CN103308451A - 一种微型光纤氢气传感装置及测量方法 - Google Patents

一种微型光纤氢气传感装置及测量方法 Download PDF

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周传德
黎泽伦
邓显玲
唐一科
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本发明公开了一种微型光纤氢气传感装置及测量方法，微型光纤氢气传感装置包括光源(1)、输入光纤(2)和传感探头，传感探头包括准直器(3)和镀有Pt/WO3薄膜的探头(4)；当光源(1)将光线射出，经由输入光纤(2)，光线再经准直器(3)，将单光源发送的单条光变为一组平行光；镀有Pt/WO3薄膜的探头(4)将敏感到被测对象中的氢气，使得输入光信号的包括光强、反射率在内的光学特征发生变化，经Pt/WO3薄膜反射回来的光经由输出光纤(5)传递到探测器(6)，采集到输出信号，信号分析仪(7)接收到输出信号，并利用频谱分析软件分析输出信号的包括光强、反射率在内的光学特征，从而确定被测对象中的氢气含量。

Description

一种微型光纤氢气传感装置及测量方法
技术领域
本发明涉及的是一种微型光纤氢气传感装置及测量方法。
背景技术
光纤氢气传感器与传统的氢气传感器相比具有体积小、重量轻、电绝缘性、灵敏度高、频带宽、动态范围大、抗电磁干扰等众多优点。目前，对氢气的检测技术重点应用主要有两方面：一是监测储氢容器周围环境气氛中含氢浓度的变化，从而诊断可能发生的氢气渗透、泄漏和失效程度；二是监测特定环境中因金属腐蚀而发生的环境气氛中含氢浓度的变化。传统的气敏薄膜的传感器结构复杂，受电磁波干扰大，不便用于远距离测试，不适合于一些不可加电的场所应用。
在一些特殊领域内，氢气产生的部位多数在部组件之间的间隙内，且需要长时间连续监测，要求传感器具有较好的稳定性和可靠性，传统的氢敏气传感器不能满足以上要求，而光纤氢传感器耐腐蚀性好、抗干扰能力强，适合长距离传输。目前，世界各国对此投入了大量研究。
WO3薄膜是一种重要的功能材料因具有良好的电致变色气致变色光致变色电化学性能而得到广泛的研究和应用，尤其是其气致变色性能在气体传感器方面有广阔的应用前景.大量研究表明，三氧化钨有着良好的气致变色效应，可用作多种气体的传感材料，当WO3掺杂Pt或Pd后，对H2有着高度的选择响应性能。因此，近年来对WO3氢敏传感器件的研究受到学术界和工业界的极大关注。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供一种微型光纤氢气传感装置及测量方法。
一种微型光纤氢气传感装置，包括光源(1)、输入光纤(2)和传感探头，传感探头包括准直器(3)和镀有Pt/WO3薄膜的探头(4)；当光源(1)将光线射出，经由输入光纤(2)，光线再经准直器(3)，将单光源发送的单条光变为一组平行光；镀有Pt/WO3薄膜的探头(4)将敏感到被测对象中的氢气，使得输入光信号的包括光强、反射率在内的光学特征发生变化，经Pt/WO3薄膜反射回来的光经由输出光纤(5)传递到探测器(6)，采集到输出信号，信号分析仪(7)接收到输出信号，并利用频谱分析软件分析输出信号的包括光强、反射率在内的光学特征，从而确定被测对象中的氢气含量。
根据所述的微型光纤氢气传感装置进行测量的测量方法，当光源(1)将光线射出，经由输入光纤(2)，光线再经准直器(3)，将单光源发送的单条光变为一组平行光；镀有Pt/WO3薄膜的探头(4)将敏感到被测对象中的氢气，使得输入光信号的包括光强、反射率在内的光学特征发生变化，经Pt/WO3薄膜反射回来的光经由输出光纤(5)传递到探测器(6)，采集到输出信号，信号分析仪(7)接收到输出信号，并利用频谱分析软件分析输出信号的包括光强、反射率在内的光学特征，从而确定被测对象中的氢气含量。
本发明利用了特殊传感探头，特殊传感探头需要镀上Pt和WO3的复合薄膜，为了获得更明显的输出，还要设置的准直器，同时足够的小，以满足微间隙测量的需要。信号分析仪根据获得的输出信号完成光强、反射率等光学特性分析，为确定氢气浓度提供依据。
