[發明專利]一種空芯光纖氫氣傳感器

在審

• 申請號: 202210400450.4
• 申請日: 2022-04-16
• 公開（公告）號: CN114965366A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 朱曉松;劉瑞鑫;張嫻;石藝尉
• 申請（專利權）人: 復旦大學;復旦大學義烏研究院
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于光纖傳感技術領域，具體為一種空芯光纖氫氣傳感器。本發明空芯光纖氫氣傳感器，包括基管、氫敏薄膜、介質膜和纖芯；其中氫敏薄膜為鈀膜，涂覆于基管內壁，介質膜鍍覆在所述氫敏薄膜表面；纖芯是中空的，用于裝載待測氣體樣品。本發明通過檢測光纖傳輸光譜中干涉峰波長的變化，獲得氫氣濃度的變化情況。其結構簡單，成本低廉，抗電磁干擾能力強，具有很好的實用價值和應用前景。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及一種空芯光纖氫氣傳感器。

背景技術

氫氣作為一種重要的清潔能源和化工原料，在國防、化工、航天等領域有著廣泛的用途。然而，氫氣易燃易爆且容易泄露，在室溫和標準大氣壓下，其爆炸極限為4%~74.5%，在使用和存儲過程中存在一定的安全隱患。因此，研究一種快速、靈敏、安全的方法對環境中的氫氣濃度進行實時監測在實際應用中顯得尤為重要。

傳統的電化學型氫氣傳感器能夠提供精確、快速、穩定的響應，但是其使用具有一定的局限性，難以在復雜電磁場以及強腐蝕的惡劣環境中工作。而且該類傳感器在工作中有可能產生電火花而引起爆炸，有較大的安全隱患。光纖傳感器具有安全性好、靈敏度高、響應速度快、抗電磁干擾能力強等優點，因此在氫氣濃度監測方面具有極其突出的優勢。目前的光纖氫氣傳感器大多采用了在實芯光纖的端面或者去除包層的纖芯表面鍍制一層氫敏薄膜的制備方法。鈀對氫氣具有良好的選擇性，在吸收了氫氣后其體積、晶格常數和折射率會發生改變，解析附后又會恢復原來的特性。鈀的光學常數變化會引起光纖中傳輸光的變化，通過測量光信號的輸出強度、傳輸光譜、相位變化等信息就能夠實現對氫氣濃度的檢測。然而該類型光纖氫氣傳感器的制作工藝較為復雜，而且裸露在外部的氫敏薄膜容易受到污染和損壞。

空芯光纖是一種以空氣作為纖芯材料的圓形光波導，可以作為天然的樣品腔，用于裝載氣體樣品。將氫敏薄膜鍍制于空氣光纖內，制備出的傳感器成本低廉、靈敏度高、使用壽命長，具有重要的實際應用價值。

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結構簡單、易于制作、使用壽命長的空芯光纖氫氣傳感器。

本發明提供的空芯光纖氫氣傳感器，包括基管、氫敏薄膜、介質膜和纖芯；其中氫敏薄膜鍍覆在所述基管內壁，介質膜鍍覆在所述氫敏薄膜表面；纖芯是中空的，用于裝載待測氣體樣品；其中，所述氫敏薄膜為鈀膜，可通過化學鍍法涂覆于所述基管內壁。

本發明中，所述中空纖芯，內徑為100-1000微米。

本發明中，所述氫敏薄膜為鈀膜，通過化學鍍法涂覆于所述基管內壁，厚度優選為50-200nm。

本發明中，所述介質膜材料優選為乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜，通過液相鍍膜法涂覆于所述氫敏薄膜表面。

本發明中，所述介質膜優選厚度為100-500nm。

本發明中，所述基管材料優選為熔融石英，內徑約為100-1000微米。

本發明中，所述基管優選長度為1-10cm。

本發明的工作原理是：光信號在依次涂覆有氫敏薄膜、介質膜的空芯光纖內傳輸并產生干涉現象，當氫氣濃度發生變化時，氫敏薄膜的厚度和折射率會發生變化，從而改變傳輸光譜中干涉峰的位置，通過檢測干涉峰波長的移動即可檢測環境中的氫氣濃度。

本發明的有益效果為：本發明傳感器結構簡單、成本低廉、抗干擾能力強，只需要簡單的液相鍍膜法即可制備得到，為低濃度氫氣檢測提供了一種便捷、可靠、靈敏的新方法。該結構還能將脆弱的氫敏薄膜和介質膜保護在空芯光纖內部以避免污染和破損，能夠有效地延長傳感器的使用壽命。

附圖說明

圖1是本發明的空芯光纖氫氣傳感器結構示意圖。

圖2是本發明的空芯光纖氫氣傳感器在不同氫氣濃度下的傳輸光譜。