CN114460044A - 反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器 - Google Patents

反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，旨在解决现有氢气浓度和湿度同时检测技术中系统复杂灵敏度低的问题。该传感器包括单偏振光纤、第一双折射光纤和第二双折射光纤；第一双折射光纤的两端分别与单偏振光纤和第二双折射光纤以45°夹角熔接形成第一熔接点和第二熔接点，第一双折射光纤外表面包覆有湿敏膜，第二双折射光纤外表面包覆有氢敏膜，第二双折射光纤背离第一双折射光纤的一端熔接有微反射镜。本申请采用单偏振光纤实现起偏、检偏，相比传统器件结构简单且易于集成，利用双段光纤一一对应的特征谷值的检测实现氢气浓度和湿度独立检测，具有结构简单、可靠性高，能实现多参数同时测量的优点。

Description

反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器。
背景技术
进入21世纪，随着传统不可再生能源的日渐枯竭，氢气由于其较高的燃烧热量，已在能源领域有着不可替代的作用。但是氢气的存储、运输过程易发生泄漏，当泄漏到空气中氢气的浓度达到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。同时，在氢气的应用场合，湿度对场所设备使用保养及氢气的利用都有至关重要的影响，因此在实现氢气浓度检测的同时也需要进行湿度的检测。目前市场上较为成熟的氢气浓度和湿度检测手段主要是基于电化学原理，电化学型传感器以电信号作为检测信号，在存在氢气且潮湿的环境下极易产生电火花，从而引起爆炸等严重后果。光纤传感器由于光纤本质安全、抗电磁干扰、耐高温、高压、腐蚀、易组网等优点，在氢气传感领域受到越来越多的重视。
为了实现氢气浓度和湿度的同时检测，已有的解决方案是多参数测量。常见的是采用光栅与三种干涉仪(Mach-Zehnder干涉仪、Fabry-Perot干涉仪及Sagnac干涉仪)之间相互串联的光路结构，但光栅灵敏度较低，不同干涉仪的干涉光谱较为复杂，解调困难；此外，这些光路结构中都会用到耦合器、隔离器，偏振控制器等光学器件，这就造成了光路的复杂以及光路体积的变大，不利于传感头的现场应用。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有氢气浓度与湿度同时检测技术中系统复杂灵敏度低的问题，本发明第一方面提供一种反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，包括依次连接的单偏振光纤、第一双折射光纤和第二双折射光纤，所述第一双折射光纤的两端分别与所述单偏振光纤和所述第二双折射光纤以45°夹角熔接形成第一熔接点和第二熔接点，所述第一双折射光纤表面包覆有湿敏膜，所述第二双折射光纤外表面包覆有氢敏膜，所述第二双折射光纤背离所述第一双折射光纤的一端熔接微反射镜。所述传感器的干涉光谱的两个相邻特征谷波长，分别对应镀湿敏膜的第一双折射光纤和镀氢敏膜的第二双折射光纤的干涉谷值，通过测量这两个特征谷波长值，实现湿度和氢气浓度的独立传感。
在一些优选技术方案中，所述单偏振光纤背离所述第一双折射光纤的一端与光纤光谱解调仪连接。进一步地，所述单偏振光纤背离所述第一双折射光纤的一端通过光纤连接头与光纤光谱解调仪连接。
在一些优选技术方案中，所述单偏振光纤用于传感光路起偏器和检偏器。
在一些优选技术方案中，所述第一双折射光纤和所述第二双折射光纤为应力型或形状型双折射光纤。
在一些优选技术方案中，所述微反射镜与所述第二双折射光纤的连接端面镀有耐高温反射膜，所述微反射镜背离所述第二双折射光纤的端面为斜面。
在一些优选技术方案中，所述耐高温反射膜由二氧化锆制成。
在一些优选技术方案中，所述微反射镜与所述第二双折射光纤熔接或粘接。
在一些优选技术方案中，所述第一双折射光纤和所述第二双折射光纤为熊猫型、领结型、侧孔型、椭圆芯型、椭圆包层型、一字型、类矩形的应力型双折射光纤中的任一种。
