CN110927113A - 一种纤维集成氢气传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种纤维集成氢气传感器及其制作方法。所述的氢气传感器包括依次相连的光源1、单模光纤2、光环行器3、双芯光纤5、氢气敏感膜6、反射膜7、光谱分析仪8。所述的氢气敏感膜覆盖在由双芯光纤抛磨成的D型光纤上，通过在单模光纤与双芯光纤焊点处熔融拉锥并在端面制作反射膜构成干涉仪。当氢气敏感膜6吸收氢气后，体积发生剧烈膨胀，产生轴向应变，由于氢气敏感膜覆盖在抛磨区域，因此双芯光纤发生弯曲，两纤芯产生光程差使干涉谱发生漂移。通过对干涉谱进行监测即可测出氢气浓度变化。本发明具有结构简单、集成度高、易于制备等优点。

Description

一种纤维集成氢气传感器及其制作方法
(一)技术领域
本发明涉及一种纤维集成氢气传感器及其制作方法，具体涉及一种基于双芯光纤的纤维集成氢气传感器，属于光纤传感技术领域。
(二)背景技术
氢气是一种清洁并且可重复利用的能源，被广泛用于汽车工业、航空航天、化学加工等各个领域。由于氢气高的扩散率、低的燃点和很宽的爆炸范围，氢气极易泄露并引起爆炸。由此可见，研究和发展实体化的氢气传感技术是研究氢能、利用氢能和防止氢气危害的首要条件。传统的电化学式传感器的传感器信号是电信号，存在引燃氢气的潜在危险并且难以实现氢气的单一选择性检测。相比于传统的电化学氢气传感器，光纤氢气传感器具有安全性高，不受电磁干扰，远距离测量等优势，适用于氢气这种危险气体的监测，受到广泛关注。
光纤氢气传感器的测量原理是利用氢气与沉积在光纤上的氢敏感材料发生反应来改变氢敏感材料的某些性质，使得光纤中光信号的波长或强度发生变化，进而通过检测光信号的改变量来反推出外界氢气的浓度，由于是采用了光信号作为传感和解调介质，光纤氢气传感器具有本质安全、抗电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀等优点，科工作于入矿井、核设施及太空等恶劣环境中，能够满足未来市场对氢气传感器的多样化需求，具有巨大的发展潜力和广阔的商业前景。
在现有技术中，传感器包括光栅型氢气传感器和干涉型氢气传感器两种传感器。其中，在光栅型氢气传感器的制备过程中，首先制备光纤布拉格光栅结构，然后在光栅部分镀钯或其他材料的氢气敏感膜，氢气敏感膜在接触氢气时会发生形变，导致光栅周期形变，进而引起光栅光谱变化，以此为基础可进行氢气浓度传感。专利CN 102175619 A提出了一种在D型光纤光栅上镀膜制作氢气传感器的方法，该方法的缺点在于镀膜后的布拉格光栅相对形变较小，难以标定。专利CN 108844921 A提出了一种基于倾斜光栅的氢气传感器，该传感器利用在倾斜光栅外镀氢气敏感膜，倾斜光栅将大部分入射光耦合为向后传输的包层模式，符合项为匹配条件的包层模式在氢气敏感膜处发生表面等离子体共振，形成表面等离子波。当敏感膜吸收氢气发生折射率变化时，改变了相位匹配条件，进而改变了透射峰的波长。但该方法需要环绕光纤包层镀上均匀的氢气敏感膜，且对膜厚有较高的要求，制作起来较为困难，重复性较差。
而在干涉型氢气传感器的制备过程中，首先需要制备光纤干涉式结构(马赫曾德或法布里珀罗)，然后在光纤干涉结构上镀钯或其他材料的氢气敏感膜，氢气敏感膜在接触氢气时会发生形变，导致干涉结构的形变，进而引起光谱变化，以此为基础可进行氢气浓度传感。专利CN 103994985 A提出了一种基于法布里珀罗干涉的光纤氢气传感器，利用氢气敏感膜吸收氢气膨胀的特性对氢气浓度进行监测。但是该方法的缺点在于需要对光纤进行微加工，在光纤上制作微腔，成本较高，且制作成的器件较脆弱，不利于保存。专利CN208505893 U提出了一种基于光子晶体光纤的马赫曾德干涉型氢气传感器，在光子晶体光纤的空气空孔中填充折射率匹配液，利用氢气敏感膜吸收氢气温度改变的特性对氢气浓度进行监测，此种方法制作的氢气传感器易受外界温度的影响，难以对氢气浓度进行精确监测。
