CN210665499U - 一种基于fbg的细芯光纤m-z的氢气传感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于FBG的细芯光纤M‑Z的氢气传感装置，其特征在于：由光源，偏振控制器，传输光纤，SMF1，TCF，SMF2，FBG，WO3/Pt薄膜，氢气气室，进气口（10），氢气发生器，空气泵，出气口，光谱仪组成，光源发出的光进入单模光纤SMF1的左端，细芯光纤TCF的左右两端分别和SMF1，SMF2熔接，SMF1，TCF，SMF2共同组成传感器部分，细芯光纤纤芯部分刻有FBG，传感器部分表面镀有WO3/Pt薄膜，在吸收氢气后会发生放热的化学反应，由于热光效应使纤芯模和包层模的有效折射率之差发生变化，从而使得谐振波长发生漂移，通过对光谱仪中检测到的透射光谱的变化，实现对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FBG的细芯光纤M-Z的氢气传感装置。
背景技术
氢能是引起发达国家普遍重视的零污染的新能源。一般条件下，空气中的氢气含量处于4％～74.5％时，极易被引燃和发生剧烈爆炸。因此，防爆、可靠、高灵敏度的氢敏传感器具有重要的研究价值。
光纤传感器是将外界被测的物理量如温度、折射率、应力、位移等参量的变化直接或间接转化为光的特征参量的变化，如光强度、相位、波长和偏振态等，光纤传感器体积小巧、较轻的质量、不受电磁千扰、防腐蚀等优点，可以构成传感网络，使其在国防、石油化工、电力工业、医疗行业和船舶制造等国民经济和人民生活的重要领域中得到了广泛的应用。
细芯光纤的纤芯直径相较其他光纤直径较小，从而具有较大的模场直径，纤芯直径的不匹配而造成的模场直径不匹配，最终使纤芯中传输的光有了进入包层的条件，容易相互叠加形成干涉。
发明内容
针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于FBG的细芯光纤M-Z的氢气传感装置，细芯光纤的纤芯直径与单模光纤的纤芯直径不匹配，单模光纤和细芯光纤组合的结构形成M-Z干涉，氢敏材料薄膜吸附氢气后发生放热反应，从而改变包层模的有效折射率，通过对透射光谱的检测实现对氢气浓度的测量。
本实用新型通过以下技术方案实现：一种基于FBG的细芯光纤M-Z的氢气传感装置，由光源(1)，偏振控制器(2)，传输光纤(3)，SMF1(4)，TCF(5)，SMF2(6)，FBG(7)，WO3/Pt薄膜(8)，氢气气室(9)，进气口(10)，氢气发生器(11)，空气泵(12)，出气口(13)，光谱仪(14)组成，光源(1)发出的光通过偏振控制器(2)调整偏振态，经过传输光纤(3)进入单模光纤SMF1(4)的左端，细芯光纤TCF(5)的左右两端分别和单模光纤SMF1(4)，SMF2(6)熔接，SMF2(6)的右端通过传输光纤(3)和光谱仪(14)相连接；SMF1(4)，TCF(5)，SMF2(6)共同组成传感器部分，并且放置于氢气气室(9)中。
所述的氢气气室(9)有进气口(10)和出气口(13)，氢气发生器(11)产生的氢气和空气泵(12)中的空气混合后传输至氢气气室(9)的进气口(10)。
所述的细芯光纤TCF(5)采用光纤型号为UHNA-7，纤芯直径为2.4μm的细芯光纤，细芯光纤的长度为10mm，纤芯部分刻有2～4mm的FBG(7)；所述的SMF1(4)，TCF(5)，SMF2(6)共同组成的传感器部分表面采用磁控溅射法溅射氢敏感薄膜WO3/Pt薄膜(8)，具体为膜厚40nm～200nm。
本实用新型的工作原理是：细芯光纤的纤芯直径小于单模光纤的纤芯直径，当光源发出的光传输至单模光纤和细芯光纤的熔接点时，光一部分继续沿着纤芯传输，另一部分传输到包层，激发出包层模，继续向前传输，当两路光到达第二个熔接点后，发生M-Z干涉，根据光传播的理论，光纤的纤芯模和包层模在传输过程中的相位差
可以表示为，
其中
即为纤芯模和包层模的有效折射率之差，l为细芯光纤的长度，λ为谐振波长。细芯光纤的纤芯中刻有FBG，FBG的谐振波长可以表示为，
根据其传感原理，FBG光纤周期Λ，中心波长可以表示为，
氢气敏感薄膜WO3/Pt薄膜在吸收氢气后会发生放热的化学反应，从而使传感器部分的温度发生变化，而FBG对于温度变化较为敏感，其谐振波长对温度变化的关系式可以表示为，
当氢气气室中的氢气浓度发生变化时，WO3/Pt薄膜吸收氢气放热，而光纤由于热光效应使纤芯模和包层模的有效折射率之差
发生变化，从而使得谐振波长发生漂移，通过对光谱仪中检测到的透射光谱的变化，实现对氢气浓度变化的测量。
