CN104931431A - 基于光纤光栅微腔的fpi氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器，其特征包括：宽带光源，单模传输光纤，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头，气室，光谱仪；所述镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头由光纤光栅、微腔、Pt/WO3膜构成；氢气作用于Pt/WO3膜，Pt/WO3膜折射率会发生变化，导致透射波干涉波峰发生变化，通过检测干涉波峰的位置，可以实现高灵敏度的氢气浓度的测量。然而在Pt/WO3膜与氢气发生反应过程中，环境温度会发生变化，对测量结果的精确度造成影响。由于有光纤光栅的存在，可以在测量氢气浓度的同时可以监测环境温度对测量结果的影响，所以能够消除环境温度对测量结果的影响。本发明提出一种结构紧凑，可以提高测量精确度与灵敏度的基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器。
背景技术
法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer，简称FPI)早在19世纪末就已问世，但基于光纤的FPI知道20世纪80年代初才制作成功，目前已经应用于温度、应力、电流、电压等传感中。光纤FPI传感器的特点是采用单根光纤、利用多光束干涉原理来检测被测量，避开了Michelson和Mach-Zehnde干涉传感所需两根光纤配对移机必须对偏振进行补偿等问题。此外光纤FPI传感器对任何导致其两个反射距离发生变化的物理量灵敏度极高，而且传感区域小，在很多应用中可被视为“点”测量；加之其结果简单、体积小、复用能力强、抗干扰、重复性好等优势，在嵌入式测量更是倍受青睐，成为实现所谓人工智能结构和材料等相关领域的研究热点。
近年来全球变暖的趋势日益严重，遏制全球变暖的趋势已成为当今时代环保的一项重要任务，而全球变暖主要就是因为很多化石燃料燃烧释放了大量的CO2破坏臭氧层引起的，因此使用不排放CO2可在生的新能源已成为一种必然趋势。氢能源作为一种绿色能源，其燃烧产物只有水，以其分布广泛(有水即可制氢)、可再生永不枯竭、无污染、能量密度大和应用面广等优点越来越受到人们的青睐，具有广阔的开发应用前景。因此，检测氢气的浓度和预防其泄露是至关重要的。
光纤型氢气传感器是将氢敏材料涂到光纤器件上，氢气浓度变化时，氢敏材料就会发生反应从而使光纤中光信号的波长或强度发生改变，通过对光信号改变量的检测来获得氢气的浓度。目前主要的光纤氢气传感器有四类：以光的干涉为基础的干涉型氢气传感器、以光的反射为基础的微透镜型氢气传感器、以光的传输损耗为基础的消逝场型氢气传感器、以光栅为基础的光栅型氢气传感器。这些传感器使用光作为媒介，无需加热，因此用于检测氢气浓度具有很高的安全性，而且它在常温下就有良好的敏感性，故在常温下适用，此外光纤传感器使用适当波长的光和光纤就可以实现远距离监测。大都以Pd或者Pt/WO3作为敏感材料，在测量氢气浓度过程中，随着氢气与敏感膜的作用，传感头的环境温度可能会变化，进而影响测量的精确度与灵敏度，如若想要消除环境温度对测量精度和灵敏度的影响，还需用光纤光栅来再次测量，操作繁琐，而且结构疏散；在传感器的使用时，多次使用后，敏感膜容易脱落，不利于重复利用。
针对上述氢气传感器中所遇到的环境温度对测量精确度与灵敏度的影响、敏感膜的重复利用率差、操作繁琐及结构疏散等缺点，本发明提出一种基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器。本发明中以镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI为传感头，微腔加工在光纤光栅栅区中间位置，随着氢气浓度的变化，Pt/WO3膜与氢气发生反应，使膜的折射率发生变化，会改变FP腔的长度，在此结构中，特定波长的光被反射，其余透射光的相位在FP腔中发生改变，从而干涉波峰的位置发生变化。然而在Pt/WO3膜与氢气发生反应过程中，环境温度可能会发生变化，对测量结果的精确度造成影响。由于有光纤光栅的存在，可以在测量氢气浓度的同时可以监测环境温度对测量结果的影响，所以能够消除环境温度对测量结果的影响。因此，本发明提出的基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器可以提高测量的精确度与灵敏度，结构紧凑，安全可靠，具有很强的实用价值。
发明内容
为了克服氢气传感器中所遇到的环境温度对测量精确度与灵敏度的影响、敏感膜的重复利用率差、操作繁琐及结构疏散等缺点，本发明提出一种结构紧凑，操作简单，可以消除环境温度对测量结果影响的基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案：
基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器，包括：宽带光源、单模传输光纤、镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头、气室以及光谱仪。
宽带光源的输出端与单模传输光纤相连，单模传输光纤与处于气室内的镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头的输入端相连，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头的输出端与单模传输光纤相连，单模传输光纤与光谱仪相连。光纤光栅上微腔宽度在35μm～45μm之间，深度在66.6μm～76μm之间，形成FPI结构，Pt/WO3膜的厚度在100nm～120nm之间；由光纤光栅微腔FPI、Pt/WO3膜构成光纤光栅微腔FPI传感头，微腔加工在光纤光栅中间位置。光谱仪作为氢气传感器的解调器。
本发明的有益效果为：