(三)发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑，不受外界影响，稳定性好的氢气传感器。
本发明的另一目的在于提供一种氢气传感器的制作方法。
为达到上述目的，本发明采用的方案是：
一种纤维集成氢气传感器及其制作方法，其特征在于：包括依次相连的光源、单模光纤、光环行器、双芯光纤、氢气敏感膜、反射膜、光谱分析仪。所述的氢气敏感膜覆盖在由双芯光纤抛磨成的D型光纤上，通过在单模光纤与双芯光纤焊点处熔融拉锥制成干涉仪。所使用的氢气敏感膜可以是单层薄膜也可以是多层复合型薄膜。
当氢气敏感膜吸收氢气后，体积发生剧烈膨胀，产生轴向应变，由于双芯光纤侧面抛磨，且氢气敏感膜覆盖在抛磨区域，所以导致双芯光纤发生弯曲，两纤芯产生不同程度的形变，因此两纤芯产生光程差，引起干涉谱发生漂移。
本发明的工作原理：
在氢气敏感膜吸收氢气后，体积会剧烈膨胀，由此引起沿光纤轴向的应变。由于敏感膜覆盖在D型光纤被抛磨的区域上，从而引起光纤的弯曲，导致两个纤芯产生光程差。
根据Mach-Zehnder干涉原理，输出光
Figure BDA0002252508650000031
其中，相位
Figure BDA0002252508650000032
两干涉光路的长度差ΔL＝L1-L2。由上述公式可知，输出光的光强与两干涉光路的光强和相位有关。在两干涉臂有效折射率和光强一定的情况下，输出的光只与相位有关，即与两干涉臂的长度有关。
为了避免氢气敏感膜对纤芯内传输的光造成影响，侧抛剩余的薄层厚度应大于5微米。
为了保证氢气敏感膜膨胀能够有效地改变两纤芯的长度差，在侧抛时应保证侧抛区域靠近一根纤芯且远离另一根纤芯。
根据上述发明构思和工作原理，本发明采用下述技术方案：
D型光纤通过使用光纤侧抛装置抛磨的方式制成，将双芯光纤放置在侧抛轮的下方，通过显微镜调整光纤方向，使侧抛轮与两个纤芯所在的平面互相垂直，一个纤芯靠近侧抛轮，另一个纤芯远离侧抛轮，在抛磨时通过显微镜实时观测剩余包层厚度，在抛磨至所需深度时停止机器。为了保证氢气敏感膜对沿纤芯传输的光不产生影响，剩余包层的厚度应大于5微米。在侧抛完成的D型光纤上制作氢气敏感膜，可以使用粘贴的方式，也可使用溅射镀膜的方式。所使用的敏感膜可以为单层金属敏感膜，也可以使用多层复合型敏感膜。制作完成的D型光纤截面如图4所示。
所使用的双芯光纤可以是对称型的双芯光纤，也可以是非对称型的双芯光纤。两个纤芯的直径和折射率可以相同也可以不相同。为了避免沿两个纤芯传输的光相互耦合，两个纤芯的芯间距应大于10微米。
(四)附图说明
图1是基于双芯光纤的纤维集成氢气传感装置示意图
图2是基于双芯光纤的纤维集成氢气传感器结构示意图
图3是D型双芯光纤的侧面示意图
图4是对称型D型双芯光纤截面示意图
图5是非对称型D型双芯光纤截面意图
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明的纤维集成磁光开关的具体实施方式加以说明：
实施例1
如图2所示，一种基于对称型双芯光纤的纤维集成氢气传感器。
其装置如图1所示，包括光源1、单模光纤2、光环行器3、双芯光纤5、氢气敏感膜6、反射膜7、光谱分析仪8。光源1发出的光经单模光纤201传输到光环行器301端口，经302端口输出通过光纤锥4将光按一定比例耦合到D型双芯光纤5的两个纤芯中，经端面反射膜7反射，两纤芯的光向回传输，经光纤锥4发生干涉，干涉光由光环行器302端口输入，经303端口输出，通过光谱分析仪8对输出光进行监测。所使用的双芯光纤为对称型双芯光纤，两纤芯关于光纤圆心对称，制成的D型光纤如图4所示。
