CN114965366A - 一种空芯光纤氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种空芯光纤氢气传感器。本发明空芯光纤氢气传感器，包括基管、氢敏薄膜、介质膜和纤芯；其中氢敏薄膜为钯膜，涂覆于基管内壁，介质膜镀覆在所述氢敏薄膜表面；纤芯是中空的，用于装载待测气体样品。本发明通过检测光纤传输光谱中干涉峰波长的变化，获得氢气浓度的变化情况。其结构简单，成本低廉，抗电磁干扰能力强，具有很好的实用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种空芯光纤氢气传感器。
背景技术
氢气作为一种重要的清洁能源和化工原料，在国防、化工、航天等领域有着广泛的用途。然而，氢气易燃易爆且容易泄露，在室温和标准大气压下，其爆炸极限为4%~74.5%，在使用和存储过程中存在一定的安全隐患。因此，研究一种快速、灵敏、安全的方法对环境中的氢气浓度进行实时监测在实际应用中显得尤为重要。
传统的电化学型氢气传感器能够提供精确、快速、稳定的响应，但是其使用具有一定的局限性，难以在复杂电磁场以及强腐蚀的恶劣环境中工作。而且该类传感器在工作中有可能产生电火花而引起爆炸，有较大的安全隐患。光纤传感器具有安全性好、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点，因此在氢气浓度监测方面具有极其突出的优势。目前的光纤氢气传感器大多采用了在实芯光纤的端面或者去除包层的纤芯表面镀制一层氢敏薄膜的制备方法。钯对氢气具有良好的选择性，在吸收了氢气后其体积、晶格常数和折射率会发生改变，解析附后又会恢复原来的特性。钯的光学常数变化会引起光纤中传输光的变化，通过测量光信号的输出强度、传输光谱、相位变化等信息就能够实现对氢气浓度的检测。然而该类型光纤氢气传感器的制作工艺较为复杂，而且裸露在外部的氢敏薄膜容易受到污染和损坏。
空芯光纤是一种以空气作为纤芯材料的圆形光波导，可以作为天然的样品腔，用于装载气体样品。将氢敏薄膜镀制于空气光纤内，制备出的传感器成本低廉、灵敏度高、使用寿命长，具有重要的实际应用价值。
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结构简单、易于制作、使用寿命长的空芯光纤氢气传感器。
本发明提供的空芯光纤氢气传感器，包括基管、氢敏薄膜、介质膜和纤芯；其中氢敏薄膜镀覆在所述基管内壁，介质膜镀覆在所述氢敏薄膜表面；纤芯是中空的，用于装载待测气体样品；其中，所述氢敏薄膜为钯膜，可通过化学镀法涂覆于所述基管内壁。
本发明中，所述中空纤芯，内径为100-1000微米。
本发明中，所述氢敏薄膜为钯膜，通过化学镀法涂覆于所述基管内壁，厚度优选为50-200nm。
本发明中，所述介质膜材料优选为乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜，通过液相镀膜法涂覆于所述氢敏薄膜表面。
本发明中，所述介质膜优选厚度为100-500nm。
本发明中，所述基管材料优选为熔融石英，内径约为100-1000微米。
本发明中，所述基管优选长度为1-10cm。
本发明的工作原理是：光信号在依次涂覆有氢敏薄膜、介质膜的空芯光纤内传输并产生干涉现象，当氢气浓度发生变化时，氢敏薄膜的厚度和折射率会发生变化，从而改变传输光谱中干涉峰的位置，通过检测干涉峰波长的移动即可检测环境中的氢气浓度。
本发明的有益效果为：本发明传感器结构简单、成本低廉、抗干扰能力强，只需要简单的液相镀膜法即可制备得到，为低浓度氢气检测提供了一种便捷、可靠、灵敏的新方法。该结构还能将脆弱的氢敏薄膜和介质膜保护在空芯光纤内部以避免污染和破损，能够有效地延长传感器的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的空芯光纤氢气传感器结构示意图。
图2是本发明的空芯光纤氢气传感器在不同氢气浓度下的传输光谱。
图3是本发明的空芯光纤氢气传感器干涉峰波长与氢气浓度的关系图。
图中标号：1为基管，2为氢敏薄膜，3为介质膜，4为纤芯。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见附图1，空芯光纤氢气传感器由基管1、氢敏薄膜2、介质膜3和纤芯4组成。其中，基管1的材料为熔融石英；氢敏薄膜2为钯膜，通过化学镀法涂覆于基管1内壁，厚度为80nm；介质膜3为乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜，厚度为330nm ，通过液相镀膜法涂覆于氢敏薄膜2表面；纤芯4是中空的，内径为700微米 ， 用于装载待测气体样品。
