CN105527249A - 一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置 - Google Patents

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严洒洒
沈常宇
王友清
包立峰
楼伟民
申屠锋营
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

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Abstract

本发明提供了一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于：由宽带光源(1)、入射光纤(2)、长周期光纤光栅(3)、氢敏感薄膜(4)、恒温气室(5)、气体产生装置(6)、排气口(7)、出射光纤(8)、光谱分析仪(9)组成；宽带光源(1)发出的光束耦合到入射光纤(2)，入射光纤(2)的出射光束耦合到长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的出射光束耦合到出射光纤(8)，出射光纤(8)与光谱分析仪(9)相连；长周期光纤光栅(3)的一侧溅镀氢敏感薄膜(4)，置于恒温气室(5)中。所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，具有结构简单、易于操作、灵敏度高、安全性能好的优点。

Description

一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置
技术领域
本发明借助于长周期光纤光栅，提出了一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，属于光纤传感技术领域。
背景技术
长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需要隔离器，测量精度较高。与人们熟知的布拉格光栅不同，长周期光纤光栅的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基膜和包层模，这一特点导致它的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有比布拉格光栅更好的温度、应力、弯曲度、扭曲、横向负载和折射率灵敏度等。
氢气传感器在许多方面都有至关重要的作用，例如氢气储备、航天领域和科研等，但由于传统的基于电特性工作原理的氢气传感器在使用时，有可能产生电火花，有引起爆炸的可能性，存在安全隐患。相比之下，光纤氢气传感器凭借其高灵敏度、耐高压、耐腐蚀，体积小以及不产生火花等特性，非常适合应用于氢气这种危险气体的检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置。该装置能够将待测氢气浓度的变化量转化为探测信号的波长漂移量，具有结构简单、易于操作、灵敏度高、安全性能好等特点。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，由宽带光源(1)、入射光纤(2)、长周期光纤光栅(3)、氢敏感薄膜(4)、恒温气室(5)、气体产生装置(6)、排气口(7)、出射光纤(8)、光谱分析仪(9)组成；宽带光源(1)发出的光束耦合到入射光纤(2)，入射光纤(2)的出射光束耦合到长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的出射光束耦合到出射光纤(8)，出射光纤(8)与光谱分析仪(9)相连；长周期光纤光栅(3)的一侧溅镀氢敏感薄膜(4)，置于恒温气室(5)中；气体产生装置(6)包括第一储气罐(10)、第二储气罐(11)、第一流量计(14)、第二流量计(15)和热交换器(18)，第一储气罐(10)经第一气体流道(12)与第一流量计(14)相连，第一流量计(14)经第一进气管道(16)与热交换器(18)相连，第二储气罐(11)经第二气体流道(13)与第二流量计(15)相连，第二流量计(15)经第二进气管道(17)与热交换器(18)相连，热交换器(18)经输气管道(19)与恒温气室(5)相连；排气口(7)位于恒温气室(5)的右上方。
所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于：长周期光纤光栅(3)由电弧放电或紫外激光器制成，周期为200μm～700μm，光栅长度为20mm；采用磁控溅射法在长周期光纤光栅(3)一侧溅射氢敏感薄膜(4)，具体为膜厚25nm～400nm的钯薄膜。
所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于：第一储气罐(10)内装有纯氮气，第二储气罐(11)内装有含有4％氢气含量的氮气。
本发明的工作原理是：
包层和纤芯的有效折射率以及光栅周期的关系式是：
λ i = ( n e f f ( λ i ) - n c l a d ( l ) ( λ i ) ) Λ
其中λ1表示耦合波长；neff表示传播纤芯的有效折射率；表示包层的有效折射率；Λ表示长周期光纤光栅的周期。
恒温气室(5)中氢气的浓度不同，其与氢敏感薄膜(4)发生敏感反应后，膜层的折射率发生了变化，这将导致谐振波长发生变化，波长改变时高次包层模与导模耦合的谐振波长处于长波长处，而低阶包层模与导模耦合的谐振波长处于短波长处，进一步引起透射谱的漂移，监测透射光谱波长漂移量可以实现氢气浓度的测量。
本发明的有益效果是：因待测氢气浓度的变化，镀钯膜层的长周期光纤光栅(3)的传感部位会发生明显的折射率变化，导致透射光谱波长漂移会发生明显变化，而透射光谱微小的波长漂移量都能够通过光谱分析仪(9)检测到，因此，该装置的探测精度，灵敏度都得到了大幅提高；气体产生装置(6)由装有纯氮气的第一储气罐(10)，装有含有4％氢气含量的氮气的第二储气罐(11)、第一流量计(14)、第二流量计(15)和热交换器(18)组成，使得产生的混合气体浓度控制在4％氢气含量以内，即低于氢气爆炸浓度，可充分保障该装置使用的安全性。
附图说明
图1是本发明的基于长周期光纤光栅的氢气传感装置示意图；
图2是本发明的长周期光纤光栅的氢气传感器；
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
参见附图1，一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，由宽带光源(1)、入射光纤(2)、长周期光纤光栅(3)、氢敏感薄膜(4)、恒温气室(5)、气体产生装置(6)、排气口(7)、出射光纤(8)、光谱分析仪(9)组成。本发明中的宽带光源(1)发出的光束耦合到入射光纤(2)，入射光纤(2)的出射光束耦合到长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的出射光束耦合到出射光纤(8)，出射光纤(8)与光谱分析仪(9)相连；长周期光纤光栅(3)的一侧溅镀氢敏感薄膜(4)，置于恒温气室(5)中；气体产生装置(6)包括第一储气罐(10)、第二储气罐(11)、第一流量计(14)、第二流量计(15)和热交换器(18)，第一储气罐(10)经第一气体流道(12)与第一流量计(14)相连，第一流量计(14)经第一进气管道(16)与热交换器(18)相连，第二储气罐(11)经第二气体流道(13)与第二流量计(15)相连，第二流量计(15)经第二进气管道(17)与热交换器(18)相连，热交换器(18)经输气管道(19)与恒温气室(5)相连；排气口(7)位于恒温气室(5)的右上方。
长周期光纤光栅(3)由电弧放电或紫外激光器制成，周期为200μm～700μm，光栅长度为20mm；采用磁控溅射法在长周期光纤光栅(3)一侧溅射氢敏感薄膜(4)，具体为膜厚25nm～400nm的钯薄膜；第一储气罐(10)内装有纯氮气，第二储气罐(11)内装有含有4％氢气含量的氮气。

