CN205691260U - 一种基于fp腔的光纤光栅温度氢气传感器 - Google Patents
一种基于fp腔的光纤光栅温度氢气传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于FP腔的光纤光栅温度氢气传感器，包括单模光纤、FBG光栅、毛细管，其特征在于：所述的传感器中的单模光纤纤芯内刻有FBG光栅，其右端与内径为50um的毛细管熔接，毛细管内填充光学胶，毛细管的侧面涂敷有Pt‑loaded WO3粉末。本实用新型具有结构简单、易制备、体积小和灵敏度高等优点，可应用于温度与氢气浓度变化的测量。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于FP腔的光纤光栅温度氢气传感器。
背景技术
在科研和工程技术中，有许多场合需要确定温度的分布，例如长距离输油管道、电力电缆等管道的沿线温度场分布，大型电力变压器内部的温度场分布等。传统的电温度传感器不能工作在强电磁环境中，也不宜在易燃、易爆环境或腐蚀性环境中工作。以电信号为工作基础的传统的温度传感器，如热电偶、热释电探测器等温度传感器的发展已经成熟，但在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下，基于电信号测量的传统温度传感器便受到很大的限制。光纤温度传感是仪器仪表领域重要的发展方向之一。由于光纤具有重量轻、电绝缘性好、耐腐蚀、灵敏度高等特点，对传统的传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用。光纤温度传感器有基于干涉型的传感器、基于光栅型的传感器、基于拉曼的分布式传感器等。有一种利用无截止的单模光子晶体光纤中刻写长周期光栅的方法来实现应力不敏感的温度传感，这种方法的缺点是高温不稳定，而且对弯曲敏感。
氢气作为一种新型能源，不仅清洁环保，并且具有丰富的来源，在石油化工、冶金工业等方面有着广泛的应用，然而当氢气在空气中的体积浓度达到一定程度极易引起爆炸，因此检测氢气的浓度尤为重要。对环境的氢气浓度检测是一项非常必要的工作。光纤氢气传感器被广泛地应用到氢气浓度检测中，目前已有的光纤氢传感器包括干涉型、微镜型、消逝波型、表面等离子体共振型、波导型和FBG光纤光栅型传感器等。集成光学微结构的氢气传感器，结构紧凑灵敏度高，但其制作过程复杂。而基于干涉原理的非本征型光纤FP干涉传感器具有结构简单、成本低、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于FP腔的光纤光栅温度氢气传感器，其具有灵敏度高、结构简单、较高的分辨率、测量范围广泛、易制备和可以对温度和氢气浓度双参数的测量等优点。
本实用新型所采用的技术方案：一种基于FP腔的光纤光栅温度氢气传感器，其特征在于：所述的传感器是由单模光纤与内径为50um的毛细管熔接而成，且单模光纤纤芯内刻有FBG光栅，毛细管内填光学胶，其末端为少量碳粉，其中，毛细管的侧面涂敷有厚度为10-50um的Pt-loaded WO3粉末。
本实用新型的有益效果是：
1.传感器整体材料为单模光纤、毛细管，不受电磁影响，可以在强电磁场环境下工作。传感器制备过程中只需用飞秒激光器在单模光纤纤芯内刻FBG光栅，然后使用普通商用熔接机将单模光纤与毛细管熔接，再填充光学胶，涂敷粉末等工作，具有结构简单的优点。
2.该传感器中刻写了FBG光栅，因此在测试时可以进行温度补偿。
3.所述的传感器的工作原理是：空气中的氢气在Pt-loaded WO3粉末的催化作用下与氧气发生反应，会释放大量热量，化学反应式如下：
该反应过程中，产生的热量使得光学胶与单模光纤端面形成的F-P腔中光束的相位发生变化，从而光谱分析仪所检测到的干涉谱也随之发生改变，进一步通过检测干涉谱的谐振波长漂移量即可准确确定待测空气中氢气的浓度，其与一般氢气传感器相比具有灵敏度高的优点。
附图说明
图1为基于FP腔的光纤光栅温度氢气传感器的结构示意图。其中，(1)单模光纤，(2)侧面涂敷有Pt-loaded WO3粉末的毛细管，(3)FBG光栅，(4)光学胶，(5)碳粉。
具体实施方式
如图1所述的基于FP腔的光纤光栅温度氢气传感器，其制备流程为：将除去涂覆层的单模光纤与内径为50um的毛细管熔接在一起，用飞秒激光器在单模光纤纤芯内刻写FBG光栅，注意FBG光栅与毛细管保持一定距离，以防两者受温度影响产生干扰现象，再将光学胶填充在毛细管内形成一个FP空气腔，其末端粘有少量碳粉用于消除端面反射，然后用紫外灯照射使得光学胶凝固，最后在毛细管的侧面涂敷Pt-loaded WO3粉末，从而构成基于FP腔的光纤光栅温度氢气传感器。将该传感器的单模光纤与光纤环形器一端连接，宽带光源和光纤光谱仪分别与光纤环形器的另外两端连接。
在进行温度实验时，将该刻有FBG光栅的单模光纤放置在温度箱中，调节温度箱中的温度，使得单模光纤的温度发生变化，由于热胀冷缩效应，FBG光栅格距周期及纤芯折射率的变化，从而使光纤光栅的中心波长发生移动，在光谱仪中表现为干涉波峰的漂移。通过观察光谱图中对应波峰的漂移，即可实现温度的传感测量。在进行氢气实验时，将该传感器置于待测氢气浓度的气室内，空气中的氢气在Pt-1oaded WO3粉末的催化作用下与氧气发生反应释放出热量，由于热胀冷缩效应，使得FP空气腔中的光束的相位随温度的变化而变化，光谱仪实时记录该传感器的干涉谱，通过比对谐振波长的变化从而确定待测空间氢气的浓度。观察光谱分析仪中的光谱波峰漂移量，即可实现氢气的传感测量。该温度氢气传感器可对温度和氢气进行双参数测量。
Claims (2)
1.一种基于FP腔的光纤光栅温度氢气传感器，其特征在于：所述的温度氢气传感器中的单模光纤纤芯内刻有FBG光栅，右端与内径为50um的毛细管熔接，毛细管内填充光学胶，其末端为碳粉，其中，毛细管的侧面涂敷有Pt-loaded WO3粉末。
2.根据权利要求1所述的一种基于FP腔的光纤光栅温度氢气传感器，其特征在于：所述的毛细管其侧面涂敷的Pt-loaded WO3粉末的厚度为10-50um，毛细管取300-400um。
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