一种基于游标效应的高灵敏度法布里-珀罗氢气传感器

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于游标效应的高灵敏度法布里-珀罗氢气传感器。

背景技术：

氢气作为一种高效、无污染、可持续使用的清洁能源，越来越受到人们的关注，它不仅是物质的组成，也是一种能量物质，对于解决目前所遭受的能源危机起着重要的作用，同时氢气也广泛的应用在医疗、科技、新能源产业中，但是由于氢气具有高扩散系数，高燃烧热的性质，高浓度的氢气泄露在空气中可能会发生爆炸，所以我们就需要对储氢装置进行精准的监测以防止其泄露，近年来，光纤氢气传感器因其检测精度高，响应速度快，制作成本低，易于携带等优点得到了人们广泛的关注。

目前常见的光纤氢气传感器包括干涉型和光纤光栅型等。光纤光栅型氢气传感器被广泛应用于分布式测量，结构稳定，但其灵敏度较低，f-p型氢气传感器因其灵敏度高，反应速度快，成本低等特点受到了人们的青睐，常见的光纤氢气传感器是通过检测其反射回来的光谱漂移量，从而得到氢气浓度的信息，大部分氢气传感器在氢气浓度过低时会出现传感器的测量精度下降，灵敏度不高等问题，对于实际应用中，氢气传感器需要在外界环境下保持其良好的稳定性，同时也要进一步提升传感器的灵敏度。

游标效应是数学中常见的一种现象，它主要是利用微小测量值的变化导致的对齐分度大范围改变，光学中也会存在一些类似的刻度尺形式的物理现象，将两个能产生谱峰间距有细微差别的梳状光谱的器件一起使用就可以形成光学游标效应，假设一个器件的光谱随外界环境的变化发生了改变，通过检测初始对齐谱峰和当前对齐谱峰，就可以将谱峰的微小位移进行放大读数，这样就可以在保持较大测量范围的同时，提高测量的灵敏度，这种技术广泛应用于光纤传感领域。

技术实现要素：

本实用新型的目的是：针对上述光纤氢气传感器在外界环境复杂时，灵敏度低、测量精度不高，本实用新型提出了一种基于游标效应的高灵敏度法布里-珀罗氢气传感器，该传感器灵敏度高、结构简单、响应时间短，重复性好，大大提升了对氢气检测的灵敏度。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

一种基于游标效应的高灵敏度法布里-珀罗氢气传感器，其特征在于包括宽带光源、长距离单模传输光纤、2×2光耦合器、1个感应fp传感头、1个参考fp单元、光谱分析仪；所述的感应fp传感头由单模光纤、空芯光纤、聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜、氢气敏感材料(pt/wo3)粉末组成，通过将一段空芯光纤与单模光纤熔接，在空芯光纤内部填充pdms薄膜，同时在单模光纤端面和pdms薄膜之间形成密闭的空气腔，并在pdms薄膜附着pt/wo3粉末形成，感应fp传感头中空芯光纤长度为100μm-200μm，空气腔长度为30μm-80μm，pdms薄膜厚度为20μm-70μm。参考fp单元由第一段单模光纤、空芯光纤、第二段单模光纤组成，空芯光纤长度为100μm-200μm，第二段单模光纤长度200μm-400μm。fp传感头的自由光谱范围fsr1与参考fp单元的自由光谱范围fsr2绝对值差值|△fsr|＜1.5nm，可使得叠加后的自由光谱范围变大。

宽带光源的光输出端通过单模传输光纤与耦合器输入①端口相连，耦合器的输出端③端口与感应的fp传感头相连，耦合器的④端口与参考fp单元相连，②端口与光谱分析仪相连。

本实用新型的有益效果为：灵敏度高、操作简单，灵活方便。

附图说明

图1为一种基于游标效应的高灵敏度法布里-珀罗氢气传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，一种基于游标效应的高灵敏度法布里-珀罗氢气传感器，包括宽带光源1、耦合器2、单模传输光纤3、感应fp传感头4、光谱分析仪5、参考fp单元6。所述的感应fp传感头4由单模光纤7、空芯光纤8、pdms薄膜9、pt/wo3粉末11组成，通过将一段空芯光纤8与单模光纤7熔接，在空芯光纤8内部填充pdms薄膜9，同时在单模光纤7端面和pdms薄膜9之间形成密闭的空气腔10，并在pdms薄膜附着pt/wo3粉末11形成。参考fp单元由单模光纤12、空芯光纤13、单模光纤14组成，最后的单模光纤14要长于空芯光纤13，并且其端面要倾斜，防止光线在端面处再次反射。宽带光源1的光输出端通过耦合器2和单模传输光纤3与感应fp传感头4相连，同时耦合器2的④端口与参考的fp单元6相连，耦合器2的输出端口②端口与光谱分析仪5相连。

