CN105388128A - 一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源，偏振控制器，传输光纤1，3dB耦合器，传输光纤2，镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF，传输光纤3，传输光纤4，光谱仪，恒温气室组成。宽带光源发射的激光通过偏振控制器得到一束线偏振光，经3dB耦合器分为两束相同的光分别入射到镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF和传输光纤3中。由于Pd/Ag薄膜吸氢膨胀挤压PM-PCF内空气孔，镀膜区域中传输模式的相位改变，两束光经端面反射后在3dB耦合器的透射端汇合，因存在恒定相位差发生干涉，干涉光谱被光谱仪接收。干涉光谱漂移量与氢气浓度之间存在对应关系，实现了氢气浓度的精确测量。该发明结构简单，灵敏度高，温度漂移小，为氢气浓度在线监测提供了一种切实可行的方案。

Description

一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器
技术领域
本发明属于光纤氢气传感技术领域，具体涉及一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器。
背景技术
氢气(H2)同时具备高能量密度和燃烧产物无毒无害两大突出优势，被公认为二十一世纪最具发展潜力的二次能源。在室温和标准大气压条件下，氢气的爆炸浓度范围非常广(4%~74.2%)，点火能量极小（0.02mJ），强烈的易燃易爆性对氢气检测装置自身的安全性，可靠性以及对超低浓度氢气的响应能力提出了较高要求。
光学氢气传感器，尤其是光纤氢气传感器，利用光作为媒介进行氢气浓度传感，由于探头不存在电学部件，具有本质防爆，灵敏度高，抗电磁干扰等优势，近年来引起了广泛的关注和研究。常见的光纤光栅型氢气传感器，需温度补偿措施抑制环境温度波动造成的中心波长漂移，检测精度不高的同时存在着对温度交叉敏感的问题。
保偏光子晶体光纤（PM-PCF）是具有保偏特性的光子晶体光纤，通过纤芯周围周期性排列的空气孔结合应力棒在光纤内部产生统一的应力双折射，能够长距离地保持偏振光的偏振态，尤其是良好的温度特性，有利于制作对温度不敏感的光纤器件，能有效简化仪器结构，提高装置稳定性。
一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，在构建的全光纤Michelson干涉仪中引入经镀膜处理的PM-PCF作为敏感部件，具有结构简单，灵敏度高，对环境温度变化不敏感等优点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，测量干涉光谱中指定级数的波谷波长漂移量反应氢气浓度，结构易于实现，灵敏度高，减轻环境温度波动给氢气浓度检测带来的影响。
本发明通过以下技术方案实现：一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源（1），偏振控制器（2），传输光纤1（3），3dB耦合器（4），传输光纤2（5），镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6），传输光纤3（7），传输光纤4（8），光谱仪（9），恒温气室（10）组成，其特征在于：宽带光源（1）和偏振控制器（2）相连，偏振控制器（2）通过传输光纤1（3）与3dB耦合器（4）入射端相连，3dB耦合器（4）的一个出射端通过传输光纤2（5）与镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）的左端相连，另一个出射端与传输光纤3（7）相连；3dB耦合器（4）的透射端通过传输光纤4（8）与光谱仪（9）相连；镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）的左端与传输光纤2（5）熔接，在PM-PCF外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜；镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）和传输光纤3（7）的右端面分别涂覆Al反射膜，平行置于恒温气室（10）内。
所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）长度为5cm~8cm，Pd/Ag合金薄膜的膜厚为40nm~50nm，Ag质量分数为20%~25%。
所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）选用的保偏光子晶体光纤的优选型号是LMA-PM-15，工作波长在1550nm。
