CN108717042B - 一种全保偏反射式氢气浓度检测装置 - Google Patents

一种全保偏反射式氢气浓度检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全保偏反射式氢气浓度检测装置，该装置包括：光源、光纤偏振分束器，氢气传感头，光谱分析仪、信号处理单元。氢气传感头主体为一段保偏光子晶体光纤，其侧面镀钯膜、一端与镀有反射膜的薄无芯光纤连接，形成反射型光子晶体光纤氢气传感头。光源保偏尾纤与偏振分束器入射保偏尾纤0度熔接，形成保偏光纤光路，偏振分束器输出保偏尾纤以角度θ与氢气传感头保偏光子晶体光纤熔接，由保偏光子晶体光纤端面反射的信号光经偏振分束器和保偏尾纤到达光谱分析仪，并由信号处理单元处理输出结果。该装置光路全部为保偏光纤，氢气传感头也为全保偏反射式结构，装置结构简单、可靠，性能稳定，安装方便，可实现狭小空间氢气浓度检测。

Description

一种全保偏反射式氢气浓度检测装置
技术领域
本发明属于气体浓度检测设备技术领域，具体涉及一种全保偏反射式氢气浓度检测装置。
背景技术
氢由于其本身的特点，如：低密度、低沸点、高还原性、高扩散系数以及较高的燃烧热量，在能源及还原剂领域有着不可替代的作用。但是也正是由于氢的这些特点，使得其在存储、运输过程中极易发生泄漏，当泄漏到空气中氢的浓度达到4％以上，空气变得易燃，当浓度更大时，极易发生爆炸，威胁人类生命财产的安全。因此，如何实时监测环境中氢的浓度成为安全高效利用氢的重要研究课题。
由于氢气是无色、无嗅、无味气体，检测其是否存在甚至其浓度都不可以再用常规的气体检测方法。根据氢气传感原理的不同，氢气传感器可以分为催化型、导热系数型、电化学型、电阻型、功函数型以及光纤型。与其他类型传感器相比较，光纤型氢气传感器由于光纤本身的特点具有许多独特的优点，如体积小、质量轻、抗电磁干扰、耐高温、高压、腐蚀等特殊环境等。
目前典型的光纤氢气传感器有微透镜型光纤氢传感器、布拉格光栅型光纤氢传感器、渐逝场型光纤氢传感器和干涉型光纤氢气传感器，其中微透镜光纤氢气传感器的传感单元是端面镀钯膜的单模或多模光纤，这就使得传感头的灵敏度和使用寿命有很大的限制；布拉格光栅型光纤氢传感器的传感单元是光栅，然而光栅本身的制作成本较高，且其也易受环境温度的影响，这都严重限制了其使用效果；渐逝场型光纤氢传感器的传感单元是在纤芯附近形成一个渐逝场，这对制作工艺有很高的要求，不易于产品化；干涉型光纤氢气传感器的测量精度高，重复性好，但其易受环境温度的影响，结构也比较复杂。
本发明提供的是一种全保偏反射式氢气浓度检测装置。采用全保偏尾纤偏振分束器实现光路起偏、检偏和分光功能，与氢气传感头连接形成全保偏反射光路；氢气传感头的主体为一段侧面镀钯膜的保偏光子晶体光纤，其一端与镀有反射膜的薄无芯光纤连接，形成反射型光子晶体光纤氢气传感头，避免了温度等环境因素的交叉敏感。装置结构简单、可靠，性能稳定，安装方便，可实现狭小空间氢气浓度检测。
发明内容
本发明针对已有技术的不足，提供了一种全保偏反射式氢气浓度检测装置，大大降低了系统的复杂度，提高了系统的实用性。
本发明采用的技术方案为：如图1所示，一种全保偏反射式氢气浓度检测装置，该装置包括：光源1、光纤偏振分束器3，氢气传感头6，光谱分析仪8、信号处理单元9。氢气传感头6主体为一段保偏光子晶体光纤10，其一段侧面镀钯膜11、一端与镀有反射膜13的薄无芯光纤12连接，如图2所示，形成反射型光子晶体光纤氢气传感头。光源1保偏尾纤与偏振分束器3入射保偏尾纤0度熔接，形成保偏光纤光路2，偏振分束器3输出保偏尾纤4以角度θ与氢气传感头6保偏光子晶体光纤另一端熔接，由光纤端面反射的信号光经偏振分束器3和保偏尾纤7到达光谱分析仪8，并由信号处理单元9处理输出结果。
该装置中光的偏振态演变过程如图1右下角所示，光源1发出的自然光经过偏振分束器3变成沿保偏尾纤4偏振主轴传输线偏振光，线偏振光在经过熔接点5的角度θ到达氢气传感头6时，将在氢气传感头6中激起两个偏振模式并在氢气传感头6的另一端被全部反射，在熔接点5处再次耦合干涉，并沿保偏尾纤4原光路返回，经过偏振分束器3时，只有沿保偏尾纤4偏振副轴的干涉光分量能够经保偏尾纤7到达光谱分析仪8，最后由信号处理单元9处理输出结果。当镀有钯膜的氢气传感头6处于含有氢气的气氛中时，钯会吸收氢形成氢化物发生膨胀，沿光纤轴向产生应变拉伸光纤，致使保偏光子晶体光纤的有效光程增加，两个偏振模式的相位差发生改变，最终由光谱分析仪8接收到的干涉光谱的极小值波长发生移动。监测并记录极小值波长的移动，通过建立的氢气浓度检测数值模型就能计算得到氢气浓度值。
其中，如图2所示，氢气传感头6主体为一段保偏光子晶体光纤10，其一段侧面镀钯膜11、一端与镀有反射膜13的薄无芯光纤12连接，形成反射型光子晶体光纤氢气传感头。其中的的保偏光子晶体光纤可以为实芯，也可以是空芯。
其中，熔接点5处的角度θ不能取0°或90°，且优选45°。
其中，光源1是宽谱的掺铒光纤光源(SFS)，其中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽大于40nm。
