CN103822901B - 基于倾斜光纤光栅对氢气浓度和环境温度的双参数测量装置 - Google Patents

基于倾斜光纤光栅对氢气浓度和环境温度的双参数测量装置 Download PDF

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本发明属于传感技术领域，特别是一种基于倾斜光纤光栅对氢气浓度和环境温度的双参数测量装置。包括光源、镀有钯银合金膜的倾斜光纤光栅、单模光纤和光谱仪。所述的光源通过单模光纤连接镀有钯银合金膜的倾斜光纤光栅，该光栅的另一端通过单模光纤连接到光谱仪上。当该装置处于氢气环境中时，钯银合金膜会吸收环境中的氢气，引起光纤的倏逝场发生变化。其倏逝波与金属表面自由电子产生的表面等离子波发生共振，从而产生谐振峰。用等离子体谐振峰与布拉格谐振峰二者的间隔就可测得氢气浓度。倾斜光纤光栅的布拉格谐振峰对温度敏感。因此，我们可以利用倾斜光纤光栅的等离子体谐振峰和布拉格谐振峰实现对氢气浓度和温度的双参数测量。

Description

基于倾斜光纤光栅对氢气浓度和环境温度的双参数测量装置
技术领域
本发明属于传感技术领域，特别是一种基于倾斜光纤光栅对氢气浓度和环境温度的双参数测量装置。它是一种能够对环境中氢气的浓度、环境温度双参数测量的装置。这不仅降低了对多参数测量的成本，还可以有效的解决交叉敏感问题，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
背景技术
表面等离子共振(SPR,SurfacePlasmonresonance)是指在金属和电介质(或空气)之间，与自由电子密度振荡相耦合的表面等离子激元的激发。表面等离子激元是一种沿金属和绝缘材料界面传播的TM偏振电磁波，在金属和介质中其电磁场都成指数快速衰减，并且其谐振峰对介质折射率的变化非常敏感。当靠近金属薄膜表面的介质折射率发生变化时，会引起谐振峰的变化，进而可以通过分析谐振峰的变化量来测定溶液中目标物质的浓度或者气体的浓度。SPR传感技术是近年来国际上迅速发展起来的基于物理光学特性的新型分析技术，具有不需对分子进行标记、样品无需分离纯化、能实时监测生物分子之间结合的全过程等优点，已成为一种成熟的检测生物分子间相互作用的应用方法，也受到了越来越多的环境工作者的重视。目前典型的SPR传感器采用Kretchmann棱镜型结构，存在体积庞大，难以实时检测的明显缺点，特别是角度调制需要精确的步进马达带动角度调整装置，角度分辨率要求非常精密。
现有的很多测量氢气浓度装置只是对氢气浓度的单一参量的测量，并且易受外界其它因素(尤其是温度)的干扰。现实生活中需要测量氢气环境中的多参量，而且同时需要解决这些多参量的交叉敏感问题。所以仍存在不少技术困难，在应用过程中遇到了较大障碍，迫切需要研发新的技术。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于倾斜光纤光栅对氢气浓度和环境温度的双参数测量装置。
对于氢气浓度测量，可以在倾斜光纤光栅表面上镀一层钯银合金膜。当钯银合金膜处于氢气环境中时，会吸收氢气，钯银合金膜的折射率n发生变化，引起光纤的倏逝场发生变化。该倏逝波与金属表面自由电子产生的表面等离子波发生共振，从而产生谐振峰。因此，我们可以利用倾斜光纤光栅的等离子体谐振峰和布拉格谐振峰的漂移大小实现对氢气浓度、温度双参数的同时测量。这不仅降低了传感器的制作成本、还可以有效地解决交叉敏感问题。
具体技术方案：
一种基于倾斜光纤光栅对氢气浓度和环境温度的双参数测量装置，该装置包括光源、镀有钯银合金膜的倾斜光纤光栅、单模光纤和光谱仪；所述的光源通过单模光纤连接镀有钯银合金膜的倾斜光纤光栅，镀有钯银合金膜的倾斜光纤光栅的另一端通过单模光纤连接到光谱仪上；所述的倾斜光纤光栅的倾斜角度为8°。
所述镀有钯银合金膜的倾斜光纤光栅是采用磁控溅射法在倾斜光纤光栅表面镀有钯银合金膜，钯银合金膜厚度为50nm。
所述的光源为超连续光源。