本发明的工作原理是：宽带光源（1）发射中心波长1550nm的激光，通过偏振控制器（2）得到一束线偏振光，沿传输光纤1（3）入射3dB耦合器（4）分为两束相同的光分别入射到传输光纤3（7）和沿传输光纤2（5）直接耦合至镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）中，构成全光纤Michelson干涉仪。PM-PCF在外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜作为敏感区，在Pd/Ag薄膜吸收氢气发生体积膨胀后，挤压包层中的空气孔导致镀膜区域中传输模式的相位改变，与分光后的另一束光出现恒定的相位差。两束光经端面高反射率的Al反射膜反射后，在3dB耦合器（4）的透射端汇合并发生干涉，干涉光谱经传输光纤4（8）被光谱仪（9）接收。可知，干涉光谱漂移量与氢气浓度之间存在对应关系，从而实现对氢气浓度的高精度检测。
干涉光谱中第m级波谷处两束光之间的相位差同时受到PM-PCF参数和包层表面Pd/Ag镀膜的影响，可以表示为
（1）
式中，整数m为干涉级数，为第m级波谷波长，、分别为PM-PCF的固有双折射和长度；、分别为Pd/Ag合金薄膜引入的附加双折射和镀膜区域长度。
Pd/Ag合金薄膜中的Pd结合氢分子发生晶格体积膨胀，挤压空气孔发生变形，引起PM-PCF的附加双折射和镀膜长度变化，两束光之间的相位差可表示为
（2）
式中，为漂移后第m级波谷波长，、分别为Pd/Ag合金薄膜引入的附加双折射变化量和镀膜长度变化量。考虑到的量级为50~80mm，的量级约为10-5mm，相位差的改变量主要来自于双折射的变化，镀膜长度变化忽略不计。因此，（2）式改写为
（3）。
对于光纤Michelson干涉仪，由于传输光两次经过镀膜区域，干涉光的相位差应是两倍，结合（1）式和（3）式，可得第m级波谷波长漂移量为
（4）
附加双折射变化量对应环境中氢气浓度，决定了第m级波谷波长漂移量，实现了对氢气浓度的高精度检测。
本发明的有益效果是：（1）选用温度特性优良的PM-PCF制作对温度不敏感的光纤氢气传感器，无需温度补偿环节，有效简化仪器结构，节约制作成本；（2）Ag能有效抑制Pd结合氢分子发生相变，稳定金属晶格结构，Pd/Ag合金缓解Pd涂层表面起泡、层错现象，提高敏感膜的机械性能，延长装置使用寿命；（3）该传感器体积小，探头式结构有利于构建分布式测量，抗电磁干扰，灵敏度优于光纤光栅型氢气传感器。因此，本发明具有结构简单，灵敏度高，有效抑制环境温度波动干扰检测等优点，为氢气浓度在线监测提供了一种切实可行的方案。
附图说明
图1是一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器的系统原理图。
图2是一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器中传感头的结构示意图。
图3是一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器中镀膜区域的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
图1所示一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源（1），偏振控制器（2），传输光纤1（3），3dB耦合器（4），传输光纤2（5），镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6），传输光纤3（7），传输光纤4（8），光谱仪（9），恒温气室（10）组成，其特征在于：宽带光源（1）和偏振控制器（2）相连，偏振控制器（2）通过传输光纤1（3）与3dB耦合器（4）入射端相连，3dB耦合器（4）的一个出射端通过传输光纤2（5）与镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）的左端相连，另一个出射端与传输光纤3（7）相连；3dB耦合器（4）的透射端通过传输光纤4（8）与光谱仪（9）相连；图2所示，镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）的左端与传输光纤2（5）熔接，在PM-PCF外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜，镀膜区域的横截面如图3所示，图3中灰色部分为Pd/Ag合金薄膜；图2所示，镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）和传输光纤3（7）的右端面分别涂覆Al反射膜，平行置于恒温气室（10）内。所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）长度为５cm~8cm，选用的保偏光子晶体光纤的优选型号是LMA-PM-15，Pd/Ag合金薄膜的膜厚为40nm~50nm，Ag质量分数为20%~25%，工作波长在1550nm。本发明的工作原理是：宽带光源（1）发射中心波长1550nm的激光，通过偏振控制器（2）得到一束线偏振光，沿传输光纤1（3）入射3dB耦合器（4）分为两束相同的光分别入射到传输光纤3（7）和沿传输光纤2（5）直接耦合至镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）中，构成全光纤Michelson干涉仪。PM-PCF在外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜作为敏感区，在Pd/Ag薄膜吸收氢气发生体积膨胀后，挤压包层中的空气孔导致镀膜区域中传输模式的相位改变，与分光后的另一束光出现恒定的相位差。两束光经端面高反射率的Al反射膜反射后，在3dB耦合器（4）的透射端汇合并发生干涉，干涉光谱经传输光纤4（8）被光谱仪（9）接收。可知，干涉光谱漂移量与氢气浓度之间存在对应关系，从而实现对氢气浓度的高精度检测。
