CN103940780A - 光纤氢气传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤氢气传感器，所述光纤氢气传感器包括第一光纤、第二光纤和氢敏感膜，其中，所述第一光纤包括光纤微腔结构和微型进气孔，所述光纤微腔结构形成在所述第一光纤的末端，且所述微型进气孔从所述第一光纤的末端的表面延伸到所述光纤微腔结构的内部，所述第二光纤连接到所述第一光纤的末端，且其端面覆盖所述光纤微腔结构的开口，所述氢敏感膜设置在所述光纤微腔结构的内壁。本发明还提供一种采用所述光纤氢气传感器的氢气浓度检测系统以及一种所述光纤氢气传感器的制作方法。

Description

光纤氢气传感器

技术领域

本发明涉及氢气检测技术，特别地，涉及一种光纤氢气传感器及其制作方法。

背景技术

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，氢气作为一种新型能源，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也日益重要。不过，氢气容易发生泄露，且当空气中的氢气浓度达到4%以上时遇到明火即可导致爆炸，因此，在氢气的运输、储存和工业生产及使用过程中，对环境的氢气浓度检测是一项非常重要且必要的工作。

光纤氢气传感器由于可以具有安全和实时监测的优点，被广泛地应用到氢气浓度检测。目前，光纤氢气传感器主要有三类，分别是干涉型光纤氢气传感器、微透镜型光纤氢气传感器和布拉格光栅型光纤氢气传感器。

传统的干涉型光纤氢气传感器是将入射光纤和反射光纤分别固定在玻璃套管的两端形成法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉腔，在玻璃套管的表面镀设氢敏感膜，比如钯(Pd)膜。上述干涉型光纤氢气传感器主要利用氢敏感膜吸收氢气体积膨胀的特性改变干涉腔长度，从而实现对氢气浓度的检测。不过，由于上述干涉型光纤氢气传感器的氢敏感膜在直接镀设在玻璃套管的外部，其容易受到外界环境的影响，比如，外界污染可能降低所述氢敏感膜的吸收氢气体积膨胀的特性，从而导致所述干涉型光纤氢气传感器的氢气浓度检测灵敏度和精确性降低。

发明内容

本发明的其中一个目的是为了改进现有技术的上述缺陷而提供了一种光纤氢气传感器；

本发明的另一个目的是提供一种采用所述光纤氢气传感器的氢气浓度检测系统；

本发明的又一个目的是提供一种所述光纤氢气传感器的制作方法。

本发明提供的光纤氢气传感器，包括第一光纤、第二光纤和氢敏感膜，其中，所述第一光纤包括光纤微腔结构和微型进气孔，所述光纤微腔结构形成在所述第一光纤的末端，所述微型进气孔从所述第一光纤的末端表面延伸到所述光纤微腔结构的内部，所述第二光纤连接到所述第一光纤的末端，且其端面覆盖所述光纤微腔结构的开口，所述氢敏感膜设置在所述光纤微腔结构的内壁。

在本发明提供的光纤氢气传感器的一种较佳实施例中，所述光纤微腔结构为沿所述第一光纤的纤芯开设的微型腔体，所述微型腔体作为收容氢气的微气室。

在本发明提供的光纤氢气传感器的一种较佳实施例中，所述第一光纤和所述第二光纤分别作为入射光纤和反射光纤，且在所述光纤微腔结构所在的区域，所述第一光纤的纤芯被完全移除；所述光纤微腔结构的底面作为第一反射面，而所述反射光纤的端面作为第二反射面，所述光纤微腔结构和所述第一反射面及所述第二反射面构成一个法布里-珀罗干涉腔。

在本发明提供的光纤氢气传感器的一种较佳实施例中，所述第二光纤的端面还设置有高反射膜。

在本发明提供的光纤氢气传感器的一种较佳实施例中，所述第一光纤和所述第二光纤分别作为入射光纤和透射光纤，且在所述光纤微腔结构所在的区域，所述第一光纤的纤芯只被部分移除，而另一部分纤芯保留；其中，所述第一光纤的入射光一部分直接通过所述第一光纤保留的纤芯而生成第一透射光，而另一部分通过所述光纤微腔结构而生成第二透射光，并与所述第一透射光形成马赫-曾德干涉。

