CN104007086A - 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入射光纤、反射光纤和氢敏感膜；所述入射光纤包括光入射端和连接端，所述连接端与所述反射光纤相互连接；其中，所述入射光纤的连接端开设有氢气收容腔，所述氢气收容腔的腔底形成半穿透半反射面，而所述反射光纤的反射端面覆盖所述氢气收容腔的开口；所述氢敏感膜设置在所述氢气收容腔的内表面；所述微腔腔体的至少两个相对的侧壁分别形成有气孔，且所述至少两个相对的侧壁的气孔分别交错设置。

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，在诸多类型的光纤氢气传感器中，基于法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉的干涉型光纤氢气传感器的应用较为广泛。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F-P干涉腔，并在玻璃套管的表面镀设钯(Pd)膜。所述Pd膜在吸收氢气之后体积会发生变化从而改变干涉腔长度，因此通过分析干涉谱可以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，外界污染可能降低所述氢敏感膜的品质，从而影响所述干涉型光纤氢气传感器的检测精确度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种能解决上述问题的光纤氢气传感器。

一种光纤氢气传感器，包括入射光纤、反射光纤和氢敏感膜；所述入射光纤包括光入射端和连接端，所述连接端与所述反射光纤相互连接；其中，所述入射光纤的连接端开设有氢气收容腔，所述氢气收容腔的腔底形成半穿透半反射面，而所述反射光纤的反射端面覆盖所述氢气收容腔的开口；所述氢敏感膜设置在所述氢气收容腔的内表面；所述微腔腔体的至少两个相对的侧壁分别形成有气孔，且所述至少两个相对的侧壁的气孔分别交错设置。

本发明提供的光纤氢气传感器在所述入射光纤的末端形成氢气收容腔，可以实现所述氢敏感膜设置所述入射光纤的内部。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氢气浓度检测结果的精确性。并且，所述光纤氢气传感器通过在所述氢气收容腔的至少两个相对侧壁形成气孔，可以使得有足够的氢气进入所述氢气收容腔内部，保证氢气浓度检测的正常实现；另外，所述至少两个相对的侧壁的气孔分别交错设置，从而对氢气进行一定的阻挡，使得氢气在所述氢气收容腔可以停留足够的时间，保证其可以被所述氢气收容腔的侧壁内表面的氢敏感膜充分吸收，进一步提高所述光纤氢气传感器的氢气浓度检测的准确性。

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是图1所示的光纤氢气传感器的入射光纤的侧面结构示意图；

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。

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。

本发明提供的光纤氢气传感器通过将氢敏感膜内置在入射光纤内部，来避免氢敏感膜受外界污染气体影响，提高所述光纤氢气传感器氢气浓度检测结果的准确性。

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10包括入射光纤11、反射光纤12和氢敏感膜13，其中，所述入射光纤11和所述反射光纤12可以均为单模光纤或均为多模光纤，也可以其中一个为单模光纤而另一个为多模光纤，并且所述入射光纤11和所述出射光纤相互对准并通过熔接工艺相互连接。

所述入射光纤11的两端可以分别作为光入射端和连接端，其中所述光入射端可以接收外界光源(比如激光二极管)提供的测试光，而所述连接端可以与所述反射光纤12相互熔接。其中，所述入射光纤的连接端开设有微型腔体111，所述微型腔体111主要作为用来收容待检测氢气的氢气收容腔。所述微型腔体111可以通过激光微加工技术形成，其沿所述入射光纤11的纤芯110延伸方向开设。在形成所述微型腔体111之后，所述入射光纤11在所述微型腔体11所在区域的剩余光纤材料便可以作为所述微型腔体111的侧壁。其中，所述微型腔体111的内径大于所述入射光纤11的纤芯110的直径，即所述微型腔体111内部的纤芯110被完全移除。

在具体实施例中，所述微型腔体111的腔底可以形成半穿透半反射面101。所述半穿透半反射面101便可以将所述入射光纤11的部分测试光进行反射而形成第一反射光，并且将另一部分测试光作为透射光透射到所述微型腔体111内部。

所述微型腔体111的侧壁内表面可以形成有氢敏感膜13，所述氢敏感膜13可以具体为钯(Pd)膜或者钯合金(Pd Alloy)膜，其具有吸收氢气而出现体积变化的特性。具体地，所述氢敏感膜13可以在所述微型腔体111形成之后通过真空镀膜方式形成在所述微型腔体111的内侧壁。

另一方面，所述入射光纤11在所述微型腔体111所在区域的可以开设有多个气孔14，所述气孔14可以从所述入射光纤11的表面延伸到所述微型腔体111内部，其主要用来给氢气提供进入所述微型腔体111的通道。