其中，光谱分析仪8是YOKOGAWA公司生产的AQ6370型光谱分析仪。
本发明的检测原理在于：两个偏振模式由于相同方向存在相位差而发生干涉，当环境氢气浓度发生改变时，相位差发生改变，干涉谱极小值波长发生移动。偏振光的干涉光强可由式(1)给出：
Figure BDA0001675192120000031
式(1)中θ为熔接点5处的熔接角度，Δn是保偏光子晶体光纤双折射，L为保偏光子晶体光纤长度，λ为波长。从式(1)，中可以很明显看出，当θ＝45°时，干涉的对比度最好，因此，本发明中θ的优选值为45°。干涉谱的极小值条件为
Figure BDA0001675192120000032
式中m为整数，λm为极小值处的峰值波长。峰值波长移动Δλ可以表示为：
Figure BDA0001675192120000033
式中，B0和L0分别为所用保偏光子晶体光纤的固有双折射，BPd为镀膜产生的附加双折射，LPd为保偏光子晶体光纤侧面镀钯膜部分的长度，ΔBPd为钯吸氢后镀膜部分保偏光子晶体光纤的双折射变化量，其与氢气浓度检测公式为：
ΔBPd＝k·x (3)
式(3)中k为镀有钯膜的保偏光子晶体光纤的双折射氢敏系数，x为待测氢气浓度。
由(2)、(3)式可得氢气浓度检测数值模型为：
Figure BDA0001675192120000034
当系统固定时，式(4)的前一项为固定值，因此通过检测干涉谱最小值波长的移动Δλ就可以得到氢气浓度x。
本发明所提供的基于反射式萨格纳克干涉的氢气浓度检测装置的优点在于：
(1)本装置采用全保偏尾纤偏振分束器实现光路起偏、检偏和分光功能，相比传统结构采用单模耦合器和起偏器来分别实现，结构更简单，增强了系统的集成性并降低了成本，且光路部分全为保偏光纤，系统更加稳定、可靠。
(2)本装置采用一段侧面镀钯膜的保偏光子晶体光纤与端面镀有反射的无芯光纤熔接作为传感单元，光子晶体光纤性能稳定，不易受环境温度影响，同时无芯光纤端面镀反射膜实现了反射式光路，使得装置结构简单、安装方便，可实现狭小空间氢气浓度检测。
附图说明
图1为全保偏反射式氢气浓度检测装置及光偏振态演变示意图；
图2为本发明提供的氢气传感头结构示意图；
图3为本发明使用的宽谱光源的输出光谱图；
图4为本发明使用宽谱光源测得的氢气反应前后反射谱图；
图5氢气浓度测试曲线图。
图中：1为宽谱光源、2为光源与偏振分束器连接保偏光路、3为偏振分束器、4为偏振分束器保偏尾纤、5为偏振分束器尾纤与氢气传感头熔接点、6为为氢气传感头、7为偏振分束器与光谱分析仪连接保偏光路、8为光谱分析仪、9信号处理单元、10为保偏光子晶体光纤，11为保偏光子晶体光纤侧面镀的钯膜、12为无芯光纤、13为无芯光纤端面镀的反射膜。
具体实施方式
现结合附图对本发明作详细说明。
图1给出了全保偏反射式氢气浓度检测装置及光偏振态演变示意图。如图1中的光偏振态演变示意图所示，光源1发出的自然光经过偏振分束器3变成沿保偏尾纤4偏振主轴传输线偏振光，线偏振光在经过熔接点5的角度θ到达氢气传感头6时，将在氢气传感头6中激起两个偏振模式并在氢气传感头6的另一端被全部反射，在熔接点5处再次耦合干涉，并沿保偏尾纤4原光路返回，经过偏振分束器3时，只有沿保偏尾纤4偏振副轴的干涉光分量能够经保偏尾纤7到达光谱分析仪8，最后由信号处理单元9处理输出结果。
下面结合实施例作进一步说明。
实施例：
图1给出了全保偏反射式氢气浓度检测装置及光偏振态演变示意图，包括：宽谱光源1、光纤偏振分束器3，氢气传感头6，光谱分析仪8、信号处理单元9。氢气传感头6主体为一段保偏光子晶体光纤10，其一段侧面镀钯膜11、一端与镀有反射膜13的薄无芯光纤12连接，形成反射型光子晶体光纤氢气传感头。所述保偏光子晶体光纤可以是实芯，也可以是空芯，本实例中采用实芯的保偏光子晶体光纤。
如图3所示为本发明所用宽谱光源1的输出光谱，根据图1所示装置示意图搭建氢气检测系统，将该全保偏反射式氢气浓度检测装置的氢气传感头6暴露在不含氢气的环境中，光谱分析仪8可以得到如图4所示的氢气反应前的干涉光谱图；保证其他实验条件完全相同的条件下，将该装置的氢气传感头6放置在含有氢气的环境中，光谱分析仪8可以得到如图4所示的氢气反应后的干涉光谱图。对比氢气反应前后的干涉光谱图可以由信号处理单元9得到极小值波长的移动Δλ，并根据建立的氢气浓度检测数值模型得到氢气浓度。
将该装置的氢气传感头6置于氢气罐中进行测试，设置氢气传感头6所处氛围的氢气浓度分别为0％、1％、2％、3％、4％，得到的极小值波长移动量Δλ与氢气浓度的关系如图5所示。
本发明提供的是一种全保偏反射式氢气浓度检测装置，采用全保偏尾纤偏振分束器实现光路起偏、检偏和分光功能，相比传统结构采用耦合器和起偏器来分别实现，结构更简单，增强了系统的集成性并降低了成本，且光路部分全为保偏光纤，系统更加稳定、可靠。同时采用一段侧面镀钯膜、一端镀反射膜的保偏光子晶体光纤作为传感单元，光子晶体光纤性能稳定，不易受环境温度影响，同时端面镀反射膜实现了反射式光路，使得装置结构简单、安装方便，可实现狭小空间氢气浓度检测。

