一種具有溫度補償功能的光纖氫氣傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光纖氫氣傳感技術領域，具體涉及一種具有溫度補償功能的光纖氫氣 傳感器。
【背景技術】
[0002] H2是一種無污染的新型能源，燃燒時能與氧氣反應釋放能量和水，除燃料電池外， 氫能也被用于其他領域，例如航空航天，飛機和汽車工業。氫極易揮發和燃燒，爆炸濃度范 圍非常廣，但是電學傳感裝置容易產生電火花，不適合危險環境中的氫檢測。光纖氫氣傳感 能夠克服電學傳感器的缺陷，在可能存在氫泄漏的環境如儲氣罐和管道表面工作，信號傳 輸距離遠，精度不易受機械結構干擾，成為廣受關注的研究領域。
[0003] 光纖布拉格光柵(FBG)是最具應用潛力的光纖光柵，通過周期性調制纖芯折射率 形成。寬帶光波在通過FBG時，中心波長的光波被反射回來，其余波長的光則不受影響。在所 有引起FBG反射光譜峰值波長漂移的外界因素中，最直接的是應力和溫度參量。外界溫度導 致的熱膨脹使得光柵周期發生變化，由于光纖布拉格光柵特殊的溫度敏感特性，對于測量 誤差、應變傳感的溫度補償以及應力與溫度聯合效應的研究是開發光纖光柵傳感器的重要 因素。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種具有溫度補償功能的光纖氫氣傳感器，對單模光纖進 行熔融拉錐后在其錐區的纖芯上間隔一定距離寫入兩個相同參數的FBG，一個FBG用于溫度 補償，另一個FBG表面均勻濺鍍Ti/Pd薄膜。該薄膜具有吸氫膨脹的特性，隨著環境氫氣濃度 的變化擠壓光纖改變FBG的光柵周期，利用兩個FBG中心波長漂移量之差可以消除溫度交叉 敏感。在FBG表面先后濺射一定膜厚的T i薄膜和Pd薄膜，利用Ti薄膜對光纖良好的吸附性， 維持Pd薄膜的穩定和抑制其降解，可以極大的提高該新型傳感器的靈敏度和重復性。
[0005] 本發明通過以下技術方案實現:一種具有溫度補償功能的光纖氫氣傳感器由寬帶 光源（1)、環行器(2)、拉錐光纖(3)、第一光纖布拉格光柵(4)、第二光纖布拉格光柵(5)、氫 敏感薄膜(6)、尾纖(7)、光柵解調儀(8)組成；寬帶光源（1)與環行器(2)的a端口連接，拉錐 光纖(3)與環行器(2)的b端口連接，光柵解調儀(8)與環行器(2)的c端口連接;在拉錐光纖 (3)錐區的纖芯上依次寫入第一光纖布拉格光柵(4)與第二光纖布拉格光柵(5)，其中第一 光纖布拉格光柵(4)表面裸露用于進行溫度補償，第二光纖布拉格光柵(5)表面均勾派鍍氫 敏感薄膜(6)形成光纖氫敏感頭。
[0006] 所述的拉錐光纖(3)由單模光纖經過熔融拉錐制成，錐區光纖直徑為80~100μπι，錐 區長度為20~25mm。
[0007] 所述的第一光纖布拉格光柵(4)和第二光纖布拉格光柵(5)的反射中心波長約為 1550nm，反射率為60%，長度為5~10_，間距為5~10_。
[0008] 所述的氫敏感薄膜(6)具體為膜厚分別是5nm和lOOnm~200nm的Ti/Pd薄膜。
[0009]所述的尾纖(7)的端面經過拋磨處理，破壞端面平整。
[0010] 本發明的工作原理是：寬帶光源（1)產生中心波長1510nm~1610nm的光束入射環行 器(2)的a端口，由于環行器(2)具有使電磁波單向環形傳輸的特性，a端口入射的光束將通 過b端口出射，然后依次通過拉錐光纖(3)，第一光纖布拉格光柵(4)以及第二光纖布拉格光 柵(5)和氫敏感薄膜(6)形成的光纖氫敏感頭。反射光沿相反路徑返回到環行器(2)的b端 口，經c端口出射后被光柵解調儀(8)接收。
[0011] 對尾纖(7)的端面進行拋磨處理破壞端面平整，可以減少端面的菲涅爾反射，從而 阻止其反射光重新耦合到拉錐光纖(3)的纖芯中。
