CN211825681U - 一种基于锥形扁平单模光纤内刻写fbg的氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于锥形扁平单模光纤内刻写FBG的氢气传感器，其特征在于：传感头为经拉锥细化后的扁平单模光纤，其中锥腰的长轴直径为9‑11μm，锥腰长度为10‑15mm，锥腰上刻有FBG，长度为5‑8mm，布拉格波长为1450‑1650nm，锥腰末端倾斜角为7.5°‑8.5°，锥腰的扁平上表面涂覆钯薄膜，其厚度为50～150nm。应用时，将传感器置于待测氢气浓度的空间中，利用光纤光谱仪测量其反射光谱，通过测量FBG的波长偏移反演出氢气浓度。本实用新型具有带宽窄、灵敏度高、测量精度高、体积小、制备简单等优点，可应用于高精度氢气浓度的测量。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于锥形扁平单模光纤内刻写FBG的氢气传感器。
背景技术
氢气作为一种高效，无污染，可持续的新能源，在解决当前的能源危机中发挥着重要的作用。最近，氢气已广泛用于航空工程，石油勘探，冶金精炼厂，低温冷却，化学加工，汽车以及许多其他领域。然而，氢气具有广泛的爆炸浓度范围(4％-75％)，因此，对储存中氢气泄漏的可靠监测和精确的氢气浓度测量(尤其是低于4％)存在巨大的需求。为了减轻爆炸的风险，需要实现对氢气浓度的高灵敏、高精度、快速、实时、在线和远程监控。因此，近年来，高性能氢气传感器获得了深入的研究，其中光纤氢气传感器由于其固有的安全性，耐腐蚀性等突出优势而成为研究热点。
目前已经提出并研究了许多光纤氢气传感器，例如基于FBG的氢气传感器，基于SPR的氢气传感器和基于干涉仪的氢气传感器，这些典型的传感器结构都依赖于光纤表面上的敏感薄膜涂层。根据不同的传感器结构，氢敏感材料暴露于氢气中时会引起光信号在强度、波长或相位方面的变化，可以通过监视光信号的变化来推导氢气浓度。其中，基于FBG的氢气传感器，因其具有波分复用的特性而广泛应用于氢气浓度的分布测量，如J.Dai等人提出的一种带有WO3-Pd复合膜的侧面抛光FBG氢气传感器，但其受布拉格光栅的低应力灵敏度的限制而具有较低的氢气灵敏度；基于SPR的氢气传感器，具有灵敏度高和结构紧凑的优点，但需要使用昂贵的镀膜设备，成本较高，如Bevenot等人提出的一种基于强度调制的SPR多模光纤氢传感器，其氢气浓度测量极限为0.8％，但对机械干扰和光纤杂质非常敏感；基于干涉仪的氢气传感器具有更简单灵活的结构，无化学蚀刻或物理抛光等处理，故易于制造且耐用，如Y.Wang等人提出的基于EFPI 的氢气传感器，Pt/WO3层涂覆在FPI的玻璃毛细管上，利用氢气与WO3的热效应，导致干涉光谱的波长偏移，但由于存在耦合损耗和较大的传输损耗而导致腔的尺寸受限；故探索具备高灵敏度、低成本、制备简单、稳定可靠的光纤氢气传感器具有重要的现实意义。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本实用新型提出一种基于锥形扁平单模光纤内刻写FBG的氢气传感器，具有带宽窄、灵敏度高、测量精度高、体积小、制备简单且结构坚固等优点。
本实用新型所采用的技术方案：一种基于锥形扁平单模光纤内刻写FBG的氢气传感器，其特征在于：所述传感头为锥形扁平单模光纤，其中锥腰的长轴直径为 9-11μm，锥腰长度为10-15mm，锥腰上刻有FBG，长度为5-8mm，布拉格波长为1450-1650nm，锥腰末端倾斜角为7.5°-8.5°，并在锥腰的扁平上表面涂覆钯薄膜，其厚度为50～150nm。
本实用新型与现有技术相比的有益效果是：
1、本传感头由扁平单模光纤制备，较之普通单模光纤灵敏度更高。表面涂覆钯薄膜，较之粉状氢敏材料更加稳定可靠。
2、本传感头由扁平单模光纤拉锥来细化光纤，无需对光纤进行蚀刻处理，大大提高了传感设备的机械强度和耐用性。
3、本传感头中，在拉锥后的超细光纤中刻写的FBG具有带宽窄，光栅尺寸小和测量精度高的优势，且FBG支持多路复用系统，应用更为范围广泛。
附图说明
下面结合附图及具体方式对本实用新型作进一步说明。
图1为该实用新型光纤氢气传感头结构示意图；
图2为该实用新型光纤传感头锥腰部分截面图；
图3为该实用新型应用实施示意图；
图中：1.扁平单模光纤，2.锥腰扁平上表面，3.钯薄膜，4.FBG，5.扁平单模光纤纤芯，6.宽带光源，7.光纤光谱仪，8.环形器，9.传感头。
具体实施方式
图1为该实用新型光纤氢气传感头结构示意图，该传感头为锥形扁平单模光纤，其中锥腰的长轴直径为9-11μm，锥腰长度为10-15mm，锥腰上刻有FBG，长度为5-8mm，布拉格波长为1450-1650nm，锥腰末端倾斜角为7.5°-8.5°，并在锥腰的扁平上表面涂覆钯薄膜，其厚度为50～150nm。图2为本实用新型光纤传感头锥腰部分截面图。图3为该实用新型氢气传感器的应用实施示意图。应用时，将该传感器置于待测氢气浓度的空间中。当宽带光源发出的光通过光纤入射后，在光栅处有选择的反射回一个窄带光，其余宽带光继续透射过去，在下一个具有不同中心波长的光栅处进行反射，反射的窄带光的中心波长与FBG的间距和有效折射率有关。当该器件放置在氢气环境中时，钯薄膜吸收氢气后体积急剧膨胀，对光纤产生纵向及横向应力作用，使FBG发生弯曲形变，从而改变光栅间距和有效折射率，最终导致FBG的布拉格波长发生偏移。将传感器置于不同氢气浓度的环境中，测量获得一系列波长漂移量，从而建立氢气浓度与布拉格中心波长漂移量间的函数关系，即实现对传感器的定标。将定标后的传感器置于待测氢气浓度的环境中，测量其反射光谱中布拉格中心波长的漂移量，根据定标函数关系即可反演待测氢气的浓度。
Claims (3)
1.一种基于锥形扁平单模光纤内刻写FBG的氢气传感器，其特征在于：传感头为经拉锥细化后的扁平单模光纤，锥腰末端存在倾斜角度，锥腰部分纤芯内刻有FBG，锥腰的扁平上表面涂覆钯薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于锥形扁平单模光纤内刻写FBG的氢气传感器，其特征在于：锥腰的长轴直径为9-11μm，锥腰长度为10-15mm，锥腰末端倾斜角为7.5°-8.5°，刻写的FBG长度为5-8mm，布拉格波长为1450-1650nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于锥形扁平单模光纤内刻写FBG的氢气传感器，其特征在于：涂覆在锥腰的扁平上表面的钯薄膜，其厚度为50～150nm。
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2020
- 2020-01-13 CN CN202020056679.7U patent/CN211825681U/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
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| CN114235747A (zh) * | 2021-12-21 | 2022-03-25 | 浙江树人学院（浙江树人大学） | 一种光纤反射式氢气探测器 |
| CN114235747B (zh) * | 2021-12-21 | 2024-01-12 | 浙江树人学院（浙江树人大学） | 一种光纤反射式氢气探测器 |
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