CN213986184U - 一种基于阵列波导光栅的fpi多点测量氢气传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于阵列波导光栅的光纤FPI多点测量氢气传感器，包括宽带光源、环形器、长距离单模传输光纤、阵列波导光栅、FP传感头、光电探测器、信号处理模块、PC机；所述FP传感头由单模光纤、空芯光纤、聚二甲基硅氧烷薄膜和Pt/WO₃(三氧化钨载铂)氢敏材料组成；当氢气浓度增加时，Pt/WO₃氢敏材料与氢气发生反应放热，放出的热量会使得聚二甲基硅氧烷薄膜体积膨胀，然后使空气腔腔长缩短，因而FP传感头的干涉光谱将发生漂移，进而阵列波导光栅的反射光强发生改变，光电探测器可接收到这种光强变化，通过PC机检测反射光强的变化，就可实现对氢气浓度的测量。本实用新型具有操作简单，灵活方便，可同时多点测量等优点。

Description

一种基于阵列波导光栅的FPI多点测量氢气传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于阵列波导光栅的 FPI多点测量氢气传感器。

背景技术

氢气作为一种清洁能源，在航空航天、军事国防、冶金化工、绿色能源等生产生活领域有广泛的应用。然而，由于氢气的高扩散系数、低点火能量、高燃烧热和宽爆炸浓度范围(4％～75％)等特性，将会给氢气的存储、运输、使用等过程带来极大的安全隐患，为了可以安全使用氢气，对氢气浓度的检测和监测就成为极其重要的研究课题。近年来，光纤氢气传感器因其本质安全、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、结构灵活等优点，受到了人们的广泛关注。

目前常见的光纤氢气传感器包括干涉型和光纤光栅型等。光纤光栅型氢气传感器被广泛应用于分布式测量，结构稳定，但其灵敏度较低；光纤FPI(法布里珀罗干涉仪)型氢气传感器是常见的干涉型传感器之一，具有灵敏度高，结构简单，成本低，易操作等优点，其通过检测输出的干涉光信号的变化，实现对氢气浓度的测量。但光纤FPI氢气传感器为探针结构，只能对单点的氢气浓度进行测量，对于需要多点同时测量的实际场合的需要，若简单将多个相同的FPI 相连，将使干涉光谱极为复杂，难以区分各个信号光，同时，光纤FPI氢气传感器的信号解调，需要价格昂贵、体积庞大的光谱仪，这给实际探测带来了困难。

光电探测器由于体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，易于集成，广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。光纤传感系统中，对传输光及信号光的功率探测，通常需要光电探测器来实现，光电探测器可以将光信号转换为电信号，便于对信号光分析处理。因此，若在传统的光纤FPI氢气传感系统使用光电探测器代替光谱仪，将光信号转换为电信号，再对电信号分析处理，就可以大大简化光纤传感系统的体积，节省成本，便于携带，更便于实际操作使用。

实用新型内容

本实用新型的目的是：针对上述光纤氢气传感器灵敏度低、结构复杂、成本昂贵，对于光纤FPI氢气传感器无法同时多点测量的缺点，本实用新型提出了一种灵敏度高、结构简单、灵活方便、成本低、可同时多点测量、可适用于远距离测量的基于阵列波导光栅的FPI多点测量氢气传感器。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

一种基于阵列波导光栅的FPI多点测量氢气传感器，其特征在于包括宽带光源、长距离单模传输光纤、光环形器、阵列波导光栅、FP传感头、光电探测器、信号处理模块和PC机；所述的FP传感头由单模光纤、空芯光纤、聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜、氢气敏感材料(Pt/WO₃)粉末组成，通过将一段空芯光纤与单模光纤熔接，在空芯光纤内部填充PDMS薄膜，同时在单模光纤端面和PDMS薄膜之间形成密闭的空气腔，并在PDMS薄膜附着Pt/WO₃粉末形成。

宽带光源的光输出端通过单模传输光纤与阵列波导光栅的光输入端相连，阵列波导光栅的N个光输出通道分别与N个FP传感头的单模光纤端相连，信号处理模块的输出端与PC机相连。

本实用新型的有益效果为：灵敏度高、操作简单，灵活方便，可同时多点测量、可适用于远距离测量。

附图说明

图1为一种基于阵列波导光栅的FPI多点测量氢气传感器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，一种基于阵列波导光栅的FPI多点测量氢气传感器，包括宽带光源1、光环形器2、单模传输光纤3、阵列波导光栅4、FP传感头5、光电探测器6、信号处理模块7和PC机8。所述的FP传感头5由单模光纤9、空芯光纤10、PDMS薄膜11、Pt/WO₃粉末13组成，通过将一段空芯光纤10与单模光纤9熔接，在空芯光纤10内部填充PDMS薄膜11，同时在单模光纤9端面和PDMS薄膜11之间形成密闭的空气腔12，并在PDMS薄膜附着Pt/WO₃粉末 13形成。宽带光源1的光输出端通过光环形器2和单模传输光纤3与阵列波导光栅4的光输入端相连，阵列波导光栅4的N个光输出通道分别与N个FP传感头5的单模光纤9端相连，光环形器2的输出端与光电探测器6的光输入端相连，光电探测器6的电输出端与信号处理模块7和PC机8依次相连。