进行氢气浓度检测实验时，将镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）和传输光纤3（7）通过夹具固定在恒温气室（10）底部，打开宽带光源（1）输出。温度调节机构设定恒温气室（10）处于25摄氏度恒温，打开气瓶阀门向恒温气室（10）内持续通入纯度99.99%的氮气，干涉光谱稳定后残余空气已经排尽，记录第m级波谷波长初始值。实验过程中，首先持续稳定通入0.5%浓度的氢气直到干涉光谱稳定，记录第m级波谷波长值和氢气浓度，再持续稳定通入1.0%浓度的氢气，干涉光谱稳定后再次记录第m级波谷波长值和氢气浓度，以此类推，依次通入浓度从0.5%至5.0%，以0.5%为步进间隔的等浓度梯度的氢气进行标定。利用氢气浓度-第m级波谷波长数据计算氢气浓度-波谷波长漂移量数据，经拟合后得到氢气浓度-波谷波长漂移量近似的函数关系，计算拟合度。
针对PM-PCF进行温度特性验证实验时，将镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）和传输光纤3（7）通过夹具固定在恒温气室（10）底部，打开宽带光源（1）输出。打开气瓶阀门向恒温气室（10）内持续通入纯度99.99%的氮气，干涉光谱稳定后残余空气已经排尽。通过温度调节机构设置恒温气室（10）的温度从10摄氏度开始，以5摄氏度为步进间隔，逐渐升温至60摄氏度，温度传感器对恒温气室（10）内气体温度进行实时测量。每个温度点保持5分钟后才记录此时的温度和第m级波谷波长值。利用温度-第m级波谷波长数据计算温度-波谷波长漂移量数据，若温度变化引入的波长漂移小于氢气浓度变化引起的波长漂移一个数量级，则证明传感器的温度系数足够小。
本发明的有益效果是：（1）选用温度特性优良的PM-PCF制作对温度不敏感的光纤氢气传感器，无需温度补偿环节，有效简化仪器结构，节约制作成本；（2）Ag能有效抑制Pd结合氢分子发生相变，稳定金属晶格结构，Pd/Ag合金缓解Pd涂层表面起泡、层错现象，提高敏感膜的机械性能，延长装置使用寿命；（3）该传感器体积小，探头式结构有利于构建分布式测量，抗电磁干扰，灵敏度优于光纤光栅型氢气传感器。因此，本发明具有结构简单，灵敏度高，有效抑制环境温度波动干扰检测等优点，为氢气浓度在线监测提供了一种切实可行的方案。

Claims (3)

1.一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源（1），偏振控制器（2），传输光纤1（3），3dB耦合器（4），传输光纤2（5），镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6），传输光纤3（7），传输光纤4（8），光谱仪（9），恒温气室（10）组成，其特征在于：宽带光源（1）和偏振控制器（2）相连，偏振控制器（2）通过传输光纤1（3）与3dB耦合器（4）入射端相连，3dB耦合器（4）的一个出射端通过传输光纤2（5）与镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）的左端相连，另一个出射端与传输光纤3（7）相连；3dB耦合器（4）的透射端通过传输光纤4（8）与光谱仪（9）相连；镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）的左端与传输光纤2（5）熔接，在PM-PCF外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜；镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）和传输光纤3（7）的右端面分别涂覆Al反射膜，平行置于恒温气室（10）内。
2.根据权利要求1所述的一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，其特征在于：所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）长度为5cm~8cm，Pd/Ag合金薄膜的膜厚为40nm~50nm，Ag质量分数为20%~25%。
3.根据权利要求1所述的一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，其特征在于：所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）选用的保偏光子晶体光纤的优选型号是LMA-PM-15，工作波长在1550nm。
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