在一些优选技术方案中，所述第一双折射光纤和所述第二双折射光纤为类熊猫型、椭圆空气孔型、菱形空气孔型、类矩形芯、环型空气孔型、大小圆形孔混合型、微结构纤芯型的形状双折射光纤中的任一种。
在一些优选技术方案中，所述湿敏膜为二硫化钼或二硒化钼等吸收水会发生温度、体积或者折射率变化的材料。
在一些优选技术方案中，所述氢敏膜为钯银合金、钯钇合金或三氧化钨等吸收氢气会发生温度、体积或者折射率变化的材料。
本发明第二方面提供一种反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，所述传感器包括单偏振光纤、第一双折射光纤和第二双折射光纤，所述第一双折射光纤的两端分别与所述单偏振光纤和所述第二双折射光纤以45°夹角熔接形成第一熔接点和第二熔接点，所述第一双折射光纤外表面包覆有氢敏膜，所述第二双折射光纤外表面包覆有湿敏膜，所述第二双折射光纤背离所述第一双折射光纤的一端连接有微反射镜；所述传感器的反射光谱存在两个特征谷波长，分别对应镀氢敏膜的第一双折射光纤和镀湿敏膜的第二双折射光纤的偏光干涉谷值，通过分别测量两个特征谷波长变化值，实现湿度和氢气浓度的独立传感。
本发明的有益效果:
本发明提供的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，采用单偏振光纤实现光路起偏、检偏功能，其与侧面镀有湿敏膜的第一双折射光纤、侧面镀有氢敏膜的第二双折射光纤以及微反射镜构成氢气浓度和湿度传感器。单偏振光纤与第一双折射光纤、第一双折射纤与第二双折射光纤45°对轴熔接，第二双折射光纤与微反射镜通过熔接或胶粘方式连接。该传感装置结构简单、可靠，性能稳定，安装方便，可实现狭小空间氢气浓度和湿度的独立检测。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种实施例的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器整体连接示意图；
图2为本发明一种实施例的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器结构示意图；
图3为本发明实施例氢气浓度与相对湿度变化时的干涉光谱图；
附图标记列表：
1-光纤连接头；2-单偏振光纤；3-第一熔接点；4-第一双折射光纤；5-第二熔接点；6-第二双折射光纤；7-微反射镜；8-耐高温反射膜；9-光纤。
具体实施方式
为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明的一种反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，包括依次连接的单偏振光纤、第一双折射光纤和第二双折射光纤，所述第一双折射光纤的两端分别与所述单偏振光纤和所述第二双折射光纤以45°夹角熔接形成第一熔接点和第二熔接点，所述第一双折射光纤外表面包覆有湿敏膜，所述第二双折射光纤外表面包覆有氢敏膜，所述第二双折射光纤背离所述第一双折射光纤的一端连接有微反射镜。本申请的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，采用单偏振光纤实现起偏、检偏的作用，相比传统器件实现，结构简单，易于集成，且光路部分全为双折射光纤，采用光纤端面连接反射镜的方式实现反射式光路，使得装置结构简单、安装方便。同时，利用双段双折射光纤一一对应的特征谷值实现氢气浓度和湿度独立传感。可以理解的是，本发明的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器在第一双折射光纤外表面可以包覆氢敏膜，第二双折射光纤外表面包覆湿敏膜同样能够实现现氢气浓度和湿度独立传感。
为了更清晰地对本发明的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，进行说明，下面结合附图对本方发明一种优选实施例进行展开详述。
