CN205317668U - 一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于：由宽带光源(1)、入射光纤(2)、长周期光纤光栅(3)、氢敏感薄膜(4)、恒温气室(5)、气体产生装置(6)、排气口(7)、出射光纤(8)、光谱分析仪(9)组成；宽带光源(1)发出的光束耦合到入射光纤(2)，入射光纤(2)的出射光束耦合到长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的出射光束耦合到出射光纤(8)，出射光纤(8)与光谱分析仪(9)相连；长周期光纤光栅(3)的一侧溅镀氢敏感薄膜(4)，置于恒温气室(5)中。所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，具有结构简单、易于操作、灵敏度高、安全性能好的优点。
Description
技术领域
本实用新型借助于长周期光纤光栅，提出了一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，属于光纤传感技术领域。
背景技术
长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需要隔离器，测量精度较高。与人们熟知的布拉格光栅不同，长周期光纤光栅的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基膜和包层模，这一特点导致它的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有比布拉格光栅更好的温度、应力、弯曲度、扭曲、横向负载和折射率灵敏度等。
氢气传感器在许多方面都有至关重要的作用，例如氢气储备、航天领域和科研等，但由于传统的基于电特性工作原理的氢气传感器在使用时，有可能产生电火花，有引起爆炸的可能性，存在安全隐患。相比之下，光纤氢气传感器凭借其高灵敏度、耐高压、耐腐蚀，体积小以及不产生火花等特性，非常适合应用于氢气这种危险气体的检测。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置。该装置能够将待测氢气浓度的变化量转化为探测信号的波长漂移量，具有结构简单、易于操作、灵敏度高、安全性能好等特点。
本实用新型通过以下技术方案实现：
一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，由宽带光源(1)、入射光纤(2)、长周期光纤光栅(3)、氢敏感薄膜(4)、恒温气室(5)、气体产生装置(6)、排气口(7)、出射光纤(8)、光谱分析仪(9)组成；宽带光源(1)发出的光束耦合到入射光纤(2)，入射光纤(2)的出射光束耦合到长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的出射光束耦合到出射光纤(8)，出射光纤(8)与光谱分析仪(9)相连；长周期光纤光栅(3)的一侧溅镀氢敏感薄膜(4)，置于恒温气室(5)中；气体产生装置(6)包括第一储气罐(10)、第二储气罐(11)、第一流量计(14)、第二流量计(15)和热交换器(18)，第一储气罐(10)经第一气体流道(12)与第一流量计(14)相连，第一流量计(14)经第一进气管道(16)与热交换器(18)相连，第二储气罐(11)经第二气体流道(13)与第二流量计(15)相连，第二流量计(15)经第二进气管道(17)与热交换器(18)相连，热交换器(18)经输气管道(19)与恒温气室(5)相连；排气口(7)位于恒温气室(5)的右上方。
所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于：长周期光纤光栅(3)由电弧放电或紫外激光器制成，周期为200μm～700μm，光栅长度为20mm；采用磁控溅射法在长周期光纤光栅(3)一侧溅射氢敏感薄膜(4)，具体为膜厚25nm～400nm的钯薄膜。
所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于：第一储气罐(10)内装有纯氮气，第二储气罐(11)内装有含有4％氢气含量的氮气。
本实用新型的工作原理是：
包层和纤芯的有效折射率以及光栅周期的关系式是：
其中λi表示耦合波长；neff表示传播纤芯的有效折射率；表示包层的有效折射率；Λ表示长周期光纤光栅的周期。
恒温气室(5)中氢气的浓度不同，其与氢敏感薄膜(4)发生敏感反应后，膜层的折射率发生了变化，这将导致谐振波长发生变化，波长改变时高次包层模与导模耦合的谐振波长处于长波长处，而低阶包层模与导模耦合的谐振波长处于短波长处，进一步引起透射谱的漂移，监测透射光谱波长漂移量可以实现氢气浓度的测量。