本发明提供的氢气浓度检测系统，包括光源、光谱仪和如上所述的光纤氢气传感器，其中所述光源和所述光谱仪分别耦合到所述光纤氢气传感器。

本发明提供的光纤氢气传感器的制作方法，包括：提供第一光纤，并在所述第一光纤的末端形成光纤微腔结构；在所述光纤微腔结构的内壁形成氢敏感膜；在所述第一光纤的末端制作微型进气孔，所述微型进气孔从所述第一光纤的表面延伸到所述光纤微腔结构；提供第二光纤，并将所述第二光纤与所述第一光纤的末端相互熔接，以使第二反射光纤的端面覆盖所述第一光纤的末端的光纤微腔结构。

本发明提供的光纤氢气传感器的制作方法的一种较佳实施例中，所述光纤微腔结构是采用飞秒激光微加工工艺或者深紫外激光微加工工艺在所述第一光纤的末端沿所述第一光纤的纤芯方向加工而成。

本发明提供的光纤氢气传感器的制作方法的一种较佳实施例中，所述氢敏感膜是采用磁控溅射工艺或者真空镀膜工艺在所述光纤微腔结构的内壁制作而成。

本发明提供的光纤氢气传感器的制作方法的一种较佳实施例中，所述微型进气孔是采用飞秒激光微加工工艺或者深紫外激光微加工工艺在所述第一光纤的末端表面沿与所述第一光纤的纤芯相垂直的方向加工制作而成。

本发明提供的光纤氢气传感器在所述第一光纤的末端形成有光纤微腔结构，并将所述氢敏感膜镀设在所述光纤微腔结构的内壁，从而使得所述氢敏感膜内置在光纤内部。通过上述氢敏感膜内置的方式，可以有效避免所述氢敏感膜受外界污染的影响而破坏其氢气敏感特性，保证所述光纤氢气传感器的稳定性和灵敏度，有效地提高所述光纤氢气传感器氢气浓度检测结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明提供的光纤氢气传感器一种实施例的结构示意图；

图2是采用图1所示的光纤氢气传感器的氢气浓度检测系统一种实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的光纤氢气传感器另一种实施例的结构示意图。

图4是本发明提供的光纤氢气传感器的制作方法一种实施例的流程示意图。

图5是本发明提供的光纤氢气传感器又一种实施例的结构示意图。

图6是采用图5所示的光纤氢气传感器的氢气浓度检测系统一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，其是本发明提供的光纤氢气传感器一种实施例的结构示意图，所述光纤氢气传感器100包括第一光纤110、第二光纤120和氢敏感膜130，其中，所述第一光纤110和所述第二光纤120可以分别作为入射光纤和反射光纤，二者均为单模光纤，且二者相互对准并通过熔接工艺相互连接。

所述第一光纤110可以包括光纤微腔结构111，所述光纤微腔结构111可以设置在所述第一光纤110的末端，即与所述第二光纤120相连接的一端。在具体实施例中，所述光纤微腔结构111可以为沿所述第一光纤110的纤芯(未标示)开设的微型腔体，且所述微型腔体的开口面积大于所述第一光纤110的纤芯的横截面积，也即是说，在所述光纤微腔结构111所在的区域，所述第一光纤110的纤芯被完全移除，以避免所述第一光纤110的入射光直接穿过其纤芯而进入所述第二光纤120。所述光纤微腔结构111可以利用飞秒激光微加工技术或者深紫外激光微加工技术加工而成。另外，所述光纤微腔结构111可以具有圆形的横截面，且可以沿所述第一光纤110的纤芯向内延伸。在图1所示的实施例中，所述光纤微腔结构111的内径稍微大于所述第一光纤110的纤芯的直径。

所述光纤微腔结构111可以用来作为收容氢气的微气室，且在具体实施例中，所述微气室的两端(即所述光纤微腔结构111的底部和开口)可以分别形成有第一反射面112和第二反射面113。所述光纤微腔结构111及其两端的第一反射面112和第二反射面113可以构成一个F-P干涉腔，用来检测进入到所述微气室的氢气的浓度。

具体地，所述光纤微腔结构111的底面可以作为所述F-P干涉腔的第一反射面112，所述第一反射面112可以为半穿透半反射面，其可以反射所述第一光纤110的部分入射光，并将另一部分入射光透射到所述光纤微腔结构111。而由于所述光纤微腔结构111开设在所述赌徒光纤110的末端，因此当所述第一光纤110与所述第二光纤120相互对准熔接之后，所述第二光纤120的端面(即其与所述第一光纤110相连接的表面)便恰好覆盖到所述光纤微腔结构111的开口，由此所述第二光纤120的端面便可以作为所述F-P干涉腔的第二反射面113。