本实用新型的有益效果是：细芯光纤的直径小于单模光纤，利用单模光纤和细芯光纤结合的M-Z干涉传感器，同时细芯光纤的纤芯中刻有FBG，该传感器的部分尺寸较小，结构简单，制作过程比较简便；WO3/Pt薄膜与氢气会发生化学反应，对氢气浓度变化敏感，并且吸收氢气后会放出热量，改变环境的温度，由于光纤本身特性，与光纤传感器相结合后，易于观测到氢气浓度的变化。因此，本发明具有结构简单，灵敏度高，响应曲线尖锐等优点，为氢气浓度在线监测提供了一种切实可行的方案。
附图说明
图1是本实用新型的一种基于FBG的细芯光纤M-Z的氢气传感装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。
参见附图1，一种基于FBG的细芯光纤M-Z的氢气传感装置，其特征在于：由光源(1)，偏振控制器(2)，传输光纤(3)，SMF1(4)，TCF(5)，SMF2(6)，FBG(7)，WO3/Pt薄膜(8)，氢气气室(9)，进气口(10)，氢气发生器(11)，空气泵(12)，出气口(13)，光谱仪(14)组成，光源(1)发出的光通过偏振控制器(2)调整偏振态，经过传输光纤(3)进入单模光纤SMF1(4)的左端，细芯光纤TCF(5)的左右两端分别和单模光纤SMF1(4)，SMF2(6)熔接，SMF2(6)的右端通过传输光纤(3)和光谱仪(14)相连接；SMF1(4)，TCF(5)，SMF2(6)共同组成传感器部分，并且放置于氢气气室(9)中。所述的氢气气室(9)有进气口(10)和出气口(13)，氢气发生器(11)产生的氢气和空气泵(12)中的空气混合后传输至氢气气室(9)的进气口(10)。所述的细芯光纤TCF(5)采用光纤型号为UHNA-7，纤芯直径为2.4μm的细芯光纤，细芯光纤的长度为10mm，纤芯部分刻有2～4mm的FBG(7)；所述的SMF1(4)，TCF(5)，SMF2(6)共同组成的传感器部分表面采用磁控溅射法溅射氢敏感薄膜WO3/Pt薄膜(8)，具体为膜厚40nm～200nm。本发明的工作原理是：细芯光纤的纤芯直径小于单模光纤的纤芯直径，当光源发出的光传输至单模光纤和细芯光纤的熔接点时，光一部分继续沿着纤芯传输，另一部分传输到包层，激发出包层模，继续向前传输，当两路光到达第二个熔接点后，发生M-Z干涉，细芯光纤的纤芯中刻有FBG，根据其传感原理，氢气敏感薄膜WO3/Pt薄膜在吸收氢气后会发生放热的化学反应，从而使传感器部分的温度发生变化，而FBG对于温度变化较为敏感，当氢气气室中的氢气浓度发生变化时，WO3/Pt薄膜吸收氢气放热，而光纤由于热光效应使纤芯模和包层模的有效折射率之差
发生变化，从而使得谐振波长发生漂移，通过对光谱仪中检测到的透射光谱的变化，实现对氢气浓度变化的测量。该传感器的部分尺寸较小，结构简单，制作过程比较简便；WO3/Pt薄膜与氢气会发生化学反应，对氢气浓度变化敏感，并且吸收氢气后会放出热量，改变环境的温度，由于光纤本身特性，与光纤传感器相结合后，易于观测到氢气浓度的变化。因此，本发明具有结构简单，灵敏度高，响应曲线尖锐等优点，为氢气浓度在线监测提供了一种切实可行的方案。
Claims (1)
1.一种基于FBG的细芯光纤M-Z的氢气传感装置，其特征在于：由光源（1），偏振控制器（2），传输光纤（3），SMF1（4），TCF（5），SMF2（6），FBG（7），WO3/Pt薄膜（8），氢气气室（9），进气口（10），氢气发生器（11），空气泵（12），出气口（13），光谱仪（14）组成，光源（1）发出的光通过偏振控制器（2）调整偏振态，经过传输光纤（3）进入单模光纤SMF1（4）的左端，细芯光纤TCF（5）的左右两端分别和单模光纤SMF1（4），SMF2（6）熔接，SMF2（6）的右端通过传输光纤（3）和光谱仪（14）相连接；SMF1（4），TCF（5），SMF2（6）共同组成传感器部分，并且放置于氢气气室（9）中；所述的氢气气室（9）有进气口（10）和出气口（13），氢气发生器（11）产生的氢气和空气泵（12）中的空气混合后传输至氢气气室（9）的进气口（10）；所述的细芯光纤TCF（5）采用光纤型号为UHNA-7，纤芯直径为2.4μm的细芯光纤，细芯光纤的长度为10mm，纤芯部分刻有2~4mm的FBG（7）；所述的SMF1（4），TCF（5），SMF2（6）共同组成的传感器部分表面采用磁控溅射法溅射氢敏感薄膜WO3/Pt薄膜（8），具体为膜厚40nm~200nm。
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| CN110208216A (zh) * | 2019-07-04 | 2019-09-06 | 中国计量大学 | 一种基于fbg的细芯光纤m-z的氢气传感装置 |
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