JP4524363B2 - Optical fiber hydrogen sensor enabling hydrogen distribution measurement and measurement method using the same - Google Patents

Description

本発明は水素漏洩の検知とその位置を特定することのできる光ファイバ水素センサとそれを用いた水素漏洩の検知とその位置測定方法、特に液体水素燃料を使用するロケット及び宇宙輸送機等の燃料供給系統、あるいはこれらを評価するための試験設備等における水素漏洩を検知するとともに、漏洩箇所を特定することに適した測定方法に関する。   The present invention relates to an optical fiber hydrogen sensor capable of detecting hydrogen leakage and specifying the position thereof, and a method of detecting hydrogen leakage using the optical fiber hydrogen sensor, and a method for measuring the position thereof, in particular, fuel for rockets and space transport aircraft using liquid hydrogen fuel. The present invention relates to a measurement method suitable for detecting a hydrogen leak in a supply system or a test facility for evaluating them and identifying a leak point.

水素センサとして現在実用化されているものの多くは、酸化錫をべ一スとした金属酸化物半導体方式のものか固体電解質を利用した電気化学的手法を用いたものである。これらのセンサは高感度であるが、素子を数百℃に加熱する必要があるため、点計測しか行えない上に、引火性ガスである水素ガスの着火源となる危険性がある等の問題を有する。   Many of the hydrogen sensors currently in practical use are of the metal oxide semiconductor type based on tin oxide or the electrochemical method using a solid electrolyte. Although these sensors have high sensitivity, the element needs to be heated to several hundred degrees Celsius, so that only point measurement can be performed and there is a risk of becoming an ignition source of hydrogen gas, which is a flammable gas. Have a problem.

低温下で作動する酸化タングステンWO_３を主成分とする新しいセンサが提示されている。（特許文献１参照）本発明者等は、この常温で水素と速やかに反応する水素感応膜の光学特性変化を捉える光学方式の検出センサを用いた水素検出技術を研究し、先に「ガスセンサ用の膜の製造方法」を特許出願（特許文献２参照）している。この発明は０℃以下の低温で充分な感度を有し、安全かつ高い信頼性と素子寿命を備えたガスセンサ用の膜の製造方法を提供することを目的としたもので、このガスセンサ用の膜の製造方法は水素又は含水素化合物ガスを解離吸着する触媒金属と、該触媒金属中の前記解離吸着により生成した水素原子により還元されると共に該水素原子が存在しなくなった場合に還元される前の状態に戻る固体化合物半導体との混合層からなる膜を有する素子と、還元による前記固体化合物半導体の光吸収（エバネッセント波）の変化を検出する光学手段とを備えたガスセンサ用の膜の製造方法において、前記固体化合物半導体のゾルゲル溶液中に、触媒金属化合物、例えば、塩化白金酸または塩化パラジウムを分子レベルで均一に分散させたゾルゲル溶液を、基板に塗布して焼成して膜を形成した後、乾燥空気中で３０〜１００℃で所定時間加熱処理するというものである。この方法によって製造されたガスセンサ用の膜は、０℃以下の低温においても、実用上充分な感度を有し、かつ検知素子に加熱通電を行わず安全で、かつ高い信頼性と素子寿命を備える。 A new sensor based on tungsten oxide WO ₃ operating at low temperatures has been presented. (See Patent Document 1) The present inventors have studied a hydrogen detection technique using an optical detection sensor that captures the change in optical characteristics of a hydrogen-sensitive film that reacts quickly with hydrogen at room temperature. Has been filed for a patent application (see Patent Document 2). An object of the present invention is to provide a method for producing a film for a gas sensor having sufficient sensitivity at a low temperature of 0 ° C. or less, having safety, high reliability, and element lifetime. The production method of the present invention is reduced by a catalytic metal that dissociates and adsorbs hydrogen or a hydrogen-containing compound gas, and hydrogen atoms generated by the dissociative adsorption in the catalytic metal and before the hydrogen atom is reduced when it is no longer present. For manufacturing a gas sensor film, comprising: an element having a film composed of a mixed layer of a solid compound semiconductor that returns to the state of FIG. 5; and optical means for detecting a change in light absorption (evanescent wave) of the solid compound semiconductor due to reduction. In the above, a sol-gel solution in which a catalytic metal compound, for example, chloroplatinic acid or palladium chloride is uniformly dispersed at a molecular level in the sol-gel solution of the solid compound semiconductor After forming a film by firing the coated substrate, is that a predetermined time heat treatment at 30 to 100 ° C. in dry air. The film for gas sensor manufactured by this method has sufficient sensitivity for practical use even at a low temperature of 0 ° C. or less, and is safe without heating and energizing the sensing element, and has high reliability and element life. .