另一方面，所述第一光纤110还可以包括多个微型进气孔114，所述微型进气孔114可以设置在所述第一光纤110末端的光纤微腔结构111所在的区域，并且从所述第一光纤110的外表面延伸到所述光纤微腔结构111的内部。所述多个微型进气孔114可以构成一个微孔阵列，所述微孔阵列的布局和尺寸可以根据实际需要而定，其主要用来使得氢气可以通过所述微孔阵列进入到所述光纤微腔结构111的内部，以实现氢气浓度检测。在具体实施例中，所述微型进气孔114可以采用飞秒激光微加工技术或者深紫外激光微加工技术加工而成。

所述氢敏感膜130可以具体为钯(Pd)膜或者钯合金膜，其设置在所述光纤微腔结构111的内壁。所述氢敏感膜130可以与通过所述微型进气孔114进入到所述光纤微腔结构111的氢气发生反应而出现体积变化，从而进一步改变所述第一光纤110的入射光在所述第一反射面111的反射光和在所述第二反射面112的发射光的干涉光谱。在具体实施例中，所述氢敏感膜130可以采用磁控溅射或者真空镀膜的方式形成在所述光纤微腔结构111的内壁。

请参阅图2，其为采用图1所示的光纤氢气传感器100的氢气浓度检测系统200的结构示意图。所述氢气浓度检测系统200包括光源210、光纤耦合器220、光谱仪230和如图1所示的光纤氢气传感器100。其中，所述光源210通过传输光纤221连接到所述光纤耦合器220的其中一个分支端口，所述光谱仪230通过另一个传输光纤222连接到所述光纤耦合器220的另一个分支端口，并且，所述光纤耦合器220的耦合端口可以连接到所述光纤氢气传感器100的第一光纤110。

所述光源210可以提供入射光，所述入射光可以为宽谱光，其通过所述传输光纤221进入到所述光纤耦合器220，并被所述光纤耦合器220耦合到所述光纤氢气传感器100的第一光纤110。所述入射光经过所述第一光纤110传输到所述光纤微腔结构110，其中一部分入射光在所述第一反射面112发生反射并形成第一反射光；另一部分入射光从所述第一反射面112透射到所述光纤微腔结构111内部，并穿过所述光纤微腔结构111在所述第二反射面113发生反射从而形成第二反射光。所述第二反射光与所述第一反射光发生干涉并生成相应的干涉光信号，所述干涉光信号返回所述光纤耦合器220，并被所述光纤耦合器220通过所述传输光纤222耦合到所述光谱仪230。所述光谱仪230可以采集到所述干涉光信号并得到相应的干涉光谱，在具体实施例中，所述光谱仪230还可以连接有计算机230，工作人员可以根据所述光谱仪230的干涉光谱，通过所述计算机240计算出所述光纤氢气传感器100的光纤微腔结构111的氢气浓度。

当氢气浓度发生变化时，所述氢敏感膜130与通过所述微型进气孔114进入到所述光纤微腔结构111的氢气发生反应，其体积也发生相应的变化。所述氢敏感膜130的体积变化会进一步造成所述第一反射光和所述第二反射光的光程差发生改变，因此所述第一反射光和所述第二反射光发生干涉而产生的干涉光信号也同样发生变化，此时，根据所述光谱仪230获得的干涉光谱便可以计算出氢气浓度的变化情况。

请参阅图3，其是本发明提供的光纤氢气传感器另一种实施例的结构示意图。所述光纤氢气传感器300与图1所述的光纤氢气传感器100结构类似，主要区别在于，所述光纤氢气传感器300的第二光纤320与第一光纤310相连接的表面设置有高反射膜321，所述高反射膜321的表面可以用来作为所述第二反射面313，其主要用来提高所述第二反射面313的反射率，以提高所述光纤氢气传感器100的性能。在具体实施例中，所述高反射膜321可以通过镀膜的方式形成在所述第二光纤320的端面，且所述高反射膜321的所在位置可以恰好覆盖所述第一光纤310的光纤微腔结构311的开口。

请参阅图4，其为本发明提供的光纤氢气传感器的制造方法一种实施例的流程示意图。所述光纤氢气传感器的制造方法可以用来制造如图1所述的光纤氢气传感器100或如图3所述的光纤氢气传感器300，其包括：

