一種具有溫度補(bǔ)償功能的光纖氫氣傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖氫氣傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有溫度補(bǔ)償功能的光纖氫氣 傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] H2是一種無(wú)污染的新型能源，燃燒時(shí)能與氧氣反應(yīng)釋放能量和水，除燃料電池外， 氫能也被用于其他領(lǐng)域，例如航空航天，飛機(jī)和汽車工業(yè)。氫極易揮發(fā)和燃燒，爆炸濃度范 圍非常廣，但是電學(xué)傳感裝置容易產(chǎn)生電火花，不適合危險(xiǎn)環(huán)境中的氫檢測(cè)。光纖氫氣傳感 能夠克服電學(xué)傳感器的缺陷，在可能存在氫泄漏的環(huán)境如儲(chǔ)氣罐和管道表面工作，信號(hào)傳 輸距離遠(yuǎn)，精度不易受機(jī)械結(jié)構(gòu)干擾，成為廣受關(guān)注的研究領(lǐng)域。
[0003] 光纖布拉格光柵(FBG)是最具應(yīng)用潛力的光纖光柵，通過周期性調(diào)制纖芯折射率 形成。寬帶光波在通過FBG時(shí)，中心波長(zhǎng)的光波被反射回來(lái)，其余波長(zhǎng)的光則不受影響。在所 有引起FBG反射光譜峰值波長(zhǎng)漂移的外界因素中，最直接的是應(yīng)力和溫度參量。外界溫度導(dǎo) 致的熱膨脹使得光柵周期發(fā)生變化，由于光纖布拉格光柵特殊的溫度敏感特性，對(duì)于測(cè)量 誤差、應(yīng)變傳感的溫度補(bǔ)償以及應(yīng)力與溫度聯(lián)合效應(yīng)的研究是開發(fā)光纖光柵傳感器的重要 因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有溫度補(bǔ)償功能的光纖氫氣傳感器，對(duì)單模光纖進(jìn) 行熔融拉錐后在其錐區(qū)的纖芯上間隔一定距離寫入兩個(gè)相同參數(shù)的FBG，一個(gè)FBG用于溫度 補(bǔ)償，另一個(gè)FBG表面均勻?yàn)R鍍Ti/Pd薄膜。該薄膜具有吸氫膨脹的特性，隨著環(huán)境氫氣濃度 的變化擠壓光纖改變FBG的光柵周期，利用兩個(gè)FBG中心波長(zhǎng)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(duì)光纖良好的吸附性， 維持Pd薄膜的穩(wěn)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(fù)性。
[0005] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種具有溫度補(bǔ)償功能的光纖氫氣傳感器由寬帶 光源（1)、環(huán)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(diào)儀(8)組成；寬帶光源（1)與環(huán)行器(2)的a端口連接，拉錐 光纖(3)與環(huán)行器(2)的b端口連接，光柵解調(diào)儀(8)與環(huán)行器(2)的c端口連接;在拉錐光纖 (3)錐區(qū)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(jìn)行溫度補(bǔ)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(jīng)過熔融拉錐制成，錐區(qū)光纖直徑為80~100μπι，錐 區(qū)長(zhǎng)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(zhǎng)約為 1550nm，反射率為60%，長(zhǎng)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(jīng)過拋磨處理，破壞端面平整。
[0010] 本發(fā)明的工作原理是：寬帶光源（1)產(chǎn)生中心波長(zhǎng)1510nm~1610nm的光束入射環(huán)行 器(2)的a端口，由于環(huán)行器(2)具有使電磁波單向環(huán)形傳輸?shù)奶匦?，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(huán)行器(2)的b端 口，經(jīng)c端口出射后被光柵解調(diào)儀(8)接收。
[0011] 對(duì)尾纖(7)的端面進(jìn)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(duì)布拉格中心波長(zhǎng)λΒ的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息。光纖中滿足布拉 格方程的光將發(fā)生極大的反射，形成反射的布拉格波長(zhǎng)如下公式所示：
其中λΒ1、λΒ2分別表不兩個(gè)FBG的反射波長(zhǎng)，neff表不纖芯的有效折射率，Λ!、Λ 2分別表 示兩個(gè)FBG的光柵周期。當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，例如溫度和應(yīng)力變化，將會(huì)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(zhǎng)將隨溫度變化發(fā)生漂移，其溫度傳感模 型為
其中3neff/3T表示折射率溫度系數(shù)，（八~打'表示熱膨脹引起的彈光效應(yīng)，3Λ/3Τ表 示光纖的線性熱膨脹系數(shù)，3nrff/[3(3A/3T)]表示由于膨脹導(dǎo)致光纖芯徑變化而產(chǎn)生的波 導(dǎo)效應(yīng)。
[0014] 第二光纖布拉格光柵(5)的反射中心波長(zhǎng)將隨溫度和H2濃度變化發(fā)生漂移，其氫 濃度傳感模型為
其中Ph表不環(huán)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(zhǎng)不隨H2濃度改變， 其波長(zhǎng)漂移量?jī)H代表溫度因素的影響，兩個(gè)FBG的波長(zhǎng)漂移量之差能對(duì)溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。 H2濃度變化產(chǎn)生的波長(zhǎng)漂移可以表示為
因此，當(dāng)外界的氫濃度變化時(shí)，溫度補(bǔ)償后測(cè)量到的中心波長(zhǎng)漂移更為準(zhǔn)確。
[0016] 本發(fā)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(duì)出濃度敏感，吸附H2分子后Pd膜的厚度和體積增加。當(dāng)該薄膜被濺鍍?cè)诘?二光纖布拉格光柵(5)的表面時(shí)，該材料厚度和體積的變化會(huì)對(duì)光纖產(chǎn)生應(yīng)力作用，同時(shí)改 變光纖光柵的周期，通過監(jiān)測(cè)反射光譜中反射峰位置的變化，可以得到FBG中心波長(zhǎng)的漂移 量，從而達(dá)到探測(cè)外界氫濃度的目的。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過設(shè)置兩個(gè)相同參數(shù)的FBG，用溫度波長(zhǎng)漂移值對(duì) 不同H2濃度下FBG中心波長(zhǎng)漂移的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，減小測(cè)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(duì)單模光纖進(jìn)行拉錐處理，削減包層厚度，將大大增強(qiáng)FBG光 柵周期對(duì)出濃度變化的響應(yīng)能力，并實(shí)現(xiàn)低至0.1%的檢測(cè)濃度極限；同時(shí)，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(duì)光纖良好的吸附性，維持Pd 薄膜的穩(wěn)定和抑制其降解，該新型傳感器的靈敏度和重復(fù)性將明顯增強(qiáng)。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的一種具有溫度補(bǔ)償功能的光纖氫氣傳感器裝置示意圖。
