一種具有光加熱自補償功能的光纖光柵氫氣檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本發明是一種具有光加熱自補償功能的光纖光柵氫氣檢測裝置，其采用Pt或Au表面保護的Pd合金薄膜作為氫氣敏感膜(13)的材料，兩個低直徑短周期光纖光柵作為測溫元件和傳感元件，采用光纖光柵波長作為測試信號；通過導熱膜(12)和低直徑短周期光纖光柵的消逝場效應形成光吸收區，光加熱自補償系統使傳感探頭(4)工作在恒定的溫度下，實現體積濃度為0.02％的氫氣的檢測。本發明利用光加熱自補償系統能夠保證傳感探頭工作在恒定的溫度下，從而提高傳感探頭的穩定性；采用光纖光柵波長作為解調技術，具有較好的抗干擾能力；能夠在無氧環境中精確測量氫氣濃度，可在監測氫氣和核材料儲存容器、核電站冷卻系統和電力變壓器等設施的氫氣濃度中的應用。
【專利說明】
一種具有光加熱自補償功能的光纖光柵氫氣檢測裝置
技術領域
[0001]本發明屬于光纖傳感技術，材料科學以及光電子技術的交叉領域，涉及到功能材料制備和光電檢測技術，具體涉及到具有自補償功能光纖光柵氫氣檢測裝置。【背景技術】
[0002]氫氣的安全測量在航空航天、燃料電池、化工冶煉和國防軍事等方面具有重大需求。目前市場上電化學氫氣傳感器，采用電信號作為傳感信號，仍然具有潛在爆炸的危險， 并且對其他還原性氣體具有交叉敏感，因此在安全性和選擇敏感性方面仍然存在一些難以克服的問題。光纖氫氣傳感器在傳感和傳輸過程中只有弱光信號，具有本質安全、抗電磁干擾、遠程傳輸及體積小等優點，是實現氫氣濃度安全監測的理想方案。由于在低溫和高濕環境下，傳感探頭的性能會大幅，導致難以實現氫氣濃度的精確測量。
[0003]為克服環境溫度和濕度因素的干擾，需要使氫氣敏感薄膜工作在適合的溫度下。 本發明在低直徑的短周期光纖光柵表面沉積導熱膜形成光吸收區，沒有濺射氫氣敏感膜的低直徑短周期光纖光柵作為測溫元件，濺射氫氣敏感膜的低直徑短周期光纖光柵作為傳感元件，在光路系統采用可調功率的加熱光源加熱氫氣敏感薄膜，通過實時監控氫氣敏感薄膜工作溫度，然后進行反饋調節，形成閉環控制系統。通過電控單元調節加熱光源的輸出功率，使氫氣敏感薄膜的工作溫度穩定在一定范圍內，從而保證氫氣敏感薄膜的靈敏度。該發明可以大幅提高傳感探頭的靈敏度和穩定性，具有重要的應用價值。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是:提供一種具有光加熱自補償功能的光纖光柵氫氣檢測裝置，該裝置具有較好的靈敏度和穩定性，能夠實現氫氣濃度的精確測量。
[0005]本發明解決其技術問題采用以下的技術方案:
[0006]本發明提供的具有光加熱自補償功能的光纖光柵氫氣檢測裝置，具體是:采用Pt 或Au表面保護的Pd合金薄膜作為氫氣敏感膜的材料，兩個低直徑短周期光纖光柵作為測溫元件和傳感元件，采用光纖光柵波長作為測試信號;通過導熱膜和低直徑短周期光纖光柵的消逝場效應形成光吸收區，光加熱自補償系統使傳感探頭工作在恒定的溫度下，實現體積濃度為〇.02 %的氫氣的檢測。
[0007]所述的光纖光柵氫氣檢測裝置，由依次相連的傳感光源、第一光纖耦合器、第二光纖耦合器、傳感探頭，和依次相連的加熱光源、電控單元、計算機、光纖光柵解調模塊組成， 其中:傳感光源和加熱光源分別與第一光纖親合器具有兩個接頭部分中的一端相連，第一光纖耦合器的單個接頭部分與第二光纖耦合器兩個接頭部分中的一端連接，第二光纖耦合器的單個接頭與傳感探頭相連，第二光纖耦合器的兩個接頭部分的另一個接頭和光纖光柵解調模塊連接，光纖光柵解調模塊同時與計算機相連，計算機也與電控單元輸入口相接，而電控單元與加熱光源連接。