步骤S1，提供第一光纤，并在所述第一光纤的末端形成光纤微腔结构；

具体地，本步骤中，可以先提供一个单模光纤来作为所述第一光纤110，并采用飞秒激光微加工技术或者深紫外激光微加工技术在所述第一光纤110的末端沿所述第一光纤110的纤芯方向加工出一个微型腔体来作为所述光纤微腔结构111，所述深紫外激光的波长可以为157nm，所述光纤微腔结构111的具体形状和结构可以参阅以上实施例的具体描述。

步骤S2，在所述光纤微腔结构的内壁形成氢敏感膜；

在步骤S1的光纤微腔结构111形成之后，可以采用磁控溅射或者真空镀膜的薄膜工艺，在所述光纤微腔结构111的内壁形成钯(Pd)膜或者钯合金膜，来作为所述氢敏感膜130。

步骤S3，在所述第一光纤的末端制作微型进气孔，所述微型进气孔从所述第一光纤的表面延伸到所述光纤微腔结构；

在所述氢敏感膜130在所述光纤微腔结构111的内壁制作完成之后，可以采用飞秒激光微加工技术或者深紫外激光微加工技术，在所述第一光纤110的末端的光纤微腔结构111所在的区域，沿与所述第一光纤110的纤芯相垂直的方向加工出由多个微型进气孔114构成的微孔阵列，所述微型进气孔114从所述第一光纤110末端的外表面延伸到所述光纤微腔结构111内部，以使得氢气可以进入所述光纤微腔结构111。

步骤S4，提供第二光纤，并将所述第二光纤与所述第一光纤的末端相互熔接；

在本步骤中，可以提供另一个单模光纤来作为所述第二光纤120，并且将所述第二光纤120与所述第一光纤110相互对准，从而使得所述第二光纤120的端面恰好覆盖所述第一光纤110末端的光纤微腔结构111的开口。接着，采用熔接工艺将所述第二光纤120熔接到所述第一光纤110，从而形成如图1所述的光纤氢气传感器100。

可选地，在具体实施例中，在所述第二光纤120熔接到所述第一光纤110之前，还可以通过镀膜工艺在所述第二光纤120的端面镀设如图3所示的高反射膜321。

请参阅图5，其为本发明提供的光纤氢气传感器又一种实施例的结构示意图。所述光纤氢气传感器500与图1所示的光纤氢气传感器100的主要区别在于：所述光纤氢气传感器500的第一光纤510和第二光纤520分别作为入射光纤和透射光纤，并且，所述第一光纤510末端的光纤微腔结构511只形成在所述第一光纤510的纤芯的一部分，也即是说，所述光纤微腔结构511的开口面积小于所述第一光纤510的纤芯的面积，因此，在所述光纤微腔结构511所在的区域，只有一部分纤芯被移除，而另一部分纤芯仍被保留，由此使得所述第一光纤110的入射光可以有部分直接穿过其纤芯而进入所述第二光纤120，形成第一透射光。

另一方面，所述光纤微腔结构511的底面和所述第二光纤520覆盖所述开口的端面可以分别作为第一透射面512和第二透射面513，因此，所述第一光纤510的入射光可以部分透过所述第一透射面512进入所述光纤微腔结构511，并穿过所述光纤微腔结构512并从所述第二透射面513进入所述第二光纤520，形成第二透射光。所述第二透射光和所述第一透射光可以发生马赫-曾德(Mach-Zehnder,M-Z)光纤干涉，即所述第一透射光和所述第二透射光可以作为马赫-曾德(Mach-Zehnder,M-Z)干涉的两束光，本实施例提供的光纤氢气传感器500通过M-Z干涉光谱可以得到氢气的浓度。

具体地，与图1所示的光纤氢气传感器100相类似，所述光纤微腔结构511的内壁可以形成有氢敏感膜530，且所述第一光纤510的末端可以形成有从所述第一光纤510的表面延伸到所述光纤微腔结构511的微型透气孔，以使得氢气可以进入并收容到所述光纤微腔结构511。由于所述氢敏感膜530吸收氢气并发生体积变化，因此当氢气浓度改变时，所述第一透射光和所述第二透射光的干涉光谱相应发生改变。