本发明的工作原理：倾斜光纤光栅表面镀的钯银合金膜会吸收环境中的氢气，钯银合金膜的折射率n发生变化，引起光纤的倏逝场发生变化。而倏逝波与金属表面自由电子产生的表面等离子波发生共振，从而产生谐振峰。对于倾斜光纤光栅，氢气浓度改变，等离子体谐振峰发生漂移。并且研究中发现，氢气浓度保持不变，只改变温度，等离子体谐振峰和布拉格谐振峰的漂移量相同。所以我们可以用等离子体谐振峰与布拉格谐振峰二者的间隔去探测外界的氢气浓度的变化，这样排除温度变量的影响。氢气的浓度不同，等离子体谐振峰和布拉格谐振峰二者的间隔也不同。同时倾斜光纤光栅的布拉格谐振峰对温度敏感。因此，我们可以利用倾斜光纤光栅的等离子体谐振峰和布拉格谐振峰实现对氢气浓度、温度双参数同时测量。
本发明的优点和有益效果：
本发明具有制作工艺简单、成本低、集成度高、可操作性强等优点，还可以广泛应用于传感器和恶劣环境中的氢气测量领域。
附图说明
图1是本发明的镀有钯银合金膜的倾斜光纤光栅的结构示意图；
图2是本发明中基于镀有钯银合金膜的倾斜光纤光栅装置整体结构示意图；
图中，1钯银合金膜薄膜，2倾斜光纤光栅，3光纤包层，4光纤纤芯，5光源，6单模光纤，7镀有钯薄膜的倾斜光纤光栅，8光谱仪。
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
如图2所示，一种基于倾斜光纤光栅对氢气浓度和环境温度的双参数测量装置，该装置包括光源5，单模光纤6，镀有钯银合金薄膜的倾斜光纤光栅7和光谱仪8。所述的光源5通过单模光纤6接到镀有钯银合金薄膜的倾斜光纤光栅7上，镀有钯银合金薄膜的倾斜光纤光栅7的另一端通过单模光纤6接到光谱仪8上。
图1所示为镀有钯银合金薄膜的倾斜光纤光栅7，倾斜光纤光栅2表面镀有钯银合金薄膜1。镀有钯银合金薄膜的倾斜光纤光栅7处于氢气环境中时，钯银合金薄膜1的折射率n发生变化，引起光纤的倏逝场发生变化。而倏逝波与金属表面自由电子产生的表面等离子波发生共振，从而产生谐振峰。对于倾斜光纤光栅2，氢气浓度改变，等离子体谐振峰发生漂移。研究中发现，氢气浓度不变，只改变温度，等离子体谐振峰和布拉格谐振峰的漂移量相同。我们可以用等离子体谐振峰与布拉格谐振峰二者的间隔去探测外界的氢气浓度的变化，这样排除温度波动的影响。氢气的浓度不同，等离子体谐振峰和布拉格谐振峰二者的间隔也不同。同时倾斜光纤光栅的布拉格谐振峰对温度敏感。因此，我们可以利用倾斜光纤光栅的等离子体谐振峰和布拉格谐振峰实现对氢气浓度、温度进行双参数同时测量。对于氢气浓度和温度测量，观察倾斜光纤光栅2在光谱仪8上的光谱，等离子体谐振峰和布拉格谐振峰的变化就可以探知氢气浓度和温度的大小。
实际使用时，用光谱仪8检测光谱，由此记录等离子体谐振峰和布拉格谐振峰就可以测氢气的浓度和环境的温度。选择布拉格谐振峰与选定一等离子体谐振峰二者之间的间隔就可以测氢气的浓度，同时测试布拉格谐振峰变化就可以获取温度变化的相关信息。通过适当的校准后，就可以对未知的氢气的浓度和环境中的温度进行测量，本实施在工作范围内，其灵敏度极高，且结构简单，易于集成。

Claims (3)

1.一种基于倾斜光纤光栅对氢气浓度和环境温度的双参数测量装置，其特征在于该装置包括光源、单模光纤、镀有钯银合金膜的倾斜光纤光栅和光谱仪；所述的光源通过单模光纤连接到镀有钯银合金膜的倾斜光纤光栅，镀有钯银合金膜的倾斜光纤光栅的另一个端通过单模光纤连接到光谱仪上。
2.根据权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅对氢气浓度和环境温度的双参数测量装置，其特征在于：所述的镀有钯银合金膜的倾斜光纤光栅是采用磁控溅射法在倾斜光纤光栅表面镀膜，钯银合金膜厚度为50nm。
3.根据权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅对氢气浓度和环境温度的双参数测量装置，其特征在于：所述的光源为超连续光源。
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