CN209802982U - 基于钯金纳米颗粒双光路补偿反射式光纤氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于钯金纳米颗粒双光路补偿反射式光纤氢气传感器，由测试系统和参考系统，光纤束，LED光源，光电二极管，数据采集卡和计算机组成，测试系统和参考系统中的测试平台结构采用相同的设计，并旋涂沉积同一批钯金纳米颗粒，测试气室通入氢气和氮气混合气体，期间参考系统始终密闭。LED光源出射的光信号通过光纤束分别入射两系统并经过敏感膜反射回光纤束后，分别通过光电二极管进行光电信号转换，得到的电信号通过数据采集卡采集，由计算机利用Lab VIEW实现对信号的滤波处理、补偿运算和波形显示。该实用新型在提高传感器的稳定性并抑制漂移方面提出新理念。
Description
技术领域
本实用新型属于氢气传感器领域，具体涉及一种基于钯金纳米颗粒双光路补偿反射式光纤氢气传感器。
背景技术
随着全球环境污染、能源短缺以及温室效应的加剧，氢气作为一种高效、清洁、可再生的二次能源被称为21世纪能源体系的支柱。液氢作为火箭推进器的一种重要燃料已广泛应用于通讯卫星、宇宙飞船、航天飞机等飞行器的运载发射。由于氢气具有燃烧热值高、燃烧产物无污染的特点，化石燃料、太阳能、风能、地热能、潮汐能及核能等各种一次能源都可以转化为氢能，从而实现能源的高效储存和清洁使用。
然而氢气有着很宽的爆炸范围，在常温常压下，当空气中氢气的含量位于4％-74.5％之间时就极易引起爆炸；并且由于氢是质量最轻的元素，氢气的扩散性比天然气高四倍，比汽油蒸汽的挥发性高十二倍，一旦泄漏发生会很快扩散，这将严重威胁到人们的生命财产安全。由此可见，研究和发展实用化的氢气传感技术，是研究氢能、利用氢能和防止氢气危害的首要条件。氢能经济的快速发展，使得氢气传感器需要不断的提升灵敏度、选择性、响应时间以满足在氢气制造、储存、运输和使用等各个环节中多样化的安全需求。
光纤氢气传感器因其本质安全、抗干扰能力强、信号传输距离远及体积小巧等优势，是目前各种类型氢气传感器中的研究热点，在军用民用领域都有着极大的应用前景和商业价值。其中光强调制型光纤氢气传感器是利用氢气浓度改变而引起的敏感元件折射率、吸收或反射系数变化，从而使经过敏感元件的光载波信号强度得到调制改变来实现测量。这种类型的传感器结构简单，形式多样，因而得到广泛关注。
纯钯在历经多次的吸氢释氢循环后，钯膜中的晶界、缺陷及与基底之间的界面处产生的局部应力会逐渐积累，并最终导致薄膜表面的缺陷、裂纹和脱层的扩展，甚至变形破裂，通过对钯掺杂得到的钯金纳米颗粒通过实验分析表明，钯金纳米颗粒可以有效抑制零点漂移，并且高金含量的具有更快的氢气响应及恢复速率，由于其具有更理想的响应幅值，因此更适合高精度快速氢气检测。
发明内容
针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提出了一种用于补偿温度波动的双光路，采用液相合成法制备了5nm直径的钯金纳米颗粒，并通过旋涂沉积纳米颗粒实现的反射式光纤氢气传感器探头，从而得到一种可以提高稳定性并抑制漂移的反射式光纤氢气传感器系统。
本实用新型通过以下技术方案实现：基于钯金纳米颗粒双光路补偿反射式光纤氢气传感器，由测试系统(8)和参考系统(15)，光纤束(16)，LED光源(17)，光电二极管 (18)和数据采集卡(19)和计算机(20)组成，其中测试系统(8)包含氢气和氮气源(1)，测试气室(2)，第一钯金纳米颗粒(3)，第一三爪卡盘(4)，第一三轴平移台(5)，第一探头(6)，第一支架(7)，参考系统(15)包含参考气室(9)，第一钯金纳米颗粒(10)，第二三爪卡盘(11)，第二三轴平移台(12)，第二探头(14)，第二支架(13)；其特征在于：在测试气室(2)旋涂沉积第一钯金纳米颗粒(3)，用第一三爪卡盘(4)固定，通过第一三轴平移台(5)调整第一钯金纳米颗粒(3)和第一探头(6)间的距离，使反射光强最强，由氢气和氮气源(1)向测试气室(2)中通入氢气和氮气混合气体，期间参考气室(9) 内旋涂沉积同一批第二钯金纳米颗粒(10)且参考系统(15)始终保持密封，LED光源(17) 出射的光信号通过光纤束(16)分别射入测试系统(8)和参考系统(15)，两路信号经过敏感膜反射回光纤束(16)后，分别通过光电二极管(18)进行光电信号转换，得到的电信号通过数据采集卡(19)采集，输出至计算机(20)利用LabVIEW的数据处理和显示功能实现对信号的滤波处理、补偿运算和波形显示。
所述的第一钯金纳米颗粒(3)和第二钯金纳米颗粒(10)是以四辛基溴化铵(TOABr) 以为稳定剂，硼氢化钠为还原剂在甲苯溶液中一步还原制得Pd-Au纳米颗粒，通过旋涂法在石英基片上均匀涂覆钯基纳米颗粒，将光信号与大量颗粒接触来提高信号强度。
