ES2222797A1 - Hydrogen optical fiber sensor, has photosensitive optical fiber attached with cross section portion of thin layer, and light spectrum unit provided with coded sensor - Google Patents

Hydrogen optical fiber sensor, has photosensitive optical fiber attached with cross section portion of thin layer, and light spectrum unit provided with coded sensor

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ES2222797A1 ES200300849A ES200300849A ES2222797A1 ES 2222797 A1 ES2222797 A1 ES 2222797A1 ES 200300849 A ES200300849 A ES 200300849A ES 200300849 A ES200300849 A ES 200300849A ES 2222797 A1 ES2222797 A1 ES 2222797A1
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Abstract

The sensor has a photosensitive optical fiber attached with a cross section portion of a thin layer. A light spectrum unit is provided with a coded sensor.

Description

Sensor de hidrógeno de fibra óptica.Fiber optic hydrogen sensor.

Sector de la técnicaTechnical sector

Aeronáutica y automoción.Aeronautics and automotive.

Objeto de la invenciónObject of the invention

El objeto de la Patente desarrolla un sensor de hidrógeno de fibra óptica, que se caracteriza porque puede permitir la detección de hidrógeno mediante dos procedimientos: (1) la medida de la intensidad de la luz que se refleja o se transmite por el sensor, y (2) mediante la medida del espectro óptico de la luz que se refleja o se transmite por el sensor, o dicho con otras palabras, la medida de las longitudes de onda que se reflejan o se transmiten. El invento puede formar parte (en una de sus aplicaciones, como detector de fugas) de los sistemas de control y seguridad que incorporan los vehículos propulsados por hidrógeno, tanto en lo que se refiere al campo de la automoción basada en combustibles renovables como al de la aeronáutica espacial.The object of the patent develops a sensor of fiber optic hydrogen, characterized in that it can allow the detection of hydrogen by two procedures: (1) the measure of the intensity of the light that is reflected or transmitted by the sensor, and (2) by measuring the optical spectrum of the light that is reflected or transmitted by the sensor, or said with others words, the measure of the wavelengths that are reflected or transmit The invention can be part (in one of its applications, such as a leak detector) of control systems and safety incorporated by hydrogen-powered vehicles, both in regard to the field of automotive based on renewable fuels such as space aeronautics.

Estado de la técnicaState of the art

En las últimas décadas el hidrógeno se ha consolidado como la alternativa más sólida frente a los combustibles convencionales. El hidrógeno es un combustible limpio que se obtiene por electrólisis (ruptura mediante electricidad) de la molécula de agua. Al quemarlo luego en un dispositivo llamado celda de combustible, se obtienen electricidad y, como único producto de la combustión, agua. No hay contaminación aérea con carbono y, por tanto, no hay efecto invernadero asociado. En algunas ciudades de Europa ya se están ensayando prototipos de medios de transporte público, como son autobuses y taxis, basados en la tecnología del hidrógeno. Por otra parte, algunas lanzaderas y cohetes espaciales que están operativas o que entrarán en funcionamiento en breve, están propulsados mediante la combustión de hidrógeno.In recent decades, hydrogen has consolidated as the strongest alternative against conventional fuels Hydrogen is a clean fuel. which is obtained by electrolysis (breakdown by electricity) of The water molecule. By burning it later on a device called fuel cell, electricity is obtained and, as the only Combustion product, water. There is no air pollution with carbon and, therefore, there is no associated greenhouse effect. In some  European cities are already testing media prototypes of public transport, such as buses and taxis, based on the hydrogen technology Moreover, some shuttles and space rockets that are operational or will enter operation shortly, are propelled by combustion of hydrogen.

El hidrógeno es un gas muy volátil y sumamente inflamable, lo que complica enormemente las tecnologías asociadas con su almacenamiento y su transporte. Como ejemplo, una concentración de hidrógeno en aire mayor del 4% en condiciones normales, constituye una atmósfera explosiva de muy fácil ignición. En consecuencia, los sistemas de almacenamiento y transporte de grandes cantidades de hidrógeno requieren sistemas de seguridad que han de ser capaces de detectar posibles fugas del gas, por lo que incorporan sensores de hidrógeno.Hydrogen is a very volatile and extremely gas flammable, which greatly complicates the associated technologies With its storage and transport. As an example, a hydrogen concentration in air greater than 4% in conditions normal, it constitutes an explosive atmosphere of very easy ignition. Consequently, the storage and transportation systems of large amounts of hydrogen require safety systems that they must be able to detect possible gas leaks, so They incorporate hydrogen sensors.

Los sensores de hidrógeno más extendidos están basados en tecnología de semiconductores (C. Christofides y A. Mandelis, "Solid-state sensors for trace hydrogen gas detection," J. Appl. Phys., 68, R1-R30, (1990)), y emplean técnicas eléctricas de detección. Generalmente, estos sensores están basados en el cambio de la resistividad del material semiconductor en presencia de hidrógeno. La detección de hidrógeno mediante estos sensores implica la existencia de una corriente eléctrica, haciendo que el uso de este tipo de sensores en atmósferas inflamables (como la que se puede originar ante la existencia de una fuga de hidrógeno) conlleve cierto riesgo, ya que cualquier pequeña descarga eléctrica (chispa) que se puede originar en el propio sensor puede hacer explosionar el tanque de almacenamiento del hidrógeno.The most widespread hydrogen sensors are based on semiconductor technology (C. Christofides and A. Mandelis, "Solid-state sensors for trace hydrogen gas detection," J. Appl. Phys., 68 , R1-R30, (1990)) , and employ electrical detection techniques. Generally, these sensors are based on changing the resistivity of the semiconductor material in the presence of hydrogen. The detection of hydrogen by means of these sensors implies the existence of an electric current, making the use of this type of sensors in flammable atmospheres (such as the one that can originate in the presence of a hydrogen leak) entails a certain risk, since any Small electric shock (spark) that can originate from the sensor itself can cause the hydrogen storage tank to explode.

Los sensores de hidrógeno basados en técnicas ópticas no presentan este problema ya que en ellos no existe ningún tipo de corriente eléctrica que pueda generar chispas, sino que la detección se hace mediante luz (S. M. Adler-Golden, et al., "Laser Raman sensor for measurement of trace-hydrogen gas", Appl. Opt., 31, 831-835 (1992); y P. Tobiska, O. Hugon, A. Trouillet, and H. Gagnaire, "An integrated optic hydrogen sensor base on SPR on palladium", Sensors and Actuators B, 74, 168-172 (2001)). Los sensores ópticos tienen una ventaja añadida ya que pueden presentar sensibilidades muy altas, permitiendo detectar concentraciones pequeñas de hidrógeno. Dentro del grupo de sensores ópticos podemos destacar aquellos que están basados en fibras ópticas, ya que presentan las ventajas añadidas de: (1) posibilidad de incorporar varios sensores en una sola fibra y (2) posibilidad de detección remota, es decir, la fuente de luz que ilumina el sensor y el sistema de detección de la luz transmitida / reflejada por el sensor pueden estar situados a cientos de metros de la cabeza sensora, conectados con el sensor mediante un enlace de fibra óptica convencional.Hydrogen sensors based on optical techniques do not present this problem since there is no type of electric current that can generate sparks, but the detection is done by light (SM Adler-Golden, et al., "Laser Raman sensor for measurement of trace-hydrogen gas ", Appl. Opt., 31 , 831-835 (1992); and P. Tobiska, O. Hugon, A. Trouillet, and H. Gagnaire," An integrated optic hydrogen sensor base on SPR on palladium ", Sensors and Actuators B, 74 , 168-172 (2001)). Optical sensors have an added advantage since they can have very high sensitivities, allowing small concentrations of hydrogen to be detected. Within the group of optical sensors we can highlight those that are based on optical fibers, since they have the added advantages of: (1) the possibility of incorporating several sensors in a single fiber and (2) the possibility of remote detection, that is, the source of light that illuminates the sensor and the detection system of the light transmitted / reflected by the sensor can be located hundreds of meters from the sensor head, connected to the sensor via a conventional fiber optic link.

