CN103335958B - 一种低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，包括宽带光源、泵浦光源、光谱分析仪、光环行器、波分复用器和传感单元，光环行器分别与宽带光源、光谱分析仪和波分复用器连接，宽带光源输出的光信号通过光环行器传送给波分复用器，泵浦光源与波分复用器连接，传感单元有多根铒镱共掺光纤串联组成，每根铒镱共掺光纤中刻写有布拉格波长不同的布拉格光栅，光栅区表面镀钯膜，传感单元与波分复用器连接，泵浦光源输出的光信号和宽带光源输出的光信号通过波分复用器耦合后输入到传感单元中，传感单元反射的光信号通过波分复用器和光环形器传送给光谱分析仪。在低温时具有高响应的速度及复用能力强的优点，适用于低温下氢浓度的空间测量。

Description

一种低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤氢传感器，特别涉及一种低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器。

背景技术

氢能源作为一种高效、清洁、可再生的能源已广泛运用于航空、汽车、化工等领域。但由于氢分子体积最小，在存贮的过程中容易发生泄漏，而在常温常压下，当氢气在空气中所占原子数量的比例达到4%，就可能引起爆炸。因此，迫切需要一种安全、可靠以及灵敏度高的氢传感器用于监测氢泄漏情况。传统的氢传感器主要是基于电化学原理，传感器与监测元件之间的连接是通过铜导线实现的，这不但增加了有效载荷的重量和电源消耗，同时也增加了由于电磁干扰和电火花引发爆炸的可能性。基于光子技术的光纤氢传感器其信号感测和传输都是靠光纤实现的，在测试区域不需要用电，而且光纤传感器具有抗电磁干扰能力强、可柔性弯曲、耐腐蚀等优点，特别适合在易燃易爆场合和恶劣环境下使用。

光纤氢传感器最早由美国能源部下属的桑迪亚国家实验室的M.A.Bulter研发。其后经过30年的发展，光纤氢传感技术取得了较快的发展，按工作原理主要有干涉型光纤氢传感器、端面反射型光纤氢传感器、渐逝场型光纤氢传感器和光纤光栅氢传感器。其中，干涉型光纤传感器理论上检测精度高，但其结构复杂，抗干扰能力差，使得传感器的精度较低。端面反射型光纤氢传感器成本低，使用方便，但只适用于点式测量，缺乏复用能力，而且它的灵敏度和响应时间无法相互独立优化。渐逝场型光纤氢传感器需要对光纤进行腐蚀、拉锥和镀膜，因此对工艺要求比较高。相比而言，光纤光栅氢传感器采用波长作为检测氢气的浓度的参量，其测量结果不受光源功率波动或传输链路损耗起伏等因素影响。此外，可以在一根光纤上串联多个光纤光栅构成传感网络，以实现多点分布式测量，这是其它几种光纤氢传感器无法比拟的。

金属钯作为氢敏材料一直被运用于氢气传感器中，钯吸收氢时，其密度、机械性能和折射率等都发生变化，而在非氢环境中又会恢复原本特性。氢原子向钯膜渗透速率强烈依赖于温度，在低温环境中，扩散速度急剧降低，致使氢气传感器的响应速度极其缓慢。因此，在低温环境下存在氢气传感器响应速度缓慢的问题。2007年M.Buric提出了一种基于双包层光纤的光纤光栅氢传感方案（M.Buric，K.P.Chen,M.Bhattarai，P.R.Swinehart，and M.Maklad，“Activefiber Bragg grating hydrogen sensors for all-temperature operation，”IEEE.Photon.Technol.Lett，Vol.19，Issue5，pp.255-257，Mar.2007.）。这种方案是在双包层光纤纤芯中刻写布拉格光栅，去掉光栅区的外包层后并在内包层镀钯膜。将泵浦光耦合到双包层光纤的内包层中传输，使得泵浦光能量直接加热钯膜，使其温度上升，加速钯膜吸收氢气，通过检测光栅波长的变化监测氢气浓度信息。这种方法能有效的提高氢传感器在低温条件下的响应速度，但钯膜对泵浦光能量的吸收是不均匀和不可控制的，因此会造成局部热点导致光栅谱型畸变，同时可能造成单个传感器对泵浦光的过度消耗，限制传感器的复用。2009年T.Chen等人报道了基于高衰减光纤光加热的光纤氢传感器（T.Chen，M.P.Buric,D.Xu,K.P.Chen，P.R.Swinehart,，and M.Maklad，“All–fiber low temperaturehydrogen sensing using a multi-functional light source，”in Proc.OFS20，6503-40，Edinburgh，UK，5-9Oct2009.）。其原理是高衰减光纤吸收光能量产生热量加热钯膜，从而加速氢气扩散速度。此方案的加热效果良好，但高衰减光纤对所有波长的光都具有强烈的衰减，同样的限制了传感器的复用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，该传感器利用铒镱共掺光纤光栅作为传感单元，采用光加热方式以及波长解调方式获得现有技术中所难达到的低温环境下的高响应速度和复用组网。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，包括宽带光源、泵浦光源、光谱分析仪、光环行器、波分复用器和传感单元，所述光环行器分别与所述宽带光源、光谱分析仪和波分复用器连接，所述宽带光源输出的光信号通过光环行器传送给所述波分复用器，所述泵浦光源与波分复用器连接，所述传感单元有多根铒镱共掺光纤串联组成，每根铒镱共掺光纤中刻写有布拉格波长不同的布拉格光栅，光栅区表面镀钯膜，所述传感单元与所述波分复用器连接，所述泵浦光源输出的光信号和宽带光源输出的光信号通过波分复用器耦合后输入到传感单元中，所述传感单元中反射的光信号通过波分复用器和光环形器传送给光谱分析仪。

