CN112748090A - 氢气湿度一体化传感器及基于自参考技术的氢气湿度检测装置和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢气湿度一体化传感器，由氢气传感器探头和湿度传感器探头通过一体化封装组成,氢气传感器探头由端面沉积了氢气敏感薄膜的单模光纤与参考光栅组成；湿度传感器探头由侧面涂覆了湿度敏感薄膜的传感光栅与参考光栅组成；氢气传感器探头中的参考光栅与湿度传感器探头中的参考光栅为同一光栅。基于自参考技术的检测装置，包括上位机、传感光源、解调仪、光衰减器、耦合器和传感器。应用，其在能源、国防特殊环境中氢气浓度和环境湿度监测中的应用。采用同一参考光栅的强度和波长分别补偿氢气测量和湿度测量过程中的干扰，实现同时准确测量氢气浓度和环境湿度，保证测量氢气浓度和环境湿度互不干扰，较高的灵敏度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术，材料科学以及光电子技术的交叉领域，涉及到功能材料制备和光电检测技术，具体涉及到氢气湿度一体化传感器及基于自参考技术的氢气湿度检测装置和应用。
背景技术
氢能被认为是未来社会最有前途的绿色可再生能源之一。随着氢气在能源领域的广泛应用，对于氢气传感器的需求与日俱增，氢气传感器研究引起了广泛关注。同时，湿度对生产生活也有着至关重要的影响。物资储存，畜牧养殖，武器弹药和机器的储存和保养方面都要严格控制湿度，湿度传感器也一直在不断革新。
在国防军事方面，核武器的关键材料在长期贮存中易受到辐射、温湿度交替等环境因素影响，监控铀材料的腐蚀情况是至关重要的。铀材料在腐蚀过程中会伴随氢气和水的产生，所以，在此设施中氢气浓度和湿度是评价核材料寿命的重要指标。目前技术上相对成熟的氢气和湿度传感器主要是电化学类传感器，因其采用电信号进行传感，所以抗电磁干扰能力不佳。与电化学类传感器相比，光纤传感器的响应主要依赖光纤传输时光信号变化，其传感器内部均为无源器件，从而排除了电火花的潜在威胁，具备本质安全的优势。但是，目前传感器大多都是单指标监测，器件集成度不高，面对复杂环境的多组分监测往往需要配备不同功能的传感器，成本偏高，设备体积偏大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种氢气湿度一体化传感器及基于自参考技术的氢气湿度检测装置和应用，以克服上述现有技术中的不足。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种氢气湿度一体化传感器，由氢气传感器探头和湿度传感器探头通过一体化封装组成,氢气传感器探头由端面沉积了氢气敏感薄膜的单模光纤与参考光栅组成；湿度传感器探头由侧面涂覆了湿度敏感薄膜的传感光栅与参考光栅组成；氢气传感器探头中的参考光栅与湿度传感器探头中的参考光栅为同一光栅。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
在上述方案中，氢气敏感薄膜由WO3-PdPt-PTFE四种材料构成的三层复合薄膜组成。
在上述方案中，WO3层作为氢气敏感层，其厚度为10nm～1500nm；PdPt层作为催化层，该层Pd和Pt的原子比为1：(1～20),厚度为20-750nm；PTFE层作为防护层，其厚度为20nm～750nm。
在上述方案中，湿度敏感薄膜由聚酰亚胺薄膜组成，其厚度为10μm～150μm。
在上述方案中，参考光栅与传感光栅的中心波长差值约为5nm。
在上述方案中，传感光栅和参考光栅均采用布拉格光纤光栅，其中传感光栅和参考光栅的反射率均≥98％，栅区的间距为3mm～50mm。
一种基于自参考技术的氢气湿度检测装置，包括上位机、传感光源、解调仪、光衰减器、耦合器和传感器，上位机、解调仪、光衰减器和耦合器依次电连接，耦合器分别与传感光源和单模光纤相连。
在上述方案中，传感光源采用放大自发辐射光源，其输出光波长范围为1519nm～1569nm。
一种基于自参考技术的氢气湿度检测装置的应用，其在能源、国防特殊环境中氢气浓度和环境湿度监测中的应用。
基于自参考技术的氢气湿度检测装置的应用，在进行氢气浓度和环境湿度监测时，
根据参考光栅的反射峰强度与其反射峰附近基线强度之比获得对应氢气浓度；
根据传感光栅的波长变化量与参考光栅的波长变化量之差来获得对应环境湿度。
本发明的有益效果是：
1.能实现氢气浓度和环境湿度的同时测量
氢气检测是通过参考光栅的反射光强和光纤端面氢气敏感薄膜的反射光强之比来衡量，湿度检测是通过湿度传感光栅波长的变化量与参考光栅波长的变化量之差来衡量，由于，光纤端面氢气敏感薄膜和传感光栅侧面湿度敏感薄膜具有敏感专一性，所以，器件上两者高度集成，但是测量原理上却是互不干扰，可以实现氢气和湿度同时测量；
