CN105572054A - 一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器，由宽带光源、环行器、拉锥光纤、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、氢敏感薄膜、尾纤、光栅解调仪组成。对单模光纤进行熔融拉锥后在其锥区的纤芯上间隔一定距离写入两个相同参数的FBG，第一光纤布拉格光栅用于温度补偿，第二光纤布拉格光栅表面均匀溅镀Ti/Pd薄膜形成光纤氢敏感头。该薄膜具有吸氢膨胀的特性，随着环境氢气浓度的变化挤压光纤改变FBG的光栅周期，利用两个FBG中心波长漂移量之差可以消除温度交叉敏感。利用Ti薄膜对光纤良好的吸附性，维持Pd薄膜的稳定和抑制其降解，可以极大的提高该新型传感器的灵敏度和重复性。
Description
技术领域
本发明属于光纤氢气传感技术领域，具体涉及一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器。
背景技术
H2是一种无污染的新型能源，燃烧时能与氧气反应释放能量和水，除燃料电池外，氢能也被用于其他领域，例如航空航天，飞机和汽车工业。氢极易挥发和燃烧，爆炸浓度范围非常广，但是电学传感装置容易产生电火花，不适合危险环境中的氢检测。光纤氢气传感能够克服电学传感器的缺陷，在可能存在氢泄漏的环境如储气罐和管道表面工作，信号传输距离远，精度不易受机械结构干扰，成为广受关注的研究领域。
光纤布拉格光栅(FBG)是最具应用潜力的光纤光栅，通过周期性调制纤芯折射率形成。宽带光波在通过FBG时，中心波长的光波被反射回来，其余波长的光则不受影响。在所有引起FBG反射光谱峰值波长漂移的外界因素中，最直接的是应力和温度参量。外界温度导致的热膨胀使得光栅周期发生变化，由于光纤布拉格光栅特殊的温度敏感特性，对于测量误差、应变传感的温度补偿以及应力与温度联合效应的研究是开发光纤光栅传感器的重要因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器，对单模光纤进行熔融拉锥后在其锥区的纤芯上间隔一定距离写入两个相同参数的FBG，一个FBG用于温度补偿，另一个FBG表面均匀溅镀Ti/Pd薄膜。该薄膜具有吸氢膨胀的特性，随着环境氢气浓度的变化挤压光纤改变FBG的光栅周期，利用两个FBG中心波长漂移量之差可以消除温度交叉敏感。在FBG表面先后溅射一定膜厚的Ti薄膜和Pd薄膜，利用Ti薄膜对光纤良好的吸附性，维持Pd薄膜的稳定和抑制其降解，可以极大的提高该新型传感器的灵敏度和重复性。
本发明通过以下技术方案实现：一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器由宽带光源（1）、环行器（2）、拉锥光纤（3）、第一光纤布拉格光栅（4）、第二光纤布拉格光栅（5）、氢敏感薄膜（6）、尾纤（7）、光栅解调仪（8）组成；宽带光源（1）与环行器（2）的a端口连接，拉锥光纤（3）与环行器（2）的b端口连接，光栅解调仪（8）与环行器（2）的c端口连接；在拉锥光纤（3）锥区的纤芯上依次写入第一光纤布拉格光栅（4）与第二光纤布拉格光栅（5），其中第一光纤布拉格光栅（4）表面裸露用于进行温度补偿，第二光纤布拉格光栅（5）表面均匀溅镀氢敏感薄膜（6）形成光纤氢敏感头。
所述的拉锥光纤（3）由单模光纤经过熔融拉锥制成，锥区光纤直径为80~100μm，锥区长度为20~25mm。
所述的第一光纤布拉格光栅（4）和第二光纤布拉格光栅（5）的反射中心波长约为1550nm，反射率为60%，长度为5~10mm，间距为5~10mm。
所述的氢敏感薄膜（6）具体为膜厚分别是5nm和100nm~200nm的Ti/Pd薄膜。
所述的尾纤（7）的端面经过拋磨处理，破坏端面平整。