La mayoría de los sensores ópticos usan paladio (Pd) o aleaciones que contienen paladio como elemento transductor (M. A. Butler, "Micromirror optical-fiber hydrogen sensor", Sensors and Actuators B, 22, 155-163 (1994); X. Bévenot, A. Trouillet, C. Veillas, H. Gagnaire y M. Clément, "Hydrogen leak detection using an optical fiber sensor for aerospace applications", Sensors and Actuators B, 67, 57-67 (2000); B. Sutapun, M. Tabib-Azar y A. Kazemi, " Pd-coated elastooptic fiber optic Bragg grating sensors for multiplexed hydrogen sensing", Sensors and Actuators, B, 60, 27-34 (1999); M. A. Butler y D. S. Ginley, "Hydrogen sensing with palladium-coated optical fibers," J. Appl. Phys., 64, 3706-3712, (1988); M. Tabib, B. Sutapun, R. Petrick y A. Kazemi, "Highly sensitive hydrogen sensors using palladium coated fiber optics with exposed cores and evanescent field interactions", Sensors and Actuators B, 56, 158-163 (1999); y J. Villatoro, A. Diez, J. L. Cruz y M. V. Andres,. "Highly sensitive optical hydrogen sensor using circular Pd-coated singlemode tapered fibre", Electron. Lett., 37, 1011-1012 (2001)). En presencia de hidrógeno, el paladio reacciona con éste formando hidruro de paladio (Pd HX). El hidruro de paladio tiene una constante de red mayor que el paladio (menor densidad), y su índice de refracción complejo es menor que el del paladio, tanto en su parte real como en su parte imaginaria. Estas dos propiedades son las que permiten a los sensores ópticos la detección selectiva de hidrógeno. Los sensores de hidrógeno de fibra óptica más representativos que emplean paladio para la detección de hidrógeno, pueden ser agrupados en tres grupos:Most optical sensors use palladium (Pd) or alloys containing palladium as the transducer element (MA Butler, "Micromirror optical-fiber hydrogen sensor", Sensors and Actuators B, 22 , 155-163 (1994); X. Bévenot, A. Trouillet, C. Veillas, H. Gagnaire and M. Clément, "Hydrogen leak detection using an optical fiber sensor for aerospace applications", Sensors and Actuators B, 67 , 57-67 (2000); B. Sutapun, M. Tabib-Azar and A. Kazemi, "Pd-coated elastooptic fiber optic Bragg grating sensors for multiplexed hydrogen sensing", Sensors and Actuators, B, 60, 27-34 (1999); MA Butler and DS Ginley, "Hydrogen sensing with palladium -coated optical fibers, "J. Appl. Phys., 64 , 3706-3712, (1988); M. Tabib, B. Sutapun, R. Petrick and A. Kazemi," Highly sensitive hydrogen sensors using palladium coated fiber optics with exposed cores and evanescent field interactions ", Sensors and Actuators B, 56 , 158-163 (1999); and J. Villatoro, A. Diez, JL Cruz and MV Andres," Highly sensitive optical hydrogen sensor using circular Pd-coated singlemode tapered fiber ", Electron. Lett., 37 , 1011-1012 (2001)). In the presence of hydrogen, palladium reacts with it forming palladium hydride (Pd HX). Palladium hydride has a network constant greater than palladium (lower density), and its complex refractive index is lower than that of palladium, both in its real and in its imaginary part. These two properties are what allow optical sensors the selective detection of hydrogen. The most representative fiber optic hydrogen sensors that use palladium for hydrogen detection can be grouped into three groups:

1)one)
Tipo I. Aquellos que consisten en una fibra óptica en la que en uno de sus extremos se ha depositado una capa delgada de paladio (M. A. Butler, "Micromirror optical-fiber hydrogen sensor", Sensors and Actuators B, 22, 155-163 (1994); y X. Bévenot, A. Trouillet, C. Veillas, H. Gagnaire y M. Clément, "Hydrogen leak detection using an optical fiber sensor for aerospace applications", Sensors and Actuators B, 67, 57-67 (2000)). Este tipo de sensores suele tener tiempos de respuesta cortos (del orden de segundos) y su sensibilidad es relativamente elevada, características ambas fundamentales en la detección de hidrógeno. Por el contrario, estos dispositivos codifican la medida (es decir, la concentración de hidrógeno) en amplitud. La codificación en amplitud puede permitir utilizar sistemas de interrogación sencillos pero la respuesta del sensor es susceptible a las fluctuaciones de la potencia de luz que se inyecta al sensor (por ejemplo por envejecimiento de la fuente de luz). Además, esta configuración implica que cada sensor requiere una fibra independiente que lo enlace con la fuente de luz y el sistema de detección. Por último, el control de la respuesta de los sensores tipo I es muy limitado, ya que tan sólo el grosor de la capa de paladio permite, con bastantes limitaciones, variar la respuesta de estos sensores.Type I. Those consisting of an optical fiber in which at one of its ends a thin layer of palladium has been deposited (MA Butler, "Micromirror optical-fiber hydrogen sensor", Sensors and Actuators B, 22 , 155-163 ( 1994); and X. Bévenot, A. Trouillet, C. Veillas, H. Gagnaire and M. Clément, "Hydrogen leak detection using an optical fiber sensor for aerospace applications", Sensors and Actuators B, 67 , 57-67 (2000 )). This type of sensors usually has short response times (of the order of seconds) and its sensitivity is relatively high, both fundamental characteristics in the detection of hydrogen. On the contrary, these devices encode the measurement (i.e. hydrogen concentration) in amplitude. The amplitude coding may allow simple interrogation systems to be used but the sensor response is susceptible to fluctuations in the power of light injected into the sensor (for example by aging of the light source). In addition, this configuration implies that each sensor requires an independent fiber that links it to the light source and the detection system. Finally, the response control of type I sensors is very limited, since only the thickness of the palladium layer allows, with quite a few limitations, to vary the response of these sensors.

2)2)
Tipo II. Aquellos que consisten en una red de Bragg grabada en el núcleo de una fibra óptica sobre la que se deposita una capa gruesa de paladio. (B. Sutapun, M. Tabib-Azar y A. Kazemi, " Pd-coated elastooptic fiber optic Bragg grating sensors for multiplexed hydrogen sensing", Sensors and Actuators, B, 60, 27-34 (1999)). Estos sensores se fundamentan en el cambio de la constante de red de la capa de paladio cuando se hidruriza en presencia de hidrógeno, lo que tensiona la red de Bragg desplazando la longitud de onda de la luz que reflejada la red. Estos sensores codifican la información en longitud de onda, siendo la respuesta del sensor inmune a posibles fluctuaciones de la intensidad de la luz que se inyecta al sensor. Además permiten la multiplexación en longitud de onda, lo que hace posible conectar varios elementos sensores en serie, permitiendo la detección simultánea en varios puntos utilizando una única fibra de entrada y de salida. Por contra, estos sensores suelen mostrar sensibilidades muy bajas y los tiempos de respuesta suelen ser muy largos.Type II Those which consist of a Bragg network recorded in the core of a optical fiber on which a thick layer of palladium is deposited. (B. Sutapun, M. Tabib-Azar and A. Kazemi, " Pd-coated elastooptic fiber optic Bragg grating sensors for multiplexed hydrogen sensing ", Sensors and Actuators, B, 60, 27-34 (1999)). These sensors are based on the change of the network constant of the layer of palladium when hydrated in the presence of hydrogen, which Stresses the Bragg network by displacing the wavelength of light That reflected the network. These sensors encode the information in wavelength, the response of the sensor being immune to possible fluctuations in the intensity of the light injected into the sensor. They also allow wavelength multiplexing, which makes possible to connect several sensor elements in series, allowing the simultaneous detection at several points using a single fiber of input and output By cons, these sensors usually show very low sensitivities and response times are usually very long

