[實(shí)用新型]一種微型光纖氫氣傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201320871248.6
• 申請(qǐng)日: 2013-12-27
• 公開（公告）號(hào): CN203630041U
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李濤;張成先;劉琴
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 平湖波匯通信科技有限公司;上海波匯通信科技有限公司
• 主分類號(hào): G01N21/45
• 分類號(hào): G01N21/45
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 徐偉奇

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及光纖傳感技術(shù),具體涉及一種基于光纖技術(shù)的微型光纖氫氣傳感器。

背景技術(shù)

氫氣被認(rèn)為是一種無(wú)污染的能源，相對(duì)傳統(tǒng)燃料表現(xiàn)出許多優(yōu)越性，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，并在航空、化工業(yè)、船舶等工業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用，但是在一般情況下，無(wú)論是固態(tài)的氫還是液態(tài)的都是易揮發(fā)、易燃、易爆的。在室溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，當(dāng)空氣中泄露的氫氣濃度達(dá)到4%-74.2%時(shí)，空氣就變得易燃，從而導(dǎo)致爆炸危險(xiǎn)，因此開發(fā)一種具有本質(zhì)安全可靠、靈敏度高、低成本的氫氣傳感器尤為重要。

另外，氫氣還可能引起金屬材料的腐蝕，濃度過(guò)高時(shí)還易產(chǎn)生爆炸，危及整個(gè)產(chǎn)品和人員的安全。氫氣傳感器主要有半導(dǎo)體型、熱電型、光學(xué)型、電化學(xué)型等多種類型，其各有優(yōu)缺點(diǎn)。在一些特殊的環(huán)境中，如氫氣濃度可能達(dá)到爆炸極限的環(huán)境中，光學(xué)氫氣傳感器具有其他傳感器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）安全性，光學(xué)氫氣傳感器是用光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，不需要加熱或電信號(hào)，避免了爆炸的可能性；（2）由于光學(xué)氫氣傳感器通常靈敏度較高，故適用于一些低濃度高精度氣氛的在線檢測(cè)；（3）可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，更方便實(shí)用；（4）可在一根光纖上實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，減小系統(tǒng)成本；（5）體積小，柔韌性好，可以纏繞在武器特殊部位，或安裝在狹小空間內(nèi)。無(wú)論是為了預(yù)防氫的積累還是要利用氫的場(chǎng)合都需要對(duì)氫的含量進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控，為此，基于光纖技術(shù)的光纖氫傳感器能同時(shí)滿足安全、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)、不干擾被測(cè)環(huán)境的要求,還具有體積小、重量輕、柔韌性好，光纖還能抗化學(xué)腐蝕和惡劣的環(huán)境溫度、無(wú)電磁干擾等，適合于遠(yuǎn)程大規(guī)模多點(diǎn)復(fù)用檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于提供一種微型的光纖氫氣傳感器，要求該光纖氫氣傳感器具有制作簡(jiǎn)單、體積小和靈敏度高的特點(diǎn)。

本實(shí)用新型的氫氣傳感器的設(shè)計(jì)原理：

光纖F-P腔是基于波動(dòng)光學(xué)中雙光束干涉原理。光纖法珀傳感器是從光學(xué)法珀干涉儀發(fā)展來(lái)的，當(dāng)一束相干光射入F-P?腔中，大部分光能在腔中來(lái)回反射多次，形成光學(xué)諧振。自由光譜范圍（FSR）定義為各種光纖干涉儀的相鄰?fù)渡浯翱诘牟ㄩL(zhǎng)間隔，也是光纖F-P干涉儀的重要參數(shù)，對(duì)于傳統(tǒng)的光纖F-P干涉儀，設(shè)光源波長(zhǎng)λ，F(xiàn)-P腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，光在F-P腔內(nèi)反射產(chǎn)生的相位差為

光源波長(zhǎng)變化引起的相位變化為

相位調(diào)節(jié)范圍為±，則波長(zhǎng)變化范圍

其中，Δλ為FSR，λ為工作波長(zhǎng)，n為兩個(gè)F-P反射鏡之間介質(zhì)的折射率，而L為其間隔距離，即位腔長(zhǎng)。當(dāng)腔長(zhǎng)或折射率發(fā)生變化時(shí)，光譜峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)也將發(fā)生變化。

基于上述基本原理，本實(shí)用新型解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：

一種微型光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述的光纖氫氣傳感器包括有寬帶光源、3dB光纖耦合器、波長(zhǎng)解調(diào)儀、單模光纖和傳感頭，所述的寬帶光源連接于3dB光纖耦合器的一端，3dB光纖耦合器的另兩個(gè)端口分別連接波長(zhǎng)解調(diào)儀和單模光纖，單模光纖的另一端連接傳感頭，所述的傳感頭包括有熔接在一起的單模光纖和空芯光纖，所述空芯光纖的一端與單模光纖熔接，所述空芯光纖的另一端開放，開放的空芯光纖一端的端面上涂覆有一層鈀膜。

在本實(shí)用新型的微型光纖氫氣傳感器中，所述的空芯光纖（4）的長(zhǎng)度為30μm～150μm。

在本實(shí)用新型的微型光纖氫氣傳感器中，所述的空芯光纖（4）的纖芯為直徑為75μm的空氣孔，空心光纖（4）的外直徑為125μm。

在本實(shí)用新型的微型光纖氫氣傳感器中，金屬鈀涂覆于空芯光纖（4）上形成鈀膜（6）的方式為蒸鍍。

在本實(shí)用新型的微型光纖氫氣傳感器中傳感頭的制作過(guò)程中，先利用光纖熔接機(jī)將幾個(gè)厘米長(zhǎng)的空芯光纖與單模光纖熔接，將大部空芯光纖剪掉，將金屬鈀蒸鍍于光纖開放端，在光纖端面形成一層鈀膜，由單模光纖端面和鈀膜構(gòu)成F-P腔，作為氫氣傳感頭。傳感頭通過(guò)3dB光纖耦合器分別與寬帶光源和波長(zhǎng)解調(diào)儀相連接，形成整個(gè)光纖氫氣傳感系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐使用，本實(shí)用新型的微型光纖氫氣傳感器具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

1.由于本實(shí)用新型的傳感器中空芯光纖一端與普通單模光纖熔接，另一端開放，通過(guò)調(diào)節(jié)光纖熔接機(jī)的參數(shù)就可完成制作，因此制作工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2.?本實(shí)用新型的傳感器中空芯光纖的長(zhǎng)度約30μm-150μm，使得該傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種氫氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

3.?本實(shí)用新型的傳感器中的鈀膜易與氫氣發(fā)生反應(yīng)，隨外界氫氣濃度的增大，金屬鈀與氫氣發(fā)生可逆反應(yīng)生成氫化鈀，吸收了氫的膜由于膨脹還會(huì)引起拉伸效應(yīng)。