CN104931458A - 基于光纤光栅微腔的mzi氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
基于光纤光栅微腔的MZI氢气传感器，其特征包括：宽带光源，单模传输光纤，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔传感头，气室，光谱仪；所述镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI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，从而使得透射波相位发生改变，进而影响干涉谱的变化，通过检测干涉谱变化，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。由于光纤光栅的存在，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，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MZI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MZI氢气传感器。
背景技术
光纤传感器是伴随着光导纤维及光通信技术的发展而逐步形成的，与传统的传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点。光纤传感器就是利用光纤将待测量在光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测。马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，简称MZI)目前已经应用于温度、应力、电流、电压等传感，在传感领域，它的2个干涉臂，一个称为参考臂，一个称为传感臂，传感臂用来放入待测环境中。由于待测环境的影响，在传感臂中传输的光相对参考臂中的光获得了新的相位差后，在输出的探测器上可观察到干涉条纹的移动，从这个移动中就能获得待测环境中物理量的变化。
氢气因其热值高、清洁无污染、可持续性和可用性广等优点成为了未来最重要的能源。目前，氢气已被用于一些如航空、汽车电池、石油勘探、化学加工、焊接、和发电等行业。然而，由于氢气扩散快、燃点低和易爆炸的浓度范围广(4％-75％)，所以氢气的安全运输和控制一直是人们非常关心的问题。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。这种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。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。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。
针对上述光纤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，本发明提出基于光纤光栅微腔的MZI氢气传感器，将微腔加工在光纤光栅栅区中间位置。本发明中以镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI为传感头，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，特定波长的光被反射，而透射波相位发生移动，进而影响干涉谱的变化；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MZI氢气传感器能够消除环境温度对测量结果的影响，提高测量的精确度与灵敏度，结构紧凑，操作简单，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等缺点，本发明提出一种能够消除环境温度对测量结果的影响，提高测量的精确度与灵敏度，结构紧凑，操作简单，安全可靠的基于光纤光栅微腔的MZI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MZI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MZI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MZI传感头的输入端相连，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI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58.4μm～66.6μm之间，形成MZI结构，Pt/WO3膜的厚度在100nm～120nm之间；镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI为传感头，微腔加工在光纤光栅栅区中间位置。光谱仪作为氢气传感器的解调器。
本发明的有益效果为：
本发明利用镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI为传感头，微腔加工在光纤光栅栅区中间位置，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，则使得使膜的折射率发生变化，从而使得两束光相位发生改变，进而影响干涉谱的变化。通过检测干涉波长的漂移量，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，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，镀有Pt/WO3膜的金属薄膜具有很好的弹性和柔韧性，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MZI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MZI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MZI传感头3，气室4，单模传输光纤5，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MZI传感头3相连，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI传感头3置于气室4内，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI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。由镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI结构组成高精确度和灵敏度的光纤氢气传感头，微腔加工在光纤光栅栅区中间位置，微腔8的宽度在35μm～45μm之间，深度在58.4μm～66.6μm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输入到镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI传感头3，在镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI传感头3中，特定波长的光被反射，在透射光中一部分光沿着纤芯传播，另一部分光通过Pt/WO3膜8和微腔9，因此，这两部分光之间存在相位差，会形成干涉条纹，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI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中进行光谱检测。由镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI结构构成的传感头对空气中氢气浓度的变化非常敏感，随着空气中氢气浓度的增大，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔传感头的Pt/WO3膜折射率会发生变化，从而使得两束光相位差发生改变，进而影响干涉谱的变化，干涉峰向短波漂移，并且漂移量与空气中氢气浓度的变化量具有很好的线性关系，通过检测干涉峰的位置，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，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MZI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。由镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI结构组成高精确度和灵敏度的光纤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58.4μm很难或者几乎不会形成干涉，超过66.6μm时很容易形成F-P腔，所以微腔的深度应严格控制在58.4μm～66.6μm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，影响响应时间和灵敏度，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MZI传感头用的是布拉格光纤光栅(FBG)，中心波长为1550.97nm，带宽为0.17nm，反射10dB；Pt/WO3膜度为110nm，微腔的宽度为40μm，深度为62μm。
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MZI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MZI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MZI传感头的输入端相连，镀有Pt/WO3膜的光纤光栅微腔MZI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MZI氢气传感头由光纤光栅、Pt/WO3膜和微腔组成，将微腔加工在光纤光栅栅区中间位置，光纤光栅使用布拉格光纤光栅，微腔的宽度在35μm～45μm之间，深度在58.4μm～66.6μm之间，形成MZI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，在此结构中，特定波长的光被反射，在透射光中一部分光沿着纤芯传播，另一部分光通过Pt/WO3膜和微腔，因此，这两部分光之间存在相位差，会形成干涉条纹，通过检测干涉波长的漂移量，可以实现高灵敏度的氢气浓度测量；光谱仪作为信号解调部分。
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