3)3)
Tipo III. Aquellos que están basados en una fibra óptica de diámetro reducido sobre la que se deposita una capa delgada de paladio (M. A. Butler y D. S. Ginley, "Hydrogen sensing with palladium-coated optical fibers," J. Appl. Phys., 64, 3706-3712, (1988); M. Tabib, B. Sutapun, R. Petrick y A. Kazemi, "Highly sensitive hydrogen sensors using palladium coated fiber optics with exposed cores and evanescent field interactions", Sensors and Actuators B, 56, 158-163 (1999); y J. Villatoro, A. Diez, J. L. Cruz y M. V. Andres, "Highly sensitive optical hydrogen sensor using circular Pd-coated singlemode tapered fibre", Electron. Lett., 37, 1011-1012 (2001)). En estos dispositivos la medida de hidrógeno viene dada por el cambio de la atenuación de la luz que se propaga en la fibra óptica. Son dispositivos que pueden tener tiempos de respuesta cortos y sensibilidades muy elevadas. Por contra, codifican la medida en amplitud y no admiten la multiplexación en longitud de onda, de modo que cada sensor requiere una fibra independiente que lo enlace con la fuente de luz y el sistema de detección.Type III Those that are based on a reduced diameter optical fiber on which a thin layer of palladium is deposited (MA Butler and DS Ginley, "Hydrogen sensing with palladium-coated optical fibers," J. Appl. Phys., 64 , 3706- 3712, (1988); M. Tabib, B. Sutapun, R. Petrick and A. Kazemi, "Highly sensitive hydrogen sensors using palladium coated fiber optics with exposed cores and evanescent field interactions", Sensors and Actuators B, 56 , 158- 163 (1999); and J. Villatoro, A. Diez, JL Cruz and MV Andres, "Highly sensitive optical hydrogen sensor using circular Pd-coated singlemode tapered fiber", Electron. Lett., 37 , 1011-1012 (2001)) . In these devices the measurement of hydrogen is given by the change in the attenuation of the light that propagates in the optical fiber. They are devices that can have short response times and very high sensitivities. On the other hand, they encode the amplitude measurement and do not support wavelength multiplexing, so that each sensor requires an independent fiber that links it to the light source and the detection system.
Descripción de la invenciónDescription of the invention

El invento objeto de esta patente consiste en una sección de fibra óptica fotosensible, pudiendo estar su diámetro reducido en una sección de una cierta longitud, en parte de cuyo núcleo hay grabada una red de Bragg, y en parte de cuya superficie lateral hay depositada una capa delgada de paladio.The invention object of this patent consists of a photosensitive fiber optic section, being able to be its diameter reduced in a section of a certain length, in part of whose core there is engraved a Bragg net, and partly whose surface A thin layer of palladium is deposited on the side.

Las principales características que distinguen el sensor objeto de esta patente y los sensores de hidrógeno de fibra óptica mencionados en los párrafos anteriores, son las siguientes:The main features that distinguish the sensor object of this patent and fiber hydrogen sensors optics mentioned in the previous paragraphs, are the following:

1)one)
Respecto a los sistemas sensores del Tipo I, en estos sensores la capa de paladio está dispuesta en el extremo de una fibra óptica, mientras que en el invento objeto de esta patente la capa de paladio está depositada en la superficie lateral de la fibra, a lo largo de una sección de una cierta longitud. Por otra parte, los sensores del tipo I no incorporan ninguna red de Bragg.Regarding the Type I sensor systems, in these sensors the palladium layer it is arranged at the end of an optical fiber, while at the invention object of this patent the palladium layer is deposited on the lateral surface of the fiber, along a section of a certain length On the other hand, type I sensors do not They incorporate no Bragg network.

2)2)
Respecto a los sensores del tipo II, estos sensores emplean una capa gruesa de paladio y su funcionamiento se fundamenta en la tensión mecánica que ejerce la capa sobre la fibra, mientras que el invento objeto de esta patente emplea una capa delgada de paladio, y su funcionamiento se fundamenta en el cambio del índice de refracción de la capa en presencia de hidrógeno. El grosor de la capa metálica tiene implicaciones muy directas sobre el tiempo de respuesta de los sensores.Regarding the Type II sensors, these sensors employ a thick layer of palladium and its operation is based on the mechanical tension that exerts the layer on the fiber, while the invention object of This patent employs a thin layer of palladium, and its operation is based on changing the refractive index of the layer in the presence of hydrogen. The thickness of the metal layer It has very direct implications on the response time of sensors

3)3)
Respecto a los sensores del tipo III, estos sensores no incorporan ninguna red de Bragg.Regarding the Type III sensors, these sensors do not incorporate any network of Bragg

El invento objeto de esta patente puede presentar una serie de ventajas respecto a otros sensores de hidrógeno ópticos:The invention object of this patent may present a series of advantages over other hydrogen sensors optical:

1)one)
La entrada y la salida del sensor son los dos extremos de la fibra fotosensible monomodo de diámetro no reducido, lo que permite inyectar la luz en el sensor y extraerla mediante fibra óptica convencional que puede ser fusionada con la fibra fotosensible. Como consecuencia, el sistema es estable desde un punto de vista mecánico, no existiendo el problema del alineamiento de componentes, que es una cuestión bastante crítica en los sensores ópticos basados en componentes discretos o en guías integradasThe entrance and the sensor output are the two ends of the photosensitive fiber single mode diameter not reduced, allowing light to be injected into the sensor and extract it using conventional optical fiber that can be fused with the photosensitive fiber. As a consequence, the system is stable from a mechanical point of view, not existing the problem of component alignment, which is a matter quite critical in component-based optical sensors discrete or in integrated guides

2)2)
El sensor puede diseñarse para que su sensibilidad sea muy alta, permitiendo la detección de pequeñas concentraciones de hidrógeno. En general, la sensibilidad del sensor puede ser ajustada (en un rango amplio) durante su fabricación, lo que puede permitir su uso en aplicaciones específicas. Los parámetros que nos permiten ajustar independientemente la sensibilidad del sensor son varios, por ejemplo el diámetro de la fibra de diámetro reducido, la longitud de la sección de diámetro reducido, o el grosor de la capa de paladio, lo que permite una gran flexibilidad en la fabricación del sensor. Además, el sensor puede ser diseñado para que la luz recorra dos veces la sección de fibra donde está la capa de paladio, lo que, como mínimo, duplica la sensibilidad del sensor.The sensor can be designed so that its sensitivity is very high, allowing the Detection of small concentrations of hydrogen. In general, the Sensor sensitivity can be adjusted (over a wide range) during its manufacture, which may allow its use in specific applications The parameters that allow us to adjust independently the sensitivity of the sensor are several, for example the diameter of the fiber of reduced diameter, the length of the reduced diameter section, or the thickness of the layer of palladium, which allows great flexibility in the manufacture of sensor. In addition, the sensor can be designed so that the light Walk the fiber section twice where the layer of palladium, which at least doubles the sensitivity of sensor.

