CN101614654A - 一种基于光单脉冲多次反射相干的光氢敏传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于光单脉冲多次反射相干的光氢敏传感器，该氢敏传感器主要使用光单脉冲(L)进行检测和激励，通过定向耦合器(C₁，C₂)进入到信号臂(A₁)和参考臂(A₂)，为了增加镀钯光纤段(e，f)的有效长度，在信号臂和参考臂的两端分别增加了反射镜(a，b，c，d)，使得光脉冲能够在各臂中进行多次反射，从而在不增加镀钯光线段的物理长度的条件下实现等效作用长度的增加，最后将从信号臂和参考臂输出的光脉冲进行相干干涉，从而进一步提高了***的测量精度，D₁，D₂为光探测器。

Description

一种基于光单脉冲多次反射相干的光氢敏传感器

技术领域

本发明涉及光纤氢敏传感技术领域，具体涉及一种基于光单脉冲多次反射放大相位变化，并结合相干检测方法来实现检测微小氢浓度变化的光纤氢敏传感器

背景技术

氢成份是一种在化学生物反应过程中重要的示踪物质。通过检测氢成份的浓度，可以观察到该化学生物反应过程的状态，达到监控的作用，但是在反应过程中，产生的氢成份是十分微量的，因此在实际应用中需要使用高灵敏度的氢检测仪器。同时，氢气又作为一种用之不尽的无污染能源，得到广泛的应用，但是由于氢气极易***，当空气中氢气的浓度大于4％时，遇明火就会产生***。同时，需要进行氢检测的环境往往电磁干扰很大，因此研究一种安全可靠、抗干扰、灵敏度高的氢浓度检测传感器就具有十分重要的意义。

由于光纤具有耐高温，耐腐蚀，信号传输距离远和抗电磁干扰性强等特点，非常适合在危险工作环境中完成氢气的单点和多点传感检测，因此光学氢敏传感器是氢传感检测的发展方向。光纤也已经被广泛地应用于测量气体密度等领域，尤其是用来测量氢气的密度，也提出来有各种各样的光纤氢敏传感器，这些传感器都需要具有能够在易爆环境中使用等特性。为了测量混和气体中氢气的浓度，大部分氢敏传感器都利用了金属钯(Pd)在低分压氢气环境中吸收氢气引起伸长效应的特性，使光纤长度伸长以及折射率等发生改变，从而引起探测光的强度以及相位等的改变来探测氢的浓度。

当金属钯(Pd)吸收氢气而伸长时就会产生应力，钯(Pd)产生的应力δ与吸收氢气x的关系为δ＝0.026x；x与氢气所产生的局部应力p在α相位满足西韦特定则，即p^1/2＝Kx，其中K为西韦特(Sievert)系数，综上得到钯(Pd)的应力δ的计算公式： $\mathrm{\δ}=0.026\frac{\sqrt{p}}{K}.$

考虑到法向力和扭矩影响较小，可以忽略，本专利只计算轴向力。钯(Pd)覆盖层所受的力为δY_pdA_pd，而纤心的应力为ε_F(Y_FA_F+Y_pdA_pd)，其中Y_pd和Y_F分别是钯和硅的弹性模量，A_F和A_pd是光纤和钯的面积。由于纤心和钯(Pd)覆盖层的应力是一对作用力反作用力，因此根据牛顿第一定律，两个应力相等，可以得到公式[1]：

$\mathrm{\ϵ}=\mathrm{\δ}\frac{(b^2-a^2)Y_{\mathrm{pd}}}{a^2{Y}_F+\left(b^2{-a}^2\right)Y_{\mathrm{pd}}}---\left(1\right)$

其中a和b分别是包层和纤心的直径，。

由于金属钯(Pd)在低分压氢气环境中吸收氢气产生伸长效应，使得光纤的长度及折射率都发生了变化。设镀钯光纤的长度为l，折射率为n，由于钯(Pd)的作用使得光纤的长度发生变化为Δl，而折射率的变化为Δn。首先设

是应变量，所以长度l与应变量Δl的关系为： $\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δl}}{l};$

