CN111426653A - 一种基于金属有机骨架和零点漂移校准的氢气传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于金属有机骨架和零点漂移校准的氢气传感器，由光源，第一耦合器，参考FBG，气室，TFBG，GO‑Ni‑MOF膜，氢气流量控制器，空气流量控制器，氢气发生器，空气泵，第二耦合器，光谱仪组成；其特征在于：光源连接第一耦合器左端，第一耦合器右端连接两个光路分别为参考FBG和涂附着GO‑Ni‑MOF膜基模中心波长为1610nm的TFBG；TFBG和参考FBG再分别连接第二耦合器左端，第二耦合器右端连接光谱仪，连接气室的氢气流量控制器和空气流量控制器分别连接氢气发生器和空气泵；氢气浓度发生变化时，GO‑Ni‑MOF吸附氢量改变，周围的环境折射率改变使TFBG光谱包层模和基模漂移；参考FBG可以用来进行温度漂移校准，TFBG的基模布拉格波长可以作为零点漂移校准。

Description

一种基于金属有机骨架和零点漂移校准的氢气传感器
技术领域
本发明属于测量氢气浓度的技术领域，具体涉及一种基于金属有机骨架和零点漂移校准的氢气传感器。
背景技术
作为石墨烯最重要的衍生物之一，氧化石墨烯(GO)富含含氧基团，如羟基、羧基、环氧化合物(主要位于顶部和底部表面)和羰基(主要在片材边缘)。由于在基面和片材边缘随机分布的几种含氧官能团的存在，GO被赋予了一些新的特性，如分散性、水溶性、大粒径等。与石墨烯相比，GO表面含有大量的羟基和羧基，有利于形成多孔结构。
金属有机骨架中多数都具有高的孔隙率和好的化学稳定性。由于能控制孔的结构并且比表面积大，MOFs比其它的多孔材料有更广泛的应用前景。MOFs作为一种超低密度多孔材料，在存储大量氢等燃料气方面有很大的潜力，将为下一代交通工具提供方便的能源。
马赫-曾德尔(MZI)干涉原理是从单独光源发射的光束分裂成两道准直光束之后，经过不同路径与介质所产生的相对相移变化。光纤Mach-Zehnder干涉仪以其结构紧凑、抗电磁干扰等特点被广泛应用于各个传感领域。
由于倾斜布拉格光纤光栅(TFBG)独特的耦合方式使其不仅对周围的环境参量极其敏感,而且能够解决倾斜布拉格光纤光栅的温度和应力交叉敏感的问题，因此在传感等领域内有较多的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于金属有机骨架和零点漂移校准的氢气传感器，利用GO-Ni-MOF的结构特性和马赫-曾德尔干涉原理，，采用电化学法制备并向光纤镀GO-Ni-MOF，形成氢气传感器。
本发明通过以下技术方案实现：一种基于金属有机骨架和零点漂移校准的氢气传感器，由光源(1)，第一耦合器(2)，参考FBG(3)，气室(4)，TFBG(5)，GO-Ni-MOF膜(6)，氢气流量控制器(7)，空气流量控制器(8)，氢气发生器(9)，空气泵(10)，第二耦合器(11)，光谱仪(12)组成；其特征在于：光源(1)连接第一耦合器(2)左端，第一耦合器(2)右端连接两个光路分别为参考FBG(3)和涂附着GO-Ni-MOF膜(6)基模中心波长为1610nm的TFBG(5)；TFBG(5)和参考FBG(3)再分别连接第二耦合器(11)左端，第二耦合器(11)右端连接光谱仪(12)，连接气室(4)的氢气流量控制器(7)和空气流量控制器(8)分别连接氢气发生器(9)和空气泵(10)；氢气浓度发生变化时，GO-Ni-MOF吸附氢量改变，周围的环境折射率改变使TFBG(5)光谱包层模和基模漂移；参考FBG(3)可以用来进行温度漂移校准，TFBG(5)的基模布拉格波长可以作为零点漂移校准。
本发明的工作原理是：利用涂附于光纤光栅表面的GO-Ni-MOF结构吸放氢引起TFBG周围的环境折射率(SRI)的变化，导致包层模峰值波长的偏移，传感TFBG光路使马赫-曾德尔干涉的两条光路产生光程差，导致干涉谱发生谱移，通过光谱仪测得变化进而检测氢气浓度。但是，由于单模光纤的有效模场直径比纤芯直径大几微米，因此该倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器的光学常数变化可以忽略。因此，标准倾斜布拉格光纤光栅的中心波长不受环境折射率的影响。
对倾斜布拉格光纤光栅，在纤芯处布拉格波长和包层模谐振波长分别为：