Claims (3)

1.一种全保偏反射式氢气浓度检测装置，其特征在于：该装置包括：光源（1）、光纤偏振分束器（3），氢气传感头（6），光谱分析仪（8）、信号处理单元（9），氢气传感头（6）主体为一段保偏光子晶体光纤（10），其侧面镀钯膜（11）、一端与镀有反射膜（13）的薄无芯光纤（12）连接，形成反射型光子晶体光纤氢气传感头；光源（1）保偏尾纤与偏振分束器（3）入射保偏尾纤0度熔接，形成保偏光纤光路（2），偏振分束器（3）输出第一保偏尾纤（4）以角度θ与氢气传感头（6）保偏光子晶体光纤熔接，形成熔接点（5），由光纤端面反射的信号光经偏振分束器（3）和第二保偏尾纤（7）到达光谱分析仪（8），并由信号处理单元（9）处理输出结果，采用全保偏尾纤偏振分束器实现光路起偏、检偏和分光功能，与氢气传感头连接形成全保偏反射光路；氢气传感头（6）主体为一段保偏光子晶体光纤（10），其侧面镀钯膜（11）、一端与镀有反射膜（13）的薄无芯光纤（12）连接，保偏光子晶体光纤（10）的另一端偏振分束器（3）输出第一保偏尾纤（4）以角度θ熔接，实现氢气浓度传感，所述保偏光子晶体光纤为实芯或空芯保偏光子晶体光纤。
2.根据权利要求1所述的全保偏反射式氢气浓度检测装置，其特征在于，所述熔接点（5）处的角度θ不能取0°或90°。
3.根据权利要求2所述的全保偏反射式氢气浓度检测装置，其特征在于，所述熔接点（5）处的角度θ为45°。
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