3)3)
La respuesta del sensor es rápida (tiempos de respuesta del orden de los segundos), propiedad ésta que es fundamental en la detección de fugas hidrógeno.The response of sensor is fast (response times of the order of seconds), property that is essential in leak detection hydrogen.

4)4)
La respuesta del sensor puede ser reversible, es decir, tras la exposición del sensor a una atmósfera en la que existe una cierta concentración de hidrógeno, el sensor puede recuperar su comportamiento inicial en la medida en que deje de estar expuesto al hidrógeno.The response of sensor can be reversible, that is, after exposure of the sensor to an atmosphere in which there is a certain concentration of hydrogen, the sensor can recover its initial behavior in the extent to which it is no longer exposed to hydrogen.

5)5)
El sensor puede ser diseñado de manera que codifique la medida (es decir, la concentración de hidrógeno) en amplitud, o en longitud de onda, o en ambas simultáneamente.The sensor can be designed to encode the measure (i.e. hydrogen concentration) in amplitude, or in wavelength, or in both simultaneously.

6)6)
El sensor puede ser diseñado para que su respuesta sea independiente de la polarización de la luz, lo que puede permitir iluminar el sensor con fuentes de luz no polarizadas, incidiendo esto en el abaratamiento de los sistemas de iluminación y detección.The sensor can be designed to make your response independent of polarization of light, which may allow the sensor to be illuminated with sources of unpolarized light, affecting this in the lowering of lighting and detection systems.

7)7)
La estructura "en línea" del sensor y la posibilidad de multiplexación en longitud de onda que proporciona el uso de redes de Bragg hacen posible conectar varios elementos sensores en serie, permitiendo la detección simultánea en varios puntos utilizando una única fibra para la entrada y la salida de la luz.The structure "in line "of the sensor and the possibility of multiplexing in length  wave that provides the use of Bragg networks make possible connect several sensor elements in series, allowing the simultaneous detection at several points using a single fiber for the entry and exit of the light.
Breve enunciado de las figurasBrief statement of the figures

Para comprender mejor el objeto de la presente invención, se representa en los planos unas formas preferentes de realización práctica, susceptibles de cambios accesorios que no desvirtúen su fundamento.To better understand the purpose of this In the invention, preferred forms of practical realization, susceptible to accessory changes that do not distort its foundation.

La figura 1 es un diagrama de las configuraciones susceptibles de ser empleadas: (a) configuración en la que la posición de la red de Bragg está desplazada respecto a la posición de la capa de paladio, estando la capa de paladio depositada en una sección de diámetro reducido y uniforme, y la red de Bragg grabada en una sección de diámetro uniforme no reducido, (b) configuración en la que la capa de paladio está depositada en la misma sección de fibra de diámetro reducido y uniforme donde está grabada la red de Bragg, (c) configuración en la que la capa de paladio está depositada en la misma sección de fibra donde está grabada la red de Bragg, ambas situadas en una región de fibra de diámetro variable y (d) configuración en la que la capa de paladio está depositada en la sección de fibra de diámetro reducido y uniforme y la red de Bragg está grabada en una región de la fibra de diámetro variable.Figure 1 is a diagram of the configurations liable to be used: (a) configuration in which the Bragg's network position is offset from the position of the palladium layer, the palladium layer being deposited in a reduced and uniform diameter section, and engraved Bragg net in a section of uniform diameter not reduced, (b) configuration in which the palladium layer is deposited in the same section of reduced and uniform diameter fiber where the net is engraved from Bragg, (c) configuration in which the palladium layer is deposited in the same fiber section where the network is recorded of Bragg, both located in a region of fiber diameter variable and (d) configuration in which the palladium layer is deposited in the fiber section of reduced and uniform diameter and Bragg's network is engraved in a region of fiber diameter variable.

La figura 2 es la representación de dos posibles esquemas de interrogación de un sensor. (a) Esquema de interrogación basado en la medida de la luz que se refleja por los sensores, y (b) esquema de interrogación basado en la medida de la luz que se transmite por los sensores.Figure 2 is the representation of two possible Interrogation schemes of a sensor. (a) Scheme of interrogation based on the measure of light that is reflected by the sensors, and (b) interrogation scheme based on the measurement of the light that is transmitted by the sensors.

La figura 3 es un ejemplo de la respuesta espectral de un sensor basado en la configuración (a) mostrada en la figura 1, que resulta de la medida del espectro de la luz que es reflejada por el sensor.Figure 3 is an example of the answer spectral of a sensor based on the configuration (a) shown in Figure 1, which results from the measurement of the spectrum of light that It is reflected by the sensor.

La figura 4 es la curva de calibración que resulta de la medida de la potencia de luz reflejada en función de la concentración de hidrógeno, en un sensor basado en la configuración (a) mostrada en la figura 1.Figure 4 is the calibration curve that results from the measurement of the reflected light power as a function of the concentration of hydrogen, in a sensor based on the configuration (a) shown in figure 1.

La figura 5 es un ejemplo de la respuesta temporal de un sensor basado en la configuración (a) mostrada en la figura 1, que resulta de la medida del espectro de la luz que es reflejada por el sensor.Figure 5 is an example of the answer time of a sensor based on the configuration (a) shown in the Figure 1, which results from the measurement of the spectrum of light that is reflected by the sensor.

La figura 6 es up ejemplo de la respuesta espectral de un sensor basado en la configuración (b) mostrada en la figura 1, que resulta de la medida del espectro de la luz que es reflejada por el sensor.Figure 6 is an example of the answer spectral of a sensor based on the configuration (b) shown in Figure 1, which results from the measurement of the spectrum of light that It is reflected by the sensor.

Ejemplos de realización de la invenciónExamples of embodiment of the invention

A continuación, se describen dos ejemplos de realización práctica, no limitativa, del presente invento.Here are two examples of practical, non-limiting embodiment of the present invention.

La figura 1 proporciona tres posibles esquemas para el sensor de hidrógeno. (Pi) es la potencia de luz que alimenta al sensor, (Pr) es la potencia de luz que refleja el sensor, (Pt) es la potencia de luz que transmite el sensor, (FOF) representa la sección de fibra fotosensible, (Pd) representa la capa delgada de paladio, y (RB) representa la red de Bragg.Figure 1 provides three possible schemes for the hydrogen sensor. (Pi) is the power of light that feeds the sensor, (Pr) is the light power that reflects the sensor, (Pt) is the light power transmitted by the sensor, (FOF) represents the photosensitive fiber section, (Pd) represents the thin layer of palladium, and (RB) represents the Bragg network.

En primer lugar, daremos una descripción detallada de una realización práctica del sensor objeto de la patente, basado en la configuración (a) descrita en la figura 1. El sensor se ha realizado utilizando fibra fotosensible monomodo de sílice (SiO_{2}) cuyo corazón está dopado con óxido de germanio (GeO_{2}) y óxido de boro (B_{2}O_{3}). La sección de la fibra en la que está depositada la capa delgada de paladio, de aproximadamente 10 mm de longitud, tiene un diámetro de 25 micras, siendo el diámetro original de la fibra de 125 micras. Tanto la longitud de la región de fibra de diámetro reducido (sobre la que está depositada la capa de paladio) como su diámetro, inciden directamente en la sensibilidad del sensor, de manera que: (1) a menor diámetro mayor sensibilidad, y (2) a mayor longitud mayor sensibilidad.First, we will give a description detailed of a practical embodiment of the sensor object of the patent, based on the configuration (a) described in Figure 1. The  sensor was made using single mode photosensitive fiber silica (SiO2) whose heart is doped with germanium oxide (GeO2) and boron oxide (B2O3). The section of the fiber in which the thin layer of palladium is deposited, of approximately 10 mm in length, has a diameter of 25 microns, the original diameter of the fiber being 125 microns. Both the length of the fiber region of reduced diameter (over which the palladium layer is deposited) as its diameter, impact directly on the sensitivity of the sensor, so that: (1) a smaller diameter greater sensitivity, and (2) longer length sensitivity.

