CN114235747A - 一种光纤反射式氢气探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢气检测技术领域，具体涉及一种光纤反射式氢气探测器，包括光源、光环形器、光探测器、光纤、钯膜，光纤的一端通过所述光环形器连接光源和光探测器，光纤的另一端设有拉锥区，拉锥区的自由端形成拉锥区端面，钯膜设置在拉锥区的一侧。应用时，光源发出激光通过光环形器传播至光纤，光沿光纤传播至拉锥区，在拉锥区形成反射，反射光又经光纤和光环行器后进入光探测器。钯膜改变了拉锥区的形状和折射率环境，从而改变了拉锥区的反射特性；通过探测拉锥区反射特性的变化实现氢气或氢气浓度探测。本发明能实现具有更高灵敏度的氢气探测，在氢气探测领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及氢气检测技术领域，具体涉及一种光纤反射式氢气探测器。
背景技术
氢气是重要的化工原料，也是重要的清洁能源。氢气得到了广泛的应用。在航天工业中，氢已经成为航天器发动机的主要燃料。另外，氢也是主要的工业原料，还是最重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用。
由于氢气的分子小，存储中氢容易泄露。当空气中氢含量达到4％以上时，就可能发生爆炸。另外，氢气泄露还会缩短相关设备的寿命。因此，随着氢的应用越来越广泛，对低浓度氢的高灵敏度检测具有重要意义。
常规氢探测器主要包括光纤探测器、电化学探测器、半导体探测器等。光纤氢探测器具有体积小、灵活性高的优点，具有良好的应用前景。现有技术将钯膜覆盖在光纤的一端，在氢气环境中，钯膜的折射率发生变化，从而改变钯膜的透射特性。由于钯膜的厚度对氢气探测的灵敏度具有决定性作用，所以需要严格控制钯膜的厚度，制备难度高。另外，仅仅通过钯膜折射率变化实现氢气探测，机理单一，氢气探测的灵敏度低。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种光纤反射式氢气探测器，其特征在于，包括光源、光环形器、光探测器、光纤、钯膜，光纤的一端通过所述光环形器连接光源和光探测器，光纤的另一端设有拉锥区，拉锥区的自由端形成拉锥区端面，钯膜设置在拉锥区的一侧。光源可以为连续谱光源，也可以为单色光源。光源发出激光通过光环形器传播至光纤，光沿光纤传播至拉锥区，在拉锥区形成反射，反射光又经光纤和光环行器后进入光探测器。钯膜改变了拉锥区的形状和折射率环境，从而改变了拉锥区的反射特性；通过探测拉锥区反射特性的变化实现氢气或氢气浓度探测。
更进一步地，光纤为单模光纤，光场被限制在更小的区域，拉锥区的形貌和周围环境对拉锥区反射特性的影响更大，以实现更高灵敏度的氢气探测。
更进一步地，拉锥区端面为圆形。
更进一步地，拉锥区端面的直径小于2微米，拉锥区的尺寸小，或较细，一方面对光场的限制作用强，另一方面拉锥区更容易弯曲。当钯膜吸附氢气时，对拉锥区反射特性的影响更大，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
更进一步地，钯膜设置在靠近拉锥区端面的区域。由于拉锥区端面处更细，钯膜更容易影响拉锥区内的光场，也更容易改变拉锥区的形貌，从而更灵敏地调节拉锥区的反射特性，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
更进一步地，钯膜沿拉锥区长度方向设置。
更进一步地，钯膜的厚度小于2微米。
更进一步地，还包括弹性透明部，弹性透明部设置在拉锥区端面上，钯膜延伸至弹性透明部上。本发明应用弹性透明部延伸了拉锥区的长度，充分利用了弹性透明部的易弯曲特性。当钯膜吸附氢气后，更容易改变弹性透明部的形状，从而更多地改变弹性透明部的反射特性，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
更进一步地，弹性透明部的端面与拉锥区端面形状相同。
更进一步地，弹性透明部的材料为PMMA。