図７はこの特許文献２に開示したエバネッセント吸収型ガスセンサの原理図を示したものである。通常光はファイバ中ではコア内を全反射しながら伝搬するが、このときコアとクラッド界面にわずかにしみ出す光成分をエバネッセント波と呼んでいる。白金を触媒とした酸化タングステン(Pt/WO_３)を光ファイバのコア周面部分にクラッドとして薄膜処理したファイバ型水素センサは、図７(ａ)に示すように水素が存在しない環境では、エバネッセント吸収係数は０に近く、エバネッセント波の吸収はなく通常の光ファイバと同様にコア内を全反射しながら伝搬される。したがって進行する光は、効率よく伝送され、後方の受光素子に充分な光量が到達する。一方、水素が存在する環境では、図７(ｂ)に示すようにPt/WO_３薄膜は水素と反応し、タングステンブロンズを形成するためエバネッセント吸収係数が増加して伝搬光量が大きく減衰する。この反応は触媒金属で生じた水素原子が固体化合物半導体であるPt/WO_３を還元し、光吸収が増大し、ガス濃度に対応して、光ファイバ内を伝送される光量が減少するというものである。この光ファイバ内を伝送される光量の減少を受光素子で検出することにより、ガス検出が行なわれる。そしてこの特許文献２には、光ファイバ上に、複数箇所所定の間隔をおいて当該発明の水素感応膜を形成してなる多点式水素ガスセンサを被測定領域に設置し、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry）技術を用い、反射光の時間差により測定点Ａ，Ｂ，Ｃの位置を特定し、膜の光吸収による受光量の変化を測定することにより、水素漏洩点の位置検出が可能となることを示唆している。しかし、現実的にはセンサの接続損失やPt/WO_３薄膜による導波構造の乱れによって光の伝搬損失が大きくなるため、センサ素子の数や長さが限定されてしまうという問題が生じ実用化には至らなかった。 FIG. 7 shows a principle diagram of the evanescent absorption type gas sensor disclosed in Patent Document 2. In FIG. Normal light propagates in the fiber while being totally reflected in the core. At this time, the light component that slightly leaks to the interface between the core and the clad is called an evanescent wave. A fiber-type hydrogen sensor in which tungsten oxide (Pt / WO ₃ ) using platinum as a catalyst is thin-film treated as a clad on the core peripheral surface of an optical fiber is an evanescent in an environment where hydrogen is not present as shown in FIG. The absorption coefficient is close to 0, there is no absorption of evanescent waves, and the light is propagated while being totally reflected in the core as in an ordinary optical fiber. Accordingly, the traveling light is efficiently transmitted, and a sufficient amount of light reaches the rear light receiving element. On the other hand, in an environment where hydrogen is present, as shown in FIG. 7B, the Pt / WO ₃ thin film reacts with hydrogen to form tungsten bronze, so that the evanescent absorption coefficient is increased and the amount of propagating light is greatly attenuated. In this reaction, hydrogen atoms generated in the catalytic metal reduce Pt / WO ₃ which is a solid compound semiconductor, light absorption increases, and the amount of light transmitted through the optical fiber decreases corresponding to the gas concentration. It is. Gas detection is performed by detecting a decrease in the amount of light transmitted through the optical fiber with a light receiving element. In Patent Document 2, a multipoint hydrogen gas sensor formed by forming the hydrogen-sensitive film of the present invention at a predetermined interval on an optical fiber is installed in a measurement region, and an OTDR (Optical Time Domain) is provided. By using Reflectometry technology, the position of measurement points A, B, and C is specified by the time difference of the reflected light, and the change in the amount of light received due to the light absorption of the film can be measured to detect the position of the hydrogen leak point. It suggests. However, in reality, the propagation loss of light increases due to the connection loss of the sensor and the disturbance of the waveguide structure due to the Pt / WO ₃ thin film, which causes the problem that the number and length of the sensor elements are limited and put into practical use. It did not reach.