En este ejemplo práctico de realización de la invención, el diámetro se ha reducido mediante un proceso de fusión y estiramiento de la fibra (R. P. Kenny, T. A. Birks y K. P. Oakley, "Control of the fiber taper shape", Electron. Letters, 27, 1654-1656 (1991)). Como resultado de este proceso de estiramiento, la región tratada muestra una zona central de diámetro reducido y uniforme, y dos transiciones que adaptan gradualmente el diámetro original de la fibra con el diámetro reducido de la zona central. La reducción del diámetro de la fibra mediante esta técnica implica no sólo la reducción del diámetro exterior, sino también la reducción, en la misma proporción, del diámetro del núcleo de la fibra. Otra técnica que se puede emplear para reducir el diámetro de la fibra óptica es el ataque químico mediante una disolución de ácido fluorídrico (HF). En ocasiones, puede ser conveniente emplear una combinación de ambas técnicas para reducir el diámetro de la fibra.In this practical example of embodiment of the invention, the diameter has been reduced by a process of fiber fusion and stretching (RP Kenny, TA Birks and KP Oakley, "Control of the fiber taper shape", Electron. Letters, 27 , 1654-1656 (1991)). As a result of this stretching process, the treated region shows a central area of reduced and uniform diameter, and two transitions that gradually adapt the original diameter of the fiber with the reduced diameter of the central zone. The reduction of the fiber diameter by means of this technique implies not only the reduction of the outer diameter, but also the reduction, in the same proportion, of the diameter of the fiber core. Another technique that can be used to reduce the diameter of the optical fiber is chemical attack by a solution of hydrofluoric acid (HF). Sometimes, it may be convenient to use a combination of both techniques to reduce the diameter of the fiber.

Sobre la región de diámetro reducido y uniforme se dispone una capa de 12 nm de paladio depositado a lo largo de todo el perímetro de la fibra, de modo que la sección transversal de este segmento del sensor mantiene la simetría circular. El grosor de la capa de paladio tiene repercusiones, fundamentalmente en el tiempo de respuesta del sensor (a menor grosor, menor es el tiempo de respuesta) y, en menor medida, sobre la sensibilidad del sensor. La deposición de la capa de paladio se realiza siguiendo alguna de las técnicas convencionales de deposición de capas delgadas, en particular, en este caso el paladio se evaporó en una campana de vacío mediante calentamiento por efecto Joule, y se depositó sobre la fibra, monitorizando "in-situ" el grosor de la capa mediante el método basado en la balanza de cuarzo. Si el sensor va a ser sometido a un número elevado de exposiciones al hidrógeno, puede ser conveniente depositar en primer lugar una capa muy delgada (de grosor 1 nm o menor) de níquel (Ni) o de titanio (Ti), para mejorar la adherencia entre la fibra óptica y la capa de paladio y aumentar así el tiempo de vida del sensor.A 12 nm layer of palladium deposited along the entire perimeter of the fiber is arranged on the region of reduced and uniform diameter, so that the cross section of this segment of the sensor maintains circular symmetry. The thickness of the palladium layer has repercussions, mainly on the response time of the sensor (the smaller the thickness, the shorter the response time) and, to a lesser extent, on the sensitivity of the sensor. The deposition of the palladium layer is performed following some of the conventional thin layer deposition techniques, in particular, in this case the palladium was evaporated in a vacuum hood by Joule heating, and deposited on the fiber, monitoring " in-situ " the thickness of the layer using the method based on the quartz scale. If the sensor is going to be subjected to a high number of exposures to hydrogen, it may be convenient to first deposit a very thin layer (1 nm thick or smaller) of nickel (Ni) or titanium (Ti), to improve the adhesion between the optical fiber and the palladium layer and thus increase the life of the sensor.

Fuera de la región de diámetro reducido, a 20 mm aproximadamente, el sensor incorpora una red de Bragg grabada en el núcleo de la fibra fotosensible que refleja una banda de luz de 0.1 nm de anchura centrada en la longitud de onda de 1543.7, con una reflexión máxima de 30 decibelios. La red de Bragg ha sido grabada en el núcleo de la fibra fotosensible, iluminando una sección de fibra con un patrón de interferencias periódico, de periodo 530 nm, generado al difractarse por una máscara de fase un haz de luz ultravioleta de longitud de onda 240 nm. Se ha elegido una longitud de onda de trabajo entorno a 1550 nm, fundamentalmente por dos razones: (1) por la disponibilidad de componentes comerciales a esa longitud de onda, y (2) porque la sensibilidad del sensor es mayor a medida que aumenta la longitud de onda de la luz.Outside the region of reduced diameter, to 20 mm approximately, the sensor incorporates a Bragg network recorded in the photosensitive fiber core that reflects a light band of 0.1 nm width centered on the wavelength of 1543.7, with a maximum reflection of 30 decibels. Bragg's network has been recorded in the nucleus of the photosensitive fiber, illuminating a fiber section with a periodic interference pattern, of 530 nm period, generated when diffracted by a phase mask a ultraviolet beam of wavelength 240 nm. Has been chosen a working wavelength around 1550 nm, mainly for two reasons: (1) due to the availability of commercial components at that wavelength, and (2) because the sensor sensitivity is greater as the length of light wave

En ausencia de hidrógeno, las potencias ópticas reflejada (P_{r}) y transmitida (P_{t}), vienen dadas por las expresiones:In the absence of hydrogen, the optical powers reflected (P_ {r}) and transmitted (P_ {t}), are given by the expressions:

(1)\frac{P_{r}}{P_{i}} =R\cdot exp(-4\cdot \alpha \cdot L) ;

\hskip1cm
\frac{P_{t}}{P_{i}} =(1-R) \cdot exp(-2\cdot \alpha \cdot L)(1) \ frac {P_ {r}} {P_ {i}} = R \ expd (-4 \ cdot \ alpha \ cdot L);
 \ hskip1cm 
\ frac {P_ {t}} {P_ {i}} = (1-R) \ cdot exp (-2 \ cdot \ alpha \ cdot L)

donde \alpha es el factor de atenuación del modo fundamental que se propaga en la fibra, R es la reflectividad de la red de Bragg, que en general es una función de la longitud de onda, y L es la longitud de interacción, o sea la longitud de la sección de fibra recubierta de paladio. El factor de atenuación \alpha está directamente vinculado con la presencia de la capa de paladio. En ausencia de paladio, a puede considerarse nulo, y es precisadamente el índice de refracción complejo del paladio, en particular su parte imaginaria, el que hace que \alpha sea diferente de cero. El factor fundamental que determina el valor de \alpha es el diámetro de la fibra estrechada, de manera que a menor diámetro de la fibra, mayor es el valor de \alpha. Otros factores que influyen en el valor de \alpha son el grosor de la capa de paladio y el índice de refracción del medio externo.where? is the attenuation factor of fundamental way that propagates in the fiber, R is the reflectivity of the Bragg network, which in general is a function of the length of  wave, and L is the interaction length, that is the length of the Palladium coated fiber section. Attenuation factor α is directly linked to the presence of the layer Palladium In the absence of palladium, a can be considered null, and it is precisely the complex refractive index of palladium, in particular its imaginary part, the one that makes α be different from zero. The fundamental factor that determines the value of α is the diameter of the narrowed fiber, so that at The smaller diameter of the fiber, the greater the value of α. Others factors that influence the value of α are the thickness of the palladium layer and the refractive index of the medium external.