将制作好的空芯光纤氢气传感器接入测试系统，检测本发明传感器的氢气检测特性。选用发光波长范围为350～2500nm的卤钨灯光源，将从光纤引出的光耦合至本发明的空芯光纤氢气传感器的纤芯4中传输，再通过跳线输出至光谱分析仪，记录本发明传感器的归一化传输光谱。光信号在空芯光纤内传输并产生干涉现象，当氢气浓度发生变化时，氢敏薄膜2的厚度和折射率会发生变化，从而改变传输光谱中干涉峰的位置，通过检测干涉峰波长的移动即可检测环境中的氢气浓度。具体地说，氢气浓度增大，干涉峰红移；反之，氢气浓度减小，干涉峰蓝移。
当氢气浓度为0%和4%时，所述空芯光纤氢气传感器的传输光谱变化如图2所示，干涉峰波长移动约12nm。图3为所述空芯光纤氢气传感器的干涉峰波长与氢气浓度的关系图，随着氢气浓度的增大，干涉峰逐渐红移。根据线性拟合结果，所述空芯光纤氢气传感器在氢气浓度范围为0%-4%时的灵敏度约为3nm/%。
综上所述，本发明可以通过观察干涉峰的位置，来检测环境中的氢气浓度，为实现快速、可靠、灵敏的低浓度氢气检测提供了一种解决方案。
最后应说明的是，以上具体实施方式仅用于说明本发明的技术方案，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种空芯光纤氢气传感器，其特征在于，包括基管、氢敏薄膜、介质膜和纤芯；其中氢敏薄膜为钯膜，镀覆在所述基管内壁，介质膜镀覆在所述氢敏薄膜表面；纤芯是中空的，用于装载待测气体样品。
2.根据权利要求1所述的空芯光纤氢气传感器，其特征在于，所述氢敏薄膜厚度为50-200nm。
3.根据权利要求2所述的空芯光纤氢气传感器，其特征在于，所述中空纤芯的内径为100-1000微米 。
4.根据权利要求3所述的空芯光纤氢气传感器，其特征在于，所述介质膜为乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜，厚度为100-500nm。
5.根据权利要求1-4之一所述的空芯光纤氢气传感器，其特征在于，所述基管材料为熔融石英。
6.根据权利要求1-4之一所述的空芯光纤氢气传感器，其特征在于，所述基管长度为1-10cm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210400450.4A CN114965366A (zh) | 2022-04-16 | 2022-04-16 | 一种空芯光纤氢气传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202210400450.4A CN114965366A (zh) | 2022-04-16 | 2022-04-16 | 一种空芯光纤氢气传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114965366A true CN114965366A (zh) | 2022-08-30 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202210400450.4A Pending CN114965366A (zh) | 2022-04-16 | 2022-04-16 | 一种空芯光纤氢气传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114965366A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116124741A (zh) * | 2023-04-19 | 2023-05-16 | 武汉理工大学 | 一种氢气浓度检测装置 |
| CN116380980A (zh) * | 2023-04-10 | 2023-07-04 | 哲弗智能系统（上海）有限公司 | 一种气体浓度的确定方法、装置、电子设备及介质 |
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2022
- 2022-04-16 CN CN202210400450.4A patent/CN114965366A/zh active Pending
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