[0008]所述的傳感光源，其可以采用850nm、1310nm、1550nm SLED或ASE光源。所述的加熱光源可以采用l〇64nm FP光源，或300?950nm可見光光源。
[0009]上述方法中，所述恒定溫度的范圍為30?150°C。
[0010]所述的兩個低直徑短周期光纖光柵是第一低直徑短周期光柵、第二低直徑短周期光柵，在它們的表面沉積導熱膜;第二低直徑短周期光柵在表面沉積導熱膜后，繼續沉積氫氣敏感薄膜。
[0011]所述的第一低直徑短周期光柵、第二低直徑短周期光柵，均采用布喇格光纖光柵， 長度為0.1?4mm，直徑為3?20WI1;纖芯直徑范圍為1?10M1，包層厚度范圍為1?10M1。
[0012]本方法可以采用磁控濺射方法在第一低直徑短周期光柵、第二低直徑短周期光柵的表面沉積導熱膜。
[0013]本方法可以采用磁控濺射在第二低直徑短周期光柵的表面沉積導熱膜后，繼續沉積氫氣敏感薄膜。
[0014]所述的氫氣敏感膜，可以采用純Pt或Au薄膜表面保護Pd/Au、Pd/Ta、Pd/Ag、Pd/Ni 和Pd/Pt合金膜，其中:Pd合金薄膜中Au、Ta和Pt元素的原子含量在0.1 %?20 %之間，氫氣敏感膜中表面Pt或Au薄膜的厚度在5?50nm，Pd合金的厚度在20nm?5000nm之間。
[0015]上述方法中，可以在進行氫氣濃度檢測時，采用兩個低直徑短周期光纖光柵的波長進行氫氣測試，具體是:根據第一低直徑短周期光柵的波長獲得氫氣敏感膜的工作溫度， 第二低直徑短周期光柵的波長變化量獲得氫氣濃度。
[0016]本發明提供的上述光纖光柵氫氣檢測裝置，其用途是:在監測氫氣儲存容器、核材料儲存容器、核電站冷卻系統或電力變壓器的氫氣濃度中的應用。
[0017]本發明與現有技術相比具有以下的主要的優點:[〇〇18]1.能夠保證傳感探頭的靈敏度。[〇〇19]采用光加熱系統使傳感探頭的氫氣敏感材料工作在恒定優化的溫度下，從而提高傳感探頭的靈敏度。如圖2所示:當氫氣敏感膜工作溫度為50°C時，相對于0和25°C，傳感探頭靈敏度得到大幅提高。
[0020]2 ?具有較好的抗干擾能力。
[0021]所述傳感探頭在同一光纖中刻寫兩支不同中心波長的光柵及沉積氫氣敏感膜，采用光加熱技術可以消除環境溫度和濕度變化對傳感探頭性能的影響，采用波長解調技術具有較好的抗光路彎曲和光源波動的影響。[〇〇22]3.具有較好的穩定性和重復性。[〇〇23]采用Pt或Au薄膜作為表面保護膜可以提高氫氣敏感薄膜的抗氧化能力，采用Pd合金與氫氣反應可以提高傳感探頭的重復性和穩定性。如圖3所示:光加熱50°C下，傳感探頭在空氣中放置12個月前后的氫氣對比測試，長期放置后傳感器仍然具有較好的重復性，證明了該專利中氫氣敏感薄膜和光加熱系統是穩定可靠的。[〇〇24]4.實用性強。
[0025]由于能夠實現氫氣濃度的精確測量，將在與氫氣產生、存儲和運輸相關設施中有重要應用價值。【附圖說明】
[0026]圖1為本發明基于光加熱的光纖氫氣檢測裝置的結構示意圖；
[0027]圖2為本發明的傳感器探頭氫氣響應曲線。
[0028]圖3為本發明的傳感探頭重復性測試對比。
[0029]圖中:1.傳感光源，2.第一光纖親合器，3.第二光纖親合器，4.傳感探頭，5.加熱光源，6.電控單元，7.計算機，8.光纖光柵解調模塊，9.多孔保護套，10.第一低直徑短周期光柵，11.第二低直徑短周期光柵，12.導熱膜，13.氫氣敏感膜，14.環氧樹脂。【具體實施方式】
