CN114609052A - 一种光纤氢气浓度探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及氢气探测技术领域，具体涉及一种光纤氢气浓度探测装置，包括：腔体、第一光纤、第二光纤、弹性部、钯膜，第一光纤和第二光纤分别贯穿腔体的一侧，在腔体内，弹性部固定连接第一光纤的端面和第二光纤的端面，弹性部的两端分别覆盖第一光纤的纤芯和第二光纤的纤芯，钯膜固定在弹性部上的中部，腔体上还设有进气口和出气口。应用时，钯膜吸附氢气后，改变了弹性部的形状，从而改变了弹性部的共振波长，通过共振波长的移动实现氢气浓度探测。本发明具有氢气浓度探测灵敏度高的优点。

Description

一种光纤氢气浓度探测装置

技术领域

本发明涉及氢气探测技术领域，具体涉及一种光纤氢气浓度探测装置。

背景技术

氢能源不仅是清洁能源，而且在航天作为推进燃料具有重要的应用。氢分子的分子量小，容易燃烧和爆炸，在室温和标准大气压下，其爆炸极限为4％到74.5％。另外，由于氢分子小，也容易泄露，任何一点氢的泄露都可能造成巨大的危险。因此，针对氢的传感器至关重要。

与传统的催化法、热导法、电化学法氢传感器相比，光纤氢气传感器具有体积小、重量轻、电绝缘性、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，光纤氢气传感技术受到极大的关注。

传统光纤氢气传感器如论文《渐逝场型光纤钯膜氢气传感器的研制》(仪表技术与传感器，2008年第4期)一样，将钯膜设置在纤芯外侧，钯膜吸附氢气后，钯膜的折射率发生变化，从而改变了光纤的传播特性。在该论文的光纤氢气传感器中，钯膜对纤芯中传播光的影响小，对光纤传播特性的影响小，从而使得氢气浓度探测的灵敏度低。发明专利CN111077113A公开了另外一种光纤氢气传感器，在光纤端面设置微悬臂梁，应用磁控溅射方法在微悬臂梁表面设置钯膜，通过钯膜吸附氢气，改变微悬臂梁的质量，进而改变了谐振腔的共振波长，通过该共振波长确定待测环境中氢气的浓度。在该发明专利中，光路暴露在外，容易受到外界环境的影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种光纤氢气浓度探测装置，包括：腔体、第一光纤、第二光纤、弹性部、钯膜，第一光纤和第二光纤分别贯穿腔体的一侧，在腔体内，弹性部固定连接第一光纤的端面和第二光纤的端面，弹性部的两端分别覆盖第一光纤的纤芯和第二光纤的纤芯，钯膜固定在弹性部上的中部，腔体上还设有进气口和出气口。

更进一步地，第一光纤和第二光纤在一条直线上。

更进一步地，第一光纤为单模光纤。

更进一步地，第二光纤为单模光纤。

更进一步地，弹性部为柱形。

更进一步地，弹性部的直径小于20微米。

更进一步地，弹性部的长度小于40微米。

更进一步地，钯膜的厚度小于1微米。

更进一步地，钯膜不与第一光纤接触。

更进一步地，钯膜不与第二光纤接触。

本发明的有益效果：本发明提供了一种光纤氢气浓度探测装置，包括：腔体、第一光纤、第二光纤、弹性部、钯膜，第一光纤和第二光纤分别贯穿腔体的一侧，在腔体内，弹性部固定连接第一光纤的端面和第二光纤的端面，弹性部的两端分别覆盖第一光纤的纤芯和第二光纤的纤芯，钯膜固定在弹性部上的中部，腔体上还设有进气口和出气口。应用时，待测气体从进气口进入腔体，从出气口流出腔体，弹性部为透明材料。第一光纤连接光源，第二光纤连接光探测器。光源发出宽带光谱的激光，激光依次通过第一光纤、弹性部、第二光纤，进入光探测器。光探测器测量透射光谱。钯膜吸附氢气后，改变了弹性部的形状，从而改变了弹性部的共振波长，通过共振波长的移动实现氢气浓度探测。因为弹性部的共振波长对弹性部的形状非常敏感，所以本发明具有氢气浓度探测灵敏度高的优点。另外，本发明将光路限制在弹性部中，减少了外界环境对光传播特性的影响，在氢气浓度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是一种光纤氢气浓度探测装置的示意图。

图2是又一种光纤氢气浓度探测装置的示意图。

图3是再一种光纤氢气浓度探测装置的示意图。

图中：1、腔体；2、进气口；3、出气口；4、第一光纤；5、第二光纤；6、弹性部；7、钯膜。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