本发明的工作原理是：宽带光源（1）产生中心波长1510nm~1610nm的光束入射环行器（2）的a端口，由于环行器（2）具有使电磁波单向环形传输的特性，a端口入射的光束将通过b端口出射，然后依次通过拉锥光纤（3），第一光纤布拉格光栅（4）以及第二光纤布拉格光栅（5）和氢敏感薄膜（6）形成的光纤氢敏感头。反射光沿相反路径返回到环行器（2）的b端口，经c端口出射后被光栅解调仪（8）接收。
对尾纤（7）的端面进行拋磨处理破坏端面平整，可以减少端面的菲涅尔反射，从而阻止其反射光重新耦合到拉锥光纤（3）的纤芯中。
FBG通过外界参量对布拉格中心波长λB的调制来获取传感信息。光纤中满足布拉格方程的光将发生极大的反射，形成反射的布拉格波长如下公式所示：
（1）
其中λB1、λB2分别表示两个FBG的反射波长，neff表示纤芯的有效折射率，Λ1、Λ2分别表示两个FBG的光栅周期。当外界环境变化时，例如温度和应力变化，将会引起Λ1、Λ2的变化。
第一光纤布拉格光栅（4）的反射中心波长将随温度变化发生漂移，其温度传感模型为
（2）
其中∂neff/∂T表示折射率温度系数，(Δneff)ep表示热膨胀引起的弹光效应，∂Λ/∂T表示光纤的线性热膨胀系数，∂neff/[∂(∂Λ/∂T)]表示由于膨胀导致光纤芯径变化而产生的波导效应。
第二光纤布拉格光栅（5）的反射中心波长将随温度和H2浓度变化发生漂移，其氢浓度传感模型为
（3）
其中PH表示环境中的H2分压（H2浓度），a表示拉锥后光纤的直径，b-a表示氢敏感薄膜（6）的膜厚，EF=72GPa、EPd=121 GPa分别表示纯硅光纤与钯材料的杨氏模量。
由于该新型传感器中第一光纤布拉格光栅（4）的反射中心波长不随H2浓度改变，其波长漂移量仅代表温度因素的影响，两个FBG的波长漂移量之差能对温度误差进行补偿。H2浓度变化产生的波长漂移可以表示为
（4）
因此，当外界的氢浓度变化时，温度补偿后测量到的中心波长漂移更为准确。
本发明采用的氢敏感薄膜（6）是Ti/Pd薄膜，由于钯材料能吸收900倍自身体积的H2，因此，该材料对H2浓度敏感，吸附H2分子后Pd膜的厚度和体积增加。当该薄膜被溅镀在第二光纤布拉格光栅（5）的表面时，该材料厚度和体积的变化会对光纤产生应力作用，同时改变光纤光栅的周期，通过监测反射光谱中反射峰位置的变化，可以得到FBG中心波长的漂移量，从而达到探测外界氢浓度的目的。
本发明的有益效果是：本发明通过设置两个相同参数的FBG，用温度波长漂移值对不同H2浓度下FBG中心波长漂移的测量数据进行补偿，减小测量误差，该光纤氢气传感器的抗干扰能力将得到显著提升；对单模光纤进行拉锥处理，削减包层厚度，将大大增强FBG光栅周期对H2浓度变化的响应能力，并实现低至0.1%的检测浓度极限；同时，提出将膜厚分别是5nm和100nm~200nm的Ti/Pd薄膜作为氢敏感膜，利用Ti薄膜对光纤良好的吸附性，维持Pd薄膜的稳定和抑制其降解，该新型传感器的灵敏度和重复性将明显增强。
附图说明
图1是本发明的一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器装置示意图。
图2是本发明的光纤氢敏感头示意图。
图3是本发明的光纤传感器在不同H2浓度下的反射光谱图。
图4是本发明的1% H2浓度下反射峰对应波长漂移量随温度变化的拟合曲线图。
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。
参见附图1，一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器，其特征在于：由宽带光源（1）、环行器（2）、拉锥光纤（3）、第一光纤布拉格光栅（4）、第二光纤布拉格光栅（5）、氢敏感薄膜（6）、尾纤（7）、光栅解调仪（8）组成；宽带光源（1）与环行器（2）的a端口连接，拉锥光纤（3）与环行器（2）的b端口连接，光栅解调仪（8）与环行器（2）的c端口连接；在拉锥光纤（3）锥区的纤芯上依次写入第一光纤布拉格光栅（4）与第二光纤布拉格光栅（5），其中第一光纤布拉格光栅（4）表面裸露用于进行温度补偿，第二光纤布拉格光栅（5）表面均匀溅镀氢敏感薄膜（6）形成光纤氢敏感头。
