CN209589839U - 基于马赫-曾德尔干涉仪的长周期光纤光栅氢检测检测仪 - Google Patents
基于马赫-曾德尔干涉仪的长周期光纤光栅氢检测检测仪 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了基于马赫‑曾德尔干涉仪的长周期光纤光栅氢检测检测仪，由宽带光源，光纤耦合器，气室，进气口，出气口，马赫‑曾德尔LPG光纤结构，钯‑金‑钯‑金‑钯合金层，检测腔，光电二极管，功率放大模块，扬声器组成。当检测仪处于含有氢气的环境中，氢气与光纤表面的钯‑金‑钯‑金‑钯合金层反应。氢气浓度发生变化时，光纤光栅对的透射光谱产生变化，即光电二极管接收到的干涉光信号强度变化，从而产生电流的变化，获得氢气浓度与电流变化关系。把电信号进行功率放大，在超过设定阈值后由扬声器告警。由于光纤优秀的物理、化学特性，该发明具有耐腐蚀，抗电磁干扰能力强、复用性好、使用方便的优点，具有很好的实用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明属于氢浓度测量的技术领域，具体涉及一种基于马赫-曾德尔干涉仪的长周期光纤光栅氢检测检测仪。
背景技术
基于马赫-曾德尔干涉仪结构的各种功能型光纤光栅传感器自1991年开始迅速发展，极大的推动了传感技术的发展，拓宽了光纤光栅的应用范围。
由于光纤具有轻便，价格低廉，抗电磁干扰，耐腐蚀等优点，在传感检测中具有很好的实用价值。
马赫-曾德尔光纤结构由两段相同的长周期光纤光栅(LGP)构成，避免了拉锥、蚀刻等加工过程，制备过程简单。
由于钯对于氢气有唯一选择性与较高的响应速度，钯-金-钯-金-钯合金层能有效消除了纯钯与氢气反应时产生相变、零点漂移的现象，故钯-金-钯-金-钯合金是理想的氢气检测传感材料，所以在本实验中采用金、钯作为传感材料。
光电二极管是把光信号转换成电信号的光电传感器件，它的工作原理是基于光电效应,利用这个特性可以改变输出电流的大小，从而实现对光强变化的测量，且具有体积小、寿命长、量子效率高、无需高电压等优点，已经被广泛使用。
发明内容
针对现有光纤光栅结构氢气传感器的不足，本发明的目的在于以马赫-曾德尔LPG光纤结构为传感器主要结构，以透射光谱的干涉峰阈值的变化，干涉峰所在波长的位移为基础，及长周期光纤光栅(LPG)加工简单，耦合灵敏度高的优点,实现氢气浓度的测量，并在氢气浓度达到阈值时实现及时告警，解决了基于布拉格光纤光栅(FBG)的氢传感器敏感度低，制备过程繁琐、复杂的缺点。
本发明通过以下技术方案实现：基于马赫-曾德尔干涉仪的长周期光纤光栅氢检测检测仪，由宽带光源(1)，光纤耦合器(2)，气室(3)，进气口(4)，出气口(5)，马赫- 曾德尔LPG光纤结构(6)，钯-金-钯-金-钯合金层(7)，检测腔(8)，光电二极管(9)，功率放大模块(10)，扬声器(11)组成；其特征在于：宽带光源(1)通过光纤与光纤耦合器(2)连接到马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)，马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)固定在密闭不透光的气室(3)中，马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)两段LGP中心距离为50毫米，光栅长度为20毫米，光栅周期为500微米，马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)的光纤光栅中心波长为1550纳米，钯-金-钯-金-钯合金层(7)的厚度为100纳米，钯-金-钯-金-钯合金层(7) 中钯层厚度为10-20纳米，金层厚度范围为20-30纳米，钯-金-钯-金-钯合金层(7)沿光纤轴向长度为70毫米；通过光纤耦合器(2)与光纤连接到基于光电二极管(9)的检测腔(8)，气室(3)中的氢气浓度发生变化时，光电二极管(9)接收到的干涉光信号强度发生变化，从而产生的电流发生变化，获得氢气浓度与电流变化的关系，把光电二极管(9)产生的电信号输入功率放大模块(8)，放大后的电信号在该模块中通过集成运放芯片与设定值进行比较，在超过阈值后通过扬声器(9)实现告警。
所述的扬声器(9)采用5V电压驱动。
所述的检测腔(6)的材料为聚乙烯，为双开口立方体，长为25mm，宽度为15mm，高为15mm，厚度为3mm。
所述马赫-曾德尔LPG光纤结构(4)的光纤光栅中心波长均为1550nm。
当氢气遇到合金层内的钯时，会以很快的速度分解为两个氢原子，并与钯发生反应，产生钯氢化物，体积随之膨胀。钯氢化物具有与钯不同的光学性质，它的复介电常数的实部与虚部都更小，这使得金-钯合金层内表面与LPG的包层外表面的边界条件以及纤芯模与包层模之间的有效折射率发生改变。同时，合金层内的金的存在有效抑制了钯的相变与传感器的零点漂移，防止光纤表面的钯膜出现破裂和脱落现象，这使得金-钯合金具有很好的氢检测能力。
本发明的工作原理是：基于马赫-曾德尔LPG结构干涉的干涉特性，当单色平行光入射到光纤中，在光的谐振波长满足相位匹配条件下，LPG会诱导纤芯模与包层模光路的耦合，其关系满足下式：
式中λres为谐振波长，Λ为光栅周期，为纤芯模的有效折射率，为m阶包层模的有效折射率。
在(1)式中的m阶包层模的有效折射率为影响谐振波长的主要参数，而它的渐逝场很容易被外部环境的折射率影响。因此当光纤包层表面存在金-钯合金层时，(1)式中的谐振波长λres会随着金-钯合金折射率的变化而改变。