根据弹光效应，可以推导得到公式： $\frac{\mathrm{\Δn}}{n}=\left(\frac{n^2}{2}\right)[p_{12}-v(p_{11}+p_{12})]\left[2\right],$ 其中ε表示应力；p₁₁，p₁₂是Pockel系数；v是Poisson比率；n是光纤的折射率。设p₁₁＝0.113；p₁₂＝0.252；n＝1.482；v＝0.16，因此得到折射率n与应变量的ε关系是： $\frac{\mathrm{\Δn}}{n}=-0.22\mathrm{\ϵ}.$

已有报道的光纤氢敏传感器主要包括以下几种：干涉型光纤氢敏传感器、渐逝场型光纤氢敏传感器、微透镜型光纤氢敏传感器和基于光纤布喇格光栅型的光纤氢敏传感器[3]。不论使什么类型，以上氢敏传感器都有一个共同点--单次作用，即光只通过一次镀钯光纤段，因此为了提高氢敏传感器的灵敏度，就需要加长镀钯光纤段的长度，但是简单的增加会引起其他限制问题。

鉴于以上所报道过的氢敏传感器的这种缺点，本发明提出了一种基于单脉冲多次反射M-Z干涉仪的新型光氢敏传感器。该氢敏传感器中，将钯层镀在裸光纤上，在光纤两端增加两个反射镜面，使得微小的光相位变化量通过多次作用而进行放大，等效于提高了镀钯氢敏光纤段的有效长度。从与氢作用的信号臂和与氢隔离的参考臂输出的两束光进行相干干涉，得到由于氢钯作用引起的光相位的变化量。采用高灵敏度的相干技术和脉冲反射多次作用提高等效作用长度的方法确保对氢成份进行超高灵敏度的检测。

[1]Boonsong Sutapun，Massood Tabib-Azar，Alex Kazemi，Pd-coated elastooptic fiber optic Bragg gratingsensors for multiplexed hydrogen sensing，Sensors and Actuators B 60(1999)27-34

[2]A.D.Kersay，M.A.Davis，H.J.Patrick，M.L.LeBlanc，K.P.Koo，C.G.Aakins，M.A.Putanam，E.J.Friebele，Fibergraing sensors，J.Lightwave Technol.3(1997)1442-1462

[3]臧新梅，刘建胜，樊惠隆，张扬.光纤氢传感器的研究进展.光通信技术.2005.04

发明内容

图1是本发明所涉及氢敏传感器结构的示意图，该氢敏传感器包括光源(L)，定向耦合器(C₁，C₂)，光探测器(D₁，D₂)，信号臂(A₁)，参考臂(A₂)和差分放大器(F)。

增长镀钯氢敏光纤的有效长度可以提高***的灵敏度。本专利所涉及的氢敏传感器在信号臂和参考臂的两端分别增加两个反射镜面，如图2所示，使得光脉冲能够在各臂中进行多次反射，从而在不增加镀钯光线段的物理长度的条件下实现等效作用长度的增加，进而提高测量的精确度。同时，将从信号臂和参考臂输出的光脉冲进行相干干涉，从而进一步提高***的测量精度。

从图2中可以看出，信号臂和参考臂的材料及制作工艺是完全相同的，都是将光纤的覆盖层除去，在裸光纤的上面镀上一层钯，然后在信号臂和参考臂光纤的两端都嵌入反射镜。唯一不同的是，参考臂是放在一个密封的空间里，而信号臂是放在一个没有密封的空间里，氢气从信号臂(a)空间的上部开口通进与钯(Pd)进行反应，从而使光纤的折射率和长度发生变化。信号臂和参考臂结构的一致性，是为了除氢气以外其他外部因素在两个臂上引起的改变能够相互抵消，从而保证***的稳定性。为了避免反射回的光与输入的光在时间上相互重叠，本专利所涉及的氢敏传感器采用光脉冲检测，另外，镀钯光纤段的长度要小于反射镜之间的长度。

本发明所涉及的氢敏传感器工作原理为：

由于金属钯(Pd)在低分压氢气环境中吸收氢气产生伸长效应，使得光纤的长度及折射率都发生了变化。设镀钯光纤的长度为l，折射率为n，由于钯(Pd)的作用使得光纤的长度发生变化为Δl，而折射率的变化为Δn。首先设