优选的，所述光环行器与宽带光源、光谱分析仪和波分复用器之间以及波分复用器与传感单元和泵浦光源之间均通过光纤熔接。

优选的，所述铒镱共掺光纤之间通过单模光纤熔接串联。

优选的，所述铒镱共掺光纤中的布拉格光栅通过193nm准分子激光器刻写得到。

优选的，所述每根铒镱共掺光纤的长度为1～2cm。

优选的，所述泵浦光源为半导体激光器，其输出泵浦光的波长为980nm，所述宽带光源输出的光信号波长为1530～1560nm。

优选的，所述光栅区表面的钯膜采用磁控溅射法镀膜；所述光栅区表面在镀钯膜之前，先镀钛膜，所述光栅区表面所镀的钛膜厚度为几十纳米。

优选的，在所述传感单元监测光路中接入一个或多个第二波分复用器，其中每个第二波分复用器连接在所述铒镱共掺光纤之间，所述第二波分复用器通过耦合器与泵浦光源连接，所述泵浦光源通过耦合器将泵浦光源输入到第二波分复用器中，通过第二波分复用器和耦合器在铒镱共掺光纤之间耦合入泵浦光，进行分路泵浦。

优选的，在所述传感单元监测光路的末端接入第三波分复用器，所述第三波分复用器与泵浦光源连接，通过第三波分复用器在传感单元的末端耦合入泵浦光，进行双向泵浦。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明的光纤氢传感器采用铒镱共掺光纤作为传感单元，铒镱共掺光纤在吸收泵浦光后，所掺杂的铒镱离子发生能级跃迁过程，其中铒离子的无辐射弛豫过程中产生大热量加热布拉格光栅中的钯膜，使钯膜的温度升高，加快钯吸收氢的速度，因此本发明即使是在低温的环境下也可以通过铒镱得到高温的环境，加快了本发明光纤氢传感器在低温环境下的响应速度。

（2）本发明光纤氢传感器的传感单元中包含有多根铒镱共掺光纤，且每根铒镱共掺光纤中均刻有布拉格光栅，多根铒镱共掺光纤串联可以实现不同点的测量，达到组网，使得本发明光纤氢传感器适用于用于空间测量。

另外本发明的多根铒镱共掺光纤串联相当于多个传感器串联，由于铒镱光纤对1550nm附近的信号光吸收很低，因此在整个传感单元中只需要一束信号光即可实现多个传感器信号的反射，大大提高了本发明的复用能力。

（3）本发明可以通过选择不同铒镱离子掺杂浓度和光纤长度来控制光纤对泵浦光的吸收程度。本发明传感单元所采用铒镱共掺光纤对1500nm附近的信号光吸收很小甚至无吸收，对980nm附近的泵浦光吸收极大。因此本发明光谱分析仪可以得到强度较大反射信号，有利于光谱分析的监测。

（4）本发明的光纤氢传感器与干涉型、端面反射型和渐逝场型光纤氢传感器相比，在铒镱共掺光纤上刻写布拉格光栅并镀上钯膜，结构和制作工艺简单。采用波长作为解调参量，抗干扰能力强，对温度干扰可以独立优化。本发明通过增加传感单元中铒镱共掺光纤的数量能够达到分布式监测氢气浓度的目的。