作为本发明的一个优选实施例，本发明的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器如图1所示，本发明沿光路方向包括依次连接的单偏振光纤2、第一双折射光纤4和第二双折射光纤6，单偏振光纤2具有光纤连接头1，第一双折射光纤4的两端分别与单偏振光纤和第二双折射光纤6以45°夹角熔接形成第一熔接点3和第二熔接点5，第一双折射光纤4外表面包覆有湿敏膜，第二双折射光纤6外表面包覆有氢敏膜，第二双折射光纤6背离所述第一双折射光纤4的一端连接有微反射镜7。
具体而言，单偏振光纤2同时用作起偏器及检偏器，起偏器的作用使得入射光能获得较高的偏振消光比，检偏器的作用是使得经过双折射光纤又返回来的两个主轴分量发生偏振干涉。单偏振光纤2与第一双折射光纤4熔接，其偏振主轴夹角为45度，形成第一熔接点3，第一双折射光纤4与第二双折射光纤6熔接，其偏振主轴夹角也为45度，形成第二熔接点5。进一步地，第一双折射光纤4外表面覆有湿敏膜，第二双折射光纤6外表面覆有氢敏膜，第二双折射光纤6背离第一双折射光纤4的一端连接有微反射镜7；微反射镜7与第二双折射光纤6的连接方式为熔接。
参阅图1，本申请的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器通过单偏振光纤的光纤连接头1与光纤光谱解调仪连接，通过检测输出光谱特征谷值并根据传感方程实现氢气浓度和湿度的独立检测。具体而言，当传感器所在环境中的氢气浓度和湿度同时发生变化时，第一双折射光纤4上的湿敏膜吸收水会发生温度、体积或折射率的变化，从而引起第一双折射光纤4双折射的变化，导致干涉光谱中第一双折射光纤3对应的特征谷值发生平移。同时第二双折射光纤6上的氢敏膜会吸收氢放生放热反应或者膨胀，会引起第二双折射光纤6双折射的变化，并导致干涉光谱中第二双折射光纤6对应的特征谷值发生平移，两个特征谷值只与其对应光纤有关，不会相互影响，监测并记录两个特征谷值波长的移动，就可以实现氢气浓度和湿度独立传感。
进一步地，单偏振光纤2的光纤的长度要保证入射传感结构部分的光的消光比大于30dB。
进一步地，第一双折射光纤4和第二双折射光纤6可以是熊猫型、领结型、侧孔型、椭圆芯型、椭圆包层型、一字型、类矩形等通过不同结构引入高双折射的应力型双折射光纤，也可以是类熊猫型、椭圆空气孔型、菱形空气孔型、类矩形芯、环型空气孔型、大小圆形孔混合型、微结构纤芯型等通过不同结构引入高双折射的形状型双折射光纤。
微反射镜7由光纤9制作形成，光纤9一侧端面镀制耐高温反射膜8，另一侧端面采用斜切工艺形成斜面，防止光在该端面反射。制作完成的微反射镜7通过熔接的方式与第二双折射光纤6连接。
进一步地，第一双折射光纤4表面的湿敏膜由湿度敏感材料制成，其与水发生反应前后性质会变化，如二硫化钼、二硒化钼等。
进一步地，第二双折射光纤6表面的氢敏膜由氢敏材料制成，其吸放氢后能产生性质变化，如钯银合金，钯钇合金，三氧化钨等。
本发明的检测原理在于：两个偏振模式在两段双折射光纤上都会产生相位差，当这两个偏振模式再通过单偏振光纤实现检偏时就会发生干涉。干涉光谱中两个相邻的特征谷值分别一一对应其中一段双折射光纤，当环境中的湿度与氢气浓度同时变化时，湿度只会与第一双折射光纤镀有的湿敏膜发生反应，引起第一双折射光纤所对应的特征谷值平移。氢气只会与镀有氢敏膜的第二双折射光纤发生反应，引起第二光纤对应特征谷值的平移。故两段光纤分别对应的特征谷值的变化分别只与湿度或氢气浓度的变化有关，实现氢气浓度和湿度的独立传感。
本申请反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器的干涉光强I可以表示为：
Figure BDA0003511303520000071
Figure BDA0003511303520000072
式(1)中θ1、θ2分别为第一熔接点3和第二熔接点5处的熔接角度，
Figure BDA0003511303520000075
分别表示第一双折射光纤4和第二双折射光纤6上产生的相位差，Bi是两段双折射光纤的双折射，li为两段双折射光纤的长度，λ为工作波长；
从式(1)中可以看出，当第一熔接点3和第二熔接点5处的熔接角度θ1、θ2均为45°时，干涉波谷波长值分别只与
Figure BDA0003511303520000077