また、光ファイバ上に複数箇所のセンサ部を配置してファイバ端から光を発信し各センサ部からの反射信号を検出してその値と位置を割り出す技術は、光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサが知られている。このＦＢＧは、紫外線を用いて光ファイバのコア中に回折格子を形成し、通信分野では光フィルタとしての機能を持たせた光ファイバ型デバイスとして用いられている。回折格子を光ファイバ中に非破壊的に直接形成できるため、低損失・小型・高信頼性・伝送用光ファイバとの整合性など、多くの利点を有している。
グレーティングの周期をΛ、光ファイバの有効屈折率をｎ_ｅｆｆ とすると、次の式を満たす波長(ブラッグ波長)λ_Ｂで強い反射が生じ、その他の波長の光は透過する。（図８参照）
λ_Ｂ＝２ｎ_ｅｆｆΛ (１)
屈折率ｎ_ｅｆｆ＝1.45程度であるから、λ_Ｂ＝1.55μｍとするためには、Λ＝0.54μｍ程度になる。式(１)のブラッグ波長λ_Ｂは、屈折率ｎ_ｅｆｆあるいはグレーティングの周期Λの変化によってシフトする。つまり、グレーティングがある部分にひずみあるいは温度変化が与えられると、ｎ_ｅｆｆとΛが変化しブラッグ波長がシフトすることになる。このことがＦＢＧをひずみ・温度センサとして動作させる原理である。図８の上段に示したＦＢＧを用いたひずみ・温度計測システムの基本構成による作動は、図８下段左に示すような広帯域の光が入射されたとき、このＦＢＧ部において図８下段中央に示すような反射光、図８下段右に示すような透過光に分離され、これらの両方を検出してＦＢＧ部における変化を検出することができる。光源にはＬＥＤ、ＳＬＤ、ＡＳＥ(順に光のパワー及びコストが高い)のような広帯域光源を利用する。
このＦＢＧセンサは発熱・変形についてその値とその場所を特定することができるものとして、船や建造物あるいは大型装置のモニタリングに使用されている。構造モニタリングにＦＢＧセンサを使用する場合、反射光を観測するシングル・エンド方式をとることが多い。
特開２００３−２４０７４６号公報「水素ガスセンサ」平成１５年８月２７日公開 特開２００３−３２９５９２号公報「ガスセンサ用の膜の製造方法」平成１５年１１月１９日公開 "Afiber-optic evanescent-wave hydrogen gas sensor using Palladium-supported tungsten oxide" S.Sekimoto, H.Nakagawa, S.Okazaki, K.Fukuda, S.Asakura, T.Shigemori, and S.Takahashi, Sensors and Actuators, B66(2000)142-145. "Sensing characteristics of an optical fiber sensor for hydrogenleak" S.Okazaki, H.Nakagawa, S.Asakura, Y.Tomiuchi, N.Tsuji, H.Murayama, and M.Washiya, Sensors and Actuators, B93(2003) 142-147. "Aroom-temperature operated hydrogenleak sensor " H.Nakagawa, N.Yamamoto, S.Okazaki, T.Chinzei, and S.Asakura, Sensors and Actuators, B93(2003) 468-474. Further, a technique for arranging a plurality of sensor parts on an optical fiber, transmitting light from the fiber end, detecting a reflected signal from each sensor part, and determining its value and position is an optical fiber Bragg grating (FBG) sensor. It has been known. This FBG is used as an optical fiber type device in which a diffraction grating is formed in the core of an optical fiber using ultraviolet rays, and a function as an optical filter is provided in the communication field. Since the diffraction grating can be directly formed in the optical fiber in a nondestructive manner, it has many advantages such as low loss, small size, high reliability, and compatibility with the optical fiber for transmission.
When the period of the grating is Λ and the effective refractive index of the optical fiber is n _eff , strong reflection occurs at a wavelength (Bragg wavelength) λ _B that satisfies the following expression, and light of other wavelengths is transmitted. (See Figure 8)
λ _B = 2n _eff Λ (1)
Since the refractive index n _eff = 1.45, in order to set λ _B = 1.55 μm, Λ = 0.54 μm. The Bragg wavelength λ _{B in} equation (1) is shifted by a change in the refractive index n _eff or the grating period Λ. That is, when strain or temperature change is given to the portion where the grating is present, n _eff and Λ are changed, and the Bragg wavelength is shifted. This is the principle of operating the FBG as a strain / temperature sensor. The operation according to the basic configuration of the strain / temperature measurement system using the FBG shown in the upper part of FIG. 8 is shown in the center of the lower part of FIG. 8 in this FBG part when broadband light as shown in the lower left part of FIG. 8 is incident. Such reflected light and transmitted light as shown in the lower right of FIG. 8 are separated, and both of them can be detected to detect a change in the FBG portion. As the light source, a broadband light source such as LED, SLD, and ASE (light power and cost in order) is used.
This FBG sensor is used for monitoring a ship, a building, or a large-sized device as a value and a place for heat generation / deformation can be specified. When an FBG sensor is used for structural monitoring, a single-ended method for observing reflected light is often used.
JP 2003-240746 A “Hydrogen gas sensor” published on August 27, 2003 JP 2003-329592 A "Method for Manufacturing Gas Sensor Film" Published on November 19, 2003 "Afiber-optic evanescent-wave hydrogen gas sensor using Palladium-supported tungsten oxide" S. Sekimoto, H. Nakagawa, S. Okazaki, K. Fukuda, S. Asakura, T. Shigemori, and S. Takahashi, Sensors and Actuators, B66 (2000) 142-145. "Sensing characteristics of an optical fiber sensor for hydrogenleak" S.Okazaki, H.Nakagawa, S.Asakura, Y.Tomiuchi, N.Tsuji, H.Murayama, and M.Washiya, Sensors and Actuators, B93 (2003) 142- 147. "Aroom-temperature operated hydrogenleak sensor" H.Nakagawa, N.Yamamoto, S.Okazaki, T.Chinzei, and S.Asakura, Sensors and Actuators, B93 (2003) 468-474.

本発明が解決しようとする課題は、本質的に防爆構造であって、かつセンサの検知部を長尺の線状あるいは面状とすることで水素漏洩を検知するばかりではなく、水素漏洩箇所に関する位置情報も得ることのできる水素センサを提供することにある。
また、本発明の課題は、光ファイバ上に複数箇所所定の間隔をおいて白金触媒を担持した酸化タングステン薄膜(Pt/WO_３)の水素感応膜を形成してなる多点式水素ガスセンサを被測定領域に設置し、ＯＴＤＲ技術を用い、水素漏洩点の位置検出を行うにあたり、問題となる伝搬損失の軽減をし、実用的な水素センサとそれを用いた検出位置測定法を提示することにある。
更に本発明の目的は、光ファイバセンサの手法として実用されているＦＢＧの技術を水素の存在とその位置を特定する技術に適用することを可能とし、実用的な水素センサとそれを用いた検出位置測定法を提示することにある。 The problem to be solved by the present invention is essentially an explosion-proof structure, and not only detects hydrogen leakage by making the detection part of the sensor long or linear, but also relates to a hydrogen leakage point. An object of the present invention is to provide a hydrogen sensor capable of obtaining position information.
Another object of the present invention is to provide a multipoint hydrogen gas sensor formed by forming a hydrogen-sensitive film of a tungsten oxide thin film (Pt / WO ₃ ) carrying a platinum catalyst at predetermined intervals on an optical fiber. Providing a practical hydrogen sensor and a detection position measurement method using it, reducing the propagation loss that becomes a problem when detecting the position of a hydrogen leak point using the OTDR technology. is there.
Further, the object of the present invention is to make it possible to apply the FBG technology, which is practically used as a method of an optical fiber sensor, to a technology for specifying the presence and position of hydrogen, and a practical hydrogen sensor and detection using the same. To present a position measurement method.