制作方法如下：D型光纤通过使用光纤侧抛装置抛磨的方式制成，将双芯光纤放置在侧抛轮的下方，通过显微镜调整光纤方向，使侧抛轮与两个纤芯所在的平面互相垂直，一个纤芯靠近侧抛轮，另一个纤芯远离侧抛轮，在抛磨时通过显微镜实时观测剩余包层厚度，在抛磨至所需深度时停止机器。为了保证氢气敏感膜对沿纤芯传输的光不产生影响，剩余包层的厚度应大于5微米。在侧抛完成的D型光纤上制作氢气敏感膜，使用溅射镀膜的方式在侧抛区域制作单层金属敏感膜，制作完成的光纤如图3所示。之后利用熔接机将双芯光纤的一端与单模光纤焊接，并利用熔融拉锥装置在焊接处进行拉锥，在另一端通过监测装置对两个纤芯的分光比进行实时测量，当两个纤芯的分光比为1:1时停止拉锥；之后在端面镀上金属反射膜。最后依次将光源及光谱分析仪与光环行器相连。至此，基于基于对称型双芯光纤的纤维集成氢气传感器就制作完成了。
双芯光纤的两个纤芯作为干涉仪的两个干涉臂，在光纤锥4处进行干涉，在氢气敏感膜吸收氢气后，体积会剧烈膨胀，由此引起沿光纤轴向的应变。由于敏感膜覆盖在D型光纤被抛磨的区域上，从而引起光纤的弯曲，导致两个纤芯的长度发生变化，最终是干涉谱漂移。
实施例2
一种基于对称型双芯光纤的纤维集成氢气传感器。
其结构同实施例1，区别在于所使用的双芯光纤为非对称型双芯光纤，其结构图如图3所示，其中一个纤芯在光纤中间，另一个纤芯在外包层中。

Claims (7)

1.一种纤维集成氢气传感器及其制作方法，其特征在于：包括依次相连的光源、单模光纤、光环行器、双芯光纤、氢气敏感膜、反射膜、光谱分析仪。所述的氢气敏感膜覆盖在由双芯光纤抛磨成的D型光纤上，通过在单模光纤与双芯光纤焊点处熔融拉锥并在端面制作反射膜构成干涉仪。当氢气敏感膜吸收氢气后，体积发生剧烈膨胀，产生轴向应变，由于氢气敏感膜覆盖在抛磨区域，因此双芯光纤发生弯曲，两纤芯产生光程差使干涉谱发生漂移。
2.根据权利要求1所述的一种纤维集成氢气传感器及其制作方法，其特征在于所述的氢气敏感膜可以为单层金属膜也可以为多层复合膜。
3.根据权利要求1所述的一种纤维集成氢气传感器及其制作方法，其特征在于所述的氢气敏感膜具有吸收氢气体积膨胀的特性。
4.根据权利要求1所述的一种纤维集成氢气传感器及其制作方法，其特征在于所述的氢气敏感膜可以使用溅射镀膜的方式制作，也可以使用粘贴的方式。
5.根据权利要求1所述的一种纤维集成氢气传感器及其制作方法，其特征在于所述的D型光纤由两个纤芯构成，可以是对称型的双芯光纤，也可以是非对称型的双芯光纤。
6.根据权利要求1所述的一种纤维集成氢气传感器及其制作方法，其特征在于所述的D型光纤是通过侧面抛磨的方式制成，剩余的包层厚度大于5微米。
7.根据权利要求1所述的一种纤维集成氢气传感器及其制作方法，其特征在于所述方法包括：D型光纤通过使用光纤侧抛装置抛磨的方式制成，将双芯光纤放置在侧抛轮的下方，通过显微镜调整光纤方向，使侧抛轮与两个纤芯所在的平面互相垂直，一个纤芯靠近侧抛轮，另一个纤芯远离侧抛轮，在抛磨时通过显微镜实时观测剩余包层厚度，在抛磨至所需深度时停止机器。在侧抛完成的D型光纤上制作氢气敏感膜，使用溅射镀膜的方式在侧抛区域制作氢气敏感膜。随后利用熔接机将双芯光纤的一端与单模光纤焊接，并利用熔融拉锥装置在焊接处进行拉锥，在另一端通过监测装置对两个纤芯的分光比进行实时测量，当两个纤芯的分光比为1:1时停止拉锥，之后在端面镀上金属反射膜。最后依次将光源及光谱分析仪与光环行器相连。
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