（5）本发明可以在传感单元监测光路中或者在监测光路末端通过波分复用器耦合入泵浦光，进行分路泵浦或者双向泵浦，可以进一步提高本发明光纤传感器的复用能力。

附图说明

图1是本发明实施例1中光纤氢传感器为单向泵浦的结构组成图。

图2是本发明实施例1中波分复用器的工作原理图。

图3所示为本发明实施2中光纤氢传感器为多路泵浦的结构组成图。

图4所示为本发明实施例3中光纤氢传感器为双向泵浦的结构组成图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例公开了一种低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，包括宽带光源1、泵浦光源4、光谱分析仪3、光环行器2、波分复用器5和传感单元6，其中宽带光源1输出的光信号的波长在1550nm附近，为1530～1560nm，泵浦光源4为半导体激光器，其输出泵浦光的波长为980nm。

光环形器2包括三个端口，分别为端口1、端口2和端口3，如图2所示，波分复用器5包括三个端口，分别端口a，端口b和端口c。

光环行器5的端口1与宽带光源通1过光纤熔接、光环行器2的端口2与波分复用器5的端口a通过光纤熔接，光环行器2的端口3与光谱分析仪3通过光纤熔接，宽带光源1输出的光信号通过光环行器2端口1和端口2传送到波分复用器5的端口a。波分复用器5的端口b与泵浦光源4通过光纤熔接，进行单向泵浦。

传感单元6有多根铒镱共掺光纤串联组成，每根铒镱共掺光纤中刻写有布拉格波长不同的布拉格光栅，光栅区表面镀钯膜，波分复用器5的端口c与传感单元中的第一根铒镱共掺光纤连接，泵浦光源4输出的光信号和宽带光源1输出的光信号通过波分复用器5耦合后输入到传感单元6中，所述传感单元6布拉格光栅反射的光信号通过波分复用器5端口c传送到端口a，然后通过波分复用器5的端口a将反射的信号传送到光环形器2的端口2，光环形器2将该信号通过端口2和端口3传送给光谱分析仪3。

传感单元6中各根铒镱光纤之间通过单模光纤熔接串联，每根铒镱共掺光纤在去掉光纤涂覆层后，采用193nm准分子激光器在铒镱共掺光纤的纤芯上刻写上布拉格光栅，然后在光栅区的包层首先镀上厚度为几十纳米的钛膜，通过磁控溅射法镀上钯膜，优化了钯膜的厚度，同时使得钯膜在光纤表面能够均匀分布。每个镀有钯膜的布拉格光栅构成了定点监测氢气单元，多根铒镱共掺光纤串联后，可以实现在不同的点测量，以达到组网，使得本实施例的氢传感器适用于空间测量。

本实施例中每根铒镱共掺光纤中刻写的不同布拉格波长的布拉格光栅，其中各布拉格光栅的长度均约为3mm。光栅的线宽只有0.2nm左右，可以更窄，刻写布拉格光栅的时候可以每隔几纳米刻写一个光栅，防止光栅光谱的串扰即可。

本实施例中每根铒镱共掺光纤的长度为1～2cm，铒镱光纤对980nm泵浦光的吸收很高，后续的传感单元很难得到最优的泵浦，影响传感器的复用能力，因此传感单元中所串联的每根铒镱共掺光纤的长度根据实际光纤参数进行选择。另外铒镱共掺光纤中铒镱离子的掺杂浓度根据实际测量需要选择，本实施例可通过选择铒镱共掺光纤铒镱离子的掺杂浓度和长度，来控制半导体激光器输出的泵浦光的损耗。

本实施例光纤氢传感器的工作原理如下：宽带光源输出的波长为1550nm的光信号经过光环形器2的端口1和端口2后输出到波分复用器5的a端口中，同时波分复用器5的b端口接收半导体激光器发出的波长为980nm的泵浦光，并将宽带光源1输出的波长为1550nm的光信号和波长为980nm的泵浦光进行耦合后传送给传感单元6。