本发明的有益效果：本发明提供了一种光纤反射式氢气探测器，包括光源、光环形器、光探测器、光纤、钯膜，光纤的一端通过所述光环形器连接光源和光探测器，光纤的另一端设有拉锥区，拉锥区的自由端形成拉锥区端面，钯膜设置在拉锥区的一侧。应用时，光源发出激光通过光环形器传播至光纤，光沿光纤传播至拉锥区，在拉锥区形成反射，反射光又经光纤和光环行器后进入光探测器。钯膜改变了拉锥区的形状和折射率环境，从而改变了拉锥区的反射特性；通过探测拉锥区反射特性的变化实现氢气或氢气浓度探测。本申请在拉锥区的侧面设置钯膜，钯膜吸附氢气时产生膨胀，使得拉锥区产生弯曲，从而改变拉锥区的光反射特性。由于当钯膜的厚度超过一定厚度时，钯膜的厚度对其产生的拉锥区弯曲不敏感，所以本发明对钯膜的厚度限制小，容易制备。另外，钯膜吸附氢气，钯膜的折射率也产生改变，从而影响了拉锥区周围环境，也改变了拉锥区的光反射特性。因此，本发明能实现具有更高灵敏度的氢气探测，在氢气探测领域具有良好的应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种光纤反射式氢气探测器的示意图。
图2是又一种光纤反射式氢气探测器的示意图。
图3是再一种光纤反射式氢气探测器的示意图。
图中：1、光纤；2、拉锥区；3、钯膜；4、拉锥区端面；5、弹性透明部；6、贵金属颗粒。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。
实施例1
本发明提供了一种光纤反射式氢气探测器，包括光源、光环形器、光探测器、光纤1、钯膜3。光纤1为单模光纤。光纤1的一端通过光环形器连接光源和光探测器，光纤1的另一端设有拉锥区2。也就是说，在图1中，光纤1的左端连接光环形器，光纤1的右端设有拉锥区2。在图1中，拉锥区2的左端与光纤1连接，拉锥区2的右端，也就是自由端形成拉锥区端面4。本实施例选择单模光纤，是因为单模光纤的纤芯直径小。当拉锥单模光纤时，拉锥区2更细，光场被限制在更小、更细的区域，拉锥区2对光场的局域作用更强，从而导致拉锥区2的形貌和周围环境对拉锥区2反射特性的影响更大，以实现更高灵敏度的氢气探测。对光纤1进行拉锥后，对拉锥区2的端部进行切割，形成圆形的拉锥区端面4。这是因为，如果拉锥区端面4为尖端，拉锥区端面4容易受到外力的作用，例如碰撞、摩擦等破损或破坏拉锥区端面4，造成对拉锥区2反射特性的严重影响。更进一步地，拉锥区端面4的直径小于2微米，拉锥区端面4的直径大于500纳米，以便于不仅保证了拉锥区2的柔韧性，而且拉锥区2的端部也不易被损坏。钯膜3设置在拉锥区2的一侧。在图1中，拉锥区2类似于锥形，钯膜3设置在拉锥区2的一侧是指，钯膜3设置在锥形的侧面上，钯膜3沿锥形的长度方向设置，钯膜3不包覆整个锥形的侧面。这样一来，当钯膜3吸附氢气产生膨胀时，由于钯膜3与拉锥区2粘附固定，钯膜3的伸长拉动拉锥区2产生弯曲。钯膜3的厚度小于2微米，钯膜3的厚度大于500纳米；较薄的钯膜3不能带动拉锥区2产生弯曲，但是较厚的钯膜3又不能将钯膜3吸附氢气产生的膨胀力传递到拉锥区2。但是，本实施例中钯膜3的厚度不像背景技术中在光纤端面设置钯膜3中对钯膜3的厚度那么地要求严格。在本实施例中，钯膜3吸附氢气形成氢化钯，改变了整个钯膜3的折射率，从而改变了拉锥区2外部的介电环境，也改变了拉锥区2的光反射特性。
应用时，光源发出激光通过光环形器传播至光纤1，光沿光纤1传播至拉锥区2，在拉锥区2形成反射，反射光又经光纤1和光环行器后进入光探测器。钯膜3改变了拉锥区2的形状和环境折射率，从而改变了拉锥区2的光反射特性；通过探测拉锥区2反射特性的变化实现氢气或氢气浓度探测。本申请在拉锥区2的侧面设置钯膜3，钯膜3吸附氢气时产生膨胀，使得拉锥区2产生弯曲，从而改变拉锥区2的光反射特性。由于当钯膜3的厚度超过一定厚度时，钯膜3的厚度对其产生的拉锥区2弯曲不敏感，所以本发明对钯膜3的厚度限制小，容易制备。另外，钯膜3吸附氢气，钯膜3的折射率也产生改变，从而影响了拉锥区2周围环境，也改变了拉锥区2的光反射特性。由于拉锥区2的尺寸小，对光的局域作用强，拉锥区2形貌和外部介电环境对其光反射特性的影响都很严重，因此，本发明能实现具有更高灵敏度的氢气探测，在氢气探测领域具有良好的应用前景。
实施例2
在实施例1的基础上，钯膜3设置在靠近拉锥区端面4的区域。拉锥区端面4附近的直径小，钯膜3吸附氢气膨胀时，更容易导致拉锥区2产生弯曲，从而更多地改变拉锥区2的光反射特性，从而实现高灵敏度氢气探测。