本発明の水素センサは、白金触媒を担持した酸化タングステン薄膜を水素感応物質として使用し、その水素感応部を光ファイバの長尺方向に広く配置する。
エバネッセント波吸収式では、通信用光ファイバのクラッド部を湿式エッチングによって剥離除去してコアのみとした部分に上記の薄膜をゾルゲル法によって形成させ、適切な熱処理で膜を固定化するに際し、膜厚を500ｎｍ以下になるよう制御した。また、水素感応部は光ファイバのコア外周面に均一な膜厚で配置、若しくは長尺方向の複数箇所に分散配置するようにした。さらに、ＯＴＤＲ機を接続し、後方散乱光の時間変化を調べることにより、水素漏洩箇所に関する位置情報を割り出す。
次にＦＢＧ方式においては、水素に感応してＦＢＧ部の屈折率変化の周期を乱す白金触媒を担持した酸化タングステンをＦＢＧ部のクラッド周面に膜厚１μｍ以上固定化しセンサとする。水素との反応過程において発熱または変形することでＦＢＧ部の屈折率またはその変化の周期に影響を与え、反応前後でのＦＢＧ部を透過または反射する光の波長特性が変化することから水素センサとして利用でき、またＦＢＧ部の位置を割り出すことにより、水素漏洩箇所を特定する。白金触媒を担持した酸化タングステンの膜は、ゾル・ゲル法若しくは粉末焼き付け法にて固定化する。 The hydrogen sensor of the present invention uses a tungsten oxide thin film carrying a platinum catalyst as a hydrogen sensitive substance, and the hydrogen sensitive part is widely arranged in the longitudinal direction of the optical fiber.
In the evanescent wave absorption method, the above-mentioned thin film is formed by the sol-gel method on the portion where only the core is removed by wet etching to remove the clad portion of the communication optical fiber, and the film thickness is fixed by appropriate heat treatment. Was controlled to be 500 nm or less. Further, the hydrogen sensitive portions are arranged with a uniform film thickness on the outer peripheral surface of the core of the optical fiber, or are distributed at a plurality of locations in the longitudinal direction. Further, by connecting an OTDR machine and examining the time change of the backscattered light, the position information on the hydrogen leak location is determined.
Next, in the FBG method, tungsten oxide supporting a platinum catalyst that disturbs the period of change in the refractive index of the FBG portion in response to hydrogen is fixed to the peripheral surface of the cladding of the FBG portion with a film thickness of 1 μm or more to form a sensor. As a hydrogen sensor, heat generation or deformation in the reaction process with hydrogen affects the refractive index of the FBG part or its change period, and the wavelength characteristics of light transmitted or reflected through the FBG part before and after the reaction change. The hydrogen leak location is identified by determining the position of the FBG portion that can be used. The tungsten oxide film carrying the platinum catalyst is fixed by a sol-gel method or a powder baking method.

本発明の水素センサは、白金触媒を担持した酸化タングステン薄膜を水素感応物質として使用し、その水素感応部を光ファイバの長尺方向に広く配置する構成を採用したので、従来センサのように水素感応部を高温に設定する必要がなく、防爆形態で水素の存在を検知できるだけでなく、その検知した位置を割り出すことにより二次元的、三次元的に広がった空間での水素漏洩場所を特定することが可能となる。
エバネッセント波吸収式では、通信用光ファイバのクラッド部を湿式エッチングによって剥離除去してコアのみとした部分に上記の薄膜をゾルゲル法によって形成させ、適切な熱処理を施して膜を固定化するに際し膜厚を500ｎｍ 以下になるよう制御したので、従来問題となっている伝搬損失を軽減させることができ、分布型センサ素子を実現させることが出来た。また、白金触媒を担持した酸化タングステン薄膜を光ファイバのコア外周面に均一な膜厚で配置することによって、配置領域のどの部分で水素を検知したか広い範囲の検出が可能となった。また、この薄膜を長尺方向の複数箇所に分散配置するようにしたものはどの感応部の近傍でガスを検知したかを感度よく検出することができる。この形態はより長尺のファイバ上に配置することが出来、検出量域を広く採ることが可能となる。さらに、ＯＴＤＲ機を接続し、後方散乱光の時間変化を調べることにより、水素漏洩箇所に関する位置情報を割り出すことができる。 The hydrogen sensor of the present invention uses a tungsten oxide thin film carrying a platinum catalyst as a hydrogen-sensitive substance, and adopts a configuration in which the hydrogen-sensitive part is widely arranged in the longitudinal direction of the optical fiber. It is not necessary to set the sensitive part to a high temperature, and not only the presence of hydrogen can be detected in an explosion-proof form, but also the location of hydrogen leakage in a two-dimensional and three-dimensional space is specified by determining the detected position. It becomes possible.
In the evanescent wave absorption method, the above-mentioned thin film is formed by a sol-gel method on a portion where only the core is removed by wet etching to remove the clad portion of the optical fiber for communication, and an appropriate heat treatment is applied to fix the film. Since the thickness was controlled to be 500 nm or less, propagation loss, which has been a problem in the past, could be reduced, and a distributed sensor element could be realized. In addition, by disposing a tungsten oxide thin film carrying a platinum catalyst on the outer peripheral surface of the core of the optical fiber with a uniform film thickness, it is possible to detect a wide range of which part of the arrangement region has detected hydrogen. In addition, in the case where the thin film is dispersedly arranged at a plurality of locations in the longitudinal direction, it is possible to detect with high sensitivity which sensitive part is in the vicinity of which the gas is detected. This form can be arranged on a longer fiber, and a wide detection amount range can be taken. Furthermore, by connecting an OTDR machine and examining the time change of the backscattered light, it is possible to determine the position information regarding the hydrogen leak location.