[0030]本發明是一種具有光加熱自補償功能的光纖光柵氫氣檢測裝置，該裝置中:在同一光纖中制備兩根低直徑短周期光柵，此兩光柵側面沉積導熱膜;其中一根低直徑短周期光柵繼續沉積氫氣敏感薄膜，對氫氣敏感。利用功率可調光源作為加熱光源，SLED或ASE光源作為傳感光源。通過另外一根低直徑短周期光柵的中心波長獲得氫氣敏感薄膜的工作溫度，此低直徑短周期光柵的中心波長獲得氫氣敏感薄膜的工作溫度。利用加熱光源對沉積在短周期光柵端面的氫氣敏感膜進行加熱，光纖光柵解調模塊測量所述兩根低直徑短周期光柵的中心波長，經計算機進行數據處理后，向電控單元發出指令，通過電控單元控制加熱光源輸出功率使控制氫氣敏感膜的工作溫度，排除環境溫度和濕度對敏感膜性能的影響， 進而提高傳感系統的測量精度，該裝置在氫氣濃度檢測方面具有重要應用價值。
[0031]下面將結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細說明:
[0032]本發明提供的具有光加熱自補償功能的光纖光柵氫氣檢測裝置，如圖1所示，包括傳感光源1、第一光纖耦合器2、第二光纖耦合器3、傳感探頭4、加熱光源5、電控單元6、計算機7和光纖光柵解調模塊8,其中:傳感光源1和加熱光源5分別與第一光纖親合器2具有兩個接頭部分中的一端相連，第一光纖耦合器2的單個接頭部分與第二光纖耦合器3連接，第二光纖耦合器3與傳感探頭4和光纖光柵解調模塊8連接，光纖光柵解調模塊8同時與計算機7 相連，計算機7也與電控單元6輸入口相接，而電控單元6與加熱光源5連接。傳感光源1和加熱光源5發出的光由第一光纖耦合器2到達第二光纖耦合器3，經過第二光纖耦合器3傳輸到達傳感探頭4,光信號經過傳感探頭4反射再經過第二光纖耦合器3后到達光纖光柵解調模塊8,光纖光柵解調模塊8將采集到的波長數據傳輸到計算機7,計算機7對波長數據進行處理顯示氫氣濃度，并向電控單元6發出指令，通過電控單元6控制加熱光源5的輸出功率。 [〇〇33] 所述的傳感光源1可采用為850nm、1310nm或1550nm SLED或ASE平坦光源，可由市場上購買。[〇〇34] 所述加熱光源5可以采用光源1064nm FP光源或300?950nm可見光光源，加熱光源的加熱功率范圍為50?800mW。
[0035]所述電控單元6由數字可編程電阻器組成，電控單元6連接加熱光源5和計算機7， 用于將計算機7執行發出的指令，通過改變數字可編程電阻器的電阻值控制加熱光源5的輸出功率。
[0036]所述計算機7與電控單元6和光纖光柵解調模塊8連接，用于光纖光柵解調模塊8采集數據進行處理，并向電控單元6發出指令。
[0037]所述光纖光柵解調模塊8采用與傳感光源對應波長的解調模塊，光纖光柵解調模塊8與計算機7和第二光纖耦合器3連接，用于將第二光纖耦合器3傳輸的光信號進行數據采集和處理，并將處理后的波長數據發送到計算機7。
[0038]所述第一光纖耦合器2采用1 X2單模光纖耦合器，用于將傳感光源1和加熱光源5 發出的光耦合到第二光纖耦合器3。[〇〇39]所述第二光纖耦合器3,用于將第一光纖耦合器2傳輸的光發送到傳感探頭4,然后將傳感探頭4反射回來的光信號發送到光纖光柵解調模塊8。
[0040]所述傳感探頭4位于多孔保護套9中，并用環氧樹脂14封裝。
[0041]所述的多孔保護套9,采用多孔不銹鋼管，主要是保護光纖及光纖端面沉積的氫敏薄膜。
[0042]所述的光加熱自補償系統，其就是氫氣檢測裝置中除了探頭中的第二低直徑短周期光柵的所有部分，具體是:由依次相連的傳感光源1、第一光纖耦合器2、第二光纖耦合器 3、第一低直徑短周期光柵10,和依次相連的加熱光源5、電控單元6、計算機7、光纖光柵解調模塊8組成;其中，傳感光源1和加熱光源5分別與第一光纖親合器2具有兩個接頭部分中的一端相連，第一光纖耦合器2的單個接頭部分與第二光纖耦合器3兩個接頭部分中的一端連接，第二光纖耦合器3的單個接頭與第一低直徑短周期光柵10相連，第二光纖耦合器3的兩個接頭部分的另一個接頭和光纖光柵解調模塊8連接，光纖光柵解調模塊8同時與計算機7 相連，計算機7也與電控單元6輸入口相接，而電控單元6與加熱光源5連接。