Cuando el sensor se expone a una cierta concentración de hidrógeno, el índice de refracción complejo de la capa delgada cambia, haciendo que el factor de atenuación para el modo fundamental también cambie, pasando de un valor \alpha a un valor \alpha'. Como consecuencia, las potencias de luz reflejada (P_{r}') y transmitida (P_{t}') cambian y vienen dadas por:When the sensor is exposed to a certain hydrogen concentration, the complex refractive index of the thin layer changes, causing the attenuation factor for the fundamental mode also change, moving from an α value to a α value. As a consequence, the reflected light powers (P_ {r} ') and transmitted (P_ {t}') change and are given by:

(2)\frac{P_{r}'}{P_{i}}= R \cdot exp(-4 \cdot \alpha'\cdot L) ;

\hskip1cm
\frac{P_{t}'}{P_{i}} = (1-R) \cdot exp(-2 \cdot \alpha' \cdot L)(2) \ frac {P_ {r} '} {P_ {i}} = R \ expd (-4 \ cdot \ alpha' \ cdot L);
 \ hskip1cm 
\ frac {P_ {t} '} {P_ {i}} = (1-R) \ cdot exp (-2 \ cdot \ alpha' \ cdot L)

combinando las ecuaciones (1) y (2), las potencias de luz refleja y transmitida en presencia de hidrógeno P_{r}' y P_{t}', y las potencias de luz refleja y transmitida en ausencia de hidrógeno P_{r} y P_{t}, se relacionan según las expresiones:combining equations (1) and (2), the reflected and transmitted light powers in the presence of hydrogen P_ {r} 'and P_ {t}', and the powers of reflected and transmitted light in the absence of hydrogen P_ {r} and P_ {t}, they are related according to expressions:

(3)\frac{P_{r}'}{P_{r}} = R \cdot exp(-4 \cdot (\alpha'-\alpha) \cdot L) ;

\hskip1cm
\frac{P_{t}'}{P_{t}}= (1-R) \cdot exp(-2 \cdot (\alpha'-\alpha) \cdot L)(3) \ frac {P_ {r} '} {P_ {r}} = R \ expd (-4 \ cdot (\ alpha' - \ alpha) \ cdot L);
 \ hskip1cm 
\ frac {P_ {t} '} {P_ {t}} = (1-R) \ cdot exp (-2 \ cdot (\ alpha' - \ alpha) \ cdot L)

La figura 2 es la representación de dos posibles esquemas de interrogación de un sensor, el primero de ellos centrado en la medida de la luz reflejada por el sensor, y el segundo centrado en la medida de la luz transmitida por el sensor. (FL) Representa una fuente de luz, preferentemente de onda continua, con la que se interroga los sensores. La fuente de luz puede ser de banda ancha o de banda estrecha sintonizable en longitud de onda. (DR) y (DT) Representan, respectivamente, los sistemas para medir la luz reflejada y transmitida por los sensores, y pueden estar formados por un fotodiodo o por un sistema analizador de espectros óptico, estando esto determinado por el tipo de fuente de luz empleada. (FOC) Representa una sección de una cierta longitud de fibra óptica convencional. (A-C) representa el componente que nos permite inyectar luz en el sensor y recoger la luz reflejada por éste, que puede ser un acopiador de fibra óptica o un circulador. (RBR) es una red de Bragg que se puede emplea para medir la señal de referencia, es decir, la potencia de luz que se inyecta en el sensor, Pi. (S) es el sensor de hidrógeno. (A) es un acopiador de fibra óptica.Figure 2 is the representation of two possible question marks of a sensor, the first one focused on the measure of the light reflected by the sensor, and the second focused on the measurement of the light transmitted by the sensor. (FL) Represents a light source, preferably wave continues, with which the sensors are interrogated. Light source it can be broadband or narrow band tunable in wavelength. (DR) and (DT) Represent, respectively, the systems to measure the light reflected and transmitted by the sensors, and can be formed by a photodiode or by a optical spectrum analyzer system, this being determined by the type of light source used. (FOC) Represents a section of a certain length of conventional fiber optic. (A-C) represents the component that allows us inject light into the sensor and collect the light reflected by it, which It can be a fiber optic collector or a circulator. (RBR) is a Bragg network that can be used to measure the signal of reference, that is, the power of light that is injected into the sensor, Pi. (S) is the hydrogen sensor. (A) is a collector of optical fiber.

La figura 3 muestra la potencia reflejada, en función de la longitud de onda, procedente de un sensor cuando se expone a varias concentraciones de hidrógeno. Se aprecia que, en la banda de reflexión de la red de Bragg que incorpora el sensor, la potencia de luz reflejada aumenta a medida que aumenta la concentración de hidrógeno.Figure 3 shows the reflected power, in wavelength function, coming from a sensor when exposed to various concentrations of hydrogen. It is appreciated that, in the reflection band of the Bragg network incorporating the sensor, the reflected light power increases as the hydrogen concentration

La figura 4 es la curva de calibración que resulta de la medida de la potencia de luz reflejada por el sensor en función de la concentración de hidrógeno. Se observa que los cambios son más acusados en el rango de concentraciones de hidrógeno que va del 1% al 8%. Por debajo del 1% el sensor muestra una sensibilidad baja, y por encima del 8% se observa un comportamiento que tiende asintóticamente a un cierto valor.Figure 4 is the calibration curve that results from the measurement of the light power reflected by the sensor depending on the concentration of hydrogen. It is observed that the changes are more pronounced in the range of hydrogen concentrations that goes from 1% to 8%. Below 1% the sensor shows a low sensitivity, and above 8% a behavior that tends asymptotically to a certain value.

La figura 5 muestra la potencia de luz reflejada por el sensor en función del tiempo, cuando se expone a varias concentraciones de hidrógeno. De nuevo la señal reflejada aumenta a medida que aumenta la concentración de hidrógeno. Se observa, por una parte, que los tiempos de respuesta (definido como el tiempo necesario para alcanzar el 90% del cambio final) están por debajo de 100 s, y por otra, el comportamiento reversible del sensor.Figure 5 shows the reflected light power by the sensor as a function of time, when exposed to several hydrogen concentrations Again the reflected signal increases as the concentration of hydrogen increases. It is observed, by one part, that the response times (defined as the time necessary to reach 90% of the final change) are below of 100 s, and on the other, the reversible behavior of the sensor.

A continuación, daremos una descripción detallada de una realización práctica del sensor objeto de la patente, basado en la configuración (b) descrita en la figura 1. Esta configuración permite la detección de hidrógeno mediante la medida de la intensidad y la medida de la longitud de onda de la luz que se refleja o se transmite por el sensor.Next, we will give a detailed description of a practical embodiment of the sensor object of the patent, based on the configuration (b) described in figure 1. This configuration allows the detection of hydrogen by measurement of the intensity and measurement of the wavelength of the light that It is reflected or transmitted by the sensor.

El sensor se ha realizado utilizando la misma fibra fotosensible empleada en el modo de realización del sensor descrito anteriormente. En este caso, la sección de la fibra en la que está depositada la capa delgada de paladio tiene una longitud de 20 mm y su diámetro es de 20 micras. Del mismo modo que en la configuración descrita anteriormente, el diámetro de la región de fibra de diámetro reducido (sobre la que está depositada la capa de paladio) incide directamente en la sensibilidad del sensor, de manera que, a menor diámetro, mayor es la sensibilidad del sensor. Sin embargo, a diferencia de la configuración descrita anteriormente, la longitud de la zona de diámetro reducido y uniforme, puede no repercutir en la sensibilidad del sensor.The sensor was made using the same photosensitive fiber used in the sensor embodiment previously described. In this case, the fiber section in the that is deposited the thin layer of palladium has a length of 20 mm and its diameter is 20 microns. In the same way as in the configuration described above, the diameter of the region of fiber of reduced diameter (on which the layer is deposited of palladium) directly affects the sensitivity of the sensor, of so, the smaller the diameter, the greater the sensitivity of the sensor. However, unlike the configuration described previously, the length of the area of reduced diameter and uniform, may not affect the sensitivity of the sensor.