Figure BDA0003511303520000076
有关，可改写为：
Figure BDA0003511303520000073
干涉谱的极小值条件为：
Figure BDA0003511303520000074
Figure BDA0003511303520000081
其中λ1和λ2为两个相邻极小值处的波长值，m为干涉级次。其中λ1和只跟第一双折射光纤4有关，λ2只跟第二双折射光纤6有关。
当反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器所处的环境湿度和氢气浓度同时变化时，第一双折射光纤4只受环境湿度的影响，而第二双折射光纤6只受氢气浓度的影响。因此，当湿度与氢气浓度同时变化时，λ1和λ2的变化分别可以表示为；
Δλ1＝a·ΔH (6)
Δλ2＝b·ΔC (7)
式中，a为第一双折射光纤4的湿度敏感系数，b为第二双折射光纤6的氢气浓度敏感系数，ΔH为湿度变化量，ΔC为氢气浓度变化量。此式即为氢气浓度和湿度独立检测的传感方程。
以下结合实施例对本申请的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器进行详细说明。
实施例1：
本实施例中所用单偏振光纤1长度为5米，绕成直径为65mm的光纤环45°熔接第一双折射光纤3，第一双折射光纤3以45°熔接第二双折射光纤5，之后熔接微反射镜7，其中第一双折射光纤3侧面镀有二硫化钼湿敏膜。可以理解的是，湿敏膜可以为由湿度敏感材料制成，其与水发生反应前后性质会变化，其也可以为二硒化钼。第二双折射光纤6侧面镀有钯银合金氢敏膜，可以理解的是，氢敏膜还可以是钯银合金，钯钇合金，三氧化钨。微反射镜7由多模光纤9表面镀二氧化锆制成的耐高温反射膜8，其结构如图2所示。本实施例第一双折射光纤4和第二双折射光纤6选取保偏光子晶体光纤，长度为10cm，第二双折射光纤6尾端与端面镀有二氧化锆的多模光纤熔接，形成微反射镜7，增大反射率的同时对光子晶体光纤的空气孔进行封堵。
将反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器置于氢气响应腔室中，并将氢气反应腔与传感结构一起置于恒温湿度箱中，设置恒温湿度箱的温度为25℃。将相对湿度分别设置为20％、30％、40％、50％及60％，在每一个相对湿度值下分别通入浓度分别为0％、1％、2％、3％及4％的氢气，记录不同干涉光谱，并得到两个相邻的特征谷值的波长值。氢气浓度和湿度变化前后的干涉光谱如图3所示，由图中可以看出，第一双折射光纤4对应的λ1在湿度的作用下向左平移，第二双折射光纤6对应的λ2在氢气的作用下向左平移。基于平移变化量获取湿度变化量和氢气浓度变化量。
实施例2：
本实施例中所用单偏振光纤1长度为5米，绕成直径为65mm的光纤环45°熔接第一双折射光纤3，第一双折射光纤3以45°熔接第二双折射光纤5，之后熔接微反射镜7，其中第一双折射光纤3侧面镀有钯银合金氢敏膜，可以理解的是，氢敏膜还可以是钯银合金，钯钇合金，三氧化钨。进一步地，第二双折射光纤6侧面镀有二硫化钼湿敏膜，可以理解的是，湿敏膜还可以是二硒化钼。微反射镜7由多模光纤9表面镀二氧化锆制成的耐高温反射膜8，本实施例与上述实施例相同，第一双折射光纤4和第二双折射光纤6选取保偏光子晶体光纤，长度为10cm，第二双折射光纤6尾端与端面镀有二氧化锆的多模光纤熔接，形成微反射镜7，增大反射率的同时对光子晶体光纤的空气孔进行封堵。
将反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器置于氢气响应腔室中，并将氢气反应腔与传感结构一起置于恒温湿度箱中，设置恒温湿度箱的温度为调节湿度和氢气浓度，记录不同干涉光谱，能够得到两个相邻的特征谷值的波长值。分别基于两个相邻的特征谷值的波长值的变化值，检测氢气浓度和湿度变化。
上述本申请实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点：
