CN103175807B - 一种反射型全光纤氢气传感器及其制备和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射型全光纤氢气传感器及其制备和测量方法。该传感器由单模光纤和光子晶体光纤组成，光子晶体光纤的一个端面以及光子晶体光纤纤芯孔洞阵列的内壁上镀有一定厚度的金属钯膜，光子晶体光纤的另一个端面与单模光纤熔接。测量光路为：光源输出端的入射光经传输单模光纤进入光纤环形器，再经传输单模光纤进入光子晶体光纤，入射光由光子晶体光纤端面处反射产生反射光，反射光经传输单模光纤和光纤环形器到达光谱分析仪。本发明结构简单易集成，具有对光源扰动免疫力高，检测性能稳定、准确等优势，该氢气传感器在环境氢气浓度为4％时，反射谱波长极小值移动Δλ可达1.7纳米，灵敏度相对布拉格光栅波长调制型氢气传感器高一个数量级。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及光纤传感器的研究与制备。更具体而言，涉及一种反射型全光纤氢气传感器及其制作方法与测量应用。
背景技术
光纤传感是20世纪70年代问世的一门新技术，它是以光作为信息载体，以光纤作为信息传输介质的一种传感技术。由于光纤传感器相对于传统传感器而言具有体积小重量轻，不受电磁干扰，高灵敏度等优点，因而自20世纪70年代低损耗光纤问世以来，它逐步成为新一代传感器的研发方向之一，展现出非常好的应用前景。近几年来，随着科技的进步和研究的深入，各式各样的光纤传感器（诸如温度，压力，应力，折射率，电流，电压，气体传感器等）不断被研制出来，尤其是自物联网的概念提出以来，光纤传感更是成为一个热门的研究领域。
氢气是一种重要的工业原料，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工等方面有着重要的应用。同时，氢气作为一种替代能源，不仅清洁环保，并且具有丰富的来源，因此氢气在新能源领域的地位日益重要。但是氢气分子的体积非常小，极易发生泄漏。空气中氢气浓度达到4%-74.5%遇到明火即可导致爆炸。因此，在氢气运输、储存以及使用的过程中，对环境氢气浓度进行检测是一项十分重要和必要的工作。
发明内容
本发明的目的是：利用光子晶体光纤制备一种反射型全光纤氢气传感器，使其具有高灵敏度、高响应速度、稳定抗干扰、低成本等优势。本发明的另一个目的是提供这种传感器的制备及测量方法。
本发明传感器的技术方案是：
一种反射型全光纤氢气传感器，包括单模光纤和光子晶体光纤，光子晶体光纤的一个端面以及光子晶体光纤纤芯孔洞阵列的内壁上镀有一定厚度的金属钯膜；所述光子晶体光纤的另一个端面与单模光纤熔接。
所述反射型全光纤氢气传感器的制备方法，包括如下步骤：首先，用光纤切割刀将单模光纤一端切平，光子晶体光纤两端切平；其次，采用镀膜方法，在所述光子晶体光纤的一端镀一定厚度的钯膜，镀膜过程中钯颗粒为埃米量级，而光子晶体光纤空气孔洞直径为微米量级，因此光子晶体光纤空气孔洞阵列中亦有一定长度的钯膜分布；然后，利用熔接光纤的方法，将单模光纤与所述光子晶体光纤未镀钯膜的一端熔接起来，即为反射型全光纤氢气传感器。
其中所述光子晶体光纤使用长度可为0.5-10厘米，纤芯分布直径2.5微米左右的孔洞阵列，其型号可以是LMA-8；光源为宽带光源，可以是超连续光源，也可以是ASE光源。光子晶体光纤端面的钯膜，采用磁控溅射镀膜技术制备，厚度可根据使用者对响应时间的需求以及待测环境中氢气的浓度范围而在10-200纳米间选取。
