CN107064066B - 一种基于光纤微腔双f-p游标放大氢气传感器的自标定方法及装置 - Google Patents

一种基于光纤微腔双f-p游标放大氢气传感器的自标定方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光纤微腔双F‑P游标放大氢气传感器的自标定方法及装置，其特征在于包括宽带光源、光谱分析仪、3dB耦合器、单模光纤、双F‑P氢气传感模块；双F‑P氢气传感模块由空芯光纤、多模光纤熔接形成；其中空芯光纤构成第一F‑P光纤微腔；多模光纤构成第二F‑P光纤微腔，外表面镀有银膜，银/钯复合膜。第一F‑P光纤微腔作为“基标尺”，提供一系列基准线，第二F‑P光纤微腔作为“游标尺”，用于感应待测量；当氢气浓度增加，银/钯复合膜体积发生膨胀，导致干涉谱移动，检测干涉波长的变化就可以得到氢气的浓度。针对现有光纤氢气传感器零基漂移的问题，提出了一种精度高，感应量程大的基于光纤微腔双F‑P游标放大氢气传感器的自标定方法及装置。

Description

一种基于光纤微腔双F-P游标放大氢气传感器的自标定方法 及装置
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于光纤微腔双F-P游标放大氢气传感器的自标定方法及装置。
背景技术
随着我国经济的高速发展，能源的需求与日俱增。而现在所使用的石油、煤炭等能源都是不可再生资源。同时，这些能源的使用会排放出大量的二氧化碳和温室气体，对环境危害大。氢能是一种无污染，储量大，热值高的清洁能源，是保障能源安全的永久性战略。但是，由于氢气分子量小，容易泄露，在生产，储存，运输，使用中存在很多安全隐患。因此，氢能在存储和使用过程中必须对其进行监测。现有的氢气传感器有催化式、热导式、电化学式、光学式等几大类产品。然而目前还没有任何一种氢气传感器能完全满足所有的市场要求。面对未来氢能市场的巨大需求，不断提升传感器的灵敏度、选择性、响应时间和稳定性一直是氢气传感技术的热点和难点。
光纤传感器兴起于八十年代，因其具有良好的实时性，具有较高的灵敏度等特点已经广泛应用于各个邻域，特别是受环境温湿度影响小，体积小，重量轻，是无源器件，不产生火花，本质安全这些特点，光纤传感技术在氢气检测领域引起广泛关注。目前，常见的光纤氢气传感器的类型主要有光纤干涉型、微透镜型、倏逝场型和布拉格光栅型等。钯因为其对氢气有很好的选择性、透过性和吸收性而普遍被用作光学氢气传感中。当氢气遇到钯时，氢气能够在钯表面离解为氢原子，通过扩散进入钯体内。当环境中的氢气浓度降低时钯中的氢又会结合成氢气脱附，该反应为可逆反应。但是在一些特殊场合，光纤氢气传感器仍存在一些不足，例如没有基准线，会出现零基漂移，测量精度不高；钯膜容易开裂导致测量范围小，探测灵敏度不高等问题。
针对上述光纤氢气传感器中所存在的不足，解决零漂问题，实现对氢气的高精度检测。本发明提出了一种基于光纤微腔双F-P游标放大氢气传感器的自标定方法及装置，这种方法选取双F-P干涉腔中一组干涉峰作为自标定线，解决零漂的问题，充分利用了光纤微腔所形成的双F-P干涉结构，实现游标放大效应，结合具有高稳定性的银钯合金膜实现对氢气的高精度检测。根据此技术所制做的光纤传感器具有感应氢气量程大，选择性好，精度高，响应时间短，重复性好，抗温度干扰等优点。
发明内容
本发明提供了一种基于光纤微腔双F-P游标放大氢气传感器的自标定方法及装置，以解决光纤氢气传感器普遍存在的零基漂移问题。
本发明的方法包括以下步骤：
步骤一选择一个输出波长为1420nm至1620nm的宽带光源(1)，一个工作波长覆盖1420nm至1620nm的光谱分析仪(2)，一个3dB耦合器(3)，单模光纤(4)，长度差为5μm～50μm的空芯光纤(6)、多模光纤(7)；
步骤二将空芯光纤(6)和多模光纤(7)这两段光纤的末端垂直切割，并用熔接机进行熔接，形成双F-P氢气传感模块(5)，其中空芯光纤(6)构成第一F-P光纤微腔(10)，多模光纤(7)构成第二F-P光纤微腔(11)；
步骤三在空芯光纤(6)外表面涂覆银胶，再对双F-P氢气传感模块(5)进行磁控溅射，使得双F-P氢气传感模块(5)外表面均匀镀上银膜(8)、银/钯复合膜(9)；银膜(8)的厚度应为2nm～10nm，银/钯复合膜(9)的厚度应为10nm～40nm，银/钯复合膜(9)中钯含量为银含量的2.5～3.5倍；由于空芯光纤(6)已涂覆银胶，所以不能紧密粘敷银膜(8)和银/钯复合膜(9)；进一步洗净银胶，只有多模光纤(7)外表面镀的银膜(8)和银/钯复合膜(9)被保留，从而形成敏感探头；先溅射银膜(8)，后溅射银/钯复合膜(9)能够提高膜与光纤传感头的结合力，另一方面也能够提高传感器的重复性和灵敏度；第一F-P光纤微腔(10)外表无镀膜，作为自标定技术“双标尺”中稳定的“基标尺”，为自标定技术提供一系列基准线，第二F-P光纤微腔(11)外表镀有银膜(8)，银/钯复合膜(9)，作为“游标尺”，用于感应待测量，可随待测量移动；