次にＦＢＧ方式においては、水素に感応してＦＢＧ部の屈折率変化の周期を乱す白金触媒を担持した酸化タングステンをＦＢＧ部のクラッド周面に膜厚１μｍ以上固定化してセンサとすることにより、水素との反応過程において発熱または変形することでＦＢＧ部の屈折率またはその変化の周期に影響を与えることが可能となり、反応前後でのＦＢＧ部を透過または反射する光の波長特性が変化することから水素センサとして、またＦＢＧ部の位置を割り出すことにより、水素漏洩箇所を特定することができる。白金触媒を担持した酸化タングステンの膜は、ゾル・ゲル法若しくは粉末焼き付け法にて固定化することにより、この水素感応部をＦＢＧ部分に安定して固定化することが出来る。   Next, in the FBG method, tungsten oxide supporting a platinum catalyst that disturbs the period of change in the refractive index of the FBG part in response to hydrogen is fixed on the clad surface of the FBG part to have a film thickness of 1 μm or more to form a sensor. Heat generation or deformation during the reaction with hydrogen can affect the refractive index of the FBG portion or the period of change thereof, and the wavelength characteristics of light transmitted or reflected through the FBG portion before and after the reaction can change. As a hydrogen sensor, and by determining the position of the FBG portion, the hydrogen leak location can be specified. The hydrogen-sensitive part can be stably fixed to the FBG part by fixing the tungsten oxide film carrying the platinum catalyst by a sol-gel method or a powder baking method.

本発明は、前述したように本質的に防爆構造であるために、まず水素検知素材として低温で水素検知が出来る白金触媒を担持した酸化タングステン薄膜を採用することを前提とし、かつ水素漏洩を検知するばかりではなく、水素漏洩箇所に関する位置情報も得ることのできる水素センサを提供するために、長尺の光ファイバ上に水素感応部を配置させ、長尺のファイバを水素発生検知領域に配置する形態に想到したものである。光ファイバ上に複数箇所所定の間隔をおいてPt/WO_３の水素感応膜を形成してなる多点式水素ガスセンサを被測定領域に設置し、ＯＴＤＲ技術を用い、エバネッセント波吸収率の変化から水素漏洩点の位置検出を行うにあたり、問題となる伝搬損失を軽減させるための研究を重ねる中で次のような知見を得た。すなわち、その知見とは通信用光ファイバのクラッド部を湿式エッチングによって剥離除去してコアのみとした部分に上記の薄膜をゾルゲル法によって形成させ、適切な熱処理を施して膜を固定化するのであるが、その薄膜の膜厚を500ｎｍ以下にするとよいということである。好ましい膜厚は200ｎｍ以下であるが500ｎｍ位まではそれなりに実施効果が認められる。酸化タングステンの屈折率は石英コアと比較して非常に大きいことに起因し導波モードにすることが困難なため、膜厚を500ｎｍ以下になるよう制御したものである。上記の光ファイバセンサ作成法を用いることにより伝搬損失を抑え、１本の光ファイバライン上の広い範囲にわたる一様な検知部あるいは複数の検知部を設けることに成功した。さらに、ＯＴＤＲ機を接続し、後方散乱光の時間変化を調べたところ、光ファイバライン上のセンサ部が水素に暴露された場合、波形が大きく変化することを明らかにした。従って、従来から提案されているセンサ単独ではなしえなかった水素漏洩箇所に関する位置情報が本発明により実現されたといえる。 Since the present invention is essentially an explosion-proof structure as described above, it is assumed that a tungsten oxide thin film carrying a platinum catalyst capable of detecting hydrogen at a low temperature is first used as a hydrogen detection material, and hydrogen leakage is detected. In order to provide a hydrogen sensor that can obtain not only the position information on the location of hydrogen leakage, but also a hydrogen sensitive part is arranged on a long optical fiber, and the long fiber is arranged in the hydrogen generation detection region It is the one that comes to the form. A multi-point hydrogen gas sensor formed by forming Pt / WO ₃ hydrogen-sensitive films at predetermined intervals on an optical fiber is installed in the measurement area, and the change in evanescent wave absorption rate is measured using OTDR technology. The following findings were obtained during repeated research to reduce the problem of propagation loss in detecting the position of the hydrogen leak point. That is, the knowledge is that the above-mentioned thin film is formed by the sol-gel method on the portion where only the core is removed by wet etching to remove the clad portion of the communication optical fiber, and an appropriate heat treatment is applied to fix the film. However, the film thickness of the thin film should be 500 nm or less. The preferable film thickness is 200 nm or less, but the effect of implementation is recognized as much as 500 nm. Since the refractive index of tungsten oxide is very large compared to the quartz core, it is difficult to obtain a waveguide mode, so the film thickness is controlled to 500 nm or less. Propagation loss was suppressed by using the above-described optical fiber sensor production method, and a uniform detector or a plurality of detectors over a wide range on one optical fiber line was successfully provided. Furthermore, when an OTDR machine was connected and the time variation of the backscattered light was examined, it was found that the waveform changes greatly when the sensor unit on the optical fiber line is exposed to hydrogen. Therefore, it can be said that the present invention has realized position information relating to a hydrogen leak location that could not be achieved by a conventionally proposed sensor alone.