本实用新型的系统工作方式为：宽带光源1中发出的光经过环形器2，然后再经过单模传输光纤3输入到阵列波导光栅4的公共端口中，阵列波导光栅 4可以将发送过来的信号光，解复用为N束具有不同中心波长的光束，分解后的每束光通过各自的通道与FP传感头5相连，输入FP传感头5的光被空气腔12 反射，再次通过阵列波导光栅4的N个通道，然后合并成一束光，合成的光束通过单模传输光纤3进入环形器2然后从环形器2的输出端将光束输入到光电探测器6的输入端，光电探测器6将该光信号转化为电信号，并将电信号输送到信号处理模块7，最后反射光强的变化显示在PC机上。对于处在FP传感头5附近的氢气浓度增加时，Pt/WO₃粉末13就会与氢气发生化学反应从而放出热量，由于放热影响，PDMS薄膜11就会膨胀，膨胀后的PDMS薄膜11材料就会挤压空气腔12的长度，使空气腔12的腔长变短。一但空气腔12的腔长变短，则返射回阵列波导光栅4的光波波长就会发生漂移，反射光谱将会向短波长移动，反射的光强就会发生变化，通过PC机8可以检测到反射光强的变化，通过建立反射光强与氢气浓度变化的关系，就可以实现对氢气浓度的准确测量。

该装置能够实现一种基于阵列波导光栅的FPI多点测量氢气传感器的氢气浓度测量关键技术有：

1、FP传感头的结构。空气腔的长度和PDMS薄膜的体积是决定该传感器性能的两个重要因素，将与氢气反应放热的Pt/WO₃的氢敏材料粘附在PDMS 薄膜的内侧，这样既可以使其受到光纤的保护，而且与氢气反应放出的热量可快速使PDMS薄膜进行膨胀，同时注意单模光纤与空芯光纤的连接端面要尽量平滑，减少损耗。

2、光电探测器的作用。光电探测器可将光信号转换为电信号，再与PC 机相连即可将光强信息显示在PC机上，避免了使用昂贵的光谱仪，可以缩小整个实验装置的大小。

3、阵列波导光栅。阵列波导光栅作为整个传感器光路复用与解复用的的单元，也是实现氢气多点测量的关键，阵列波导光栅一端是光路的公共端口，另一端口连接N个通道，每个通道的间距一般要固定，防止其互相干扰。

4、FP传感头与阵列波导光栅的连接。为了最大化氢气浓度测量的准确程度，每个FPI传感器的反射光谱的中心波长应该匹配在相应波导光栅的通道内，从而使得氢气浓度的变化与进入波导光栅相应通道的反射光强呈现出一定的线性变化。

本实用新型的一个具体实施例中，宽带光源输出激光波长为 1400nm-1600nm，FP传感头中的单模光纤及单模传输光纤，均采用常规单模光纤(G.625)，空芯光纤采用石英毛细管(TSP075150)，空芯光纤的长度为 100μm-150μm，空气腔长度为30μm-80μm，PDMS薄膜由弹性聚合物和硬化剂5： 1混合且厚度为20μm-70μm，阵列波导光栅一般具有16个通道，通道间距为 0.8nm。实验结果表明，在30℃到40℃温度范围内，基于阵列波导光栅的光纤 FPI多点测量氢气传感器的氢气灵敏度可以达到1.210dB/℃。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。

Claims (1)

1.一种基于阵列波导光栅的FPI多点测量氢气传感器，其特征在于包括宽带光源、环形器、长距离单模传输光纤、阵列波导光栅、FP传感头、光电探测器、信号处理模块、PC机；宽带光源的光输出端通过环形器，经过环形器的光通过单模传输光纤与阵列波导光栅的输入端相连，阵列波导光栅的光输出通道与FP传感头的单模光纤端相连，阵列波导光栅反射回来的光通过环形器的输出端进入到光电探测器中，然后由信号处理模块处理显示在PC机上；所述的FP传感头由一段单模光纤和空芯光纤熔接，在空芯光纤内填充聚二甲基硅氧烷薄膜形成封闭的空气腔，并在聚二甲基硅氧烷薄膜外侧粘Pt/WO₃(三氧化钨载铂)氢敏材料形成；反射信号的输出模块由光电探测器、信号处理模块、PC机组成。

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