步骤四3dB耦合器(3)一侧的两个端口分别与宽带光源(1)，光谱分析仪(2)相连，3dB耦合器(3)另一侧的端口通过单模光纤(4)与带有自标定功能的双F-P氢气传感模块(5)相连；光谱分析仪(2)作为信号解调部分。
本发明为解决技术问题所采取的装置：
其特征在于：由宽带光源(1)、光谱分析仪(2)、3dB耦合器(3)、单模光纤(4)、双F-P氢气传感模块(5)组成；所述双F-P氢气传感模块(5)由空芯光纤(6)、多模光纤(7)熔接而成；其中空芯光纤(6)构成第一F-P光纤微腔(10)；多模光纤(7)构成第二F-P光纤微腔(11)，外表面镀有银膜(8)，银/钯复合膜(9)；3dB耦合器(3)一侧的两个端口分别与宽带光源(1)，光谱分析仪(2)相连，3dB耦合器(3)另一侧的端口通过单模光纤(4)与双F-P氢气传感模块(5)相连；光谱分析仪(2)作为信号解调部分。
本发明的有益效果为：
本发明选取双F-P干涉腔中一组干涉峰作为自标定线，解决零漂的问题，充分利用了光纤微腔所形成的双F-P干涉结构，实现游标放大效应，结合具有高稳定性的银钯合金膜实现对氢气的高精度检测。根据此技术所制做的光纤传感器具有感应氢气量程大，选择性好，精度高，响应时间短，重复性好，抗温度干扰等优点。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为本发明的双F-P氢气传感模块(5)的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
参见附图1，一种基于光纤微腔双F-P游标放大氢气传感器的自标定方法及装置，包括宽带光源(1)、光谱分析仪(2)、3dB耦合器(3)、单模光纤(4)、双F-P氢气传感模块(5)；所述双F-P氢气传感模块(5)由空芯光纤(6)、多模光纤(7)熔接而成；其中空芯光纤(6)构成第一F-P光纤微腔(10)；多模光纤(7)构成第二F-P光纤微腔(11)，外表面镀有银膜(11)，银/钯复合膜(12)；3dB耦合器(3)一侧的两个端口分别与宽带光源(1)，光谱分析仪(2)相连，3dB耦合器(3)另一侧的端口通过单模光纤(4)与双F-P氢气传感模块(5)相连；光谱分析仪(2)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，由单模光纤(4)输入到3dB耦合器(3)，3dB耦合器(3)将信号光通过单模光纤(4)输入到双F-P氢气传感模块(5)在端面反射，反射光经过单模光纤(4)，通过3dB耦合器(3)与宽带光源(1)相连接侧的另一端口相干输出到光谱分析仪(2)。
第一F-P光纤微腔(10)外无氢气敏感膜，作为自标定技术“双标尺”中稳定的“基标尺”，为自标定技术提供一系列基准线，第二F-P光纤微腔(11)外表镀有银膜(8)，银/钯复合膜(9)，作为“游标尺”，用于感应待测量，可随待测量移动；这时的光纤微腔双F-P游标放大氢气传感器具有自标定功能。
第一F-P光纤微腔(10)与第二F-P光纤微腔(11)分别对应于游标卡尺里面的标尺和游尺，所以双F-P氢气传感模块(5)由于游标放大效应，能实现对氢气的高精度测量；
当氢气浓度增加，银/钯复合膜(9)吸收氢后，体积发生膨胀，从而对第二F-P光纤微腔(11)施加轴向的应力，改变光纤干涉仪相位，导致光纤传感头干涉谱移动；第一F-P光纤微腔(10)无氢气敏感膜，微腔有效长度不变，为实验提供“基线”；利用光谱分析仪(2)检测干涉波长的变化就可以得到氢气的浓度。
该发明能够实现基于光纤微腔双F-P游标放大氢气传感器的自标定方法及装置的关键技术有：
选取双F-P干涉腔中一个无氢气敏感膜的F-P光纤微腔作为自标定方法“双标尺”中的“基标尺”，为自标定方法提供一系列基准线，从而获得一个稳定的“基标尺”，另一个镀有银膜，银/钯复合膜的F-P光纤微腔作为“游标尺”，用于感应待测量，可随待测量移动，以此解决零漂的问题；利用了光纤微腔所形成的双F-P干涉结构，选取了两段等效腔长不同的F-P光纤微腔，实现游标放大效应；结合具有高稳定性的银钯合金膜，通过多次交替溅射，提高膜与光纤传感头的结合力，实现对氢气的高精度检测。根据此方法所研制的光纤传感器具有感应氢气量程大，选择性好，精度高，响应时间短，重复性好，抗温度干扰等优点。
本发明的一个具体实施例中，光源的输出波长为1200nm～1650nm；光谱仪的工作波长覆盖范围为1200nm～1650nm；单模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，多模光纤用的是渐变折射率多模光纤，纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，空芯光纤用的是石英毛细管(TSP075150)，外径为150μm，内径为75μm，涂层为12μm；空芯光纤和多模光纤的长度分别为200μm和215μm，长度差为15μm；银膜厚度为5nm，银/钯复合膜厚度为30nm，银和钯的比例为1∶3，在氢气浓度在0％至1.6％范围内，基于光纤微腔双F-P游标放大氢气传感器的灵敏度为20nm/％。