El diámetro de esta sección de fibra es reducido mediante un procedimiento en dos pasos: en primer lugar, mediante la técnica de fusión y estiramiento, el diámetro es reducido desde 125 micras hasta 55 micras. En segundo lugar, mediante ataque químico, introduciendo la fibra en una disolución de HF al 20%, el diámetro es reducido desde 55 micras hasta el diámetro final de 20 micras.The diameter of this fiber section is reduced by a two-step procedure: first, by the technique of fusion and stretching, the diameter is reduced from 125 microns to 55 microns. Second, by attack chemical, introducing the fiber in a 20% HF solution, the diameter is reduced from 55 microns to the final diameter of 20 microns

En la región de diámetro reducido y uniforme, el sensor incorpora una red de Bragg de longitud igual a la de la región de fibra de diámetro reducido (20 mm), grabada en el núcleo de la fibra fotosensible mediante la misma técnica descrita en el caso anterior. La red refleja una banda de luz de 0.1 nm de anchura centrada en la longitud de onda de 1542, con una reflexión máxima de 10 decibelios. La anchura de la red puede incidir en la sensibilidad del sensor, de manera que a menor anchura, mayor sensibilidad.In the region of reduced and uniform diameter, the sensor incorporates a Bragg network of length equal to that of the fiber region of reduced diameter (20 mm), engraved in the core of the photosensitive fiber by the same technique described in the last case. The network reflects a band of light of 0.1 nm of width centered on the wavelength of 1542, with a reflection 10 decibels maximum. The width of the network can influence the sensor sensitivity, so that the smaller the width, the greater sensitivity.

Sobre la región de diámetro reducido y uniforme, en cuyo núcleo está grabada la red de Bragg, se dispone una capa de 24 nm de paladio depositada, siguiendo la técnica descrita anteriormente, a lo largo de todo el perímetro de la fibra, de modo que la sección transversal de este segmento del sensor mantiene la simetría circular. El grosor de la capa de paladio tiene repercusiones, fundamentalmente en el tiempo de respuesta del sensor (a menor grosor, menor es el tiempo de respuesta) y también sobre la sensibilidad del sensor, de manera que, por debajo de 40 nm de grosor, la sensibilidad del sensor aumenta con el grosor de la capa de paladio.On the region of reduced and uniform diameter, at whose core the Bragg network is engraved, a layer is arranged of 24 nm of deposited palladium, following the technique described previously, along the entire perimeter of the fiber, so that the cross section of this sensor segment maintains the circular symmetry The thickness of the palladium layer has repercussions, mainly in the response time of the sensor (the smaller the thickness, the shorter the response time) and also about the sensitivity of the sensor, so that, below 40 nm thick, the sensitivity of the sensor increases with the thickness of The palladium layer

La longitud de onda central de la banda reflejada por la red de Bragg, denominada longitud de onda de Bragg, \lambda_{B}, viene dada por la siguiente condición:The central wavelength of the reflected band by the Bragg network, called the Bragg wavelength, \ lambda_ {B}, is given by the following condition:

\lambda_{B} = 2 n \Lambda\ lambda_ {B} = 2 n \ Lambda

donde n es el índice de refracción efectivo del modo que se propaga en la fibra y \Lambda es el periodo de la modulación de índice que se induce en el núcleo de la fibra. El índice efectivo del modo depende de los índices de refracción del núcleo y del revestimiento de la fibra, de los parámetros geométricos de la fibra, así como del índice de refracción complejo de la capa delgada de paladio, en particular,. depende de la parte real del índice de refracción de la capa. Cuando el sensor se expone al hidrógeno, el índice de refracción de la capa cambia, lo que provoca un cambio en el índice efectivo del modo, y consecuentemente, la longitud de onda de Bragg cambia. El desplazamiento del espectro de la red es función de la concentración de hidrógeno, de manera que la medida de la longitud de onda de Bragg permite obtener la concentración de hidrógeno.where n is the effective refractive index of so that it propagates in the fiber and \ Lambda is the period of the index modulation that is induced in the fiber core. He effective mode index depends on the refractive indices of the core and fiber cladding, the parameters geometrical fiber, as well as refractive index Palladium thin layer complex, in particular. depends on the real part of the refractive index of the layer. When the sensor it is exposed to hydrogen, the refractive index of the layer changes, which causes a change in the effective mode index, and consequently, the Bragg wavelength changes. He network spectrum shift is a function of the hydrogen concentration, so that the length measurement wave of Bragg allows to obtain the concentration of hydrogen.

El cambio en la longitud de onda de Bragg está acompañado de un cambio en la intensidad de la señal reflejada por el sensor, del mismo modo que ocurre en el modo de realización descrito anteriormente.The change in the Bragg wavelength is accompanied by a change in the intensity of the signal reflected by the sensor, in the same way as in the embodiment previously described.

La figura 6 muestra el espectro de la luz reflejada por el sensor, cuando el sensor se expone a una atmósfera libre de hidrógeno, y cuando el sensor está expuesto a una atmósfera en la que la concentración de hidrógeno es del 8%. Entre ambos espectros se aprecian dos diferencias substanciales: (1) la señal reflejada por la red es más intensa cuando el sensor está expuesto al hidrógeno, y (2) el espectro se desplaza hacia longitudes de onda mayores, siendo el desplazamiento de 0.02 nm.Figure 6 shows the spectrum of light reflected by the sensor, when the sensor is exposed to a hydrogen free atmosphere, and when the sensor is exposed to an atmosphere in which the hydrogen concentration is 8%. Between both spectra there are two substantial differences: (1) the signal reflected by the network is more intense when the sensor is exposed to hydrogen, and (2) the spectrum shifts towards longer wavelengths, the offset being 0.02 nm.

En el caso del modo de realización (c) descrito en la figura 1, en el que la capa de paladio está depositada en la misma sección de fibra donde está grabada la red de Bragg, ambas situadas en una región de fibra de diámetro variable, la presencia de hidrógeno produce un aumento de la potencia de luz reflejada y transmitida por el sensor, y un estrechamiento de la banda de longitudes de onda que refleja el sensor.In the case of the embodiment (c) described in figure 1, in which the palladium layer is deposited in the same fiber section where the Bragg network is recorded, both located in a fiber region of variable diameter, the presence of hydrogen produces an increase in the power of reflected light and transmitted by the sensor, and a narrowing of the band of wavelengths reflected by the sensor.

En el caso del modo de realización (d) descrito en la figura 1, la presencia de hidrógeno produce un aumento de la potencia de luz reflejada en la banda de longitudes de onda del espectro de reflexión de la red de Bragg, que está grabada en una región de la fibra de diámetro variable.In the case of the embodiment (d) described in figure 1, the presence of hydrogen produces an increase in light power reflected in the wavelength band of the reflection spectrum of the Bragg network, which is recorded in a fiber region of variable diameter.

Para cualquiera de los cuatro modos de realización de la invención mostrados en la figura 1, el número de sensores que se pueden conectar en serie utilizando una única fibra de entrada y salida viene determinado por la atenuación que introduce cada sensor, la respuesta espectral de la red de brag y por las características de la fuente de luz y del sistema de detección.For any of the four modes of embodiment of the invention shown in figure 1, the number of sensors that can be connected in series using a single input and output fiber is determined by the attenuation that enter each sensor, the spectral response of the brag network and by the characteristics of the light source and the system of detection.

