一种基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感器

1.本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感器。


背景技术：

2.氢气是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用。但氢气分子很小，在生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏，由于氢气无色无味，不能被人鼻所发觉，且着火点仅为585℃，空气中含量在4％～75％范围内，遇明火即发生爆炸，故在氢气的使用中必须利用氢气传感器对环境中氢气的浓度进行检测并对其泄漏进行监测。由于多种固态氢气传感器使用的都是电信号，可能产生电火花，存在极大的安全隐患，而光纤氢气传感器使用的是光信号，所以适用于易爆炸的危险环境，且光纤氢气传感器具有抗电磁干扰、体积小、耐腐蚀等、灵敏度和测量精度高等优点，因此光纤氢气传感器成为研究热点。
3.目前提出了多种结构的光纤氢气传感器，可分为五种类型，包括干涉型、微镜型、倏逝场型、表面等离子体共振型和光纤布拉格光栅型。微透镜型制作工艺简单，成本较低，但常用于单点测量，复用能力差，很难实现独立化。绝大多数光纤倏逝场型氢气传感器都具有高灵敏度，但其结构结构往往很脆弱，易折断，且器件无法小型化。表面等离子体共振型光纤氢气传感器具有高灵敏度，但难实现多点检测。fbg氢气传感器稳定性高，易于实现多路复用，但灵敏度较低。基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感器具有制作工艺简单，结构结实，灵敏度高，可以实现多点测量等优点，弥补了上述氢气传感器的不足。我国对光纤氢气传感器的研究还比较少，因此我们进行了基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感器的研究。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感器，以感知氢气浓度的变化。
5.本实用新型采用的技术方案：一种基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感器，包括单模光纤、毛细管、氢敏材料和金膜，其特征在于：一段单模光纤熔接一段毛细管，单模光纤与毛细管熔接处，毛细管内壁熔接至塌陷，氢敏材料涂敷在毛细管内壁表面，毛细管末端镀上一层金膜，以增强反射。其中单模光纤采用的是 g652d型，毛细管内径为85-105μm，外径为125-130μm，毛细管内壁厚度为10
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20μm，长度为2-4mm。与单模光纤相连的毛细管在熔接点处内壁坍塌的长度为 100～300μm。氢敏材料用的pt-wo3，涂覆厚度为5～20μm。毛细管末端所镀金膜厚度为20～50nm。
6.光从输入单模光纤中输入，从毛细管内壁塌陷处耦合进毛细管内壁，毛细管极薄的内壁充当于锥，光在毛细管内壁坍塌处激发出高阶模式，在毛细管内壁形成多模干涉，并且在毛细管内壁周围形成倏逝场，镀上氢敏材料后，传感器进入具有氢气的环境中，氢敏材料吸收氢气使得折射率发生变化，引起倏逝波能量的吸收，外界氢气浓度的变化将会转变
为光谱的波长漂移，从而实现氢气浓度的传感。
7.本实用新型的有益效果为：
8.1、本传感器具有结构简单紧凑、耐腐蚀、干涉测量精度高和尺寸小等优点。
9.2、本传感器结构利用极薄的毛细管内壁替代锥形化光纤，不仅可以达到光纤锥形化后的超高灵敏度，而且弥补了干涉型光纤氢气浓度传感器结构不结实的缺点。其稳定性远高于干涉型光纤氢气浓度传感器。
10.3、本传感器结构仅在毛细管内壁镀膜形成了自封装结构，抗干扰能力强，外界的摩擦或者弯曲对内壁的膜没有影响。
附图说明
11.下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
12.图1是基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感头的结构示意图。
13.图中：1.g652d型单模光纤，2.毛细管，3.氢敏材料，4.金膜
具体实施方式
14.下面结合附图，进一步阐述说明本实用新型。
15.图1为本实用新型的传感器结构示意图，其具体实现步骤如下：第一步，在单模光纤1末端熔接一段毛细管2，毛细管长度为2～4mm；第二步，调节小型熔接机的放电参数至合适参数，使单模光纤与毛细管熔接处的毛细管内壁熔接至塌陷，内壁塌陷长度为100～300μm，以便于光耦合进毛细管内壁，激发高阶模式从而形成多模干涉；第三步，毛细管内壁表面涂覆pt-wo3氢敏材料3，厚度为5～20μm；第四步，借助镀膜机在毛细管2末端镀一层金膜，厚度为20～ 50nm。


技术特征：
1.一种基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感器，包括单模光纤、毛细管、氢敏材料和金膜，其特征在于：一段单模光纤熔接一段毛细管，单模光纤与毛细管熔接处，毛细管内壁熔接至塌陷；氢敏材料涂敷在毛细管内壁表面，传感器尾端的毛细管末端镀上一层金膜。2.根据权利要求1所述的一种基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感器，其特征在于：单模光纤采用的是g652d型，毛细管内径为85-105μm，外径为125-130μm，毛细管内壁厚度为10-20μm，长度为2-4mm。3.根据权利要求1所述的一种基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感器，其特征在于：与单模光纤相连的毛细管在熔接点处内壁坍塌的长度为100～300μm。4.根据权利要求1所述的一种基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感器，其特征在于：氢敏材料用的pt-wo3，涂覆厚度为5～20μm。5.根据权利要求1所述的一种基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感器，其特征在于：毛细管末端所镀金膜厚度为20～50nm。

技术总结
本实用新型公开了一种基于毛细管的多模干涉氢气浓度传感器，由单模光纤、毛细管、氢敏材料和金膜组成。单模光纤与毛细管熔接，熔接处毛细管内壁熔接至塌陷，光耦合进毛细管内壁并沿着极薄的毛细管内壁传输，氢敏材料涂敷在毛细管内壁表面，以实现氢气浓度变化对传感器的调制。当氢气与氢敏材料发生反应，氢敏材料吸收氢气后折射率发生改变，导致传感器的谐振光谱发生漂移，通过光纤光谱仪记录传感器的反射光谱漂移即可解调出环境相对氢气浓度的变化。本发明利用毛细管壁代替锥形化光纤这一特性大大提高了传感器结构的结实程度以及传感性能的稳定性，具有灵敏度高、尺寸小、成本低、制备简单、抗干扰能力强、分辨率高和测量准确等优点，可应用于氢气浓度的高精度测量。可应用于氢气浓度的高精度测量。可应用于氢气浓度的高精度测量。


技术研发人员：张熙梓 马行超 徐贲
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2022.10.17
技术公布日：2023/3/9