参见附图2，将单模光纤在H2的火焰中进行熔融拉锥制成拉锥光纤（3），锥区光纤直径为80μm，锥区长度为20mm，再用锉刀打磨破坏端面平整，在锥区的纤芯上依次写入第一光纤布拉格光栅（4）与第二光纤布拉格光栅（5）。环行器（2）b端口与拉锥光纤（3）的熔接采用光纤熔接机标准程序熔接而成，采用的光纤熔接机型号为Fujikura 60s。光纤布拉格光栅采用准分子激光器写入，光栅周期约为528nm，长度设置为8mm。
图3为本发明的光纤氢气传感器在0%和1% H2浓度的反射光谱实验图。可见，第一光纤布拉格光栅（4）中心波长约为1549.2nm，第二光纤布拉格光栅（5）中心波长约为1550.8nm，H2浓度从0%变化到1%时，第二光纤布拉格光栅（5）反射峰对应的波长向短波长方向发生了漂移。
图4为本发明的光纤氢气传感器在1% H2浓度情况下，反射峰对应波长漂移量随温度变化的拟合曲线图。随着实验温度逐渐增大，第二光纤布拉格光栅（5）反射波长漂移量逐渐增大，但是第一光纤布拉格光栅（4）和第二光纤布拉格光栅（5）的中心波长漂移量之差（H2造成的波长漂移）稳定不变，因此有效实现了温度补偿。本发明在室温和标准大气压条件下，能够响应0%~1%浓度范围内的H2，检测的浓度下限为0.1%，检测灵敏度优于20pm/%，具有良好的应用前景。
Claims (5)
1.一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器，其特征在于：由宽带光源（1）、环行器（2）、拉锥光纤（3）、第一光纤布拉格光栅（4）、第二光纤布拉格光栅（5）、氢敏感薄膜（6）、尾纤（7）、光栅解调仪（8）组成；宽带光源（1）与环行器（2）的a端口连接，拉锥光纤（3）与环行器（2）的b端口连接，光栅解调仪（8）与环行器（2）的c端口连接；在拉锥光纤（3）锥区的纤芯上依次写入第一光纤布拉格光栅（4）与第二光纤布拉格光栅（5），其中第一光纤布拉格光栅（4）表面裸露用于进行温度补偿，第二光纤布拉格光栅（5）表面均匀溅镀氢敏感薄膜（6）形成光纤氢敏感头。
2.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器，其特征在于：所述的拉锥光纤（3）由单模光纤经过熔融拉锥制成，锥区光纤直径为80~100μm，锥区长度为20~25mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器，其特征在于：所述的第一光纤布拉格光栅（4）和第二光纤布拉格光栅（5）的反射中心波长约为1550nm，反射率为60%，长度为5~10mm，间距为5~10mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器，其特征在于：所述的氢敏感薄膜（6）具体为膜厚分别是5nm和100nm~200nm的Ti/Pd薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器，其特征在于：所述的尾纤（7）的端面经过拋磨处理，破坏端面平整。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: Hangzhou City, Zhejiang province 310018 Xiasha Higher Education Park source Street No. 258 Applicant after: CHINA JILIANG UNIVERSITY Address before: Hangzhou City, Zhejiang province 310018 Xiasha Higher Education Park source Street No. 258 Applicant before: China Jiliang University |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20160511 |