更进一步地，在拉锥区端面4附近设置钯膜3时，钯膜3部分地覆盖拉锥区端面4，这样一来，当钯膜3吸附氢气时，拉锥区端面4上的钯膜3折射率也发生改变，从而更多地改变拉锥区2的光反射特性，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
实施例3
在实施例2的基础上，如图2所示，还包括弹性透明部5，弹性透明部5设置在拉锥区端面4上，钯膜3延伸至弹性透明部5上。弹性透明部5的端面与拉锥区端面4形状相同，弹性透明部5固定在拉锥区端面4上。弹性透明部5的材料为PMMA。这样一来，拉锥区2内的光能够传播至弹性透明部5内。如图2所示，钯膜3的一部分覆盖在拉锥区2的侧面上，钯膜3的一部分覆盖在弹性透明部5的侧面上。由于弹性透明部5的弹性大于拉锥区2的弹性，钯膜3吸附氢气发生膨胀时，弹性透明部5更容易发生弯曲，从而更多地改变拉锥区2和弹性透明部5共同的光反射特性，从而实现更高灵敏度的氢气探测。更进一步地，由于拉锥区2和弹性透明部5属于不同的材料，在拉锥区端面4处，弹性透明部5容易发生明显的弯折，从而更多地改变整体结构的光反射特性，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
更进一步地，在弹性透明部5与拉锥区端面4接触的附近，弹性透明部5包覆拉锥区端面4附近。这样一来，一方面拉锥区2的端部不易折损；另一方面，拉锥区2端部的光更容易耦合进入弹性透明部5。当弹性透明部5产生弯曲时，整体装置的反射特性改变更多，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
实施例4
在实施例3的基础上，如图3所示，在钯膜3的相对一侧，弹性透明部5上设有贵金属颗粒6。在图3中，钯膜3处于拉锥区2和弹性透明部5的上侧，贵金属颗粒6处于弹性透明部5的下侧。贵金属颗粒6为球形，贵金属颗粒6的材料为金。贵金属颗粒6的直径大于20纳米、小于100纳米。贵金属颗粒6为多个，多个贵金属颗粒6沿弹性透明部5的长度方向排布。相邻贵金属颗粒6之间的距离小于10纳米。当钯膜3吸收氢气产生膨胀时，钯膜3向图3的上方弯曲，从而导致贵金属颗粒6之间的距离增加，从而改变贵金属颗粒6的共振波长，通过贵金属颗粒6共振波长的移动，也可以确定氢气的浓度。因此，本实施例从另外一个角度也实现了氢气浓度探测，能够保证探测结果的正确性。相邻贵金属颗粒6之间的距离小于10纳米，更进一步地，贵金属颗粒6之间的距离小于5纳米。这样一来，当弹性透明部5产生弯曲时，贵金属颗粒6之间的距离改变相对更为明显，能够引起共振波长更明显的移动，从而实现更高灵敏度的氢气浓度探测。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤反射式氢气探测器，其特征在于，包括光源、光环形器、光探测器、光纤、钯膜，所述光纤的一端通过所述光环形器连接所述光源和所述光探测器，所述光纤的另一端设有拉锥区，所述拉锥区的自由端形成拉锥区端面，所述钯膜设置在所述拉锥区的一侧。
2.如权利要求1所述的光纤反射式氢气探测器，其特征在于：所述光纤为单模光纤。
3.如权利要求1所述的光纤反射式氢气探测器，其特征在于：所述拉锥区端面为圆形。
4.如权利要求3所述的光纤反射式氢气探测器，其特征在于：所述拉锥区端面的直径小于2微米。
5.如权利要求1所述的光纤反射式氢气探测器，其特征在于：所述钯膜设置在靠近所述拉锥区端面的区域。
6.如权利要求1所述的光纤反射式氢气探测器，其特征在于：所述钯膜沿所述拉锥区长度方向设置。
7.如权利要求1所述的光纤反射式氢气探测器，其特征在于：所述钯膜的厚度小于2微米。
8.如权利要求1-7任一项所述的光纤反射式氢气探测器，其特征在于：还包括弹性透明部，所述弹性透明部设置在所述拉锥区端面上，所述钯膜延伸至所述弹性透明部上。
9.如权利要求8所述的光纤反射式氢气探测器，其特征在于：所述弹性透明部的端面与所述拉锥区端面形状相同。
10.如权利要求9所述的光纤反射式氢气探测器，其特征在于：所述弹性透明部的材料为PMMA。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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