所述反射型全光纤氢气传感器的测量方法，包括光源、光纤环形器、光谱仪、单模光纤和所述反射型全光纤氢气传感器，光源输出端通过单模光纤接光纤环形器的第一端口，光纤环形器第三端口连接所述反射型全光纤氢气传感器的单模光纤，光纤环形器第二端口通过另一单模光纤连接光谱分析仪；其光路为：光源输出端的入射光经传输单模光纤进入光纤环形器，再经传输单模光纤进入氢气传感器的感应单元，即所述光子晶体光纤，入射光由光子晶体光纤端面处反射产生反射光，反射光经传输单模光纤和光纤环形器到达光谱分析仪。
本发明中的反射型全光纤氢气传感器，其原理为：所述光子晶体光纤中的传输光分为基模光信号Icore与包层模光信号Icladding，经光子晶体光纤端面金属镜面反射，Icore与Icladding干涉光谱信号被光谱仪接收；当氢气与所述光子晶体光纤孔洞阵列中的钯接触生成钯的氢化物PdHx后，光子晶体光纤芯层有效折射率发生改变，基模光信号Icore与包层模光信号Icladding干涉谱极小值对应波长产生移位，从而实现波长调制型全光纤氢气传感器的制备。系统采用全光纤条件下的测量方法，光路内无任何分立的光学元件，能够有效克服外界振动带来的不利影响，同时节约了材料，降低了系统成本。
本发明同时具有以下优势：（1）该氢气传感器采用全光纤光路设计，系统内无任何分立光学元件，结构简单易集成，对于外界电磁干扰、机械振动具有优良的抵抗性，操作方便，制备成本低。（2）该氢气传感器采用波长调制方式，相对于强度调制型光纤传感器，具有对光源扰动免疫力高，检测性能稳定、准确等优势，系统检测结果在稳定性与可靠性方面有很大提高。（3）该氢气传感器光路设计为反射式，缩短了光路长度，节约了成本，降低了光路损耗。（4）该反射型全光纤氢气传感器利用端面镀有钯膜以及空气空洞中溅有钯颗粒的光子晶体光纤作为传感头，在氢气爆炸极限下限的浓度环境中，反射谱极小值波长发生移位可达纳米量级，灵敏度相对布拉格光栅波长调制型氢气传感器高一个数量级。
附图说明
图1是本发明反射型全光纤氢气传感器的光路图；
图2是光子晶体光纤与单模光纤熔接区的显微镜图；
图3是光子晶体光纤端面镀钯膜后的截面示意图，（a）是2000放大倍数下的SEM图，（b）是10000放大倍数下的SEM图；
图4反射型全光纤氢气传感器传感单元光子晶体光纤传感原理图；
图5是实施例中反射型全光纤氢气传感器共振波长在氢气环境下的光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，使本发明得以清楚展现。
图1是反射型全光纤氢气传感器的光路图，包括超连续光源，一个光纤环形器4，普通单模光纤5，一段一端镀有钯膜的光子晶体光纤，一台光谱分析仪。超连续光源输出端的入射光经传输单模光纤5进入光纤环形器4的第1端口，然后光从光纤环形器4的第3端口出来，再经传输单模光纤5进入氢气传感器的感应单元，即所述光子晶体光纤，入射光由光子晶体光纤端面处反射产生反射光，反射光经传输单模光纤5、光纤环形器4的第2端口到达光谱分析仪。
制备过程：首先用光纤切割刀将单模光纤6和光子晶体光纤7端面切平，让后用熔接机熔接单模光纤6和光子晶体光纤7。光子晶体光纤7与单模光纤6的熔接示意图如图2，其中光子晶体光纤7中的空气孔洞8清晰可见；然后采用溅射法垂直于光子晶体光纤7一端面镀钯膜，设定钯膜厚度为0.05微米，光子晶体光纤纤芯空气孔洞直径为2.3微米左右，因此空气孔洞中亦有钯膜分布，图2是光子晶体光纤7镀有钯膜一端在电镜下的截面示意图，该光子晶体光纤型号为LMA-8，长度为10毫米。
