CN1180282C - 一种在光纤光栅上溅射钯膜的温度补偿氢敏感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在光纤光栅上溅射钯膜的温度补偿氢敏感装置。激光器发出的一束激光通过3dB分束器将其分为两路，一路通过第一个三端环行器进入装在密封盒上面溅射Pd膜的氢敏感光纤光栅，另一路通过第二个三端环行器进入装在密封盒内底面溅射Pd膜的氢敏感参考光纤光栅，反射回来的反射光经各自的三端环行器，通过光谱仪接数字信号处理系统。由数字信号处理系统来分别获取外界环境温度引起的布拉格波长λB漂移及温度和氢气浓度的混合变化引起的布拉格波长λB漂移，计算机将获取的两路信号进行处理从而测量氢气的浓度。它可以使其对环境温度的变化不敏感，测试系统性能可靠，抗干扰性强、精度高，测试精度可达0.05%。

Description

一种在光纤光栅上溅射钯膜的温度补偿氢敏感装置
                               技术领域
本发明涉及一种在光纤光栅上溅射钯膜的温度补偿氢敏感装置。
                               背景技术
在氢敏感技术中普遍采用钯(Pd)作催化物质，当H2气体遇到Pd膜后首先被吸附然后被吸收，此催化反应是可逆的。吸氢后的Pd膜通常有两种固溶体存在，表现为α相和β相，α相到β相的转化与氢气的浓度和表面环境温度有关。不同相的晶格参数相差很大，反复的吸附和脱附会导致金属晶格的错位，致使Pd膜经受几个吸氢放氢周期后便会扭曲以至破损，所以须补偿环境温度的影响从而减缓α相到β相的转变。目前，在光纤氢敏传感器研究方面使用最多的是在光纤端面镀一层或多层Pd膜使之构成微透镜方法；另外使用Pd膜和非晶体的WO3作氢气催化剂也是早期方案之一，即除了在光纤端面镀Pd膜外，再镀一层WO3膜，由于这种传感器能够对800nm的光波产生强烈吸收，因此该方法对氢气的敏感具有很高的灵敏度，但唯一不足是响应速度比较慢；近年来，关于在光纤表面产生等离子共振波的结构的氢敏传感器和倏逝波(Evanescent)结构的氢敏传感器已有报导，这些方法对氢气敏感的灵敏度均有不同程度的提高，但测试精度一般很难达到0.1％。因此在测试精度要求比较高的场合，如氢气敏感精度高于0.05％的场合，光纤光栅是我们首选的方案。当紫外线照射光敏光纤可使其折射率发生永久性变化，根据这个效应对纤芯周期性曝光，从而得到光纤光栅。光纤光栅具有反射带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、与光纤耦合好、与其他光纤器件兼容和不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
使用布拉格光纤光栅(FBG)构成氢敏传感原理是：在光纤光栅上溅射Pd膜，H2遇Pd膜后很快被吸附并进而吸收生成PdHx，生成PdHx后体积会随氢气浓度的变化而产生收缩或膨胀，Pd膜体积膨胀或收缩可以引起光栅周期改变，导致布拉格波长λB改变。另外温度变化引起光栅周期变化同样也会改变布拉格波长λB，因此需要对光纤光栅的环境温度进行补偿。
                               发明内容
为了能提高氢气的灵敏度，降低外界环境对测试系统的影响，本发明的目的在于提供一种在光纤光栅上溅射钯膜的温度补偿氢敏感装置。
为达到上述发明目的本发明采用的技术方案是：激光器发出的一束激光通过3dB分束器将其分为两路，一路通过第一个三端环行器进入装在密封盒上面溅射Pd膜的氢敏感光纤光栅，由溅射Pd膜的氢敏感光纤光栅反射回来的反射光经第一个三端环行器，通过光谱仪接数字信号处理系统；另一路通过第二个三端环行器进入装在密封盒内底面溅射Pd膜的氢敏感参考光纤光栅，由溅射Pd膜的氢敏感参考光纤光栅反射回来的反射光经第二个三端环行器，通过光谱仪接数字信号处理系统。
本发明具有的有益效果是：在一根光纤光栅上溅射Pd膜的氢敏感光纤光栅，构成氢气敏感传感器，将同样溅射Pd膜的参考光纤光栅放置于由导热性好的材料制作的密封盒中，以隔离氢气对Pd膜的影响。通过光谱仪和计算机构成的数字信号处理系统来分别获取外界环境温度引起的布拉格波长λB漂移及温度和氢气浓度的混合变化引起的布拉格波长λB漂移，计算机将获取的两路信号进行处理从而测量氢气的浓度。它可以使其对环境温度的变化不敏感，测试系统性能可靠，抗干扰性强、精度高，它能够在相对恶劣的环境中精确地检测氢气的浓度，一般测试精度可达0.05％。
                               附图说明
图1是本发明的氢气敏感光纤光栅结构示意图；
图2是本发明的温度补偿光纤光栅氢敏感传感器；
图3是本发明的结构原理示意图。
图中：1.光栅  2.Pd膜  3.导热密封盒  4.导热密封胶  5.氢敏感光纤光栅  6.氢敏感参考光纤光栅  7.光谱仪  8.数字信号处理系统  9.三端环行器10.三端环行器  11.3dB分束器  12.激光器
                      具体实施方式
如图1所示，的传感光纤光栅中，在光纤上制作光纤光栅1，在光纤光栅1上溅射Pd膜，Pd膜的厚度在10nm-30nm之间。
如图2所示，溅射Pd膜的氢敏感光纤光栅5用导热密封胶4固定在导热密封盒3上面，光纤光栅1的光纤部分留有补偿温度变化余量；溅射Pd膜的氢敏感参考光纤光栅6用导热密封胶4固定在导热密封盒内底面，参考光纤光栅的光纤部分也留有余量。在图2所示的温度补偿光纤光栅氢敏传感器中，传感器光纤光栅通过导热胶固定在导热性非常好的密封盒上面，光纤光栅的光纤部分留有余量可以补偿温度变化的影响；溅射钯膜的光纤光栅通过导热密封胶固定在导热密封盒中，用于隔离氢气对参考光纤光栅的影响，同样氢敏感参考光纤光栅的光纤部分也留有余量。
如图3所示，激光器12发出的一束激光通过3dB分束器11将其分为两路，一路通过第一个三端环行器9进入装在密封盒上面溅射Pd膜2的氢敏感光纤光栅5，由溅射Pd膜2的氢敏感光纤光栅5反射回来的反射光经第一个三端环行器9，通过光谱仪7接数字信号处理系统8；另一路通过第二个三端环行器10进入装在密封盒内底面溅射Pd膜2的氢敏感参考光纤光栅6，由溅射Pd膜2的氢敏感参考光纤光栅6反射回来的反射光经第二个三端环行器10，通过光谱仪7接数字信号处理系统8。
在图3所示的光纤光栅氢气敏感信号采集与处理中，它能对环境温度变化实施补偿。激光器12发出一束激光通过3dB分束器11将其分为两路，一路通过三端环行器9进入传感器光纤光栅5，外界环境温度变化和Pd膜吸氢后均会产生布拉格波长λB的漂移；另一路通过三端环行器10进入参考光纤光栅6，此氢敏感参考光纤光栅产生的布拉格波长λB的漂移仅由环境温度变化而引起。两路光纤光栅反射回来的反射光波通过光谱仪7接收后将其送给由计算机构成的数字信号处理系统8进行处理。计算机将采集到的两路信号进行处理从而实现对环境温度的变化进行补偿。