本实用新型的有益效果是：因待测氢气浓度的变化，镀钯膜层的长周期光纤光栅(3)的传感部位会发生明显的折射率变化，导致透射光谱波长漂移会发生明显变化，而透射光谱微小的波长漂移量都能够通过光谱分析仪(9)检测到，因此，该装置的探测精度，灵敏度都得到了大幅提高；气体产生装置(6)由装有纯氮气的第一储气罐(10)，装有含有4％氢气含量的氮气的第二储气罐(11)、第一流量计(14)、第二流量计(15)和热交换器(18)组成，使得产生的混合气体浓度控制在4％氢气含量以内，即低于氢气爆炸浓度，可充分保障该装置使用的安全性。
附图说明
图1是本实用新型的基于长周期光纤光栅的氢气传感装置示意图；
图2是本实用新型的长周期光纤光栅的氢气传感器；
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
参见附图1，一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，由宽带光源(1)、入射光纤(2)、长周期光纤光栅(3)、氢敏感薄膜(4)、恒温气室(5)、气体产生装置(6)、排气口(7)、出射光纤(8)、光谱分析仪(9)组成。本发明中的宽带光源(1)发出的光束耦合到入射光纤(2)，入射光纤(2)的出射光束耦合到长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的出射光束耦合到出射光纤(8)，出射光纤(8)与光谱分析仪(9)相连；长周期光纤光栅(3)的一侧溅镀氢敏感薄膜(4)，置于恒温气室(5)中；气体产生装置(6)包括第一储气罐(10)、第二储气罐(11)、第一流量计(14)、第二流量计(15)和热交换器(18)，第一储气罐(10)经第一气体流道(12)与第一流量计(14)相连，第一流量计(14)经第一进气管道(16)与热交换器(18)相连，第二储气罐(11)经第二气体流道(13)与第二流量计(15)相连，第二流量计(15)经第二进气管道(17)与热交换器(18)相连，热交换器(18)经输气管道(19)与恒温气室(5)相连；排气口(7)位于恒温气室(5)的右上方。
长周期光纤光栅(3)由电弧放电或紫外激光器制成，周期为200μm～700μm，光栅长度为20mm；采用磁控溅射法在长周期光纤光栅(3)一侧溅射氢敏感薄膜(4)，具体为膜厚25nm～400nm的钯薄膜；第一储气罐(10)内装有纯氮气，第二储气罐(11)内装有含有4％氢气含量的氮气。
Claims (3)
1.一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于：由宽带光源(1)、入射光纤(2)、长周期光纤光栅(3)、氢敏感薄膜(4)、恒温气室(5)、气体产生装置(6)、排气口(7)、出射光纤(8)、光谱分析仪(9)组成；宽带光源(1)发出的光束耦合到入射光纤(2)，入射光纤(2)的出射光束耦合到长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的出射光束耦合到出射光纤(8)，出射光纤(8)与光谱分析仪(9)相连；长周期光纤光栅(3)的一侧溅镀氢敏感薄膜(4)，置于恒温气室(5)中；气体产生装置(6)包括第一储气罐(10)、第二储气罐(11)、第一流量计(14)、第二流量计(15)和热交换器(18)，第一储气罐(10)经第一气体流道(12)与第一流量计(14)相连，第一流量计(14)经第一进气管道(16)与热交换器(18)相连，第二储气罐(11)经第二气体流道(13)与第二流量计(15)相连，第二流量计(15)经第二进气管道(17)与热交换器(18)相连，热交换器(18)经输气管道(19)与恒温气室(5)相连；排气口(7)位于恒温气室(5)的右上方。
2.根据权利要求1所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于，所述的长周期光纤光栅(3)由电弧放电或紫外激光器制成，周期为200μm～700μm，光栅长度为20mm；采用磁控溅射法在长周期光纤光栅(3)一侧溅射氢敏感薄膜(4)，具体为膜厚25nm～400nm的钯薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于，所述的第一储气罐(10)内装有纯氮气，第二储气罐(11)内装有含有4％氢气含量的氮气。
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| CN105527249A (zh) * | 2016-01-13 | 2016-04-27 | 中国计量学院 | 一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置 |
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