λBragg＝2neff,core∧
Figure BDA0002496169180000021
其中，光栅周长为
Figure BDA0002496169180000022
δ是光栅的间隔周期，θ是光栅的倾斜角度，neff,core和neff,cladding分别为纤芯的有效折射率和包层模的有效折射率。为了制备相对安全的氢传感器，当氢浓度在爆炸范围内时，氢敏感材料引起的温度升高不应超过氢的燃烧极限。
马赫-曾德尔干涉条纹对TFBG的透射谱进行调制，其中MZI产生的相位差：
Figure BDA0002496169180000023
其中，neff,core′和neff,cladding′表示参考臂和传感臂的有效折射率，L表示参考臂和传感臂之间的距离，λ表示输入光波长，m表示m阶包层模式，相位差
Figure BDA0002496169180000024
也表示：
Figure BDA0002496169180000025
干涉峰的强度可表示为：
Figure BDA0002496169180000026
其中，I1和I2分别表示在光纤中传输的光强度，当氢气浓度变化时，会引起参考臂和传感臂的相位差变化，对TFBG的透射谱进行调制。
本发明的有益效果是：本发明的设计中基于GO-Ni-MOF的干涉型氢气传感器，避免了氢气敏感材料易脱落，参考FBG和TFBG解决了零点漂移校准，避免了制作复杂的缺点，能实现快速多次测量，且测量精确度和灵敏度大大提高，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
附图说明
图1是一种基于金属有机骨架和零点漂移校准的氢气传感器。
具体实施方式
如图1所示，一种基于金属有机骨架和零点漂移校准的氢气传感器，由光源(1)，第一耦合器(2)，参考FBG(3)，气室(4)，TFBG(5)，GO-Ni-MOF膜(6)，氢气流量控制器(7)，空气流量控制器(8)，氢气发生器(9)，空气泵(10)，第二耦合器(11)，光谱仪(12)组成；其特征在于：光源(1)连接第一耦合器(2)左端，第一耦合器(2)右端连接两个光路分别为参考FBG(3)和涂附着GO-Ni-MOF膜(6)基模中心波长为1610nm的TFBG(5)；TFBG(5)和参考FBG(3)再分别连接第二耦合器(11)左端，第二耦合器(11)右端连接光谱仪(12)，连接气室(4)的氢气流量控制器(7)和空气流量控制器(8)分别连接氢气发生器(9)和空气泵(10)；氢气浓度发生变化时，GO-Ni-MOF吸附氢量改变，周围的环境折射率改变使TFBG(5)光谱包层模和基模漂移，使马赫-曾德尔干涉的两条光路产生光程差，导致干涉谱发生谱移；参考FBG(3)可以用来进行温度漂移校准，TFBG(5)的基模布拉格波长可以作为零点漂移校准。基于GO-Ni-MOF的干涉型氢气传感器，避免了氢气敏感材料易脱落，制作复杂的缺点，能实现快速多次测量，且测量精确度和灵敏度大大提高，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。

Claims (1)

1.一种基于金属有机骨架和零点漂移校准的氢气传感器，由光源(1)，第一耦合器(2)，参考FBG(3)，气室(4)，TFBG(5)，GO-Ni-MOF膜(6)，氢气流量控制器(7)，空气流量控制器(8)，氢气发生器(9)，空气泵(10)，第二耦合器(11)，光谱仪(12)组成；其特征在于：光源(1)连接第一耦合器(2)左端，第一耦合器(2)右端连接两个光路分别为参考FBG(3)和涂附着GO-Ni-MOF膜(6)基模中心波长为1610nm的TFBG(5)；TFBG(5)和参考FBG(3)再分别连接第二耦合器(11)左端，第二耦合器(11)右端连接光谱仪(12)，连接气室(4)的氢气流量控制器(7)和空气流量控制器(8)分别连接氢气发生器(9)和空气泵(10)；氢气浓度发生变化时，GO-Ni-MOF吸附氢量改变，周围的环境折射率改变使TFBG(5)光谱包层模和基模漂移，使马赫-曾德尔干涉的两条光路产生光程差，导致干涉谱发生谱移；参考FBG(3)可以用来进行温度漂移校准，TFBG(5)的基模布拉格波长可以作为零点漂移校准。
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