Claims (25)

1. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, consistente en una fibra óptica fotosensible que tiene el diámetro reducido en una porción de la misma, una capa delgada de paladio depositada sobre parte de la superficie lateral y una red de Bragg grabada en una parte de la fibra, que se caracteriza porque el espectro de la luz que se refleja y se transmite en el sensor codifica la concentración de hidrógeno.1. Optical fiber hydrogen sensor, consisting of a photosensitive optical fiber having the reduced diameter in a portion thereof, a thin layer of palladium deposited on part of the lateral surface and a Bragg net engraved on a part of the fiber, which is characterized in that the spectrum of light that is reflected and transmitted in the sensor encodes the concentration of hydrogen. 2. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicación primera, caracterizado porque la capa de paladio puede tener simetría circular.2. Fiber optic hydrogen sensor according to claim one, characterized in that the palladium layer can have circular symmetry. 3. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicación primera, caracterizado porque la capa de paladio puede no tener simetría circular.3. Fiber optic hydrogen sensor according to claim one, characterized in that the palladium layer may not have circular symmetry. 4. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicación primera, caracterizado porque el diámetro de una sección de la fibra fotosensible está reducido.4. Hydraulic fiber optic sensor according to claim one, characterized in that the diameter of a section of the photosensitive fiber is reduced. 5. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa delgada de paladio está depositada sobre la sección de diámetro reducido y uniforme de la fibra fotosensible.5. Optical fiber hydrogen sensor according to previous claims, characterized in that the thin layer of palladium is deposited on the section of reduced and uniform diameter of the photosensitive fiber. 6. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la red de Bragg está grabada en el núcleo de una sección de fibra fotosensible de diámetro no reducido.6. Fiber optic hydrogen sensor according to previous claims, characterized in that the Bragg network is engraved in the core of a section of photosensitive fiber of non-reduced diameter. 7. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones de 1 a 5, caracterizado porque la red de Bragg está grabada en el revestimiento (cladding) de una sección de fibra fotosensible de diámetro no reducido.7. Hydraulic fiber optic sensor according to claims 1 to 5, characterized in that the Bragg network is engraved on the cladding of a section of photosensitive fiber of non-reduced diameter. 8. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones de 1 a 7, caracterizado porque codifica la concentración de hidrógeno en amplitud.8. Fiber optic hydrogen sensor according to claims 1 to 7, characterized in that it encodes the concentration of hydrogen in amplitude. 9. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones de 1 a 5, caracterizado porque la red de Bragg está grabada en el núcleo de la sección de diámetro reducido y uniforme de la fibra fotosensible.9. Fiber optic hydrogen sensor, according to claims 1 to 5, characterized in that the Bragg network is engraved in the core of the reduced and uniform diameter section of the photosensitive fiber. 10. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones de 1 a 5, caracterizado porque la red de Bragg está grabada en el revestimiento (cladding) de la sección de diámetro reducido y uniforme de la fibra fotosensible.10. Hydraulic fiber optic sensor according to claims 1 to 5, characterized in that the Bragg network is engraved on the cladding of the reduced diameter and uniform section of the photosensitive fiber. 11. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones de 1 a 5, 9 y 10, caracterizado porque codifica la concentración de hidrógeno en amplitud y en longitud de onda.11. Fiber optic hydrogen sensor, according to claims 1 to 5, 9 and 10, characterized in that it encodes the concentration of hydrogen in amplitude and in wavelength. 12. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones de 1 a 4, caracterizado porque la capa delgada de paladio está depositada sobre la sección de diámetro reducido no uniforme de la fibra fotosensible.12. Optical fiber hydrogen sensor according to claims 1 to 4, characterized in that the thin layer of palladium is deposited on the non-uniform reduced diameter section of the photosensitive fiber. 13. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones de 1 a 4, y 12, caracterizado porque la red de Bragg está grabada en el núcleo de la sección de diámetro reducido no uniforme de la fibra fotosensible.13. Fiber optic hydrogen sensor, according to claims 1 to 4, and 12, characterized in that the Bragg network is engraved in the core of the non-uniform reduced diameter section of the photosensitive fiber. 14. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones 1 a 4, y 12, caracterizado porque la red de Bragg está grabada en el revestimiento (cladding) de la sección de diámetro reducido no uniforme de la fibra fotosensible.14. Hydraulic fiber optic sensor according to claims 1 to 4, and 12, characterized in that the Bragg network is engraved on the cladding of the non-uniform reduced diameter section of the photosensitive fiber. 15. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones de 1 a 4, y de 12 a 14, caracterizado porque codifica la concentración de hidrógeno en amplitud y en longitud de onda.15. Fiber optic hydrogen sensor, according to claims 1 to 4, and 12 to 14, characterized in that it encodes the hydrogen concentration in amplitude and in wavelength. 16. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones de 1 a 5 y de 9 a 15, caracterizado porque las variaciones de potencia de la fuente de luz con que se ilumine al sensor no afectan al correcto funcionamiento del sensor.16. Fiber optic hydrogen sensor according to claims 1 to 5 and 9 to 15, characterized in that the power variations of the light source with which the sensor is illuminated do not affect the correct operation of the sensor. 17. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicación primera, caracterizado porque su alta sensibilidad permite detectar pequeñas concentraciones de hidrógeno, por debajo del 4%.17. Fiber optic hydrogen sensor, according to claim one, characterized in that its high sensitivity allows detecting small concentrations of hydrogen, below 4%. 18. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicación primera, caracterizado porque su sensibilidad puede ser ajustada durante el proceso de fabricación del sensor.18. Fiber optic hydrogen sensor, according to claim one, characterized in that its sensitivity can be adjusted during the sensor manufacturing process. 19. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicación primera, caracterizado porque el diámetro de la sección de fibra sobre la que está depositada la capa delgada de paladio permite ajustar la sensibilidad del sensor.19. Fiber optic hydrogen sensor, according to claim one, characterized in that the diameter of the fiber section on which the thin layer of palladium is deposited allows the sensitivity of the sensor to be adjusted. 20. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicación primera, caracterizado porque el grosor de la capa de paladio permite ajustar la sensibilidad del sensor.20. Fiber optic hydrogen sensor according to claim one, characterized in that the thickness of the palladium layer allows the sensitivity of the sensor to be adjusted. 21. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicación primera, caracterizado porque el grosor de la capa de paladio permite ajustar el tiempo de respuesta del sensor.21. Fiber optic hydrogen sensor according to claim one, characterized in that the thickness of the palladium layer allows adjusting the response time of the sensor.
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22. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicación primera, caracterizado porque la respuesta del sensor es reversible.22. Fiber optic hydrogen sensor according to claim one, characterized in that the response of the sensor is reversible. 23. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicación primera, caracterizado porque es posible conectar varios elementos sensores en serie, utilizando una única fibra para inyectar y extraer la luz del sensor.23. Fiber optic hydrogen sensor, according to claim one, characterized in that it is possible to connect several sensor elements in series, using a single fiber to inject and extract the light from the sensor. 24. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque, la respuesta del sensor es independiente de la polarización de la luz.24. Fiber optic hydrogen sensor according to claims 1 and 2, characterized in that the sensor response is independent of the polarization of the light. 25. Sensor de hidrógeno de fibra óptica, según reivindicaciones 1 y 3, caracterizado porque, la respuesta del sensor depende de la polarización de la luz.25. Fiber optic hydrogen sensor according to claims 1 and 3, characterized in that the response of the sensor depends on the polarization of the light.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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