所述的LED光源(17)采用7mW高亮度红光LED光源以提高信噪比，并将驱动电路单独进行隔离以避免周边电磁波干扰。通过计算机控制LED驱动实现对光源的波形调制、强度调节和稳定性控制，其中采用1KHz方波调制光源信号以避免环境杂散光的影响。
本实用新型的工作原理是：与光源耦合的光纤束在尾端被平均分为两束，而与两收光接头分别耦合的光纤束则与其分别扎制形成两光纤探头。这样即可以通过一个LED光源给测试系统和参考系统提供光信号，在两条光路中保证选择的器件性质相同，则可使得从两探头出射的光信号光强、调制频率、波动和损耗均一致。在探头中，与光源耦合的光纤束和与收光接头耦合的光纤束呈随机型混合排布，这样可以消除由于输入输出光纤的排布方式或者光纤相对位置变化给两路接受光信号带来的影响，通过增加光纤束中的光纤根数，可以提高两路接受光强的一致性。通过这样的光纤束设计，避免了常规的棱镜或者分光器使用，结构小巧紧凑、稳定可靠，有利于提高最的终双光路补偿效果。
本实用新型的有益效果是：针对基于钯金纳米颗粒的反射型光纤氢气传感器响应性能的实验分析表明，液相合成的纳米颗粒可用于实现反射式光纤氢气传感器系统，并且在提高传感器响应速率上具有较大潜力，测量精确度较高，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是双光路反射式光纤氢气传感器结构原理图。
图2是光纤束布置图。
具体实施方式
如图1所示，基于钯金纳米颗粒双光路补偿反射式光纤氢气传感器，由测试系统(8) 和参考系统(15)，光纤束(16)，LED光源(17)，光电二极管(18)和数据采集卡(19) 和计算机(20)组成，其中测试系统(8)包含氢气和氮气源(1)，测试气室(2)，第一钯金纳米颗粒(3)，第一三爪卡盘(4)，第一三轴平移台(5)，第一探头(6)，第一支架 (7)，参考系统(15)包含参考气室(9)，第二钯金纳米颗粒(10)，第二三爪卡盘(11)，第二三轴平移台(12)，第二探头(14)，第二支架(13)；其特征在于：在测试气室(2) 旋涂沉积第一钯金纳米颗粒(3)，用第一三爪卡盘(4)固定，通过第一三轴平移台(5)调整第一钯金纳米颗粒(3)和第一探头(6)间的距离，使反射光强最强，由氢气和氮气源(1) 向测试气室(2)中通入氢气和氮气混合气体，期间参考气室(9)内旋涂沉积同一批第二钯金纳米颗粒(10)且参考系统(15)始终保持密封，LED光源(17)出射的光信号通过光纤束(16)分别射入测试系统(8)和参考系统(15)，两路信号经过敏感膜反射回光纤束(16) 后，分别通过光电二极管(18)进行光电信号转换，得到的电信号通过数据采集卡(19)采集，输出至计算机(20)利用Lab VIEW的数据处理和显示功能实现对信号的滤波处理、补偿运算和波形显示。
如图2所示，传感器光纤束(16)与光源耦合的光纤束在尾端被平均分为两束，而与两收光接头分别耦合的光纤束则与其分别扎制形成两光纤探头。这样即可以通过一个LED光源(17)给测试系统和参考系统提供光信号，在两条光路中保证选择的器件性质相同，则可使得从两探头出射的光信号光强、调制频率、波动和损耗均一致。在第一探头(6)和第二探头(14)中，与光源耦合的光纤束和与收光接头(18)耦合的光纤束呈随机型混合排布，这样可以消除由于输入输出光纤的排布方式或者光纤相对位置变化给两路接受光信号带来的影响，通过增加光纤束中的光纤根数，可以提高两路接受光强的一致性。通过这样的光纤束设计，避免了常规的棱镜或者分光器使用，结构小巧紧凑、稳定可靠，有利于提高最的终双光路补偿效果。
Claims (1)
1.基于钯金纳米颗粒双光路补偿反射式光纤氢气传感器，由测试系统(8)和参考系统(15)，光纤束(16)，LED光源(17)，光电二极管(18)和数据采集卡(19)和计算机(20)组成，其中测试系统(8)包含氢气和氮气源(1)，测试气室(2)，第一钯金纳米颗粒(3)，第一三爪卡盘(4)，第一三轴平移台(5)，第一探头(6)，第一支架(7)，参考系统(15)包含参考气室(9)，第二钯金纳米颗粒(10)，第二三爪卡盘(11)，第二三轴平移台(12)，第二探头(14)，第二支架(13)；其特征在于：在测试气室(2)旋涂沉积第一钯金纳米颗粒(3)，用第一三爪卡盘(4)固定，通过第一三轴平移台(5)调整第一钯金纳米颗粒(3)和第一探头(6)间的距离，使反射光强最强，由氢气和氮气源(1)向测试气室(2)中通入氢气和氮气混合气体，期间参考气室(9)内旋涂沉积同一批第二钯金纳米颗粒(10)且参考系统(15)始终保持密封，LED光源(17)出射的光信号通过光纤束(16)分别射入测试系统(8)和参考系统(15)，两路信号经过敏感膜反射回光纤束(16)后，分别通过光电二极管(18)进行光电信号转换，得到的电信号通过数据采集卡(19)采集，输出至计算机(20)利用Lab VIEW的数据处理和显示功能实现对信号的滤波处理、补偿运算和波形显示。
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