また、本発明は発熱・変形についてその値とその場所を特定することができるものとして、構造モニタリングに適用されているＦＢＧセンサに着目し、水素検出が発熱・変形という形で出来ればこの技術をそのまま水素センサに適用できると考えた。すなわち、ＦＢＧ部分に水素感応膜を固定すれば、その発熱・変形が屈折率ｎ_ｅｆｆとグレーティングの周期Λに影響を与えることになる。そして、本発明者等は水素感応素子である白金触媒を担持した酸化タングステンが水素と反応して発熱と変形をすることを確認した。この現象は必ずしも解析し切れてはいないが、水素と反応する際の還元作用により発熱と、酸化タングステン結晶中に水素が入ることによる構造的な変形が原因と解される。
図１は光ファイバライン上の広い範囲にわたりＦＢＧ部クラッド上にPt/WO_３の層を重ねた複数の検知部を設けるＦＢＧ型センサの原理図を示したものである。コアに施された周期的な屈折率変化が回折格子の役割をするため、このＦＢＧ部では回折格子に応じた中心波長λの波長成分が透過、反射波に現れる。水素が存在しない環境では、図１の(ａ)に示すように本来の回折格子の作動をするが、水素が存在する環境では、図１(ｂ)に示すようにPt/WO_３薄膜は水素と反応し、この反応過程において薄膜の変形と大きな発熱を伴う。これによりＦＢＧ部の屈折率またはその周期が変化するため透過及び反射光の波長特性が変化する。その変化は伝搬される光の中心波長がλであったとすると、±Δλだけシフトする形で現れる。
ブロードバンド光としては光の損失の観点から一般的にＳＬＤ光源やＡＳＥ光源が用いられ、1310ｎｍ（±25ｎｍ）や1550ｎｍ（±25ｎｍ）が使用されているが、本発明については原理的にはどんな波長のものを使用しても利用可能である。 Further, the present invention focuses on the FBG sensor applied to structural monitoring, as the value and location of heat generation / deformation can be specified. If hydrogen detection can be performed in the form of heat generation / deformation, this technology will be used. We thought that it could be applied to a hydrogen sensor as it was. That is, if a hydrogen sensitive film is fixed to the FBG portion, the heat generation / deformation affects the refractive index n _eff and the grating period Λ. The present inventors have confirmed that tungsten oxide carrying a platinum catalyst as a hydrogen-sensitive element reacts with hydrogen to generate heat and deform. Although this phenomenon has not been completely analyzed, it is understood that the phenomenon is caused by heat generation due to the reducing action when reacting with hydrogen and structural deformation caused by hydrogen entering the tungsten oxide crystal.
FIG. 1 is a diagram showing the principle of an FBG type sensor in which a plurality of detectors having a Pt / WO ₃ layer stacked on an FBG cladding over a wide range on an optical fiber line are provided. Since the periodic refractive index change applied to the core functions as a diffraction grating, the wavelength component of the center wavelength λ corresponding to the diffraction grating appears in the transmitted and reflected waves in this FBG portion. In an environment where hydrogen is not present, the original diffraction grating operates as shown in FIG. 1A. However, in an environment where hydrogen is present, the Pt / WO ₃ thin film is hydrogen as shown in FIG. In this reaction process, deformation of the thin film and large heat generation are accompanied. As a result, the refractive index of the FBG portion or its period changes, so that the wavelength characteristics of transmitted and reflected light change. The change appears in a form shifted by ± Δλ if the center wavelength of the propagated light is λ.
As broadband light, SLD light source and ASE light source are generally used from the viewpoint of light loss, and 1310 nm (± 25 nm) and 1550 nm (± 25 nm) are used. It is also possible to use it.