是应变量，所以长度l与应变量的关系为： $\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δl}}{l};$ 由上述讨论公式(1)知，折射率为n与折射率的变化量Δn的关系为 $\frac{\mathrm{\Δn}}{n}=-0.22\mathrm{\ϵ};$ 而应变量ε与氢气所产生的局部应力p的关系为 $\mathrm{\ϵ}=0.026\frac{\sqrt{p}}{K}\frac{(b^2-a^2)Y_{\mathrm{pd}}}{a^2{Y}_F+(b^2-a^2)Y_{\mathrm{pd}}}$

由于信号臂长度和折射率变化导致在光纤中传输的光相位发生改变，为了得到相位的改变大小从而得出氢气的浓度，又增设了一个参考臂，由于参考臂没有通入氢气，因此参考臂中的光相位没有改变。通过将信号臂和参考臂后输出的两束光进行干涉，从而得到信号臂输出光相位差导致的信号强度的改变。由于光相位为： $\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}n\×l,$ 因此两个臂输出光的相位差 $s\left(t\right)={\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_1{l}_1-n_2{l}_2).$ 开始使用前，首先校准两个臂，使得n₁l₁＝n₂l₂，因此开始时的相位差为零。将氢气通入信号臂中，光相位差为：

$s\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nl}(\frac{\mathrm{\Δn}}{n}+\frac{\mathrm{\Δl}}{l})---\left(2\right)$

本发明所涉及的氢敏传感器的一个优点是：在信号臂和参考臂的两端都分别增加了反射镜，使得光能够在光纤中进行多次反射，从而增加光纤的有效长度。设光在信号臂内反射了m次，则光程差为(n+Δn)(2m-1)(l+Δl)-n(2m-1)l，因此相位差为：

$s\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(2m-1)\mathrm{nl}(\frac{\mathrm{\Δn}}{n}+\frac{\mathrm{\Δl}}{l})---\left(3\right)$

光脉冲通过传感器中信号臂和参考臂，经过干涉进入到3dB耦合器，将耦合器的输出两个臂产生的电压输入到一个差分放大器，因此差分放大器的输入V₃等于：

V₃(t)＝2αV₀cos[s(t)]    (4)

其中，V₀是正比于输入相干光强峰值的电压常量，α是与偏振态和耦合器分光比相关的混频效应系数。

设两反射镜具有相同的反射系数且为ρ，两反射镜之间的距离为l₁，光纤的损耗系数为β，因此最后输出的电压V₃(t)为

$V_3\left(t\right)=2\mathrm{\α}{V}_0{e}^{-(2m-1)\mathrm{\β}{l}_1}{\mathrm{\ρ}}^{(2m-1)}{(1-\mathrm{\ρ})}^2\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(2m-1)\mathrm{nl}\×0.78\×0.026\frac{\sqrt{p}}{\mathrm{\κ}}\frac{(b^2-a^2)Y_{\mathrm{pd}}}{a^2{Y}_F+(b^2-a^2)Y_{\mathrm{pd}}}]$

从以上公式可以很明显的看出，当外界氢气的浓度发生变化时，就会影响到氢气所产生的分压p，从而导致电压V₃的改变。通过测量V₃的改变，即能够得到氢气分压的值，从而得到氢气的浓度。

本发明所涉及的氢敏传感器的工作过程：首先将信号臂和参考臂放在相同的环境中。然后将待测的氢气通入到信号臂中。从光源L发出一单光脉冲，经定向耦合器进入到两个臂中，由于信号臂的钯(Pd)受到氢气的影响而伸长，从而导致光纤的折射率和长度都发生了变化，使得信号臂输出的光相位发生了改变，然后与参考臂输出的光进行干涉。由于镀钯光纤的两端都放有光反射镜，光在光纤中，来回进行多次反射，每次透射出去的两个光脉冲进行干涉。因此随着反射次数的增加，镀钯光纤的有效长度也增长，光相位差不断积累增加，从而使得传感器输出的电压V₃发生了改变。通过测电压V3所发生的变化，得到钯(Pd)信号臂输出光相位所发生的改变，得到光纤折射率和长度的变化以及钯(Pd)的伸长量，由于钯(Pd)的伸长与氢气的浓度是成比例的，从而可以得到氢浓度。

本发明具有以下优点：

(1)本发明所涉及的氢敏传感器由于在镀钯信号臂和参考臂中分别增加了反射镜面，从而增大了输出光的相位差，能够探测到钯(Pd)对很稀薄的氢气的伸长量，因此大大提高了氢敏传感器的灵敏度。

