[發(fā)明專利]基于FBG解調(diào)儀的F-P干涉型多點測量氫氣傳感器

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• 申請日: 2019-11-08
• 公開（公告）號: CN110632033A
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙春柳;李嘉麗;毛邦寧;王海龍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01N21/55
• 分類號: G01N21/55;G01N21/01
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.基于FBG解調(diào)儀的F-P干涉型多點測量氫氣傳感器，其特征在于如下步驟：

步驟一選擇一臺FBG解調(diào)儀，一臺工作波長與FBG解調(diào)儀輸出波長相匹配的具有N個通道的陣列波導光柵，一根長距離單模傳輸光纖，N個FP傳感頭和一臺PC機；所述FP傳感頭由空芯光纖、PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜和Pt/WO₃(三氧化鎢載鉑)氫敏材料組成；所述FBG解調(diào)儀由光源、環(huán)形器和信號解調(diào)模塊組成；

步驟二FP傳感頭的制作過程為：利用光纖熔接機將一段空芯光纖的一端和單模光纖熔接在一起，空芯光纖的長度為100μm-150μm，將空芯光纖尖端插入PDMS液體中10秒，由于毛細效應(yīng)，PDMS液體會進入到空芯光纖中，空氣會被密封在空芯光纖內(nèi)部，空氣腔長度為30μm-80μm；然后用酒精擦拭掉附著在光纖外部的PDMS液體，將整個傳感頭放在加熱臺上加熱固化，在60℃-70℃下持續(xù)加熱3-4小時，使PDMS材料由液態(tài)變?yōu)榘虢宦?lián)狀態(tài)；從加熱臺取下傳感頭，將空芯光纖一端伸入Pt/WO₃氫敏材料中，Pt/WO₃氫敏材料可以粘到具有黏性的半交聯(lián)狀態(tài)PDMS薄膜上，將粘有Pt/WO₃氫敏材料的傳感頭放在加熱臺上，在60℃-70℃下持續(xù)加熱3-4小時，使PDMS薄膜完全固化，Pt/WO₃氫敏材料緊密固定PDMS薄膜上，整個FP傳感頭制作完成；

對于制作完成的FP傳感頭，通過單模光纖傳輸?shù)男盘柟猓徊糠謱⒃趩文９饫w和空芯光纖的熔接面處反射，另一部分光將通過熔接面進入空氣腔，進入空氣腔的光將在PDMS薄膜與空氣的交界面處反射，然后兩束反射光發(fā)生相干干涉，反射光強度I可以表示為：

I₁和I₂分別是單模光纖和空芯光纖的熔接面和PDMS薄膜與空氣的交界面的反射強度，L是FP傳感頭的空氣腔長度，n_air是空氣的折射率，λ是光波長；

當光強度達到最大值時，相位差可以表示為：

λ_d是與光的最大強度相對應(yīng)的波長，m是任意整數(shù)；

自由光譜范圍(FSR)是兩個相鄰反射波峰或波谷之間的距離，與單個光譜周期的帶寬有關(guān)，它可以表示為：

隨著氫氣濃度的改變，Pt/WO₃氫敏材料與氫氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)放熱，PDMS薄膜迅速膨脹，空氣腔長度L將變短，相位差減小，因此，F(xiàn)P傳感頭的反射光譜將發(fā)生漂移；

FP傳感頭的氫氣靈敏度S可以表示為：

Δλ表示波長漂移量，c為氫氣濃度，Δc表示氫氣濃度變化量，k為PDMS的熱膨脹系數(shù)，α為Pt/WO₃氫敏材料在單位濃度下所釋放的熱量；由于k與α均為常量，可以看出，波長的漂移量與氫氣濃度為線性關(guān)系；

