一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器

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1.本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器。该传感器具有实用性强、结构紧凑、灵敏度高、响应速度快等优点。


背景技术：

2.氢气在石油、化工、航空航天等行业有着广泛的应用，同时也被认为是一种清洁能源，可以缓解化石燃料消耗带来的全球变暖问题。但氢气的使用不可避免地伴随着安全问题，因为氢气的点火温度较低，在4％～75％的浓度范围内容易与空气形成爆炸性混合物。氢气也很轻，在许多金属中极易溶解，这大大增加了泄漏的风险。为了保证氢气的使用、运输和储存的安全，使用高灵敏、高响应的氢气检测至关重要。
3.光纤氢气传感器主要是通过光纤传感技术与相应的氢敏材料相结合来检测氢气的浓度。近年来，最常见的氢敏材料可分为两类，一类是三氧化钨及其金属合金，另一类是金属钯及其合金、化合物。三氧化钨及其金属合金与氢气接触会发生氧化还原反应，该反应的特点是放热，结合对温度敏感的光纤传感器可以实现对氢气的测量。金属钯与氢气接触后，会导致体积发生变化或者光学折射率发生变化，结合光纤应力或者折射率传感器可以实现对氢气浓度的测量。
4.目前，常见的光纤氢气传感器有一种是利用对温度敏感的光纤传感器与三氧化钨及其金属合金结合实现对氢气的测量。这种类型的传感器灵敏度普遍比较高，但是也存在一些缺点，比如三氧化钨这种氢敏材料不易和光纤结合，易脱落，且响应速度比较慢。还有一种基于钯膜和石墨烯薄膜的光纤氢气传感器虽然响应速度很快，但是因为与氢气发生反应的钯膜厚度有限导致其传感器的灵敏度不高。为了既能有很快的响应速度，又能有更高的灵敏度，于是本实用新型就提出了一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器。