本发明的传感器采用单偏振光纤实现光路起偏、检偏功能，相比传统采用光学器件的结构，系统更简单，成本更低，可集成性更强，且光路为全光纤结构，系统更加稳定、可靠。此外，装置采用反射式光路结构，使得装置结构简单、安装方便，可实现狭小空间氢气浓度和湿度独立检测。
本发明的传感器采用双段保偏相熔接的方式，利用两段双折射光纤所分别对应的干涉光谱的特征谷值实现氢气浓度和湿度独立检测。相比传统多参数检测的方案，系统更简洁，目标性更明确。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，其特征在于，所述传感器包括单偏振光纤、第一双折射光纤和第二双折射光纤，所述第一双折射光纤的两端分别与所述单偏振光纤和所述第二双折射光纤以45°夹角熔接形成第一熔接点和第二熔接点，所述第一双折射光纤外表面包覆有湿敏膜，所述第二双折射光纤外表面包覆有氢敏膜，所述第二双折射光纤背离所述第一双折射光纤的一端连接有微反射镜；
所述传感器的干涉光谱存在两个相邻特征谷波长，分别对应镀湿敏膜的第一双折射光纤和镀氢敏膜的第二双折射光纤的偏光干涉谷值，通过分别测量两个特征谷波长变化值，实现湿度和氢气浓度的独立传感。
2.根据权利要求1所述的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，其特征在于，所述单偏振光纤作为传感器光路起偏器和检偏器，所述单偏振光纤背离所述第一双折射光纤的一端与光纤光谱解调仪连接。
3.根据权利要求1所述的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，其特征在于，所述第一双折射光纤和所述第二双折射光纤为应力型或形状型双折射光纤。
4.根据权利要求1所述的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，其特征在于，所述微反射镜与所述第二双折射光纤的连接端面镀有耐高温反射膜，耐高温反射膜由二氧化锆制成，所述微反射镜背离所述第二双折射光纤的端面为斜面。
5.根据权利要求4所述的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，其特征在于，所述微反射镜与所述第二双折射光纤熔接或粘接。
6.根据权利要求2所述的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，其特征在于，所述单偏振光纤背离所述第一双折射光纤的一端通过光纤连接头与光纤光谱解调仪连接。
7.根据权利要求1所述的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，其特征在于，所述氢敏膜为钯银合金、钯钇合金或三氧化钨。
8.根据权利要求3所述的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，其特征在于，所述第一双折射光纤和所述第二双折射光纤为熊猫型、领结型、侧孔型、椭圆芯型、椭圆包层型、一字型、类矩形的应力型双折射光纤中的任一种。
9.根据权利要求3所述的反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，其特征在于，所述第一双折射光纤和所述第二双折射光纤为类熊猫型、椭圆空气孔型、菱形空气孔型、类矩形芯、环型空气孔型、大小圆形孔混合型的形状型双折射光纤中的任一种。
10.一种反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器，其特征在于，所述传感器包括单偏振光纤、第一双折射光纤和第二双折射光纤，所述第一双折射光纤的两端分别与所述单偏振光纤和所述第二双折射光纤以45°夹角熔接形成第一熔接点和第二熔接点，所述第一双折射光纤外表面包覆有氢敏膜，所述第二双折射光纤外表面包覆有湿敏膜，所述第二双折射光纤背离所述第一双折射光纤的一端连接有微反射镜；
所述传感器的干涉光谱存在两个相邻特征谷波长，分别对应镀氢敏膜的第一双折射光纤和镀湿敏膜的第二双折射光纤的偏光干涉谷值，通过分别测量两个特征谷波长变化值，实现湿度和氢气浓度的独立传感。
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