Claims (3)

1.一种在光纤光栅上溅射钯膜的温度补偿氢敏感装置，其特征在于：激光器(12)发出的一束激光通过3dB分束器(11)将其分为两路，一路通过第一个三端环行器(9)进入装在密封盒上面溅射钯膜(2)的氢敏感光纤光栅(5)，由溅射钯膜(2)的氢敏感光纤光栅(5)反射回来的反射光经第一个三端环行器(9)，通过光谱仪(7)接数字信号处理系统(8)；另一路通过第二个三端环行器(10)进入装在密封盒(3)内底面溅射钯膜的氢敏感参考光纤光栅(6)，由溅射钯膜的氢敏感参考光纤光栅(6)反射回来的反射光经第二个三端环行器(10)，通过光谱仪(7)接数字信号处理系统(8)。
2.根据权利要求1所述的一种在光纤光栅上溅射钯膜的温度补偿氢敏感装置，其特征在于：溅射钯膜的氢敏感光纤光栅(3)用导热密封胶(4)固定在导热密封盒(3)上面，光纤光栅的光纤部分留有补偿温度变化余量；溅射钯膜的氢敏感参考光纤光栅(6)用导热密封胶固定在导热密封盒内(3)底面，参考光纤光栅的光纤部分也留有余量。
3.根据权利要求1所述的一种在光纤光栅上溅射钯膜的温度补偿氢敏感装置，其特征在于：所说的钯膜(2)的厚度在10nm-30nm之间。
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