步驟三FBG解調(diào)儀的光輸出端通過單模傳輸光纖與陣列波導光柵的光輸入端相連，陣列波導光柵的N個通道分別與N個FP傳感頭的單模光纖端相連，F(xiàn)BG解調(diào)儀的信號輸出端與PC機相連；FBG解調(diào)儀產(chǎn)生信號光，由單模光纖傳輸?shù)疥嚵胁▽Ч鈻牛嚵胁▽Ч鈻艑⑿盘柟夥譃橹行牟ㄩL不同的N個通道，每個通道分別與FP傳感頭相連，每束信號光在分別在FP傳感頭發(fā)生發(fā)射，兩束反射光發(fā)生相干干涉，反射光經(jīng)過陣列波導光柵后合為一束光，輸出到FBG解調(diào)儀，光信號經(jīng)FBG解調(diào)儀的信號解調(diào)模塊解調(diào)后，轉(zhuǎn)換為電信號輸出到PC機上，進行顯示與處理；

陣列波導光柵是具有N個通道的復用元件，其各個通道有固定的波長范圍，每個通道分別和能與其中心波長相匹配的FP傳感頭連接，對于陣列波導光柵的第m通道來說，其中心波長固定；當FP傳感頭的中心波長與第m通道的中心波長完全重合時，F(xiàn)P傳感頭和陣列波導光柵反射光譜的重合部分為最大值，即反射光強為最大值；當氫氣濃度改變時，F(xiàn)P傳感頭的反射光譜發(fā)生漂移，假設(shè)向右漂移，陣列波導光柵的第m通道與FP傳感頭的反射光譜的重合部分減少，此時，反射光強將會減小；當FP傳感頭的反射光譜與第m通道的反射光譜完全不重合時，反射光強為最小值；因此，陣列波導光柵反射光強隨氫氣濃度改變單調(diào)變化；

FBG解調(diào)儀通過解調(diào)處理得到陣列波導光柵第m個通道的反射光強信號，在FBG解調(diào)儀的一個掃描周期內(nèi)，其輸出的橫坐標對應(yīng)波長范圍，縱坐標表示光強值；

陣列波導光柵第m個通道的反射光譜I_m可表示為：

λ_m為陣列波導光柵第m個通道的中心波長，b為標準差，控制通道的寬度；

FP傳感頭隨氫氣濃度變化的反射光譜I如(1)式，即：

FBG解調(diào)儀監(jiān)測到的陣列波導光柵第m個通道的反射光強S_m可表示為：

λ₁和λ₂為陣列波導光柵第m個通道的波長范圍；由(8)式可以看出，由FBG解調(diào)儀解調(diào)得到的光強與FP傳感頭的空氣腔腔長L有關(guān)，F(xiàn)P傳感頭的空氣腔腔長L與氫氣濃度c有關(guān)，F(xiàn)BG解調(diào)儀通過監(jiān)測陣列波導光柵第m個通道的反射光強的變化，就可以得到對應(yīng)FP傳感頭處氫氣濃度的變化；

FBG解調(diào)儀的掃描范圍覆蓋陣列波導光柵的工作波長，即FBG解調(diào)儀可以依次對陣列波導光柵的N個通道的反射光強監(jiān)測，因此，使用FBG解調(diào)儀監(jiān)測陣列波導光柵所有通道反射光強的變化，就可以對N個FP傳感頭處的氫氣濃度實時測量，從而實現(xiàn)了FP傳感頭的復用與多點氫氣濃度的同時測量。

2.實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，包括了FBG解調(diào)儀、長距離單模傳輸光纖、陣列波導光柵、FP傳感頭、PC機；FBG解調(diào)儀的光輸出端通過單模傳輸光纖與陣列波導光柵的光輸入端相連，陣列波導光柵的光輸出通道分別與FP傳感頭的單模光纖端相連，F(xiàn)BG解調(diào)儀的信號輸出端與PC機相連；當氫氣濃度增加時，Pt/WO₃氫敏材料與氫氣發(fā)生反應(yīng)放熱，PDMS薄膜體積膨脹，空氣腔腔長縮短，因而FP傳感頭的干涉光譜將發(fā)生漂移，進而陣列波導光柵的反射光強發(fā)生改變，通過PC機檢測反射光強的變化，就可實現(xiàn)對氫氣濃度的測量。