当传感单元6的铒镱共掺光纤吸收980nm的泵浦光后，铒镱掺杂离子发生能级跃迁过程，其中铒离子在无辐射弛豫过程中产生大热量加热钯膜，使钯膜的温度升高，加快钯吸收氢的速度，钯吸收氢后，体积膨胀，产生轴向应力拉伸布拉格光栅，改变布拉格光栅的周期，致使布拉格光栅的布拉格波长漂移，当关闭半导体激光器时，光纤温度迅速降低，氢被暂时锁在钯膜中。宽带光源1发出的波长为1550nm的光信号经铒镱共掺光纤的布拉格光栅作用后，如图2所示，其反射光依次经过波分复用器5的端口c和a后发送到光环行器2的端口2，光环行器2的端口2将接收的光信号经过端口1传送给光谱分析仪3，由光谱分析仪3检测光信号的反射光谱的变化，得出布拉格光栅布拉格波长的漂移量，进而推断出氢气浓度信息。本实施例的氢传感器通过检测布拉格波长漂移量间接测量氢气浓度，通过波长解调的方式得到氢浓度的测量。

本实施例中所采用的波分复用器5具有复用和解复用的功能，即可将宽带光源1输出的波长为1550nm的光信号和波长为980nm的泵浦光进行耦合后传送给传感单元，也可进行逆向工作，即将布拉格光栅反射后的波长为1550nm的光信号传送到光环形器2中，通过光环形器2将布拉格光栅反射的信号传送给光谱分析仪。

实施例2

如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，在传感单元6监测光路中接入一个或多个第二波分复用器31，其中每个第二波分复用器31连接在所述铒镱共掺光纤之间，每个第二波分复用器31通过耦合器7与泵浦光源4连接，泵浦光源4通过各耦合器7将泵浦光源输入到第二波分复用器31中，通过第二波分复用器31和耦合器7在铒镱共掺光纤之间耦合入泵浦光，进行分路泵浦，可以提高组网复用能力。其中第二波分复用器31的个数按照实际需要选择，在本实施例的传感单元6监测光路中接入了2个第二波分复用器31。

实施例3

如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，在传感单元6监测光路末端接入第三波分复用器41，即传感单元6中的最后一根铒镱光纤的一端连接第三波分复用器41，第三波分复用器41与泵浦光源4连接，泵浦光源4通过第三波分复用器41在传感单元6的末端耦合入泵浦光，进行双向泵浦，以提高传感单元泵浦光的强度，以进一步提高本实施例的组网复用能力。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，包括宽带光源、泵浦光源、光谱分析仪、光环行器、波分复用器和传感单元，所述光环行器分别与所述宽带光源、光谱分析仪和波分复用器连接，所述宽带光源输出的光信号通过光环行器传送给所述波分复用器，所述泵浦光源与波分复用器连接，其特征在于，所述传感单元由多根铒镱共掺光纤串联组成，每根铒镱共掺光纤中刻写有布拉格波长不同的布拉格光栅，光栅区表面镀钯膜，所述传感单元与所述波分复用器连接，所述泵浦光源输出的光信号和宽带光源输出的光信号通过波分复用器耦合后输入到传感单元中，所述传感单元中反射的光信号通过波分复用器和光环形器传送给光谱分析仪。

2.根据权利要求1所述的低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，其特征在于，所述光环行器与宽带光源、光谱分析仪和波分复用器之间以及波分复用器与传感单元和泵浦光源之间均通过光纤熔接。

3.根据权利要求1所述的低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，其特征在于，所述铒镱共掺光纤之间通过单模光纤熔接串联。

4.根据权利要求1所述的低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，其特征在于，所述铒镱共掺光纤中的布拉格光栅通过193nm准分子激光器刻写得到。

5.根据权利要求1所述的低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，其特征在于，所述每根铒镱共掺光纤的长度为1～2cm。

6.根据权利要求1所述的低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，其特征在于，所述泵浦光源为半导体激光器，其输出泵浦光的波长为980nm，所述宽带光源输出的光信号波长为1530～1560nm。

7.根据权利要求1所述的低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，其特征在于，所述光栅区表面的钯膜采用磁控溅射法镀膜；所述光栅区表面在镀钯膜之前，先镀钛膜，所述光栅区表面所镀的钛膜厚度为几十纳米。

8.根据权利要求1所述的低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，其特征在于，在所述传感单元监测光路中接入一个或多个第二波分复用器，其中每个第二波分复用器连接在所述铒镱共掺光纤之间，所述第二波分复用器通过耦合器与泵浦光源连接，所述泵浦光源通过耦合器将泵浦光输入到第二波分复用器中，通过第二波分复用器和耦合器在铒镱共掺光纤之间耦合入泵浦光，进行分路泵浦。

9.根据权利要求1所述的低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器，其特征在于，在所述传感单元监测光路的末端接入第三波分复用器，所述第三波分复用器与泵浦光源连接，通过第三波分复用器在传感单元的末端耦合入泵浦光，进行双向泵浦。