Claims (3)

1.一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于：由宽带光源(1)、入射光纤(2)、长周期光纤光栅(3)、氢敏感薄膜(4)、恒温气室(5)、气体产生装置(6)、排气口(7)、出射光纤(8)、光谱分析仪(9)组成；宽带光源(1)发出的光束耦合到入射光纤(2)，入射光纤(2)的出射光束耦合到长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的出射光束耦合到出射光纤(8)，出射光纤(8)与光谱分析仪(9)相连；长周期光纤光栅(3)的一侧溅镀氢敏感薄膜(4)，置于恒温气室(5)中；气体产生装置(6)包括第一储气罐(10)、第二储气罐(11)、第一流量计(14)、第二流量计(15)和热交换器(18)，第一储气罐(10)经第一气体流道(12)与第一流量计(14)相连，第一流量计(14)经第一进气管道(16)与热交换器(18)相连，第二储气罐(11)经第二气体流道(13)与第二流量计(15)相连，第二流量计(15)经第二进气管道(17)与热交换器(18)相连，热交换器(18)经输气管道(19)与恒温气室(5)相连；排气口(7)位于恒温气室(5)的右上方。
2.根据权利要求1所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于，所述的长周期光纤光栅(3)由电弧放电或紫外激光器制成，周期为200μm～700μm，光栅长度为20mm；采用磁控溅射法在长周期光纤光栅(3)一侧溅射氢敏感薄膜(4)，具体为膜厚25nm～400nm的钯薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于，所述的第一储气罐(10)内装有纯氮气，第二储气罐(11)内装有含有4％氢气含量的氮气。
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