CN104949937A - 基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器 - Google Patents

Abstract

基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器，其特征包括：宽带光源，单模传输光纤，镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头，气室，光谱仪；所述镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头由光纤光栅微腔相移光纤光栅和Pt/WO₃膜构成；氢气作用于Pt/WO₃膜，Pt/WO₃膜折射率会发生变化，使透射窗口中波峰位置发生变化，通过检测波峰的位置变化，可以实现高灵敏度的氢气浓度的测量，然而在检测氢气浓度时，环境温度可能发生变化，由于有光纤光栅的存在，在测量氢气浓度的同时可以监测环境温度对测量结果的影响，能够消除环境温度对测量结果的影响。本发明提出一种结构紧凑、可以提高测量精确度与灵敏度的基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器。

Description

基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器。

背景技术

氢气因其热值高、清洁无污染、可持续性和可用性广等优点成为了未来最重要的能源。目前，氢气已被用于一些如航空、汽车电池、石油勘探、化学加工、焊接、和发电等行业。然而，由于氢气扩散快、燃点低和易***的浓度范围广(4％-75％)，所以氢气的安全运输和控制一直是人们非常关心的问题。因此，检测氢气的浓度和预防其泄露是至关重要的。

光纤型氢气传感器是将氢敏材料涂到光纤器件上，氢气浓度变化时，氢敏材料就会发生反应从而使光纤中光信号的波长或强度发生改变，通过对光信号改变量的检测来获得氢气的浓度。这种传感器使用光作为媒介，无需加热，因此用于检测氢气浓度具有很高的安全性，而且它在常温下就有良好的敏感性，故在常温下适用，此外光纤传感器使用适当波长的光和光纤就可以实现远距离监测。目前主要的光纤氢气传感器有四类：以光的干涉为基础的干涉型氢气传感器、以光的反射为基础的微透镜型氢气传感器、以光的传输损耗为基础的消逝场型氢气传感器、以光栅为基础的光栅型氢气传感器。大都以Pd或者Pt/WO₃作为敏感材料，在测量氢气浓度过程中，随着氢气与敏感膜的作用，传感头的环境温度可能会发生变化，进而影响测量的精确度与灵敏度，如若想要消除环境温度对测量精度和灵敏度的影响，还需用光纤光栅来再次测量，操作繁琐，而且结构疏散；在传感器的使用时，多次使用后，敏感膜容易脱落，不利于重复利用。

光纤光栅的研究得到了广泛的关注和迅速的发展，通常人们所熟悉的光纤光栅都是严格的周期结构，近年来，各类均匀周期光栅制作及应用得到了迅速发展，逐渐成为光纤光栅研究领域的一个技术热点。相移光纤布拉格光栅(PSFBG)是一种非均匀光纤布拉格光栅，它是在均匀光纤光栅轴向折射率调制中引入突变或者不连续的相移点而形成的特殊光栅。这种光栅的透射谱阻带中会出现一个或多个线宽极窄的透射窗口。因此PSFBG可作为窄带滤波器用于光纤激光器中，也适用于应力、压力折射率等传感参量的高精度测量。针对PSFBG的制作技术，国内外学者进行了大量的研究。其中，相移相位掩模板法利用带有相移的相位掩模板直接刻写PSFBG，该方法简单快速但模板昂贵且相移量固定；此外，利用普通相位模板并精确控制模板与光纤的位置，也可实现PSFBG的制作，如移动光纤法、抖动法、双光束干涉移动光纤法，这种方法透射峰值波长可调且操作灵活；还有一些方法如摩尔光栅法、二次曝光法也是比较灵活的PSFBG制作技术，此外，还可以用飞秒激光器直接在光纤布拉格光栅上逐点刻写。

针对上述光纤氢气传感器中所遇到的环境温度对测量精确度与灵敏度的影响、敏感膜的重复利用率差、操作繁琐及结构疏散等缺点，本发明提出基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器。本发明中以镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅为传感头，微腔加工在光纤光栅栅区中间位置，Pt/WO₃膜相当于在光纤光栅上引入一个相移，形成相移光栅，随着氢气浓度的变化，Pt/WO₃膜与氢气发生反应，使膜的折射率发生变化，特定波长的光被反射，其余透射波的相位发生改变，透射窗口中因相移而引起的波峰的位置会发生变化，通过测量波峰的变化，就可以得到氢气的浓度大小；然而在Pt/WO₃膜与氢气发生反应过程中，环境温度可能会发生变化，对测量结果的精确度造成影响。由于有光纤光栅的存在，可以在测量氢气浓度的同时可以监测环境温度对测量结果的影响，所以能够消除环境温度对测量结果的影响。因此，本发明提出的基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器能够消除环境温度对测量结果的影响，提高测量的精确度与灵敏度，结构紧凑，操作简单，安全可靠，具有很强的实用价值。

发明内容

为了克服氢气传感器中所遇到的环境温度对测量精确度与灵敏度的影响、敏感膜的重复利用率差、操作繁琐及结构疏散等缺点等缺点，本发明提出一种能够消除环境温度对测量结果的影响，提高测量的精确度与灵敏度，结构紧凑，操作简单，安全可靠的基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案：

基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器，包括：宽带光源、单模传输光纤、镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头、气室及光谱仪。

宽带光源的输出端与单模传输光纤相连，单模传输光纤与处于气室内的镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头的输入端相连，镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头的输出端与单模传输光纤相连，单模传输光纤与光谱仪相连。光纤光栅上微腔的厚度在3μm～5μm之间，Pt/WO₃膜填满微腔，深度在66.6μm～76μm之间，形成一个相移光纤光栅；由光纤光栅微腔相移光纤光栅、Pt/WO₃膜构成传感头，微腔加工在光纤光栅栅区中间位置；光谱仪作为氢气传感器的解调器。