技术实现要素：

5.本实用新型为了解决现有光纤氢气传感器无法同时具有高灵敏快响应的问题，提出一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器。该传感器具有实用性强、结构紧凑、灵敏度高、响应速度快等特点，在氢气检测领域将发挥更大的作用。
6.本实用新型解决技术问题所采取的技术方案如下：
7.一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器，其特征在于包括：宽带光源、光纤光谱仪、2
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2光纤耦合器、第一fp腔干涉仪和第二fp腔干涉仪；所述的第一fp腔干涉仪由单模光纤、空芯光纤、石墨烯薄膜和钯膜依次连接组成；通过将一段空芯光纤与单模光纤连接，在空芯光纤的另一侧端面镀上石墨烯薄膜，然后在石墨烯薄膜上镀上钯膜，空芯光纤两端的单模光纤和石墨烯薄膜使得空芯光纤内部形成封闭的空气腔；空芯光纤的长度为100～120μm，石墨烯薄膜的厚度为2～5nm，钯膜的厚度为5～10nm。所述的第二fp腔干涉仪是由单模光纤、空芯光纤和单模光纤依次连接组成，通过一段空芯光纤与两段单模光纤连接构成空气腔，空芯光纤的长度为120～150μm，且两段单模光纤的长度要远远大于空芯光
纤的长度。所述的第一fp腔干涉仪和第二fp腔干涉仪所使用的单模光纤纤芯直径均为8.2μm，包层直径均为125μm。所述的第一fp腔干涉仪和第二fp腔干涉仪所使用的空芯光纤的内径均为75μm，外径均为150μm。
8.宽带光源的输出端和光纤光谱仪的输入端分别与2
×
2光纤耦合器的a端口和b端口相连，第一fp腔干涉仪和第二fp腔干涉仪分别与2
×
2光纤耦合器的c端口和d端口相连；
9.光从宽带光源发出进入2
×
2光纤耦合器的a端口后一部分光通过2
×
2光纤耦合器的c端口进入第一fp腔干涉仪中，然后经第一fp腔干涉仪反射，再次通过c端口回到2
×
2光纤耦合器中；另一部分光经过2
×
2光纤耦合器的d端口进入第二fp腔干涉仪中然后经第二fp腔干涉仪反射，再次通过d端口回到2
×
2光纤耦合器中，分别从第一fp腔干涉仪和第二fp腔干涉仪反射回来的光在2
×
2光纤耦合器中进行耦合，耦合之后的叠加光谱会再次经过2
×
2光纤耦合器的b端口传输到光纤光谱仪中。
10.本实用新型具有实用性强、结构紧凑、灵敏度高、响应速度快等特点。
11.本实用新型的优点在于：
12.1、所述一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器体积小，结构紧凑，该传感器的传感头只有120～160μm，可以极为方便在狭窄的环境中对氢气进行探测。
13.2、所述一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器的响应速度比较快，因为第一fp腔干涉仪端面的石墨烯膜厚度和钯膜厚度都控制在纳米量级，与一定氢气浓度发生反应时的速度比较快，所以使得该传感器的响应速度比较快。
14.3、所述一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器具有较高的测量氢气灵敏度，因为该光纤氢气传感器基于游标效应使得比普通无游标光纤氢气传感器的灵敏度更高。
附图说明
15.图1一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器结构示意图。
16.图2一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器输出光谱图。
具体实施方式
17.下面将结合附图作进一步的解释和说明。
18.如图1所示，一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器，包括宽带光源1、光纤光谱仪2、2
×
2光纤耦合器3、第一fp腔干涉仪4和第二fp腔干涉仪5。所述的第一fp腔干涉仪4由单模光纤6、空芯光纤7、石墨烯薄膜8和钯膜9依次连接组成；通过将一段空芯光纤7与单模光纤6连接，在空芯光纤7的另一侧端面镀上石墨烯薄膜8，然后在石墨烯薄膜8上镀上钯膜9，空芯光纤7两端的单模光纤6和石墨烯薄膜8使得空芯光纤7内部形成封闭的空气腔；所述的第二fp腔干涉仪5是由单模光纤10、空芯光纤11和单模光纤12依次连接组成，通过一段空芯光纤11与单模光纤10和单模光纤12连接构成封闭的空气腔。宽带光源1的输出端和光纤光谱仪2输入端分别与2
×
2光纤耦合器3的a端口和b端口相连，第一fp腔干涉仪4和第二fp腔干涉仪5分别与2
×
2光纤耦合器3的c端口和d端口相连。
19.本实用新型的工作方式为：光从宽带光源1发出进入2
×
2光纤耦合器3的a端口后一部分光通过2
×
2光纤耦合器3的c端口进入第一fp腔干涉仪4中，然后经第一fp腔干涉仪4
反射，再次通过c端口回到2
×
2光纤耦合器3中；另一部分光经过2
×
2光纤耦合器3的d端口进入第二fp腔干涉仪5中然后经第二fp腔干涉仪5反射，再次通过d端口回到2
×
2光纤耦合器3中，分别从第一fp腔干涉仪4和第二fp腔干涉仪5反射回来的光在2
×
2光纤耦合器3中进行耦合，耦合之后的叠加光谱会再次经过2
×
2光纤耦合器3的b端口传输到光纤光谱仪2中。当第一fp腔干涉仪4的钯膜9吸收到氢气就会使其发生膨胀，钯膜9的膨胀会带动石墨烯薄膜8向外移动，这样第一fp腔干涉仪4的腔长就会变长。而且随着氢气浓度的升高，氢气与钯膜9的作用也会更加强烈，钯膜9带动石墨烯薄膜8一起膨胀的程度也会更加剧烈，这样第一fp腔干涉仪4的腔长就会发生更加明显的变化。第二fp腔干涉仪5结构不直接参与氢气测量，而是作为参考腔与第一fp腔干涉仪4形成游标效应来提高测量氢气时的灵敏度，这样光纤光谱仪上接收到叠加光谱也会随之移动。通过将拟合好的反射光谱包络与相应的氢气浓度变化建立关系，就可以实现对氢气的精准测量。
20.当第一fp腔干涉仪和第二fp腔干涉仪的自由光谱范围相接近时就会产生游标效应，且第一fp腔干涉仪和第二fp腔干涉仪的自由光谱范围分别为：
[0021][0022]
l1为第一fp腔干涉仪的腔长，l2为第二fp腔干涉仪的腔长，n为空气中有效折射率。
[0023]
第一fp腔干涉仪和第二fp腔干涉仪叠加后的自由光谱范围为：
[0024][0025]
该传感器的游标放大系数为：
[0026][0027]
如图2所示，是一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器的输出光谱图为第一fp腔干涉仪4和第二fp腔干涉仪5输出光谱图的叠加。当氢气浓度变化时，传感器的输出光谱就会发生规律性的移动，根据光谱的漂移来反映当前氢气的浓度的变化。
[0028]
具体地，为了熔接形成第一fp腔干涉仪4和第二fp腔干涉仪5，需要将单模光纤和空芯光纤进行熔接，熔接机的基本参数可以设置为：清洁时间60ms，预熔功率-60bit，预熔时间50ms，放电功率-40bit，放电时间400ms。
[0029]
本实用新型能够实现一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器的关键技术在于：
[0030]
1、要形成游标效应的前提条件是所述第一fp腔干涉仪和第二fp腔干涉仪所产生的自由光谱范围应接近但不能相等，也就是所熔接的两段空芯光纤的长度要比较接近，长度相差20～50μm。
[0031]
2、所述第一fp腔干涉仪中石墨烯薄膜和钯膜的厚度是影响该传感器性能的重要参数，石墨烯薄膜和钯膜的厚度越薄响应速度越快，所以本实用新型中石墨烯薄膜和钯膜的厚度分别控制在2～5nm和5～10nm来提高该光纤氢气传感器的响应速度。
[0032]
3、空芯光纤的长度决定了fp腔干涉仪的腔长，也决定了该传感器的性能，腔长太长会导致单个fp腔干涉仪的自由光谱范围变小，光谱的对比度也变小。由第一fp腔干涉仪和第二fp腔干涉仪所产生的叠加光谱也会受到影响，所以本实用新型中空芯光纤的长度控制在100～120μm。
[0033]
本实用新型的一个具体实施案例中，宽带光源的波长范围是1300nm～1600nm，第一fp腔干涉仪和第二fp腔干涉仪选择的单模光纤纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm的常规单模光纤。第一fp腔干涉仪和第二fp腔干涉仪选择的空芯光纤内径为75μm，外径为150μm的石英毛细管。第一fp腔干涉仪的空芯光纤长度为100μm，第二fp腔干涉仪的空芯光纤长度为120μm。第一fp腔干涉仪的端面的石墨烯薄膜的厚度为3.1nm，钯膜厚度为5.3nm。实验结果表明，在氢气浓度从0％～4％的范围变化时，一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器的灵敏度达到8.5nm/％，响应速度为6s，测量氢气时的灵敏度和响应速度较普通的光纤氢气传感器有了较大的提升。
[0034]
以上是本实用新型的基本原理和主要特征，在不脱离本实用新型的前提下，可以根据上述的说明进行改进和变化，这些改进和变化都应属于本实用新型的保护范围。