図２は水素分布計測が可能なエバネッセント波吸収型センサの構造とＯＴＤＲ検出特性を示したものである。図２(ａ)は長尺の光ファイバコアの広い領域に一様にPt/WO_３薄膜を空気中200℃で１時間更に500℃で１時間焼成して固定化した分布型センサによる計測例を示したものである。光ファイバのクラッド部をエッチングによって除去した後、露出されたコア１の表面にゾル・ゲル法によって400ｎｍの厚さ（300〜400ｎｍでよいことは確認済み）のPt/WO_３薄膜を一様に形成させてセンサ部２としたファイバ型センサを水素流路に沿って配置した。ファイバコア１の一端には光結合器３を接続し、該光結合器Ｃの他端側にはパルス光を発信する光源４と分岐側には光検出器と信号処理装置を含むＯＴＤＲ検出系５が接続されている。流路の一箇所から水素を漏洩させて、光源４から光ファイバコア１にパルス光を入射すると、パルス光が伝搬するファイバコア１の各位置から後方散乱光が戻ってくる。この反射光を光結合器３で分岐された光検出器で検出すると共にその時間的変化を捉えると、図の左側に示された波形（ＯＴＤＲ検出特性）が得られる。この波形の縦軸は光強度であり、横軸は位置に対応する時間である。水素曝露された部分ではエバネッセント波の吸収が大きくなるため、その部分の後方散乱光の時間変化は他の部分とは異なり、矢印で示すように損失が大きくなって現れ、水素に曝露された部分の位置的情報を取得することが可能となる。なお、ファイバセンサの表面を保護するための被覆は必要に応じてなされてよいが、その場合、ガスの流通性を損ねることを避けねばならない。多孔性材料からなるフレキシブルチューブにガラスウールを巻いたものなどを用いるのが適当である。 FIG. 2 shows the structure and OTDR detection characteristics of an evanescent wave absorption sensor capable of measuring hydrogen distribution. 2 (a) is an example measurement by the distributed sensor fixed by baking 1 hour uniformly Pt / WO ₃ thin film in a region wide optical fiber core long in 1 hour further 500 ° C. at 200 ° C. in air Is shown. After removing the clad portion of the optical fiber by etching, a Pt / WO ₃ thin film having a thickness of 400 nm (having been confirmed to be 300 to 400 nm) is uniformly applied to the exposed surface of the core 1 by a sol-gel method. A fiber type sensor formed as a sensor unit 2 was disposed along the hydrogen flow path. An optical coupler 3 is connected to one end of the fiber core 1, a light source 4 for transmitting pulsed light to the other end of the optical coupler C, and an OTDR detection system including a photodetector and a signal processor on the branch side. 5 is connected. When hydrogen is leaked from one part of the flow path and pulsed light is incident on the optical fiber core 1 from the light source 4, backscattered light returns from each position of the fiber core 1 where the pulsed light propagates. When this reflected light is detected by the photodetector branched by the optical coupler 3 and its temporal change is captured, the waveform (OTDR detection characteristic) shown on the left side of the figure is obtained. The vertical axis of this waveform is the light intensity, and the horizontal axis is the time corresponding to the position. Since the absorption of evanescent waves increases in the part exposed to hydrogen, the time change of the backscattered light in that part is different from the other parts, and the loss appears as shown by the arrow, and the part exposed to hydrogen It becomes possible to acquire the positional information. In addition, coating for protecting the surface of the fiber sensor may be performed as necessary, but in that case, it is necessary to avoid impairing gas flow. It is appropriate to use a flexible tube made of a porous material in which glass wool is wound.

一方、図２(ｂ)に示したものは長尺の光ファイバコア１に特定間隔をおいて部分的にPt/WO_３薄膜を固定化した分布型センサによる計測例を示したものである。光ファイバのクラッド部をエッチングによって除去した後、露出されたコア１の特定箇所表面にゾル・ゲル法によって400ｎｍの厚さのPt/WO_３薄膜を特定間隔をおいて形成させてセンサ部2a,2b,2c…としたファイバ型センサを水素流路に沿って配置した。先の例と同様にファイバコア１の一端には光結合器３を接続し、該光結合器Ｃの他端側にはパルス光を発信する光源４と分岐側には光検出器と信号処理装置を含むＯＴＤＲ検出系５が接続されている。流路の一箇所から水素を漏洩させて、光源４から光ファイバ１にパルス光を入射すると、パルス光が伝搬するファイバ１の各位置から後方散乱光が戻ってくる。この反射光を光結合器３で分岐された光検出器で検出すると共にその時間的変化を捉えると、図の左側に示された波形（ＯＴＤＲ検出特性）が得られる。この波形の縦軸が光強度であり、横軸が位置に対応する時間であるのは同様である。Pt/WO_３薄膜が形成されたセンサ部2a,2b…はコアが露出された部分と比べ、Pt/WO_３薄膜によるクラッドが形成されているためその部分の後方散乱光はインパルス状に大きくなると共にその先の部分はステップ状に光強度が減衰して返ってくる。しかし、水素曝露されたセンサ2c部分ではエバネッセント波の吸収が大きくなるため、その部分の後方散乱光の時間変化は他のセンサ部分とは異なり、矢印で示すようにインパルスが小さくなって現れるため、水素に曝露された部分の位置的情報を取得することが可能となる。 On the other hand, what is shown in FIG. 2B is a measurement example using a distributed sensor in which a Pt / WO ₃ thin film is partially fixed to a long optical fiber core 1 at a specific interval. After removing the clad portion of the optical fiber by etching, a Pt / WO ₃ thin film having a thickness of 400 nm is formed at a specific interval on the surface of a specific portion of the exposed core 1 by a sol-gel method. Fiber type sensors 2b, 2c, ... were placed along the hydrogen flow path. As in the previous example, an optical coupler 3 is connected to one end of the fiber core 1, a light source 4 that emits pulsed light to the other end of the optical coupler C, and a photodetector and signal processing to the branch side. An OTDR detection system 5 including a device is connected. When hydrogen is leaked from one part of the flow path and pulsed light is incident on the optical fiber 1 from the light source 4, backscattered light returns from each position of the fiber 1 where the pulsed light propagates. When this reflected light is detected by the photodetector branched by the optical coupler 3 and its temporal change is captured, the waveform (OTDR detection characteristic) shown on the left side of the figure is obtained. Similarly, the vertical axis of this waveform is the light intensity, and the horizontal axis is the time corresponding to the position. Pt / WO ₃ thin film is formed the sensor unit 2a, 2b ... are compared with the portions in which the core is exposed, the backscattered light of the portion for cladding by Pt / WO ₃ thin film is formed becomes larger impulse At the same time, the light intensity attenuates and returns in a stepped manner. However, since the absorption of the evanescent wave becomes large in the sensor 2c part exposed to hydrogen, the time change of the backscattered light in that part is different from other sensor parts, and the impulse appears as shown by the arrow, It becomes possible to acquire positional information of the part exposed to hydrogen.