请参阅图6，其为采用图5所示的光纤氢气传感器500的氢气浓度检测系统600的结构示意图。在所述氢气浓度检测系统600中，所述光纤氢气传感器500的第一光纤510可以通过传输光纤连接到光源610，而所述光纤氢气传感器500的第二光纤520可以通过传输光纤连接到光谱仪630。

在进行氢气浓度检测时，所述光源610提供的宽谱光可以通过所述第一光纤510进入所述光纤氢气传感器500内部，并如上所述，其中部分入射光穿过所述第一光纤510的纤芯形成第一透射光，而另一部分入射光穿过所述光纤微腔结构511形成第二透射光，并与所述第一透射光发生M-Z干涉，且由于所述光纤微腔结构511内壁的氢敏感膜530吸收氢气并发生体积变化，当氢气浓度改变时所述M-Z干涉的干涉光谱相应发生改变，因此，根据所述光谱仪630M-Z干涉光谱便可以计算出氢气的浓度。

本发明提供的光纤氢气传感器在所述第一光纤的末端形成有光纤微腔结构，并将所述氢敏感膜镀设在所述光纤微腔结构的内壁，从而实现将所述氢敏感膜内置在光纤内部。通过上述氢敏感膜内置的方式，可以有效避免所述氢敏感膜受外界污染的影响而破坏其氢气敏感特性，保证所述光纤氢气传感器的稳定性和灵敏性，有效地提高所述光纤氢气传感器氢气浓度检测结果的准确性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤氢气传感器，其特征在于，包括第一光纤、第二光纤和氢敏感膜，其中，所述第一光纤包括光纤微腔结构和微型进气孔，所述光纤微腔结构形成在所述第一光纤的末端，所述微型进气孔从所述第一光纤的末端表面延伸到所述光纤微腔结构内部，所述第二光纤连接到所述第一光纤的末端，且其端面覆盖所述光纤微腔结构的开口，所述氢敏感膜设置在所述光纤微腔结构的内壁。

2.如权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述光纤微腔结构为沿所述第一光纤的纤芯开设的微型腔体，所述微型腔体作为收容氢气的微气室。

3.如权利要求2所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述第一光纤和所述第二光纤分别作为入射光纤和反射光纤，且在所述光纤微腔结构所在的区域，所述第一光纤的纤芯被完全移除；所述光纤微腔结构的底面作为第一反射面，而所述第二光纤的端面作为第二反射面，所述光纤微腔结构和所述第一反射面及所述第二反射面构成一个法布里-珀罗干涉腔。

4.如权利要求3所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述第二光纤的端面还设置有高反射膜。

5.如权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述第一光纤和所述第二光纤分别作为入射光纤和透射光纤，且在所述光纤微腔结构所在的区域，所述第一光纤的纤芯只被部分移除，而另一部分纤芯保留；其中，所述第一光纤的入射光一部分直接通过所述第一光纤保留的纤芯而生成第一透射光，而另一部分通过所述光纤微腔结构而生成第二透射光，并与所述第一透射光形成马赫-曾德干涉。

6.一种氢气浓度检测系统，其特征在于，包括光源、光谱仪和如权利要求1至5中任一项所述的光纤氢气传感器，其中所述光源和所述光谱仪分别耦合到所述光纤氢气传感器。

7.一种光纤氢气传感器的制作方法，其特征在于，包括：

提供第一光纤，并在所述第一光纤的末端形成光纤微腔结构；

在所述光纤微腔结构的内壁形成氢敏感膜；

在所述第一光纤的末端制作微型进气孔，所述微型进气孔从所述第一光纤的表面延伸到所述光纤微腔结构；

提供第二光纤，并将所述第二光纤与所述第一光纤的末端相互熔接，以使所述第二光纤的端面覆盖所述第一光纤的末端的光纤微腔结构。

8.如权利要求7所述的光纤氢气传感器的制作方法，其特征在于，所述光纤微腔结构是采用飞秒激光微加工工艺或者深紫外激光微加工工艺在所述第一光纤的末端沿所述第一光纤的纤芯方向加工而成。

9.如权利要求7所述的光纤氢气传感器的制作方法，其特征在于，所述氢敏感膜是采用磁控溅射工艺或者真空镀膜工艺在所述光纤微腔结构的内壁制作而成。

10.如权利要求7所述的光纤氢气传感器的制作方法，其特征在于，所述微型进气孔是采用飞秒激光微加工工艺或者深紫外激光微加工工艺在所述第一光纤的末端表面沿与所述第一光纤的纤芯相垂直的方向加工而成。