CN106248625A - 一种氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢气传感器，由激光器，单模光纤，光纤准直器，第一透镜，第一半透半反镜，物镜，流体盒，Pd/SiO2薄膜，通气管，调节器，流量控制器，阀门，第二半透半反镜，第二透镜，衍射光栅，4f光学系统，CCD相机组成。激光器发出的激光经单模光纤与光纤准直器将激光变为准直光，经第一透镜聚焦在第一半透半反镜后反射到物镜，使激光平行出射到流体盒内，流体盒内充有N2和H2，激光通过Pd/SiO2薄膜反射通过物镜聚焦后通过第一半透半反镜和第二半透半反镜，反射光通过第二透镜成平行光线再通过衍射光栅及4f光学系统进行干涉，最后在CCD相机上显示干涉图像，通过Pd/SiO2薄膜晶格膨胀的变化来测氢气浓度，该发明灵敏度高、精度高，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于测量H2浓度技术领域，具体涉及一种氢气传感器。
背景技术
H2浓度高于极限爆炸浓度时就会发生爆炸，造成严重的事故，所以发明一种能够精确测量H2浓度并且能广泛应用于生活的传感器是时代所需。
目前最常用的测量H2浓度是基于热导池气相色谱仪，其测量误差较大，灵敏度低，操作复杂，不可连续测量，价格昂贵。
由于光学器件精度的限制以及照明不均匀，CCD相机及透镜表面的灰尘和污点，传感器热噪声等因素的影响，导致光学系统成像质量不高，输出的图像出现一定程度的降质，4f光学系统能够去除噪声及污点，消除光源的不均匀性使CCD相机能呈现清晰的干涉图像。
Pd/SiO2薄膜在N2气氛中以稳定存在，随着H2浓度的增加，薄膜产生晶格膨胀，该发明灵敏度高、精度高，具有良好的应用前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于以4f光学系统作为滤波器，通过观测CCD相机上的干涉图样，测量Pd/SiO2薄膜的晶格膨胀系数，由于Pd/SiO2薄膜的晶格膨胀系数和H2浓度符合siever定律，从而精确测量氢气浓度。
本发明通过以下技术方案实现：氢气传感器，由激光器(1)，单模光纤(2)，光纤准直器(3)，第一透镜(4)，第一半透半反镜(5)，物镜(6)，流体盒(7)，Pd/SiO2薄膜(8)，调节器(9)，流量控制器(10)，阀门(11)，第二半透半反镜(12)，第二透镜(13)，衍射光栅(14)，4f光学系统(15)，CCD相机(16)，通气管(17)组成，其特征在于：光纤准直器(3)尾纤端和单模光纤(2)相连；第一透镜(4)和物镜(6)的焦点均位于第一半透半反镜(5)的同一位置；流体盒(7)右端通过通气管(17)与阀门(11)，流量控制器(10)，调节器(9)相连。
所述的激光在单模光纤(2)中以直线传播，无色散。
所述的Pd/SiO2薄膜(8)是由SiO2作为基板，在N2气氛中稳定存在，相同高度的薄膜具有相同的复折射率。
所述的4f光学系统(15)能够去除噪声及污点，消除光源的不均匀性使CCD相机能呈现清晰的干涉图像。
本发明的工作原理是：由激光器(1)发出的激光在单模光纤(2)中以直线传播，再通过光纤准直器(3)使通过的激光变为平行的准直光，准直光通过第一透镜(4)后聚焦在第一半透半反镜(5)，反射到物镜(6)，使激光平行出射到流体盒(7)内，流体盒内(7)充有N2和H2，N2和H2由通气管(17)通入，通过调节器(9)和流量控制器(10)以及阀门(11)进行控制，激光通过Pd/SiO2薄膜(8)反射通过物镜(6)聚焦后通过第一半透半反镜(5)和第二半透半反镜(12)，反射光通过第二透镜(13)成平行光线再通过衍射光栅(14)及4f光学系统(15)进行干涉，最后在CCD相机(16)上显示干涉图像。当通入氢气的浓度不同，钯微Pd/SiO2薄膜(8)的高度发生改变，由于相同高度的Pd/SiO2薄膜(8)具有相同的复折射率，而定量相位成像的方法验证了Pd/SiO2薄膜(8)的晶格膨胀系数作为H2浓度的函数符合siever定律，所以通过观测CCD相机(16)显示的不同的干涉图样，测量出Pd/SiO2薄膜(8)的晶格膨胀变化，从而测得氢气的浓度。
