基于光纖光柵微腔的相移光纖光柵氫氣傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光纖傳感技術領域，特別涉及基于光纖光柵微腔的相移光纖光柵氫氣傳感器。
【背景技術】
[0002]氫氣因其熱值高、清潔無污染、可持續性和可用性廣等優點成為了未來最重要的能源。目前，氫氣已被用于一些如航空、汽車電池、石油勘探、化學加工、焊接、和發電等行業。然而，由于氫氣擴散快、燃點低和易爆炸的濃度范圍廣(4% -75% )，所以氫氣的安全運輸和控制一直是人們非常關心的問題。因此，檢測氫氣的濃度和預防其泄露是至關重要的。
[0003]光纖型氫氣傳感器是將氫敏材料涂到光纖器件上，氫氣濃度變化時，氫敏材料就會發生反應從而使光纖中光信號的波長或強度發生改變，通過對光信號改變量的檢測來獲得氫氣的濃度。這種傳感器使用光作為媒介，無需加熱，因此用于檢測氫氣濃度具有很高的安全性，而且它在常溫下就有良好的敏感性，故在常溫下適用，此外光纖傳感器使用適當波長的光和光纖就可以實現遠距離監測。目前主要的光纖氫氣傳感器有四類:以光的干涉為基礎的干涉型氫氣傳感器、以光的反射為基礎的微透鏡型氫氣傳感器、以光的傳輸損耗為基礎的消逝場型氫氣傳感器、以光柵為基礎的光柵型氫氣傳感器。大都以Pd或者Pt/W(V^為敏感材料，在測量氫氣濃度過程中，隨著氫氣與敏感膜的作用，傳感頭的環境溫度可能會發生變化，進而影響測量的精確度與靈敏度，如若想要消除環境溫度對測量精度和靈敏度的影響，還需用光纖光柵來再次測量，操作繁瑣，而且結構疏散；在傳感器的使用時，多次使用后，敏感膜容易脫落，不利于重復利用。
[0004]光纖光柵的研宄得到了廣泛的關注和迅速的發展，通常人們所熟悉的光纖光柵都是嚴格的周期結構，近年來，各類均勻周期光柵制作及應用得到了迅速發展，逐漸成為光纖光柵研宄領域的一個技術熱點。相移光纖布拉格光柵(PSFBG)是一種非均勾光纖布拉格光柵，它是在均勻光纖光柵軸向折射率調制中引入突變或者不連續的相移點而形成的特殊光柵。這種光柵的透射譜阻帶中會出現一個或多個線寬極窄的透射窗口。因此PSFBG可作為窄帶濾波器用于光纖激光器中，也適用于應力、壓力折射率等傳感參量的高精度測量。針對PSFBG的制作技術，國內外學者進行了大量的研宄。其中，相移相位掩模板法利用帶有相移的相位掩模板直接刻寫PSFBG，該方法簡單快速但模板昂貴且相移量固定；此外，利用普通相位模板并精確控制模板與光纖的位置，也可實現PSFBG的制作，如移動光纖法、抖動法、雙光束干涉移動光纖法，這種方法透射峰值波長可調且操作靈活；還有一些方法如摩爾光柵法、二次曝光法也是比較靈活的PSFBG制作技術，此外，還可以用飛秒激光器直接在光纖布拉格光柵上逐點刻寫。
[0005]針對上述光纖氫氣傳感器中所遇到的環境溫度對測量精確度與靈敏度的影響、敏感膜的重復利用率差、操作繁瑣及結構疏散等缺點，本發明提出基于光纖光柵微腔的相移光纖光柵氫氣傳感器。本發明中以鍍有Pt/woj莫的光纖光柵微腔相移光纖光柵為傳感頭，微腔加工在光纖光柵柵區中間位置，Pt/woj莫相當于在光纖光柵上引入一個相移，形成相移光柵，隨著氫氣濃度的變化，Pt/woj莫與氫氣發生反應，使膜的折射率發生變化，特定波長的光被反射，其余透射波的相位發生改變，透射窗口中因相移而引起的波峰的位置會發生變化，通過測量波峰的變化，就可以得到氫氣的濃度大小；然而在？〖/胃03膜與氫氣發生反應過程中，環境溫度可能會發生變化，對測量結果的精確度造成影響。由于有光纖光柵的存在，可以在測量氫氣濃度的同時可以監測環境溫度對測量結果的影響，所以能夠消除環境溫度對測量結果的影響。因此，本發明提出的基于光纖光柵微腔的相移光纖光柵氫氣傳感器能夠消除環境溫度對測量結果的影響，提高測量的精確度與靈敏度，結構緊湊，操作簡單，安全可靠，具有很強的實用價值。
【發明內容】
[0006]為了克服氫氣傳感器中所遇到的環境溫度對測量精確度與靈敏度的影響、敏感膜的重復利用率差、操作繁瑣及結構疏散等缺點等缺點，本發明提出一種能夠消除環境溫度對測量結果的影響，提高測量的精確度與靈敏度，結構緊湊，操作簡單，安全可靠的基于光纖光柵微腔的相移光纖光柵氫氣傳感器。
[0007]本發明為解決技術問題所采取的技術方案:
[0008]基于光纖光柵微腔的相移光纖光柵氫氣傳感器，包括:寬帶光源、單模傳輸光纖、鍍有Pt/WOj莫的光纖光柵微腔相移光纖光柵傳感頭、氣室及光譜儀。
[0009]寬帶光源的輸出端與單模傳輸光纖相連，單模傳輸光纖與處于氣室內的鍍有Pt/WO3膜的光纖光柵微腔相移光纖光柵傳感頭的輸入端相連，鍍有Pt/WO J莫的光纖光柵微腔相移光纖光柵傳感頭的輸出端與單模傳輸光纖相連，單模傳輸光纖與光譜儀相連。光纖光柵上微腔的厚度在3 μ m?5 μ m之間，Pt/WOj莫填滿微腔，深度在66.6 μ m?76 μ m之間，形成一個相移光纖光柵；由光纖光柵微腔相移光纖光柵、Pt/WOj莫構成傳感頭，微腔加工在光纖光柵柵區中間位置；光譜儀作為氫氣傳感器的解調器。
[0010]本發明的有益效果為:
[0011]本發明利用鍍有Pt/woj莫的光纖光柵微腔相移光纖光柵構成傳感頭，微腔加工在光纖光柵柵區中間位置，位于微腔中的Pt/woj莫相當于在光纖光柵上引入一個相移，使原來的光纖光柵變成一個相移光柵，在原有的透射窗口中打開了一個窄的相移波峰。隨著氫氣濃度的變化，Pt/woj莫與氫氣發生反應，使膜的折射率發生變化，特定波長的光被反射，其余透射波的相位發生改變，透射窗口中因相移而出現的波峰的位置會發生變化，通過測量波峰的變化，就可以得到氫氣的濃度大小，可以實現高靈敏度的氫氣濃度測量。然而在PVWO3膜與氫氣發生反應過程中，環境溫度可能會發生變化，對測量結果的精確度造成影響。由于有光纖光柵的存在，在測量氫氣濃度的同時可以監測環境溫度對測量結果的影響，所以能夠消除環境溫度對測量結果精確度的影響。
[0012]本發明利用Pt/W03膜作為涂覆材料，對氫氣有很好的選擇性，實現高靈敏度的氫氣濃度的測量，而且可以