图4所示为该反射型全光纤氢气传感器传感单元的工作原理图，具体说明如下：该光子晶体光纤长度为10毫米，纤芯分布空气孔洞8阵列，在光子晶体的一端镀有0.05微米厚的金属钯膜9，镀膜过程中钯颗粒为埃米量级，而光子晶体光纤空气孔洞8直径为微米量级，因此光子晶体光纤空气孔洞8阵列中亦有一定长度的钯膜9分布；钯作为一种氢敏材料，被广泛的应用于氢气传感领域，当氢气分子与钯接触后，氢气分子在钯膜表面解离吸附为氢原子并扩散进入钯的晶格，生成钯的氢化物PdHx，这一变化带来了钯光学性质的改变，从而使传输光的信息发生相应的变化。具体为：光在光子晶体光纤的芯层10和包层11中传输并发生干涉，芯层10中为基模光信号Icore，包层11中为包层模光信号Icladding，经光子晶体光纤端面金属镜面反射，Icore与Icladding干涉光谱信号被光谱仪接收；当氢气与所述光子晶体光纤孔洞8阵列中的钯膜9接触生成钯的氢化物PdHx后，光子晶体光纤芯层有效折射率发生改变，基模光信号Icore与包层模光信号Icladding干涉谱极小值对应波长产生移位，从而实现波长调制的反射型全光纤氢气传感器的制备。
图5为本发明中反射型全光纤氢气传感器在无氢气环境与氢气浓度为4％环境下的反射光谱图。图中可以看出，当环境中氢气浓度为4％时，反射光谱向左移动，这是因为通入氢气后，光子晶体光纤纤芯有效折射率发生改变，导致基模光信号Icore与包层模光信号Icladding干涉谱极小值对应波长产生了移位。图5所示的光谱左起第一极小值，从氢气浓度为0时的1532.9纳米移至氢气浓度为4％时的1531.2纳米，Δλ≈1.7nm。试验中选取4％的氢气浓度记录数据是因为空气中氢气的爆炸极限的下限为4％。
本发明中采用波长调制方式，相对于强度调制型光纤传感器，具有对光源扰动免疫力高，检测性能稳定、准确等优势，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及器件损耗的影响，系统检测结果在稳定性与可靠性方面有很大提高；该氢气传感器采用反射式全光纤光路设计，系统内无任何分立光学元件，结构简单易集成，对于外界电磁干扰、机械振动具有优良的抵抗性，操作方便，制备成本低廉，光路损耗低；该氢气传感器在环境氢气浓度为4％时，反射谱波长极小值移动Δλ可达1.7纳米，灵敏度相对布拉格光栅波长调制型氢气传感器高一个数量级。
Claims (3)
1.一种反射型全光纤氢气传感器的制备方法，其特征在于，所述反射型全光纤氢气传感器包括单模光纤和光子晶体光纤，光子晶体光纤的一个端面以及光子晶体光纤纤芯孔洞阵列的内壁上均有钯膜，光子晶体光纤的另一个端面与单模光纤熔接，其具体制备包括如下步骤：(1)用光纤切割刀将单模光纤一端切平，并将光子晶体光纤两端切平，(2)利用镀膜方法，在所述光子晶体光纤的一端镀上一定厚度的钯膜，该光子晶体光纤纤芯孔洞阵列中的一定长度内壁上亦有钯膜分布，(3)采用熔接光纤的方法，将单模光纤与所述光子晶体光纤的未镀钯膜的一端熔接起来，即得到所述反射型全光纤氢气传感器。
2.根据权利要求1所述一种反射型全光纤氢气传感器的制备方法，其特征在于，所述光子晶体光纤的长度为0.5-10厘米，纤芯孔洞阵列的直径为2.2-2.5微米，前述步骤(2)中的光子晶体光纤的一端及光子晶体光纤纤芯孔洞列阵中的一定长度内壁上的钯膜的厚度为10-200纳米。
3.利用权利要求1制备的一种反射型全光纤氢气传感器的测量方法，包括光源、光纤环形器、光谱仪、单模光纤和所述反射型全光纤氢气传感器，光源输出端通过单模光纤接光纤环形器的第一端口，光纤环形器第三端口连接所述反射型全光纤氢气传感器的单模光纤，光纤环形器第二端口通过另一单模光纤连接光谱分析仪；其光路为：光源输出端的入射光经传输单模光纤进入光纤环形器，再经传输单模光纤进入氢气传感器的感应单元，即所述光子晶体光纤，入射光由光子晶体光纤端面处反射产生反射光，反射光经传输单模光纤和光纤环形器到达光谱分析仪。
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| CN103175807A (zh) | 2013-06-26 |
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