2.自参考技术具有补偿功能，能够实现氢气浓度和湿度的精确测量
由于在同一光路中引入了一个参考光栅，参考光信号强度与传感光信号强度受光纤中光强变化的影响程度相同，因此该传感器具有较好的抗光源波动、光纤弯曲、光纤接头插入损耗和外界震动干扰能力，同时，由于光栅具有天然的温度敏感性，所以可以通过湿度传感光栅测量湿度过程中总的波长漂移量扣除参考光栅波长受温度变化引起的漂移量来抵消温度带来的干扰；
3.实用性强
由于能够同时实现氢气浓度和湿度的精确测量，将在我国国防安全方面具有重要意义，同时在我国能源、化工等领域中氢气安全监测，在我国食品安全，畜牧养殖，武器弹药和机器的储存等领域中湿度检测方面具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述传感器的结构示意图；
图2为本发明所述基于自参考技术的氢气湿度检测装置的结构示意图；
图3为本发明的传感器的光谱图；
图4为本发明的基于自参考技术的氢气湿度检测装置对氢气浓度(100ppm-1000ppm范围内变化)和环境湿度(30RH％-90RH％范围内变化)同时检测的重复性测试结果。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、上位机，2、传感光源，3、解调仪，4、光衰减器，5、耦合器，6、单模光纤，7、传感器，8、参考光栅，9、传感光栅，10、湿度敏感薄膜，11、氢气敏感薄膜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种氢气湿度一体化传感器，传感器7由氢气传感器探头和湿度传感器探头通过一体化封装组成,氢气传感器探头由端面沉积了氢气敏感薄膜11的单模光纤6与参考光栅8组成；湿度传感器探头由侧面涂覆了湿度敏感薄膜10的传感光栅9与参考光栅8组成；参考光栅8和传感光栅9在同一单模光纤6中刻制；氢气传感器探头中的参考光栅8与湿度传感器探头中的参考光栅8为同一光栅。
实施例2
本实施例为在实施例1的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
如图1所示，氢气敏感薄膜11由WO3-PdPt-PTFE四种材料构成的三层复合薄膜组成。
更进一步地：WO3层作为氢气敏感层，其厚度为10nm～1500nm；
PdPt层作为催化层，该层Pd和Pt的原子比为1：(1～20),厚度为20-750nm；
PTFE层作为防护层，其厚度为20nm～750nm。
实施例3
本实施例为在实施例1或2的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
如图1所示，湿度敏感薄膜10由聚酰亚胺薄膜组成，其厚度为10μm～150μm。
实施例4
本实施例为在实施例1或2或3的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
如图1所示，参考光栅8与传感光栅9的中心波长差值为5-20nm，参考光栅8为长波长光栅，而传感光栅9为短波长光栅。
实施例5
本实施例为在实施例1～4任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
如图1所示，传感光栅9和参考光栅8均采用布拉格光纤光栅，其中传感光栅9和参考光栅8的反射率均≥98％，栅区的间距为3mm～50mm。
实施例6
如图2所示，一种基于自参考技术的检测装置，包括上位机1、传感光源2、解调仪3、光衰减器4、耦合器5和实施例1～5任一实施例中所述传感器7；
上位机1与解调仪3连接，用于对解调仪3采集数据的进行处理，并实时显示氢气浓度和湿度信息；
光衰减器4与解调仪3和耦合器5连接，将反射光强度调整到解调仪3解调范围之内，解调仪3解调出反射光的波长与光强，并将数据实时传送给上位机1，上位机1实时处理并显示光谱；
耦合器5采用1×2单模光纤耦合器，用于将传感光源2发出的宽带光和由传感器7反射回的光耦合到达解调仪3；
单模光纤6的规格为9/125μm；
传感光源2发出的光经过耦合器5耦合到达传感器7，经过参考光栅8、传感光栅9、氢气敏感膜11协同反射回来的光信号再次到耦合器5，然后经过光纤传输到达光纤光衰减器4、解调仪3，光信号经过解调仪3数据采集后传输给上位机1，上位机1对参考光栅8峰强和基线峰强进行计算处理，显示氢气浓度值；同时对参考光栅8和传感光栅9的中心波长值进行处理，显示湿度值。