[0043]該傳感探頭由第一低直徑短周期光柵10、第二低直徑短周期光柵11、導熱膜12、氫氣敏感膜13和環氧樹脂14組成，其中:第一低直徑短周期光柵10和第二低直徑短周期光柵 11表面沉積導熱膜12,第二低直徑短周期光柵11在表面沉積導熱膜后繼續沉積氫氣敏感薄膜13。
[0044]所述的第一低直徑短周期光柵10,米用布喇格光纖光柵，長度為0.1?4mm，直徑為 2?20mi;纖芯直徑范圍為1?lOwn，包層厚度范圍為1?lOwii。
[0045]所述的第二低直徑短周期光柵11，米用布喇格光纖光柵，長度為0.1?4mm，直徑為 2?20mi;纖芯直徑范圍為1?lOwn，包層厚度范圍為1?lOwii。[〇〇46]所述的導熱膜12采用純N1、T1、Cr薄膜，或者這三種元素任意兩種元素或三種元素組成的復合膜，導熱膜的厚度在20?2000nm之間。[〇〇47]所述的氫氣敏感膜13采用純Pt或Au薄膜表面保護的Pd/Au、Pd/Ta、Pd/Ag、Pd/N0P Pd/Pt合金膜，Pt或Au作為表面保護膜具有防氧化作用，Pd/Au、Pd/Ta、Pd/Ag、Pd/Ni和Pd/Pt 合金膜可以抑制吸氫相變，提高傳感探頭的重復性和穩定性。
[0048]所述的磁控濺射方法為現有技術，能夠穩定均勻沉積薄膜，主要是提高敏感薄膜質量。該方法主要是:將低直徑短周期光纖光柵在無水乙醇中超聲清洗30分鐘，然后在去離子水中超聲清洗10分鐘，用紫外燈烘烤干后，放入鍍膜機腔體中依次濺射導熱膜、Pd合金膜、Pt或Au保護膜。薄膜的制備采用德國進口BESTEC真空鍍膜機，在1X10-3Pa高真空下，氬氣作為工藝氣體，濺射氣壓為〇.5Pa，石英晶體振蕩法監測厚度，通過控制濺射時間來控制薄膜厚度。采用磁控濺射方法制備薄膜具有以下優點:膜與光纖光柵之間的粘著力強;可得到大面積均勻致密的薄膜。
[0049]本發明提供的上述具有光加熱自補償功能的光纖光柵氫氣檢測裝置，在航空航天、核電設施和電力系統等領域中氫氣安全檢測中有著廣泛的應用前景。
[0050]本發明在進行氫氣濃度檢測時，通過采集光柵波長信息進行氫氣測試，通過測試第一低直徑短周期光柵10的中心波長獲得氫氣敏感材料的工作溫度，測試第二低直徑短周期光柵11的中心波長變化獲得濃度，在不同溫度下的氫氣響應，其結果如圖2所示:在環境溫度為〇°C、25°C和光加熱50°C下，在50°C下傳感探頭的靈敏度比0°C和25°C下高3倍以上， 該實驗證明通過光加熱可以大幅提高傳感探頭的靈敏度。
[0051]本發明提供的上述具有光加熱自補償功能的光纖光柵氫氣檢測裝置，其工作過程是:傳感光源1和加熱光源5發出的光經過第一光纖親合器2親合到第二光纖親合器3，然后繼續傳輸到達傳感探頭4,經過第一低直徑短周期光柵10、第二低直徑短周期光柵11反射回來的光信號再次到第二光纖耦合器3,然后經過光纖傳輸到達光纖光柵解調模塊8,光信號經過光纖光柵解調模塊8進行數據采集后傳輸給計算機7。計算機7對第一低直徑短周期光柵10的中心波長值進行處理，計算氫氣敏感膜的溫度并向電控單元6發出指令，調控加熱光源5的輸出功率使傳感探頭4的敏感材料13工作在目標溫度下；同時對第二低直徑短周期光柵11的波長數據進行計算處理，顯示氫氣濃度值。
[0052]本發明提供的上述光纖光柵氫氣檢測裝置，其用途是:在監測氫氣儲存容器、核電站冷卻系統或電力變壓器的氫氣濃度中的應用。
【主權項】