本发明的有益效果为：

本发明利用镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅构成传感头，微腔加工在光纤光栅栅区中间位置，位于微腔中的Pt/WO₃膜相当于在光纤光栅上引入一个相移，使原来的光纤光栅变成一个相移光栅，在原有的透射窗口中打开了一个窄的相移波峰。随着氢气浓度的变化，Pt/WO₃膜与氢气发生反应，使膜的折射率发生变化，特定波长的光被反射，其余透射波的相位发生改变，透射窗口中因相移而出现的波峰的位置会发生变化，通过测量波峰的变化，就可以得到氢气的浓度大小，可以实现高灵敏度的氢气浓度测量。然而在Pt/WO₃膜与氢气发生反应过程中，环境温度可能会发生变化，对测量结果的精确度造成影响。由于有光纤光栅的存在，在测量氢气浓度的同时可以监测环境温度对测量结果的影响，所以能够消除环境温度对测量结果精确度的影响。

本发明利用Pt/WO₃膜作为涂覆材料，对氢气有很好的选择性，实现高灵敏度的氢气浓度的测量，而且可以重复利用，Pt/WO₃膜不易脱落。

本发明中将微腔加工在光纤光栅上，结构紧凑简单，避免复杂的测量***，操作简便。

附图说明

图1为基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步描述。

如图1所示，基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器，包括宽带光源1，单模传输光纤2，镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头3，气室4，单模传输光纤5，光谱仪6。宽带光源1的输出端与单模传输光纤2相连，光单模传输光纤2的输出端与镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头3相连，镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头3置于气室4内，镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头3的输出端和单模传输光纤5相连，单模传输光纤5和光谱仪6相连。由光纤光栅相移光纤光栅7和Pt/WO₃膜8组成超灵敏度光纤光栅微腔相移光纤光栅氢气传感头，微腔加工在光纤光栅栅区中间位置，Pt/WO₃膜8的宽度在3μm～5μm之间，深度在66.6μm～76μm之间，形成一个相移光纤光栅；光谱仪6作为信号解调部分。

本发明的工作方式为：宽带光源1产生信号光，由单模传输光纤2输入到镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头3，在镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头3中，特定波长的光被反射，透射光通过Pt/WO₃膜8时，产生相移，在原有的透射窗口中打开了一个窄的相移波峰，使得在透射窗口中因相移引起的波峰位置发生变化，镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头3输出的光信号通过单模传输光纤5输入到光谱仪6中进行光谱的检测。由光纤光栅微腔相移光纤光栅和Pt/WO₃膜构成的传感头对空气中氢气浓度的变化非常敏感，随着空气中氢气浓度的增大，Pt/WO₃膜折射率会发生变化，特定波长的光被反射，透射波窗口中因相移引起的波峰的位置发生变化，波峰位置向短波漂移，并且漂移量与空气中氢气浓度的变化量具有很好的线性关系，通过检测波峰的位置，可以实现高灵敏度的氢气浓度的测量。然而在Pt/WO₃膜与氢气发生反应过程中，环境温度可能会发生变化，对测量结果的精确度造成影响。由于有光纤光栅的存在，可以在测量氢气浓度的同时可以监测环境温度对测量结果的影响，所以能够消除环境温度对测量结果的影响。

该装置能够实现基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器的氢气浓度测量的关键技术有：

1、光纤传感头的结构。由光纤光栅相移光纤光栅和Pt/WO₃膜构成的光纤光栅相移光纤光栅微腔氢气传感头结构是实现高灵敏度传感的基础。

2、镀有Pt/WO₃膜的厚度和深度。Pt/WO₃膜的厚度应填满微腔，如果留有空隙，会有形成FP腔，对结构造成干扰；Pt/WO₃膜的深度应该控制在66.6μm～76μm之间，因为少于66.6μm会形成MZ干涉，大于76μm光纤容易断开。

本发明的一个具体实施例中，光源装置的输出波长为1200nm-1650nm；光谱仪的工作波长覆盖范围为1200nm-1650nm；传输光纤用的是常规单模光纤(G.625)，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.14；光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头用的是布拉格光纤光栅(FBG)，中心波长为1545.34nm，带宽为0.18nm，反射10dB；微腔宽度和Pt/WO₃膜厚度为4μm，深度为70μm。

以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器，其特征在于：由宽带光源，单模传输光纤，镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头，气室，光谱仪，构成传感测量***；宽带光源的输出端与单模传输光纤相连，单模传输光纤与处于气室内的镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头的输入端相连，镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头的输出端与单模传输光纤相连，单模传输光纤与光谱仪相连；

所述光纤光栅微腔相移光纤光栅传感头由光纤光栅微腔和Pt/WO₃膜组成，微腔加工在光纤光栅栅区中间位置，光纤光栅使用布拉格光纤光栅，微腔的宽度在3μm～5μm之间，Pt/WO₃膜填满微腔，深度在66.6μm～76μm之间，形成相移光纤光栅；随着氢气浓度的变化，Pt/WO₃膜与氢气发生反应，使膜的折射率发生变化，在此结构中，特定波长的光被反射，其余透射光透过Pt/WO₃膜，透射窗口中因相移而引起的波峰的位置会发生变化，通过测量波峰的变化，就可以得到氢气的浓度大小；光谱仪作为信号解调部分。