实施例7
本实施例为在实施例6的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
传感光源2采用放大自发辐射光源(Amplified Spontaneous Emission,ASE)，其输出光波长范围为1519nm～1569nm。
实施例8
本实施例为在实施例6或7的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
解调仪3采用Bayspec解调仪(Inc.FBGA-F-1525-1565-FA)，它能同时解调波长和光强，测量分辨率为1pm。
实施例9
一种基于自参考技术的检测装置的应用，其在能源、国防特殊环境中氢气浓度和环境湿度监测中的应用。
实施例10
一种基于自参考技术的检测装置的应用，在进行氢气浓度和环境湿度监测时，采用光强比值法进行氢气检测和采用波长差值法进行湿度检测；
具体为：根据参考光栅8的反射峰强度与其反射峰附近基线强度之比获得对应氢气浓度；
根据传感光栅9的波长变化量与参考光栅8的波长变化量之差来获得对应环境湿度。
具体原理为：
如图3所示，在进行氢气浓度检测时，采用光强比值法进行测试：通入氢气后，参考光栅峰强(IR)基本没有变化，但基线强度(IS)明显下降，因此氢气浓度可以根据IR与IS的比值计算，从而获得对应氢气浓度；
同样的，本发明在进行湿度检测时，采用波长差值法进行测试；改变湿度后，参考光栅中心波长(λR)受温度变化，其波长微弱变化，但传感光栅中心波长(λC)受温度和湿度的共同影响明显变化，又因为光栅的中心波长与温度和湿度变化呈线性关系，因此湿度可以根据ΔλC-ΔλR计算，从而获得对应湿度。
图4为本发明的基于自参考技术的氢气湿度检测装置对氢气浓度(100ppm-1000ppm范围内变化)和环境湿度(30RH％-90RH％范围内变化)同时检测的重复性测试结果。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种氢气湿度一体化传感器，其特征在于，传感器(7)由氢气传感器探头和湿度传感器探头通过一体化封装组成,氢气传感器探头由端面沉积了氢气敏感薄膜(11)的单模光纤(6)与参考光栅(8)组成；湿度传感器探头由侧面涂覆了湿度敏感薄膜(10)的传感光栅(9)与参考光栅(8)组成；氢气传感器探头中的参考光栅(8)与湿度传感器探头中的参考光栅(8)为同一光栅。
2.根据权利要求1所述的一种氢气湿度一体化传感器，其特征在于，所述氢气敏感薄膜(11)由WO3-PdPt-PTFE四种材料构成的三层复合薄膜组成。
3.根据权利要求2所述的一种氢气湿度一体化传感器，其特征在于，WO3层作为氢气敏感层，其厚度为10nm～1500nm；PdPt层作为催化层，该层Pd和Pt的原子比为1：(1～20),厚度为20-750nm；PTFE层作为防护层，其厚度为20nm～750nm。
4.根据权利要求1所述的一种氢气湿度一体化传感器，其特征在于，所述湿度敏感薄膜(10)由聚酰亚胺薄膜组成，其厚度为10μm～150μm。
5.根据权利要求1所述的一种氢气湿度一体化传感器，其特征在于，所述参考光栅(8)与所述传感光栅(9)的中心波长差值为5-20nm。
6.根据权利要求1所述的一种氢气湿度一体化传感器，其特征在于，所述传感光栅(9)和参考光栅(8)均采用布拉格光纤光栅，其中传感光栅(9)和参考光栅(8)的反射率均≥98％，栅区的间距为3mm～50mm。
7.一种基于自参考技术的检测装置，其特征在于，包括上位机(1)、传感光源(2)、解调仪(3)、光衰减器(4)、耦合器(5)和如权利要求1～6任一项所述传感器(7)，所述上位机(1)、所述解调仪(3)、所述光衰减器(4)和所述耦合器(5)依次电连接，所述耦合器(5)分别与传感光源(2)和单模光纤(6)相连。
8.根据权利要求7所述的一种氢气湿度一体化传感器，其特征在于，所述传感光源(2)采用放大自发辐射光源，其输出光波长范围为1519nm～1569nm。
9.根据权利要求7或8所述的一种基于自参考技术的检测装置的应用，其在能源、国防特殊环境中氢气浓度和环境湿度监测中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，在进行氢气浓度和环境湿度监测时，
根据参考光栅(8)的反射峰强度与其反射峰附近基线强度之比获得对应氢气浓度；
根据传感光栅(9)的波长变化量与参考光栅(8)的波长变化量之差来获得对应环境湿度。
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