向气室中放入氢气(已知氢气浓度为4％)。当光在气室中与第一个LPG相遇时，一部分光能以(1)式中得谐振波长λres耦合到包层模中，经过一段光纤的传递，这部分光能在第二个LGP处由包层模重新耦合到纤芯模中。在通过第二个LPG后，原始的纤芯模以及与包层耦合后的纤芯模相互干涉，其透射光谱呈现为干涉条纹的形式。在LPGP中，其透射系数可以表现为：
式中α为包层模损耗的速率，Tsingle为单一LPG的透射系数，Rsingle为单一LPG的反射系数，ψ为相位。其中ψ与原始的纤芯模以及再耦合后的纤芯模之间路径的长度有关，其关系可以表现为：
式中L为光栅间距。
由式(2)和式(3)可知，LPGP干涉光谱的相位是受的影响的。当包层模的有效折射率发生改变时，LPGP输出光谱会随之发生改变。
所以当向气室(3)注入氢气时，包层表面的金-钯合金层与氢气发生反应，包层模的有效折射率随之发生改变，这将直接导致LPGP透射光谱中峰值波长发生位移，通过简单计算便可以在较短时间内测量出环境中是否存在氢气。
本发明的有益效果是：本发明的设计中以马赫-曾德尔LPG光纤结构为传感器主要结构，以钯对氢气的唯一选择以及透射光谱的中心波长和氢气浓度的函数关系为基础，及安全、便捷的优点,对环境中有无氢气进行精确测量。能实现快速多次测量，且测量敏感性较高，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
附图说明
图1是基于马赫-曾德尔干涉仪的长周期光纤光栅氢检测检测仪结构示意图。
图2是马赫-曾德尔光纤结构示意图。
具体实施方式
基于马赫-曾德尔干涉仪的长周期光纤光栅氢检测检测仪，由宽带光源(1)，光纤耦合器(2)，气室(3)，进气口(4)，出气口(5)，马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)，钯 -金-钯-金-钯合金层(7)，检测腔(8)，光电二极管(9)，功率放大模块(10)，扬声器 (11)组成；其特征在于：宽带光源(1)通过光纤与光纤耦合器(2)连接到马赫-曾德尔 LPG光纤结构(6)，马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)固定在密闭不透光的气室(3)中，马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)两段LGP中心距离为50毫米，光栅长度为20毫米，光栅周期为500微米，马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)的光纤光栅中心波长为1550纳米，钯-金-钯- 金-钯合金层(7)的厚度为100纳米，钯-金-钯-金-钯合金层(7)中钯层厚度为10-20纳米，金层厚度范围为20-30纳米，钯-金-钯-金-钯合金层(7)沿光纤轴向长度为70毫米；通过光纤耦合器(2)与光纤连接到基于光电二极管(9)的检测腔(8)，气室(3)中的氢气浓度发生变化时，光电二极管(9)接收到的干涉光信号强度发生变化，从而产生的电流发生变化，获得氢气浓度与电流变化的关系，把光电二极管(9)产生的电信号输入功率放大模块(8)，放大后的电信号在该模块中通过集成运放芯片与设定值进行比较，在超过阈值后通过扬声器 (9)实现告警。
Claims (1)
1.基于马赫-曾德尔干涉仪的长周期光纤光栅氢检测检测仪，由宽带光源(1)，光纤耦合器(2)，气室(3)，进气口(4)，出气口(5)，马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)，钯-金-钯-金-钯合金层(7)，检测腔(8)，光电二极管(9)，功率放大模块(10)，扬声器(11)组成；其特征在于：宽带光源(1)通过光纤与光纤耦合器(2)连接到马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)，马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)固定在密闭不透光的气室(3)中，马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)两段LGP中心距离为50毫米，光栅长度为20毫米，光栅周期为500微米，马赫-曾德尔LPG光纤结构(6)的光纤光栅中心波长为1550纳米，钯-金-钯-金-钯合金层(7)的厚度为100纳米，钯-金-钯-金-钯合金层(7)中钯层厚度为10-20纳米，金层厚度范围为20-30纳米，钯-金-钯-金-钯合金层(7)沿光纤轴向长度为70毫米；通过光纤耦合器(2)与光纤连接到基于光电二极管(9)的检测腔(8)，气室(3)中的氢气浓度发生变化时，光电二极管(9)产生的电流发生变化，获得氢气浓度与电流变化的关系，把光电二极管(9)产生的电信号输入功率放大模块(10)，放大后的电信号在该模块中与设定值进行比较，在超过阈值后通过扬声器(11)实现告警。
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|---|---|---|---|---|
| CN109668860A (zh) * | 2018-12-10 | 2019-04-23 | 中国计量大学 | 基于马赫-曾德尔干涉仪的长周期光纤光栅氢检测仪 |
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2018
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| CN109668860A (zh) * | 2018-12-10 | 2019-04-23 | 中国计量大学 | 基于马赫-曾德尔干涉仪的长周期光纤光栅氢检测仪 |
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