[0012] FBG通過外界參量對布拉格中心波長λΒ的調制來獲取傳感信息。光纖中滿足布拉 格方程的光將發生極大的反射，形成反射的布拉格波長如下公式所示：
其中λΒ1、λΒ2分別表不兩個FBG的反射波長，neff表不纖芯的有效折射率，Λ!、Λ 2分別表 示兩個FBG的光柵周期。當外界環境變化時，例如溫度和應力變化，將會引起Λ:、人2的變化。
[0013] 第一光纖布拉格光柵(4)的反射中心波長將隨溫度變化發生漂移，其溫度傳感模 型為
其中3neff/3T表示折射率溫度系數，（八~打'表示熱膨脹引起的彈光效應，3Λ/3Τ表 示光纖的線性熱膨脹系數，3nrff/[3(3A/3T)]表示由于膨脹導致光纖芯徑變化而產生的波 導效應。
[0014] 第二光纖布拉格光柵(5)的反射中心波長將隨溫度和H2濃度變化發生漂移，其氫 濃度傳感模型為
其中Ph表不環境中的H2分壓(?濃度），a表不拉錐后光纖的直徑，b_a表不氫敏感薄膜 (6 )的膜厚，EF=7 2GPa、EPd=121 GPa分別表示純硅光纖與鈀材料的楊氏模量。
[0015] 由于該新型傳感器中第一光纖布拉格光柵(4)的反射中心波長不隨H2濃度改變， 其波長漂移量僅代表溫度因素的影響，兩個FBG的波長漂移量之差能對溫度誤差進行補償。 H2濃度變化產生的波長漂移可以表示為
因此，當外界的氫濃度變化時，溫度補償后測量到的中心波長漂移更為準確。
[0016] 本發明采用的氫敏感薄膜(6)是Ti/Pd薄膜，由于鈀材料能吸收900倍自身體積的 H2，因此，該材料對出濃度敏感，吸附H2分子后Pd膜的厚度和體積增加。當該薄膜被濺鍍在第 二光纖布拉格光柵(5)的表面時，該材料厚度和體積的變化會對光纖產生應力作用，同時改 變光纖光柵的周期，通過監測反射光譜中反射峰位置的變化，可以得到FBG中心波長的漂移 量，從而達到探測外界氫濃度的目的。
[0017] 本發明的有益效果是:本發明通過設置兩個相同參數的FBG，用溫度波長漂移值對 不同H2濃度下FBG中心波長漂移的測量數據進行補償，減小測量誤差，該光纖氫氣傳感器的 抗干擾能力將得到顯著提升;對單模光纖進行拉錐處理，削減包層厚度，將大大增強FBG光 柵周期對出濃度變化的響應能力，并實現低至0.1%的檢測濃度極限；同時，提出將膜厚分別 是5nm和100nm~200nm的Ti/Pd薄膜作為氫敏感膜，利用Ti薄膜對光纖良好的吸附性，維持Pd 薄膜的穩定和抑制其降解，該新型傳感器的靈敏度和重復性將明顯增強。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發明的一種具有溫度補償功能的光纖氫氣傳感器裝置示意圖。
[0019] 圖2是本發明的光纖氫敏感頭示意圖。
[0020] 圖3是本發明的光纖傳感器在不同出濃度下的反射光譜圖。
[0021] 圖4是本發明的1%出濃度下反射峰對應波長漂移量隨溫度變化的擬合曲線圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步詳細描述。
[0023] 參見附圖1，一種具有溫度補償功能的光纖氫氣傳感器，其特征在于：由寬帶光源 (1)、環行器(2)、拉錐光纖(3)、第一光纖布拉格光柵(4)、第二光纖布拉格光柵(5)、氫敏感 薄膜(6)、尾纖(7)、光柵解調儀(8)組成；寬帶光源（1)與環行器(2)的a端口連接，拉錐光纖 (3)與環行器(2)的b端口連接，光柵解調儀(8)與環行器(2)的c端口連接;在拉錐光纖(3)錐 區的纖芯上依次寫入第一光纖布拉格光柵(4)與第二光纖布拉格光柵(5)，其中第一光纖布 拉格光柵(4)表面裸露用于進行溫度補償，第二光纖布拉格光柵(5)表面均勻濺鍍氫敏感薄 膜(6)形成光纖氫敏感頭。