附图说明
图1为本发明微型光纤氢气传感装置的结构示意图；
图2为本发明传感探头结构示意图；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
如图1所示微型光纤氢气传感装置的结构示意图，包括光源1、输入光纤2和传感探头，传感探头包括准直器3和镀有Pt/WO3薄膜的探头4；当光源1将光线射出，经由输入光纤2，入射光再经准直器3，将单光源发送的单条光变为一组平行光，以增强输出效果。此时，镀有Pt/WO3薄膜的探头4将敏感到被测对象中的氢气，使得输入光信号的光强、反射率等光学特征发生不同程度的变化，经Pt/WO3薄膜反射回来的光经由输出光纤5传递到探测器6，采集到输出信号，信号分析仪7接收到输出信号，并利用频谱分析软件分析输出信号的光强、反射率等光学特征，从而确定被测对象中的氢气含量。信号分析仪主要利用计算机及安装的常用频谱分析软件，把探测器采集的输出信号传送到频谱分析工作空间，频谱分析软件将利用积分原理生成光强、反射率等特征曲线，再调用标准曲线进行比较，最后进行量化分析。
传感探头结构如图2所示，与光源连接的光纤作为输入端，与探测器连接的作为接收端。发送光到达发射探头后，入射光经准直器3后，由光源发送的光变为一组平行光，基底41镀有Pt/WO3薄膜42，入射光到达镀有Pt/WO3薄膜42的基底41后，反射回来的光将进入接收端的输出光纤5，探测器6将检测到其光学特性的变化情况。
该传感器装置的基本原理是利用镀有Pt/WO3薄膜的探头在吸收氢气后，使得反射率、光强等光学特性发生改变，输出信号将这些改变传递到探测器，之后信号分析仪测量出详细的光学特性变化情况，从而确定被测对象的氢气含量。
Pt/WO3薄膜的制作过程如下：将5g的钨粉(98％)和20ml双氧水(30％)混合反应，剧烈沸腾反应停止后用定量滤纸和漏斗过滤掉极少量未反应的钨粉和杂质，滤纸上吸附了一层黄色物质，得到略带淡黄色透明溶液，用铂丝分解掉未反应的双氧水，然后加入20ml无水乙醇在80℃下蒸发约30min得到橙色透明溶胶，然后密封放置，24h后变成溶胶，再在匀胶机(转动速度3000r·min-1)涂膜。最后将样品在100℃烘干30min，即可得到三氧化钨薄膜。在WO3薄膜上利用磁控溅射仪溅射法在表面溅射掺杂2g的Pt起催化作用，制得Pt/WO3光学氢敏薄膜。磁控溅射相关参数为：溅射电流为0.12A，溅射电压450V，靶距7cm，氩气流量20m3·min-1，溅射时压强为1.6Pa。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种微型光纤氢气传感装置，其特征在于，包括光源(1)、输入光纤(2)和传感探头，传感探头包括准直器(3)和镀有Pt/WO3薄膜的探头(4)；当光源(1)将光线射出，经由输入光纤(2)，光线再经准直器(3)，将单光源发送的单条光变为一组平行光；镀有Pt/WO3薄膜的探头(4)将敏感到被测对象中的氢气，使得输入光信号的包括光强、反射率在内的光学特征发生变化，经Pt/WO3薄膜反射回来的光经由输出光纤(5)传递到探测器(6)，采集到输出信号，信号分析仪(7)接收到输出信号，并利用频谱分析软件分析输出信号的包括光强、反射率在内的光学特征，从而确定被测对象中的氢气含量。
2.根据权利要求1所述的微型光纤氢气传感装置进行测量的测量方法，其特征在于，当光源(1)将光线射出，经由输入光纤(2)，光线再经准直器(3)，将单光源发送的单条光变为一组平行光；镀有Pt/WO3薄膜的探头(4)将敏感到被测对象中的氢气，使得输入光信号的包括光强、反射率在内的光学特征发生变化，经Pt/WO3薄膜反射回来的光经由输出光纤(5)传递到探测器(6)，采集到输出信号，信号分析仪(7)接收到输出信号，并利用频谱分析软件分析输出信号的包括光强、反射率在内的光学特征，从而确定被测对象中的氢气含量。
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