本发明的有益效果是：本发明的设计是通过观测CCD相机显示的干涉图样，从而测得Pd/SiO2薄膜的晶格膨胀系数，由于Pd/SiO2薄膜的晶格膨胀系数和H2浓度符合siever定律，从而精确测得H2浓度，将4f光学系统作为滤波器，能有效的去除噪声及污点，消除光源的不均匀性使CCD相机能呈现清晰的干涉图像，而Pd/SiO2薄膜是由SiO2作为基板使相同高度的薄膜具有相同的复折射率，提高了测量的精确度，该发明具有灵敏度高、精度高，配置电路简单的优点。
附图说明
图1是氢气传感器结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，氢气传感器，由激光器(1)，单模光纤(2)，光纤准直器(3)，第一透镜(4)，第一半透半反镜(5)，物镜(6)，流体盒(7)，Pd/SiO2薄膜(8)，调节器(9)，流量控制器(10)，阀门(11)，第二半透半反镜(12)，第二透镜(13)，衍射光栅(14)，4f光学系统(15)，CCD相机(16)，通气管(17)组成，其特征在于：光纤准直器(3)尾纤端和单模光纤(2)相连；第一透镜(4)和物镜(6)的焦点均位于第一半透半反镜(5)的同一位置；流体盒(7)右端通过通气管(17)与阀门(11)，流量控制器(10)，调节器(9)相连。本发明的工作原理是：由激光器(1)发出的激光在单模光纤(2)中以直线传播，再通过光纤准直器(3)使通过的激光变为平行的准直光，准直光通过第一透镜(4)后聚焦在第一半透半反镜(5)，反射到物镜(6)，使激光平行出射到流体盒(7)内，流体盒内(7)充有N2和H2，N2和H2由通气管(17)通入，通过调节器(9)和流量控制器(10)以及阀门(11)进行控制，激光通过Pd/SiO2薄膜(8)反射通过物镜(6)聚焦后通过第一半透半反镜(5)和第二半透半反镜(12)，反射光通过第二透镜(13)成平行光线再通过衍射光栅(14)及4f光学系统(15)进行干涉，最后在CCD相机(16)上显示干涉图像。当通入氢气的浓度不同，Pd/SiO2薄膜(8)的高度发生改变，由于相同高度的Pd/SiO2薄膜(8)具有相同的复折射率，而定量相位成像的方法验证了Pd/SiO2薄膜(8)的晶格膨胀系数与H2浓度的函数符合siever定律，所以通过观测CCD相机(16)显示的不同的干涉图样，测量出Pd/SiO2薄膜(8)的晶格膨胀变化，从而测得氢气的浓度。
Claims (1)
1.一种氢气传感器，由激光器(1)，单模光纤(2)，光纤准直器(3)，第一透镜(4)，第一半透半反镜(5)，物镜(6)，流体盒(7)，Pd/SiO2薄膜(8)，调节器(9)，流量控制器(10)，阀门(11)，第二半透半反镜(12)，第二透镜(13)，衍射光栅(14)，4f光学系统(15)，CCD相机(16)，通气管(17)组成，其特征在于：光纤准直器(3)用于使通过的激光变为平行的准直光，准直光通过第一透镜(4)后聚焦在第一半透半反镜(5)，反射到物镜(6)，使激光平行出射到流体盒(7)内，流体盒内(7)充有N2和H2，N2和H2由通气管(17)通入，通过调节器(9)和流量控制器(10)以及阀门(11)进行控制，激光通过Pd/SiO2薄膜(8)反射通过物镜(6)聚焦后通过第一半透半反镜(5)和第二半透半反镜(12)，反射光通过第二透镜(13)成平行光线再通过衍射光栅(14)及4f光学系统(15)进行干涉，最后在CCD相机(16)上显示干涉图像；光纤准直器(3)尾纤端和单模光纤(2)相连；第一透镜(4)和物镜(6)的焦点均位于第二半透半反镜(5)的同一位置；流体盒(7)右端通过通气管(17)与阀门(11)，流量控制器(10)，调节器(9)相连。
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