具体地，由于所述气孔14一般比较小，为使得有足够量的氢气进入所述微型腔体111，以保证所述光纤氢气传感器10可以进行氢气浓度检测，在本发明提供的光纤氢气传感器10中，所述气孔14至少开设在所述入射光纤11末端的相对两侧，即形成在所述微型腔体111的两个相对的侧壁。应当理解，所述入射光纤11一般具有圆形的横截面，因此所述微型腔体111为圆柱形腔体，相对应地，所述微型腔体111的侧壁实际上是一个圆环形侧壁；因此，在本申请文件中，所述微型腔体111的两个相对的侧壁应当理解为所述圆环形侧壁的其中两个相对的弧形部分，如图2所示的第一弧形侧壁部分112和第二弧形侧壁部分113。

并且，为避免从所述入射光纤11一侧的气孔14进入所述微型腔体111的氢气从所述入射光纤11的另一侧穿出，在本实施例中，所述微型腔体111两个相对的侧壁分别开设的气孔14分别交错设置，也即是说，所述微型腔体111的其中一个侧壁开设的气孔14不与另一个侧壁开设的气孔14相对准，如图1所示。通过采用上述结构，从所述微型腔体111的其中一个侧壁的气孔14进入到所述微型腔体111内部的氢气可以被另一侧侧壁所阻挡，从而使得氢气在所述微型腔体111可以停留足够的时间，保证其可以被所述微型腔体111的侧壁内表面的氢敏感膜13充分吸收。

所述反射光纤12的末端与所述入射光纤11的连接端相互对准并且通过熔接工艺相互连接，因此其端面可以恰好盖设在所述微型腔体111的开口。并且，所述反射光纤12的端面可以作为反射端面102，将从所述入射光纤11的半穿透半反射面101透射到所述微型腔体111的透射光进行反射，从而形成第二反射光。

由此可以，在本发明提供的光纤氢气传感器10中，所述微型腔体111连同所述入射光纤11的半穿透半反射面101和所述反射光纤12的反射端面102，形成一个用来进行氢气浓度检测的法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉腔。

具体地，在进行氢气浓度检测时，外部光源提供的宽谱测试光入射到入射光纤11，并在所述入射光纤11的半穿透半反射面101发生部分反射从而形成第一反射光，另外，还有部分测试光从所述半穿透半反射面101进入所述微型腔体111，并穿过所述微型腔体111在所述反射光纤12的反射端面102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，通过光谱仪可以采集到所述第一反射光和所述第二反射光的干涉光谱。当氢气浓度发生变化时，所述氢敏感膜13与通过所述气孔14进入到所述微型腔体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13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，从而进一步造成二者的干涉光谱发生改变。因此根据所述光谱仪获得的干涉光谱便可以计算出氢气浓度的变化情况。

本发明提供的光纤氢气传感器在所述入射光纤的末端形成微型腔体，可以实现所述氢敏感膜设置所述入射光纤的内部。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氢气浓度检测结果的精确性。

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30与图1所述的光纤氢气传感器10的主要区别在于，所述光纤氢气传感器30的反射光纤32的反射端面302设置有高反射膜321，所述高反射膜321主要用来提高所述反射端面302的反射率，以提高所述光纤氢气传感器100的性能。另外，可选地，所述光纤氢气传感器30的入射光纤31末端的微型腔体311的腔底还可以设置有半穿透半反射膜，从而保证所述入射光纤31的半穿透半反射面301的半穿透半反射特性。

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 (6)

1.一种光纤氢气传感器，其特征在于，包括入射光纤、反射光纤和氢敏感膜；所述入射光纤包括光入射端和连接端，所述连接端与所述反射光纤相互连接；其中，所述入射光纤的连接端开设有氢气收容腔，所述氢气收容腔的腔底形成半穿透半反射面，而所述反射光纤的反射端面覆盖所述氢气收容腔的开口；所述氢敏感膜设置在所述氢气收容腔的内表面；所述微腔腔体的至少两个相对的侧壁分别形成有气孔，且所述至少两个相对的侧壁的气孔分别交错设置。

2.如权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述氢气收容腔为沿所述入射光纤的纤芯的延伸方向开设的腔体。

3.如权利要求2所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述氢气收容腔的内径大于所述入射光纤的纤芯的直径。

4.如权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述氢敏感膜为钯膜或者钯合金膜。

5.如权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述反射光纤的端面还设置有高反射膜。

6.如权利要求5所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述氢气收容腔的腔底设置有半穿透半反射膜。