本发明提供了一种光纤氢气浓度探测装置，如图1所示，包括腔体1、第一光纤4、第二光纤5、弹性部6、钯膜7。第一光纤4和第二光纤5分别贯穿腔体1的一侧。第一光纤4和第二光纤5在一条直线上。第一光纤4为单模光纤，第二光纤5也为单模光纤，单模光纤的纤芯直径在9微米左右，以便于弹性部6的端面容易覆盖纤芯，如图2所示。也就是说，对于单模光纤，可以使用较小直径的弹性部6，在同样作用力的情况下，较小直径的弹性部6的长径比改变更多，从而更多地改变共振波长，有利于实现更高灵敏度的氢气浓度探测。在腔体1内，弹性部6固定连接第一光纤4的端面和第二光纤5的端面，弹性部6的两端分别覆盖第一光纤4的纤芯和第二光纤5的纤芯。这样一来，第一光纤4、弹性部6、第二光纤5在一条直线上，减少了错位对光的反射，以便于在弹性部6内聚集更强的能量。弹性部6为柱形，弹性部6的直径小于20微米，但是弹性部6的端面能够完全覆盖第一光纤4的纤芯和第二光纤5的纤芯，更进一步地，弹性部6的直径小于18微米。弹性部6的长度小于40微米。钯膜7固定在弹性部6上的中部，钯膜7不与第一光纤4接触，钯膜7也不与第二光纤5接触，钯膜7的厚度小于1微米，更进一步地，钯膜7的厚度小于200纳米。腔体1上还设有进气口2和出气口3，以便于待测气体进入腔体1和流出腔体1。在本发明中，腔体1不仅具有固定第一光纤4和第二光纤5的作用，而且腔体1防止了较大气流等外界环境因素对弹性部6的作用，防止了强大气流、外界颗粒等因素对弹性部6的破坏。

应用时，待测气体从进气口2进入腔体1，从出气口3流出腔体1，弹性部6为透明材料。第一光纤4连接光源，第二光纤5连接光探测器。光源发出宽带光谱的激光，激光依次通过第一光纤4、弹性部6、第二光纤5，进入光探测器。光探测器测量透射光谱。钯膜7吸附氢气后，钯膜7的重力增加，改变了弹性部6的形状，具体表现为压扁了弹性部6和拉长了弹性部6，从而改变了弹性部6的共振波长，通过共振波长的移动实现氢气浓度探测。因为弹性部6的共振波长对弹性部6的形状非常敏感，所以本发明具有氢气浓度探测灵敏度高的优点。更进一步地，在本发明中，钯膜7吸附氢气后，重力增加，不仅拉长了弹性部6，而且某种程度地压扁了弹性部6的中部，这两种效应都导致弹性部6的共振波长红移，因此，本发明能够实现更高灵敏度的氢气浓度探测。另外，本发明将光路限制在弹性部6中，减少了外界环境对光传播特性的影响，系统稳定、抗干扰能力强，在氢气浓度探测领域具有良好的应用前景。

在本发明中，弹性部6和第一光纤4、第二光纤5一体成型。首先将第一光纤4和第二光纤5的端面切割平整；然后将第一光纤4和第二光纤5置入光刻胶中，设置好第一光纤4和第二光纤5之间的距离，具体是在第一光纤4和第二光纤5的相对端面滴入光刻胶；然后利用三维光刻机，采用飞秒激光双光子聚合技术在第一光纤4和第二光纤5的端面形成聚合物构成的弹性部6，弹性部6天然地和第一光纤4和第二光纤5的端面连接；然后显影，固化的弹性部6固定连接第一光纤4的端面和第二光纤5的端面。在本发明中，弹性部6和第一光纤4、第二光纤5一体成型，不仅增加了结构稳定性，保证了弹性部6具有较高的弹性，而且减少了光在第一光纤4、弹性部6界面和光在弹性部6、第二光纤5界面的反射，使得更多的光聚集在弹性部6中。当钯膜7改变弹性部6形状时，弹性部6的透射特性改变更多，从而实现更高灵敏度的氢气浓度探测。

制备出固定连接的第一光纤4、弹性部6、第二光纤5后，应用电子束蒸发或磁控溅射的方法在弹性部6的中部沉积钯膜7。优选地，应用电子束蒸发方式沉积钯膜7，并且使得蒸发的材料倾斜地沉积到弹性部6的中部。应用倾斜沉积的方法，在弹性部6的中部容易形成粗糙的表面或由颗粒构成的薄膜，这样的薄膜具有更多的表面积，能够吸附更多的氢气，从而提高了氢气浓度探测的极限和灵敏度。当应用电子束蒸发镀膜时，应用薄膜覆盖住弹性部6的两端，以免弹性部6的两端沉积钯膜7。由于此处的钯膜7与第一光纤4端面、第二光纤5端面的粘附力，此处的薄膜会降低弹性部6的弹性。

