[發明專利]一種基于金屬有機骨架和零點漂移校準的氫氣傳感器

在審

• 申請號: 202010419091.8
• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN111426653A
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 劉姝儀;沈常宇;張崇
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于金屬有機骨架和零點漂移校準的氫氣傳感器，由光源，第一耦合器，參考FBG，氣室，TFBG，GO?Ni?MOF膜，氫氣流量控制器，空氣流量控制器，氫氣發生器，空氣泵，第二耦合器，光譜儀組成；其特征在于：光源連接第一耦合器左端，第一耦合器右端連接兩個光路分別為參考FBG和涂附著GO?Ni?MOF膜基模中心波長為1610nm的TFBG；TFBG和參考FBG再分別連接第二耦合器左端，第二耦合器右端連接光譜儀，連接氣室的氫氣流量控制器和空氣流量控制器分別連接氫氣發生器和空氣泵；氫氣濃度發生變化時，GO?Ni?MOF吸附氫量改變，周圍的環境折射率改變使TFBG光譜包層模和基模漂移；參考FBG可以用來進行溫度漂移校準，TFBG的基模布拉格波長可以作為零點漂移校準。

技術領域

本發明屬于測量氫氣濃度的技術領域，具體涉及一種基于金屬有機骨架和零點漂移校準的氫氣傳感器。

背景技術

作為石墨烯最重要的衍生物之一，氧化石墨烯(GO)富含含氧基團，如羥基、羧基、環氧化合物(主要位于頂部和底部表面)和羰基(主要在片材邊緣)。由于在基面和片材邊緣隨機分布的幾種含氧官能團的存在，GO被賦予了一些新的特性，如分散性、水溶性、大粒徑等。與石墨烯相比，GO表面含有大量的羥基和羧基，有利于形成多孔結構。

金屬有機骨架中多數都具有高的孔隙率和好的化學穩定性。由于能控制孔的結構并且比表面積大，MOFs比其它的多孔材料有更廣泛的應用前景。MOFs作為一種超低密度多孔材料，在存儲大量氫等燃料氣方面有很大的潛力，將為下一代交通工具提供方便的能源。

馬赫-曾德爾(MZI)干涉原理是從單獨光源發射的光束分裂成兩道準直光束之后，經過不同路徑與介質所產生的相對相移變化。光纖Mach-Zehnder干涉儀以其結構緊湊、抗電磁干擾等特點被廣泛應用于各個傳感領域。

由于傾斜布拉格光纖光柵(TFBG)獨特的耦合方式使其不僅對周圍的環境參量極其敏感,而且能夠解決傾斜布拉格光纖光柵的溫度和應力交叉敏感的問題，因此在傳感等領域內有較多的應用。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于金屬有機骨架和零點漂移校準的氫氣傳感器，利用GO-Ni-MOF的結構特性和馬赫-曾德爾干涉原理，，采用電化學法制備并向光纖鍍GO-Ni-MOF，形成氫氣傳感器。

本發明通過以下技術方案實現：一種基于金屬有機骨架和零點漂移校準的氫氣傳感器，由光源(1)，第一耦合器(2)，參考FBG(3)，氣室(4)，TFBG(5)，GO-Ni-MOF膜(6)，氫氣流量控制器(7)，空氣流量控制器(8)，氫氣發生器(9)，空氣泵(10)，第二耦合器(11)，光譜儀(12)組成；其特征在于：光源(1)連接第一耦合器(2)左端，第一耦合器(2)右端連接兩個光路分別為參考FBG(3)和涂附著GO-Ni-MOF膜(6)基模中心波長為1610nm的TFBG(5)；TFBG(5)和參考FBG(3)再分別連接第二耦合器(11)左端，第二耦合器(11)右端連接光譜儀(12)，連接氣室(4)的氫氣流量控制器(7)和空氣流量控制器(8)分別連接氫氣發生器(9)和空氣泵(10)；氫氣濃度發生變化時，GO-Ni-MOF吸附氫量改變，周圍的環境折射率改變使TFBG(5)光譜包層模和基模漂移；參考FBG(3)可以用來進行溫度漂移校準，TFBG(5)的基模布拉格波長可以作為零點漂移校準。

本發明的工作原理是：利用涂附于光纖光柵表面的GO-Ni-MOF結構吸放氫引起TFBG周圍的環境折射率(SRI)的變化，導致包層模峰值波長的偏移，傳感TFBG光路使馬赫-曾德爾干涉的兩條光路產生光程差，導致干涉譜發生譜移，通過光譜儀測得變化進而檢測氫氣濃度。但是，由于單模光纖的有效模場直徑比纖芯直徑大幾微米，因此該傾斜布拉格光纖光柵氫氣傳感器的光學常數變化可以忽略。因此，標準傾斜布拉格光纖光柵的中心波長不受環境折射率的影響。

對傾斜布拉格光纖光柵，在纖芯處布拉格波長和包層模諧振波長分別為：