Claims (2)

1.一种基于光纤微腔双F-P游标放大氢气传感器的自标定方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤一选择一个输出波长为1420nm至1620nm的宽带光源(1)，一个工作波长覆盖1420nm至1620nm的光谱分析仪(2)，一个3dB耦合器(3)，单模光纤(4)，长度差为5μm～50μm的空芯光纤(6)、多模光纤(7)；
步骤二将空芯光纤(6)和多模光纤(7)这两段光纤的末端垂直切割，并用熔接机进行熔接，形成双F-P氢气传感模块(5)，其中空芯光纤(6)构成第一F-P光纤微腔(10)，多模光纤(7)构成第二F-P光纤微腔(11)；
步骤三在空芯光纤(6)外表面涂覆银胶，再对双F-P氢气传感模块(5)进行磁控溅射，使得双F-P氢气传感模块(5)外表面均匀镀上银膜(8)、银/钯复合膜(9)；银膜(8)的厚度应为2nm～10nm，银/钯复合膜(9)的厚度应为10nm～40nm，银/钯复合膜(9)中钯含量为银含量的2.5～3.5倍；由于空芯光纤(6)已涂覆银胶，所以不能紧密粘敷银膜(11)和银/钯复合膜(12)；进一步洗净银胶，只有多模光纤(7)外表面镀的银膜(8)和银/钯复合膜(9)被保留，从而形成敏感探头；先溅射银膜(8)，后溅射银/钯复合膜(9)能够提高膜与光纤传感头的结合力，另一方面也能够提高传感器的重复性和灵敏度；第一F-P光纤微腔(10)外表无镀膜，作为自标定技术“双标尺”中稳定的“基标尺”，为自标定技术提供一系列基准线，第二F-P光纤微腔(11)外表镀有银膜(8)，银/钯复合膜(9)，作为“游标尺”，用于感应待测量，可随待测量移动；
步骤四3dB耦合器(3)一侧的两个端口分别与宽带光源(1)，光谱分析仪(2)相连，3dB耦合器(3)另一侧的端口通过单模光纤(4)与带有自标定功能的双F-P氢气传感模块(5)相连；光谱分析仪(2)作为信号解调部分。
2.实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于：由宽带光源(1)、光谱分析仪(2)、3dB耦合器(3)、单模光纤(4)、双F-P氢气传感模块(5)组成；所述双F-P氢气传感模块(5)由空芯光纤(6)、多模光纤(7)熔接而成；其中空芯光纤(6)构成第一F-P光纤微腔(10)；多模光纤(7)构成第二F-P光纤微腔(11)，外表面镀有银膜(8)，银/钯复合膜(9)；3dB耦合器(3)一侧的两个端口分别与宽带光源(1)，光谱分析仪(2)相连，3dB耦合器(3)另一侧的端口通过单模光纤(4)与双F-P氢气传感模块(5)相连；光谱分析仪(2)作为信号解调部分。
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