实施例2

在实施例1的基础上，如图3所示，弹性部6的两端粗，弹性部6的中间细。弹性部6的两端能够完全覆盖第一光纤4的纤芯和第二光纤5的纤芯，以便于第一光纤4中的光能够耦合进入弹性部6，弹性部6中的光能够耦合进入第二光纤5。当弹性部6的中间细时，一方面，该处的有效折射率大，当该处在压力的作用下，变得更细时，有效折射率变化更多，从而更多地增加了整个弹性,6的有效折射率；另一方面，也容易在钯膜7的作用下伸长更多。这两方面的效果均使得弹性部6的共振波长红移，因此本实施例能够更多地红移弹性部6的共振波长，从而实现更高灵敏度的氢气浓度探测。

实施例3

在实施例2的基础上，弹性部6的两端为圆形，弹性部6的中间区域为扁平状。扁平状区域的厚度小于2微米。扁平状的平面法线方向沿竖直方向。钯膜7置于扁平状区域的上表面。由于扁平状区域具有更多的表面积，所设置的钯膜7的面积也更大，能够吸附更多的氢气，从而更多地改变弹性部6的形状。另一方面，扁平状区域的厚度小，光场被限制在较窄的区域。当钯膜7吸附氢气压迫扁平状区域时，能够相对更多地改变厚度，从而更多地改变弹性部6整体的长径比，从而更多地红移弹性部6的共振波长，从而实现更高灵敏度的氢气浓度探测。再一方面，钯膜7设置在扁平状区域的上侧，对下侧的光场具有一定的限制作用，使得光场更集中在扁平状区域内，特别是靠近钯膜7一侧，这样一来，当钯膜7压迫扁平状区域时，能够更多地改变扁平状区域内的有效折射率，从而更多地改变弹性部6整体的共振波长，从而实现更高灵敏度的氢气浓度探测。

更进一步地，钯膜7的宽度大于扁平状区域的宽度。也就是说，钯膜7突出扁平状区域的上表面。这样一来，钯膜7具有更大的表面积，能够吸附更多的氢气，更多地改变钯膜7，从而更多地改变整个弹性部6的共振波长，从而实现更高灵敏度的氢气浓度探测。

更进一步地，钯膜7由倾斜的钯纳米棒阵列构成。在电子束蒸发镀膜时，倾斜扁平状区域，将扁平状区域的法线与沉积方向的夹角设置为80度-87度，以便在扁平状区域上形成钯纳米棒阵列。钯纳米棒阵列具有更多的表面积，能够吸附更多的氢气，更多地改变整个弹性部6的共振波长，从而实现更高灵敏度和检测极限的氢气浓度检测。另外，由于钯膜7不是连接在一起的，相邻钯纳米线之间不连接，便于弹性部6弯曲和形变。

更进一步地，如图1所示，第一光纤4和第二光纤5悬空在腔体1内部。一方面，防止腔体1侧壁对弹性部6的损伤；另一方面，有利于钯膜7吸附更多的氢气。

另外，在本发明中，钯膜7吸附氢气后产生膨胀，也促使弹性部6产生弯曲。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光纤氢气浓度探测装置，其特征在于，包括：腔体、第一光纤、第二光纤、弹性部、钯膜，所述第一光纤和所述第二光纤分别贯穿所述腔体的一侧，在所述腔体内，所述弹性部固定连接所述第一光纤的端面和所述第二光纤的端面，所述弹性部的两端分别覆盖所述第一光纤的纤芯和所述第二光纤的纤芯，所述钯膜固定在所述弹性部上的中部，所述腔体上还设有进气口和出气口。

2.如权利要求1所述的光纤氢气浓度探测装置，其特征在于：所述第一光纤和所述第二光纤在一条直线上。

3.如权利要求1所述的光纤氢气浓度探测装置，其特征在于：所述第一光纤为单模光纤。

4.如权利要求1所述的光纤氢气浓度探测装置，其特征在于：所述第二光纤为单模光纤。

5.如权利要求1所述的光纤氢气浓度探测装置，其特征在于：所述弹性部为柱形。

6.如权利要求5所述的光纤氢气浓度探测装置，其特征在于：所述弹性部的直径小于20微米。

7.如权利要求1所述的光纤氢气浓度探测装置，其特征在于：所述弹性部的长度小于40微米。

8.如权利要求1所述的光纤氢气浓度探测装置，其特征在于：所述钯膜的厚度小于1微米。

9.如权利要求8所述的光纤氢气浓度探测装置，其特征在于：所述钯膜不与所述第一光纤接触。

10.如权利要求9所述的光纤氢气浓度探测装置，其特征在于：所述钯膜不与所述第二光纤接触。

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