[實用新型]一種在光纖錐圓表面濺射Pd膜氫敏感探頭

無效

• 申請號: 200620032152.0
• 申請日: 2006-06-01
• 公開（公告）號: CN200972456Y
• 公開（公告）日: 2007-11-07
• 發明（設計）人: 胡建東
• 申請（專利權）人: 河南農業大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

(一)所屬技術領域

本實用新型涉及氫氣敏感技術、鍍膜技術、光纖加工技術和SPR光譜測試技術，特別是在光纖端加工一種具有直敏感區和錐圓敏感區復合的氫敏感裝置。

(二)背景技術

在氫敏感技術中普遍采用Pd作催化物質，當H₂氣體遇到Pd膜后首先被吸附然后被吸收，此催化反應是可逆的。吸氫后的Pd膜通常有兩種固溶體存在，表現為α相和β相，α相到β相的轉化與氫氣的濃度有關。不同相的晶格參數相差很大，反復的吸附和脫附會導致金屬晶格的錯位，致使Pd膜經受幾個吸氫放氫周期后便會扭曲以至破損，這種變形與Pd膜的厚度和溫度有關。為了有效地減緩α相到β相的轉變，必須嚴格控制Pd膜的厚度和實現溫度的校正。目前，在光纖氫敏傳感器研究方面使用最多的是在光纖端部一段或光纖端面鍍一層或多層Pd/Si，Pd/SiO和Pd/Ag合金膜使之構成光纖氫敏傳感器的直探頭和光纖微透鏡氫傳感器探頭；另外使用Pd膜和非晶體的WO₃作氫氣催化劑也是早期方案之一，即除了在光纖端面鍍Pd膜外，再鍍一層WO₃膜，由于這種傳感器能夠對800nm的光波產生強烈吸收，因此該方法對氫氣的敏感具有很高的靈敏度，但唯一不足是響應速度比較慢。近年來，關于在光纖表面產生等離子共振波(SPR)結構的氫敏傳感器和倏逝波(Evanescent)結構的氫敏傳感器已有報導，這些方法對氫氣敏感的靈敏度均有不同程度的提高，但測試精度一般很難達到0.1％，因此在測試精度要求比較高的場合，如氫氣敏感精度高于0.05％的場合，光纖錐圓SPR探頭是首選的方案，它的氫敏感靈敏度比光纖直探頭高數倍。去除光纖端20mm的一段保護層和包層，在離光纖端10mm的一段纖芯上加工成錐圓形，然后將去除包層的光纖部分在刨光機上刨光，采用濺射鍍膜工藝在光纖芯層上蒸鍍一層50nm的Pd膜，在經過刨光后的光纖端面上蒸鍍Ag薄膜作為反射膜，即構成光纖SPR錐圓氫敏傳感器探頭。

使用光纖錐圓構成的SPR探頭的氫敏傳感原理是：在光纖芯層上濺射50nm的Pd膜，H₂遇Pd膜后很快被吸附并進而吸收生成PdHx，生成的PdHx隨氫氣濃度的變化而產生折射率的變化。當寬光譜的光通過光纖照射到光纖Pd膜的氫敏感區，在Pd膜與氫氣發生反應生成的PdHx的化合物層產生表面等離子波，當氫氣濃度發生變化時，會激發表面波產生表面等離子共振。共振波長λ₀與氫氣濃度有關，建立共振波長與氫氣濃度之間的關系，即可通過光譜信息的變化而得到氫氣濃度的值。

(三)實用新型內容

為了能提高光纖Pd膜氫氣敏感的靈敏度，降低外界環境對測試系統的影響，本發明提供了一種在光纖錐圓表面濺射Pd膜氫敏感探頭。

本實用新型解決的技術問題所采用的技術方案是：使用光纖錐圓探頭構成氫敏傳感器，在光纖錐圓上濺射Pd膜，并采用一種光譜調制方法對探頭的SPR光譜信息進行分析，以提高氫氣的測試精度和靈敏度。光纖錐圓SPR氫敏傳感器如圖1所示，光纖錐圓上鍍有Pd膜構成氫氣敏感光纖SPR探頭，一種基于光譜調制裝置的實例如圖2所示，它包括光纖耦合器、光纖錐圓探頭、寬光源和光譜儀和計算機等。將光纖錐圓氫敏傳感器與光纖耦合器相連，一根多模光纖與光譜儀和計算機相連，另一根多模光纖與寬光源相連接，寬光源通過光纖和光纖耦合器后照射到光纖的氫敏感區，反射膜層反射回來的光束通過光譜儀接收，光譜儀連接計算機。計算機分析氫氣濃度變化后的光譜信息，由光譜信息的變化而獲得氫氣濃度值。

本實用新型所具有的有益效果是：

可以使其對氫氣敏感的靈敏度提高，且測試系統性能可靠，抗干擾性強、精度高。

(四)附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是本實用新型的氫氣敏感光纖錐圓探頭結構圖，1是光纖，2是光纖芯，3是Pd膜層，4是反射膜層。

圖2是一種光譜調制的光纖氫敏傳感器檢測實例，3是Pd膜，4是反射膜層，5是光纖錐圓探頭，6是光纖耦合器，7，8是多模光纖，9是寬光源，10是光譜儀和計算機.

(五)具體實施方式

在圖1所示的氫敏感光纖錐圓探頭中，采用機械方法去除光纖1上的保護層和包層，制作光纖芯2，將光纖芯2的一段拉制成錐形，在光纖的直線段和光纖芯的錐圓段上濺射Pd膜3，Pd膜的厚度在10nm-50nm之間，在光纖的端面濺射反射膜層4構成反射鏡。。

在圖2所示的光譜調制的光纖氫敏傳感器檢測實例中，光纖錐圓氫敏傳感器機理是表面等離子共振，這里Pd膜3具有雙重作用，既與氫氣發生反應，導致PdHx化合物的折射率發生變化，又作為產生表面波的金屬。將光纖錐圓氫敏傳感探頭5與光纖耦合器6相連，多模光纖7與光譜儀和計算機10相連，多模光纖8與寬光源9相連接，寬光源9通過多模光纖8和光纖耦合器6后照射到光纖的氫敏感區，激發Pd膜3中的自由電子產生表面波，表面波在氫氣濃度的變化下產生表面等離子共振，導致光波損失。反射膜層4反射回來的光束通過光纖耦合器6和多模光纖7傳輸至光譜儀和計算機10接收。計算機分析氫氣濃度變化后的光譜信息，由光譜信息的變化而獲得氫氣濃度值。