本发明利用光纤光栅、微腔、Pt/WO3膜构成传感头，微腔加工在光纤光栅中间位置，当外界环境中氢气浓度发生变化时，镀有Pt/WO3膜的传感头中Pt/WO3膜的折射率会发生变化，会改变FP腔的长度，在此结构中，特定波长的光被反射，其余透射光的相位在FP腔中发生改变，从而干涉波峰的位置发生变化，进而影响干涉谱的变化。通过检测波长的漂移量，可以实现高灵敏度的氢气浓度测量。然而在Pt/WO3膜与氢气发生反应过程中，环境温度可能会发生变化，对测量结果的精确度造成影响。由于有光纤光栅的存在，可以在测量氢气浓度的同时可以监测环境温度对测量结果的影响，所以能够消除环境温度对测量结果精确度的影响。
本发明利用Pt/WO3膜作为涂覆材料，对氢气有很好的选择性，实现高灵敏度的氢气浓度的测量，而且可以重复利用，Pt/WO3膜不易脱落
本发明中将微腔加工在光纤光栅上，结构紧凑简单，避免复杂的测量系统，操作简便。
附图说明
图1为基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步描述。
如图1所示，基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器，包括宽带光源1，单模传输光纤2，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头3，气室4，单模传输光纤5和光谱仪6。宽带光源1的输出端与单模传输光纤2相连，光单模传输光纤2的输出端与镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头3相连，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头3置于气室4内，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头3的输出端和单模传输光纤5相连，单模传输光纤5和光谱仪6相连。由光纤光栅7、Pt/WO3膜8和微腔9组成超灵敏度光纤氢气传感头，微腔加工在光纤光栅中间位置，微腔8的宽度在35μm～45μm之间，深度在66.6μm～76μm之间，Pt/WO3膜8的厚度在100nm～120nm之间；光谱仪6作为信号解调部分。
本发明的工作方式为：宽带光源1产生信号光，由单模传输光纤2输入到光镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头3，在光纤光栅微腔FPI传感头3中，特定波长的光被反射，其余透射的光在微腔9中多次反射，最后透射出去，形成多光束干涉，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头3输出的光信号通过单模传输光纤5输入到光谱仪6中进行波形的检测。由光纤光栅、微腔、Pt/WO3膜构成的传感头对空气中氢气浓度的变化非常敏感，而且微腔加工在光纤光栅中间位置，随着空气中氢气浓度的增大，镀有Pt/WO3膜传感头的Pt/WO3膜折射率会发生变化，会改变FP腔的长度，在此结构中，特定波长的光被反射，其余透射光的相位在FP腔中发生改变，导致透射波长发生变化，透射波长向短波漂移，并且漂移量与空气中氢气浓度的变化量具有很好的线性度，通过检测透射波长的大小，可以实现高灵敏度的氢气浓度的测量，然而在Pt/WO3膜与氢气发生反应过程中，环境温度可能会发生变化，对测量结果的精确度造成影响。由于有光纤光栅的存在，可以在测量氢气浓度的同时可以监测环境温度对测量结果的影响，所以能够消除环境温度对测量结果的影响。
该装置能够实现基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器的氢气浓度测量的关键技术有：
1、光纤传感头的结构。由光纤光栅、微腔、Pt/WO3膜构成的光纤光栅微腔FPI氢气传感头结构是实现高灵敏度传感的基础。
2、微腔的深度。当空气深度少于66.6μm时会形成马赫-曾德干涉，超过76μm时光纤光栅容易断开，所以微腔的深度应严格控制在66.6μm～76μm之间。
3、镀有Pt/WO3膜的厚度。Pt/WO3膜的厚度会影响光的透过率和响应时间，因此，Pt/WO3膜的厚度应严格控制在100nm～120nm之间。
本发明的一个具体实施例中，光源装置的输出波长为1200nm-1650nm；光谱仪的工作波长覆盖范围为1200nm-1650nm；传输光纤用的是常规单模光纤(G.625)，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.14；光纤光栅微腔FPI传感头用的是布拉格光纤光栅(FBG)，中心波长为1534.97nm，带宽为0.15nm，反射10dB；Pt/WO3膜度为108nm；微腔的宽度为41μm，深度为70μm。
以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器，其特征在于：由宽带光源，单模传输光纤，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头，气室，光谱仪构成传感测量系统；宽带光源的输出端与单模传输光纤相连，单模传输光纤与处于气室内的镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头的输入端相连，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔FPI传感头的输出端与单模传输光纤相连，单模传输光纤与光谱仪相连；
所述光纤光栅微腔FPI传感头由光纤光栅、Pt/WO3膜和微腔组成，光纤光栅使用布拉格光纤光栅，微腔加工在光纤光栅中间位置，微腔的宽度在35μm～45μm之间，深度在66.6μm～76μm之间，形成FPI结构，Pt/WO3膜的厚度在100nm～120nm之间；随着氢气浓度的变化，Pt/WO3膜与氢气发生反应，使膜的折射率发生变化，会改变FP腔的长度，在此结构中，特定波长的光被反射，其余透射光的相位在FP腔中发生改变，从而干涉波峰的位置发生变化，通过测量干涉峰位置的变化，就可以测得氢气的浓度；光谱仪作为信号解调部分。
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