氢气浓度检测数值模型为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_m}{L}{\mathrm{kL}}_{\mathrm{Pd}}x---\left(4\right)$

根据式（4）所述，通过波长解调峰值波长的移动Δλ，即可得到所检测的氢气浓度x，氢气浓度值的大小和反射光谱的峰值波长变化成正比。

本发明氢气浓度检测装置的检测方法步骤如下：

1.氢气传感头置于待测气氛中。

2.打开光源，使光谱接收装置在反射端接受光谱，精确获取光谱特性，连续采集1550nm附近的极小峰值波长，待峰值波长稳定后，读取峰值波长移动量。

3.利用采集的数据代入所建立的氢气浓度检测数值模型（4），得到气氛中的氢气浓度值。

在本发明中，使用绝对波长检测技术减小了由于老化和现场应用等因素造成的光源输出功率波动和器件损耗的影响。图2A是本发明中使用宽谱光源的光源光谱图；图2B是本发明中使用宽谱光源的反射谱图。

在本发明中，氢气浓度检测装置对温度的变化不敏感，测试系统性能可靠、稳定，结构简单、操作方便，抗干扰能力强、测量灵敏度高。

Claims (1)

1.一种氢气浓度检测装置，其特征在于：它由氢气传感头（10）、集成光信号模块（2）和信号处理单元（3）组成，彼此之间相互连接；其中，氢气传感头（10）包括有镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤（1）、第一光纤耦合器4a、保护套管（5）、光纤固定架（6）、光纤适配器（7）、尾纤护套（14）；集成光信号模块（2）包括光源（8）、光谱接收装置（9）和第二光纤耦合器4b；光源（8）发出的信号光接入第二光纤耦合器4b的反射端R端，从第二光纤耦合器4b的第一出射端A端经光纤适配器（7）插接入第一光纤耦合器4a的反射端R端；信号光被分成两束光，并从第一光纤耦合器4a的A端和B端输出，进入镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤（1），沿顺、逆时针方向传输，在第一光纤耦合器4a中发生干涉；干涉信号从第一光纤耦合器4a反射端R端输出，返回至第二光纤耦合器4b的第一出射端A端，并从第二光纤耦合器4b透射端T端接入光谱接收装置（9）；镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤（1）置于光纤固定架（6）内，并在保护套管（5）内与第一光纤耦合器4a连接；保护套管（5）与光纤固定架（6）连接为一体；尾纤护套（14）一端与保护套管（5）连接，另一端与光纤适配器（7）连接；第一光纤耦合器4a的第一出射端A端、第二出射端B端分别与镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤（1）的两端熔接；第二光纤耦合器4b的第一出射端A端与第一光纤耦合器4a的反射端R端引出的光纤适配器（7）插接；第二光纤耦合器4b的反射端R端与光源（8）熔接，透射端T端与光谱接收装置（9）熔接；信号处理单元（3）与光谱接收装置（9）通过数据线连接，接收输出的光谱特性，得到第一光纤耦合器4a反射端R端干涉光谱极小峰值波长的移动，计算并输出氢气浓度值；

所述镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤（1）是在光纤外径上镀有钯膜的保偏光子晶体光纤，该保偏光子晶体光纤为实芯或空芯保偏光子晶体光纤；

所述信号处理单元（3）是在计算机上通过VC语言编写的峰值解调程序和信号解算程序，通过数据线连接计算机接受光谱接收装置9输出的光谱特性，峰值解调程序实时采集得到光谱特性中的极小峰值波长的移动，再利用根据数学模型设计的信号解算程序计算并输出氢气浓度值；

所述第一光纤耦合器4a和第二光纤耦合器4b是四端口结构的50/50分光的光纤耦合器，能够对中心波长为1550nm的光进行传输，反射端R端、透射端T端为光纤耦合器的入纤端，A端、B端为光纤耦合器的出射端；

所述保护套管（5）是呈圆柱形的空芯管，适合装入光纤耦合器，第一光纤耦合器4a粘接固定在保护套管（5）中，保护套管（5）一端与光纤固定架（6）连接成一体，另一端引出由尾纤护套（14）加固保护的第一光纤耦合器4a反射端R端尾纤；

所述光纤固定架（6）是由四根支柱和固定支柱上下的环形支架连接组成，每个支柱上带有阵列通孔，传感光纤盘旋穿过阵列通孔，盘旋的传感光纤各圈之间有间距，保证镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤（1）与气氛充分接触；

所述光纤适配器（7）是连接敏感光路与光源及波长解调部分的接头，接头形式是FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC、ST/PC或者ST/APC；

所述光源（8）是SM125型光纤光栅解调仪内部集成的扫描激光器，其扫描波长范围为1510nm至1590nm；或者是宽谱的掺铒光纤光源SFS，其中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽大于40nm；

所述光谱接收装置（9）是光纤光栅解调仪内部集成的光探测器；或者是AQ6370型光谱分析仪；

所述尾纤护套（14）是在保护套管（5）的出纤口处填充硅胶并外覆聚合物材料护套，保护第一光纤耦合器4a的反射端R端的尾纤。