(2)为了侧的光相位的改变，利用高灵敏度的相干干涉检测，可以进一步提高氢敏传感器的灵敏度。

(3)本发明所涉及的氢敏传感器的敏感材料钯(Pd)只对氢气有效，同时将探测光路是密封的，因此可以减少外部环境对光路的影响。

附图说明

图1：氢敏传感器结构示意图，其中L为光源，C₁，C₂为定向耦合器；D₁，D₂为光探测器；A₁，A₂分别为信号臂和参考臂；F为差分放大器。

图2：信号臂和参考臂的结构图；其中，a，b，c，d为光反射镜；e，f为镀钯层；C₁，C₂为耦合器D是光探测器；L为光脉冲；H为氢气；A₁，A₂分别为信号臂和参考臂。

图3：仿真结果图；其中：直线代表H＝0.1％---代表H＝0.01％，…代表H＝0.001％

图4：结果分析图；其中：直线代表H＝0.1％---代表H＝0.01％，…代表H＝0.001％

具体实施方式

通过以上的讨论，得到了电压与氢气分压的关系如下：

$V_3\left(t\right)=2\mathrm{\α}{V}_0{e}^{-(2m-1)\mathrm{\β}{l}_1}{\mathrm{\ρ}}^{(2m-1)}{(1-\mathrm{\ρ})}^2\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(2m-1)\mathrm{nl}\×0.78\×0.026\frac{\sqrt{p}}{\mathrm{\κ}}\frac{(b^2-a^2)Y_{\mathrm{pd}}}{a^2{Y}_F+(b^2-a^2)Y_{\mathrm{pd}}}]$

为了更好的验证本发明所涉及的氢敏传感器与氢气分压的关系，通过仿真得到如图3所示的关系图。当镀钯光纤制作完成后，关系式中除分压和电压外，其余值都是固定值。设α＝0.5；V₀＝1；λ＝829nm；n＝1.48；l＝1mm；K＝350Torr^1/2；Y_pd＝1.21×1011；Y_F＝7.3×1010；a＝35um；b＝36.2um；ρ＝0.99；l₁＝1m；β＝0.1。经过文献查阅验证，当氢气浓度的百分比为0.10％时，氢气所产生的局部分压p＝0.5Torr。图3中表示反射次数m与输出电压V₃的关系。为了更好地表示出反射镜的作用，图中的三条曲线分别表示了三个不同数量级浓度氢气的仿真结果。可以发现，随着氢气浓度的减少，曲线下降的的速率也逐渐减少，要达到某一个特定的电压，所需要的反射的次数就增多。

由于光相干函数的多值性，实际检测过程只使用第一个周期的一半，结果分析如图4所示。

从图4可以看出，当输出电压为某一固定值时，随着氢气浓度的减少，所需要的反射次数不断增大。

在实际应用中，次数不容易测量，但是由于次数与时间成正比，因此，固定输出电压，通过观测不同氢浓度下输出电压到达该固定值的时间值，从而可以得到氢气的浓度。因此，本发明所涉及氢敏传感器把浓度检测转换为容易实现精密测量的时间检测，从而实现高灵敏度浓度检测。

Claims (6)

1.一个包括信号臂和参考臂的氢敏传感器，信号臂的作用是将钯(Pd)对氢气浓度的不同伸长量转换成对在光纤中传输的光相位的改变。参考臂的作用是作为信号臂光相位变化的参照。

2.权利要求1中所述的氢敏传感器结构中，为了将参考信号臂中的光相位的改变检测出来并转换成强度的变化，将两个臂的输出进行了干涉。

3.权利要求1中所述的氢敏传感器结构中，在信号臂和参考臂光纤的两端都嵌入反射镜，将微小的变化量通过多次反射而进行放大，从而增加输出光相位的改变，提高了***的灵敏度。

4.权利要求1中所述的氢敏传感器结构中，采用光脉冲激励和检测。

5.权利要求1中所述的氢敏传感器结构中，镀钯信号臂与参考臂的制作过程相同，使用相同的光纤材料制作而成，区别在于参考臂是密封的，而信号臂是不密封的。

6.权利要求1中所述的氢敏传感器结构中，可以通过镀其他对别的物质(可以是固体、液体、气体)敏感的材料，使光纤的长度和折射率发生改变的，达到探测该物质的作用。

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