1.一種具有光加熱自補償功能的光纖光柵氫氣檢測裝置，其特征是采用Pt或Au表面保 護的Pd合金薄膜作為氫氣敏感膜(13)，兩個低直徑短周期光纖光柵作為測溫元件和傳感元 件，采用光纖光柵波長作為測試信號;通過導熱膜(12)和低直徑短周期光纖光柵的消逝場 效應形成光吸收區，光加熱自補償系統使傳感探頭(4)工作在恒定的溫度下，實現體積濃度 為0.02%的氫氣的檢測。2.根據權利要求1所述的光纖光柵氫氣檢測裝置，其特征在于該裝置由依次相連的傳 感光源(1)、第一光纖耦合器(2)、第二光纖耦合器(3)、傳感探頭(4)，和依次相連的加熱光 源(5)、電控單元(6)、計算機(7)、光纖光柵解調模塊(8)組成，其中:傳感光源(1)和加熱光 源(5)分別與第一光纖親合器(2)具有兩個接頭部分中的一端相連，第一光纖親合器(2)的 單個接頭部分與第二光纖耦合器(3)兩個接頭部分中的一端連接，第二光纖耦合器(3)的單 個接頭與傳感探頭(4)相連，第二光纖耦合器(3)的兩個接頭部分的另一個接頭和光纖光柵 解調模塊(8)連接，光纖光柵解調模塊(8)同時與計算機(7)相連，計算機(7)也與電控單元 (6)輸入口相接，而電控單元(6)與加熱光源(5)連接。3.根據權利要求2所述的光纖光柵氫氣檢測裝置，其特征在于傳感光源(1)采用850nm、 1310nm、1550nm SLED或ASE光源，所述的加熱光源(5)采用1064nm FP光源或300?950nm可 見光光源。4.根據權利要求1所述的光纖光柵氫氣檢測裝置，其特征在于所述恒定溫度的范圍為 30?150。。。5.根據權利要求1所述的光纖光柵氫氣檢測裝置，其特征在于所述的兩個低直徑短周 期光纖光柵是第一低直徑短周期光柵(10)、第二低直徑短周期光柵(11)，在它們的表面沉 積導熱膜(12);第二低直徑短周期光柵(11)在表面沉積導熱膜(12)后，繼續沉積氫氣敏感 薄膜(13)。6.根據權利要求5所述的光纖光柵氫氣檢測裝置，其特征在于所述的第一低直徑短周 期光柵(10)、第二低直徑短周期光柵(11)，均采用布喇格光纖光柵，長度為0.1?4mm，直徑 為2?20mi;纖芯直徑范圍為1?lOwii，包層厚度范圍為1?lOwii。7.根據權利要求5所述的光纖光柵氫氣檢測裝置，其特征是采用磁控濺射方法在第一 低直徑短周期光柵(10)、第二低直徑短周期光柵(11)的表面沉積導熱膜(12);采用磁控濺 射方法在第二低直徑短周期光柵(11)的表面沉積導熱膜(12)后，繼續沉積氫氣敏感薄膜 (13)〇8.根據權利要求5所述的光纖光柵氫氣檢測裝置，其特征在于所述的氫氣敏感膜(13)， 采用純Pt或Au薄膜表面保護Pd/Au、Pd/Ta、Pd/Ag、Pd/Ni和Pd/Pt合金膜，其中:Pd合金薄膜 中Au、Ta和Pt元素的原子含量在0.1 %?20 %之間，氫氣敏感膜(13)中表面Pt或Au薄膜的厚 度在5?50nm，Pd合金的厚度在20nm?5000nm之間。9.根據權利要求1所述的光纖光柵氫氣檢測裝置，其特征是在進行氫氣濃度檢測時，采 用兩個低直徑短周期光纖光柵的波長進行氫氣測試，具體是:根據第一低直徑短周期光柵 (10)的波長獲得氫氣敏感膜(13)的工作溫度，第二低直徑短周期光柵(11)的波長變化量獲 得氫氣濃度。10.根據權利要求1至9中任一權利要求所述光纖光柵氫氣檢測裝置的用途，其特征是 在監測氫氣儲存容器、核材料存儲容器、核電站冷卻系統或電力變壓器的氫氣濃度中的應用。
【文檔編號】G01N21/17GK105954193SQ201610264260
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】代吉祥, 楊明紅, 王高鵬, 向峰
【申請人】武漢理工大學