CN213986203U - 一种基于WO3-Pd2Pt-Pt复合膜的多点测量氢气传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于WO₃‑Pd₂Pt‑Pt复合膜的多点测量氢气传感器，包括宽带光源、光环形器、长距离单模传输光纤、阵列波导光栅、镀有氢敏材料的光纤传感头、光电探测器、信号处理模块和PC机；所述的镀有氢敏材料的光纤传感头首先在单模光纤端面用热蒸发法沉积WO₃，然后利用BESTECH溅射系统在WO₃薄膜表面溅射Pd₂Pt和Pt形成；当氢气浓度发生变化时，WO₃‑Pd₂Pt‑Pt复合膜的反射率迅速改变，导致经传输光纤平整端面的反射光变化，进而阵列波导光栅的反射光强发生改变，通过光电探测器和PC机，即可实现对氢气浓度的测量。本实用新型具有结构简单，稳定性高，响应速度快，可同时多点测量等优点。

Description

一种基于WO3-Pd2Pt-Pt复合膜的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WO₃-Pd₂Pt-Pt复合膜的多点测量氢气传感器。

背景技术

氢气作为一种清洁，可循环利用，无污染的新能源，在生产生活领域有广泛的应用，是理想的未来能源候选者。然而，由于氢气的高扩散性和易燃性，并且也极易从容器中泄漏，甚至在空气中爆炸，因此为了可以安全使用氢气，对氢气浓度的检测和监测就显得极为重要。传统的电化学传感器很容易产生电火花，引发氢气爆炸，而光纤氢气传感器是以光信号为传感介质，具有抗电磁干扰的本质安全器件，所以近年来，光纤氢气传感器受到了人们的广泛关注。

光纤氢气传感器的原理是利用光纤与氢敏材料结合，当氢敏材料与氢气反应后，光纤物理性质发生改变，导致光纤中传输光的光学特性发生变化，通过检测输出光的变化，分析与对应物理量的关系，可测得氢气浓度。但是传统的光纤氢气传感器需要价格昂贵、体积庞大的光谱仪，并且像干涉型光纤氢气传感器如M-Z(马赫-增德尔)干涉仪型和F-P(法布里-珀罗)干涉仪型等，往往只有一个传感头，只能测量单点位置的氢气浓度，如果将相同结构的干涉型传感器级联，其干涉光谱将更为复杂，难以区分信号光，无法满足多点同时测量的实际应用场合的需求。

在光纤氢气传感器中，比较常见的是用Pd作为氢敏材料，活性Pd层与氢气接触时发生相变，其光学性质发生变化，且变化值是氢气浓度的函数，从而实现对氢气的光检测。但是以Pd作为氢敏材料的光纤氢气传感器在经过多次循环后易出现脱层、起泡，因而稳定性较低。

以Pd或Pt作为催化剂时，WO₃薄膜在氢气中具有良好的气致变色效应，Pd对氢气有良好的选择性，Pt在空气中具有良好的稳定性。通过与Pt合金化，Pd的稳定性可以大大提高。因此，在单模光纤端面镀WO₃-Pd₂Pt-Pt复合膜可以大大简化光纤传感头的制作，提高稳定性和响应速度，具有很强的实用价值。

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稳定性低、结构复杂、响应速度慢、无法同时多点测量的问题，本实用新型提出了一种稳定性高，响应速度快，操作简单，灵活方便，可同时多点测量，可适用于远距离测量的基于WO₃-Pd₂Pt-Pt复合膜的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WO₃-Pd₂Pt-Pt复合膜的多点测量氢气传感器，其特征在于包括宽带光源、光环形器、长距离单模传输光纤、阵列波导光栅、镀有氢敏材料的光纤传感头、光电探测器、信号处理模块和PC机；所述的镀有氢敏材料的光纤传感头首先在单模光纤端面用热蒸发法沉积WO₃，然后利用BESTECH溅射系统在WO₃薄膜表面溅射Pd₂Pt和Pt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个镀有氢敏材料的光纤传感头的单模光纤端相连，光电探测器的电输出端与信号处理模块和PC机依次相连。

本实用新型的有益效果为：稳定性高、响应速度快，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WO₃-Pd₂Pt-Pt复合膜的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WO₃-Pd₂Pt-Pt复合膜的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、镀有氢敏材料的光纤传感头5、光电探测器6、信号处理模块7、PC机8、WO₃-Pd₂Pt-Pt复合膜9。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个镀有氢敏材料的光纤传感头5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镀有氢敏材料的光纤传感头5相连，并在光纤的平整端面反射，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。当环境中氢气浓度增加时，WO₃-Pd₂Pt-Pt复合膜9会与氢气发生化学反应，氢敏膜反射率迅速下降，对光的吸收系数会增加，导致经传输光纤平整端面的反射光减小，进而阵列波导光栅4的反射光强就会发生变化，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WO₃-Pd₂Pt-Pt复合膜的多点测量氢气传感器的氢气浓度测量关键技术有：

1、镀WO₃-Pd₂Pt-Pt复合膜时，先在单模光纤端面上镀一定厚度的WO₃膜，再在WO₃膜上依次镀Pd₂Pt和Pt，这种方法不仅能提高氢气与氢敏材料的反应速率，同时还能增加结构的稳定性，使得传感器可以重复使用。

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。

本实用新型的一个具体实施例中，宽带光源(BBS)输出激光波长为1400nm-1600nm，制作镀有氢敏材料的光纤传感头的单模光纤及单模传输光纤，均采用常规单模光纤(G.625)，阵列波导光栅一般具有16个通道，通道间距为0.8nm。WO₃膜的膜厚为200nm，Pd₂Pt的膜厚为20nm，Pt膜的膜厚为10nm。实验结果表明，在25℃的室温下，基于WO₃-Pd₂Pt-Pt复合膜的多点测量氢气传感器可以检测到空气中低至20ppm的氢气。

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WO₃-Pd₂Pt-Pt复合膜的多点测量氢气传感器，其特征在于包括宽带光源、光环形器、长距离单模传输光纤、阵列波导光栅、镀有氢敏材料的光纤传感头、光电探测器、信号处理模块和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镀有氢敏材料的光纤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；所述的镀有氢敏材料的光纤传感头首先在单模光纤端面用热蒸发法沉积WO₃，然后利用BESTECH溅射系统在WO₃薄膜表面溅射Pd₂Pt和Pt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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