[0024]參見附圖2,將單模光纖在出的火焰中進行熔融拉錐制成拉錐光纖(3)，錐區光纖 直徑為80μπι，錐區長度為20mm，再用銼刀打磨破壞端面平整，在錐區的纖芯上依次寫入第一 光纖布拉格光柵(4)與第二光纖布拉格光柵(5)。環行器(2)b端口與拉錐光纖(3)的恪接米 用光纖熔接機標準程序熔接而成，采用的光纖熔接機型號為Fujikura 60s。光纖布拉格光 柵采用準分子激光器寫入，光柵周期約為528nm，長度設置為8_。
[0025]圖3為本發明的光纖氫氣傳感器在0%和1%出濃度的反射光譜實驗圖。可見，第一 光纖布拉格光柵（4)中心波長約為1549.2nm，第二光纖布拉格光柵（5)中心波長約為 1550.8nm，H2濃度從0%變化到1%時，第二光纖布拉格光柵(5)反射峰對應的波長向短波長方 向發生了漂移。
[0026]圖4為本發明的光纖氫氣傳感器在1% H2濃度情況下，反射峰對應波長漂移量隨溫 度變化的擬合曲線圖。隨著實驗溫度逐漸增大，第二光纖布拉格光柵(5)反射波長漂移量逐 漸增大，但是第一光纖布拉格光柵(4)和第二光纖布拉格光柵(5)的中心波長漂移量之差 (H 2造成的波長漂移)穩定不變，因此有效實現了溫度補償。本發明在室溫和標準大氣壓條 件下，能夠響應〇%~1%濃度范圍內的H 2，檢測的濃度下限為0.1%，檢測靈敏度優于20pm/%，具 有良好的應用前景。
【主權項】
1. 一種具有溫度補償功能的光纖氫氣傳感器，其特征在于：由寬帶光源（1)、環行器 (2)、拉錐光纖(3)、第一光纖布拉格光柵(4)、第二光纖布拉格光柵(5)、氫敏感薄膜(6)、尾 纖(7)、光柵解調儀(8)組成；寬帶光源（1)與環行器(2)的a端口連接，拉錐光纖(3)與環行器 (2)的b端口連接，光柵解調儀(8)與環行器(2)的c端口連接;在拉錐光纖(3)錐區的纖芯上 依次寫入第一光纖布拉格光柵(4)與第二光纖布拉格光柵（5)，其中第一光纖布拉格光柵 (4)表面裸露用于進行溫度補償，第二光纖布拉格光柵(5)表面均勻濺鍍氫敏感薄膜(6)形 成光纖氫敏感頭。2. 根據權利要求1所述的一種具有溫度補償功能的光纖氫氣傳感器，其特征在于:所述 的拉錐光纖（3)由單模光纖經過熔融拉錐制成，錐區光纖直徑為80~100μπι，錐區長度為20~ 25mm〇3. 根據權利要求1所述的一種具有溫度補償功能的光纖氫氣傳感器，其特征在于:所述 的第一光纖布拉格光柵(4)和第二光纖布拉格光柵(5)的反射中心波長約為1550nm，反射率 為60%，長度為5~10mm，間距為5~10mm。4. 根據權利要求1所述的一種具有溫度補償功能的光纖氫氣傳感器，其特征在于:所述 的氫敏感薄膜(6)具體為膜厚分別是5nm和lOOnm~200nm的Ti/Pd薄膜。5. 根據權利要求1所述的一種具有溫度補償功能的光纖氫氣傳感器，其特征在于:所述 的尾纖(7)的端面經過拋磨處理，破壞端面平整。
【專利摘要】本發明公開了一種具有溫度補償功能的光纖氫氣傳感器，由寬帶光源、環行器、拉錐光纖、第一光纖布拉格光柵、第二光纖布拉格光柵、氫敏感薄膜、尾纖、光柵解調儀組成。對單模光纖進行熔融拉錐后在其錐區的纖芯上間隔一定距離寫入兩個相同參數的FBG，第一光纖布拉格光柵用于溫度補償，第二光纖布拉格光柵表面均勻濺鍍Ti/Pd薄膜形成光纖氫敏感頭。該薄膜具有吸氫膨脹的特性，隨著環境氫氣濃度的變化擠壓光纖改變FBG的光柵周期，利用兩個FBG中心波長漂移量之差可以消除溫度交叉敏感。利用Ti薄膜對光纖良好的吸附性，維持Pd薄膜的穩定和抑制其降解，可以極大的提高該新型傳感器的靈敏度和重復性。
【IPC分類】G01N21/25, G01N33/00
【公開號】CN105572054
【申請號】CN201610119940
【發明人】包立峰, 王友清, 嚴灑灑, 白蕓, 吳學慧, 沈常宇
【申請人】中國計量學院
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2016年3月3日