[0019] 圖2是本發(fā)明的光纖氫敏感頭示意圖。
[0020] 圖3是本發(fā)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(fā)明的1%出濃度下反射峰對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)漂移量隨溫度變化的擬合曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0023] 參見附圖1，一種具有溫度補(bǔ)償功能的光纖氫氣傳感器，其特征在于：由寬帶光源 (1)、環(huán)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(diào)儀(8)組成；寬帶光源（1)與環(huán)行器(2)的a端口連接，拉錐光纖 (3)與環(huán)行器(2)的b端口連接，光柵解調(diào)儀(8)與環(huán)行器(2)的c端口連接;在拉錐光纖(3)錐 區(qū)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(jìn)行溫度補(bǔ)償，第二光纖布拉格光柵(5)表面均勻?yàn)R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(jìn)行熔融拉錐制成拉錐光纖(3)，錐區(qū)光纖 直徑為80μπι，錐區(qū)長(zhǎng)度為20mm，再用銼刀打磨破壞端面平整，在錐區(qū)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(huán)行器(2)b端口與拉錐光纖(3)的恪接米 用光纖熔接機(jī)標(biāo)準(zhǔn)程序熔接而成，采用的光纖熔接機(jī)型號(hào)為Fujikura 60s。光纖布拉格光 柵采用準(zhǔn)分子激光器寫入，光柵周期約為528nm，長(zhǎng)度設(shè)置為8_。
[0025]圖3為本發(fā)明的光纖氫氣傳感器在0%和1%出濃度的反射光譜實(shí)驗(yàn)圖?？梢?，第一 光纖布拉格光柵（4)中心波長(zhǎng)約為1549.2nm，第二光纖布拉格光柵（5)中心波長(zhǎng)約為 1550.8nm，H2濃度從0%變化到1%時(shí)，第二光纖布拉格光柵(5)反射峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方 向發(fā)生了漂移。
[0026]圖4為本發(fā)明的光纖氫氣傳感器在1% H2濃度情況下，反射峰對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)漂移量隨溫 度變化的擬合曲線圖。隨著實(shí)驗(yàn)溫度逐漸增大，第二光纖布拉格光柵(5)反射波長(zhǎng)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(zhǎng)漂移量之差 (H 2造成的波長(zhǎng)漂移)穩(wěn)定不變，因此有效實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償。本發(fā)明在室溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條 件下，能夠響應(yīng)〇%~1%濃度范圍內(nèi)的H 2，檢測(cè)的濃度下限為0.1%，檢測(cè)靈敏度優(yōu)于20pm/%，具 有良好的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有溫度補(bǔ)償功能的光纖氫氣傳感器，其特征在于：由寬帶光源（1)、環(huán)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(diào)儀(8)組成；寬帶光源（1)與環(huán)行器(2)的a端口連接，拉錐光纖(3)與環(huán)行器 (2)的b端口連接，光柵解調(diào)儀(8)與環(huán)行器(2)的c端口連接;在拉錐光纖(3)錐區(qū)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(jìn)行溫度補(bǔ)償，第二光纖布拉格光柵(5)表面均勻?yàn)R鍍氫敏感薄膜(6)形 成光纖氫敏感頭。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有溫度補(bǔ)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(jīng)過熔融拉錐制成，錐區(qū)光纖直徑為80~100μπι，錐區(qū)長(zhǎng)度為20~ 25mm〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有溫度補(bǔ)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(zhǎng)約為1550nm，反射率 為60%，長(zhǎng)度為5~10mm，間距為5~10mm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有溫度補(bǔ)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有溫度補(bǔ)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(jīng)過拋磨處理，破壞端面平整。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有溫度補(bǔ)償功能的光纖氫氣傳感器，由寬帶光源、環(huán)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(diào)儀組成。對(duì)單模光纖進(jìn)行熔融拉錐后在其錐區(qū)的纖芯上間隔一定距離寫入兩個(gè)相同參數(shù)的FBG，第一光纖布拉格光柵用于溫度補(bǔ)償，第二光纖布拉格光柵表面均勻?yàn)R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(huán)境氫氣濃度的變化擠壓光纖改變FBG的光柵周期，利用兩個(gè)FBG中心波長(zhǎng)漂移量之差可以消除溫度交叉敏感。利用Ti薄膜對(duì)光纖良好的吸附性，維持Pd薄膜的穩(wěn)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(fù)性。
【IPC分類】G01N21/25, G01N33/00
【公開號(hào)】CN105572054
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610119940
【發(fā)明人】包立峰, 王友清, 嚴(yán)灑灑, 白蕓, 吳學(xué)慧, 沈常宇
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院
【公開日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2016年3月3日