本实用新型的系统工作方式为：宽带光源1中发出的光经过耦合器2，然后再经过单模传输光纤3输入到感应fp传感头4中，输入感应fp传感头4的光被空气腔10反射，再次进入耦合器2，宽带光源1中的光也会经过耦合器2，然后经过单模光纤与参考fp单元6相连，进入参考fp单元的光会在空芯光纤13与单模光纤14连接的端面处反射回来，然后也再次进入耦合器2并与感应fp传感头反射回来的光在耦合器2中进行耦合，然后叠加的光谱显示在光谱分析仪5中。对于处在感应fp传感头4附近的氢气浓度增加时，pt/wo3粉末11就会与氢气发生化学反应从而放出热量，由于放热影响，pdms薄膜9就会膨胀，膨胀后的pdms薄膜9材料就会挤压空气腔10的长度，使空气腔10的腔长变短。一但空气腔10的腔长变短，就会使得反射光谱的波长发生漂移。感应fp传感头的自由光谱范围：参考fp单元的自由光谱范围：l1为感应fp传感头的腔长，l2为参考fp单元的腔长，n为空气中有效折射率。两者叠加后的自由光谱范围：由该式可以看出叠加后的自由光谱范围比各自的大。基于游标效应的光谱偏移方向和传感器灵敏度受感应fp传感头4自由光谱范围(fsr1)和参考fp单元自由光谱范围(fsr2)之差的影响，当fsr1大于fsr2时，光谱向更长的波长移动，灵敏度随着氢气浓度的升高而增加，反之亦然。与无游标效应的氢气传感器相比，基于游标效应的氢气传感器的灵敏度可以大大提高，放大系数为：通过建立反射叠加的光谱漂移与氢气浓度变化的关系，就可以实现对氢气浓度的准确测量。

该装置能够实现一种基于游标效应的高灵敏度法布里-珀罗氢气传感器浓度测量关键技术有：

1、感应fp传感头与参考fp单元的自由光谱范围。两者的自由光谱要十分接近，但是不能完全相等，两者之差|△fsr|不能超过1.5nm，两者自由光谱范围的差值是该传感器增加灵敏度的关键因素。

2、感应fp传感头的结构。空气腔的长度和pdms薄膜的体积是提高该传感器性能的两个关键因素，一般空气腔长越短，pdms薄膜体积越大，该传感头灵敏度越高，将与氢气反应放热的pt/wo3的氢敏材料粘附在pdms薄膜的内侧，这样既可以使氢敏材料受到光纤的保护，不易脱落或使其污染而且与氢气反应放出的热量可快速使pdms薄膜进行膨胀，同时注意单模光纤与空芯光纤的连接端面要尽量平滑，减少损耗。

3、参考fp单元的作用。该传感头由单模光纤连接一段空芯光纤，再连接一段单模光纤组成，第二段单模光纤的长度要比空芯光纤的长度长，且端面倾斜，参考fp单元反射光谱会与感应fp传感头的反射光谱进行叠加，两者光谱叠加后，其自由光谱范围会比单个感应fp传感头的自由光谱范围大的多，当感应fp传感头感测到外界氢气浓度发生变化时，基于两者叠加的光谱会有一个明显的漂移量。

本实用新型的一个具体实施例中，宽带光源输出激光波长为1400nm-1600nm，fp传感头中的单模光纤及单模传输光纤，均采用常规单模光纤(g.625)，空芯光纤采用石英毛细管(tsp075150)，感应fp传感头中空芯光纤长度为170.32μm，空气腔长度为65.34μm，pdms薄膜由弹性聚合物和硬化剂5：1混合且厚度为33.75μm，参考fp单元空芯光纤长度为165.58μm，第二段单模光纤长度为248.37μm。实验结果表明，在氢气浓度在0％至1.6％的范围内基于游标效应的高灵敏度法布里-珀罗氢气传感器传感器的氢气灵敏度可以达到25.49nm/％，与无游标效应的氢气传感器相比其传感器的灵敏度提高了7.1倍。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。