この実施例に示したセンサを用いて行った実験結果を図３に示す。図３(ａ)は空気中で測定したＯＴＤＲ波形であり、図中波形でインパルス状に大きくなると共にその先の部分がステップ状に光強度が減衰しているＡ，Ｂ部分がPt/WO_３薄膜を施したセンサ部分に該当する。図３(ｂ)に示した波形からはＢ部においては空気中のときと波形が変わらないが、Ａ部においてはインパルスが小さくなって消滅していることからこの部分で水素漏れがあったことが判る。また、図３(ｃ)に示した波形からはＡ部においては空気中のときと波形が変わらないが、Ｂ部においてはインパルスが小さくなって消滅していることからこの部分で水素漏れがあったことが判る。図３(ｄ)に示した波形からはＡ部においてもＢ部においてもインパルスが小さくなって消滅していることからＡ，Ｂ両地点において水素漏れがあったことが判る。すなわち、それぞれ水素曝露されたセンサ部分のみの光損失が大きくなっていることが示されている。なお、図３の波形中右側に現れている大きなインパルス波形はファイバ端からの反射光であり、Ａ部とＢ部の間に現れている小さなインパルスは光ファイバコア１を継いだ部分からの反射光である。これらはファイバセンサの既知の構造に基づくものであるから、判定においてノイズとなることはない。 FIG. 3 shows the results of an experiment conducted using the sensor shown in this example. FIG. 3 (a) shows an OTDR waveform measured in the air. In the figure, the waveform becomes larger in an impulse shape, and the portions A and B in which the light intensity is attenuated in a stepwise manner are Pt / WO _3. Corresponds to the sensor part with thin film. From the waveform shown in FIG. 3B, the waveform in part B is the same as in the air, but in part A there was a hydrogen leak in this part because the impulse was reduced and disappeared. I understand. Further, from the waveform shown in FIG. 3 (c), the waveform in part A is not different from that in the air, but in part B, the impulse is small and disappears, so there is hydrogen leakage in this part. You can see that From the waveform shown in FIG. 3 (d), it can be seen that there was hydrogen leakage at both the points A and B because the impulses decreased and disappeared in both the A part and the B part. That is, it is shown that the optical loss of only the sensor portions exposed to hydrogen increases. Note that the large impulse waveform appearing on the right side of the waveform in FIG. 3 is the reflected light from the fiber end, and the small impulse appearing between the A part and the B part is reflected from the part where the optical fiber core 1 is joined. Light. Since these are based on the known structure of the fiber sensor, there is no noise in the determination.

次に、ＦＢＧ型センサの実施例を示す。図４は水素分布計測が可能なＦＢＧ型センサの構造と検出特性を示したものである。長尺の光ファイバ10は特定間隔をおいて波長特性の異なるＦＢＧを配置した分布型センサの構造となっており、このＦＢＧ部のクラッド周面には膜厚２μｍのPt/WO_３薄膜をゾルゲル法にて固定化しセンサ部12a,12b…,12i…とした。光ファイバ10の一端には光結合器３を接続し、該光結合器３の他端側には白色（ブロードバンド）光源14と検出系15が接続されている。この検出系15には光スペクトルアナライザあるいは波長計が用いられ、ＦＢＧからの反射光を受信解析する。光スペクトルアナライザの場合は波長スペクトルそのものを計測し、波長計を用いた場合は波長スペクトルのピーク値に対する波長を検出する。ＦＢＧ型センサの場合、流路の一箇所から水素を漏洩させて、光源14から光ファイバ10に白色光を入射すると、各センサ部12a,12b…,12i…から、グレーティングの周期に応じた波長の光が反射されてくる。水素漏洩箇所近傍のセンサ部12iでは表面のPt/WO_３薄膜が反応によって、発熱・変形を起しそのグレーティング周期を変化させる。各センサ部12a,12b…,12i…がすべて空気中にあるときの反射光スペクトル波形を記憶しておけば、このときの検出反射周波数スペクトルと比較して、周波数シフトを生じているセンサ部12iを特定することが出来る。各ＦＢＧは波長特性が異なって作られているので、水素に曝露された部分の位置的情報を取得することが可能となる。本実施例のように光源に白色光を用いる場合は中心波長の異なるＦＢＧを複数個配置することになるが、センサの数Ｎは白色光の帯域幅Ａと各センサに割り当てられた帯域幅Ｂとの関係により、Ｎ＜Ａ／Ｂとなる制約を受ける。上記の例では検出系は光結合器３に接続配置したが、光ファイバ10の先端側に配置して透過光を検出解析する事も可能であるし、双方を配置してより精度の高い解析を行うことも出来る。
図５はこのＦＢＧ型センサを用いた１実験結果を示すグラフである。空気中では1547.3ｎｍに中心周波数のあった反射光が水素曝露によって中心波長が1547.8ｎｍにシフトしていることが読みとれる。この反射波長特性を持っているセンサ部近傍で水素漏洩があったことが判る。 Next, an example of the FBG type sensor will be shown. FIG. 4 shows the structure and detection characteristics of an FBG type sensor capable of measuring hydrogen distribution. The long optical fiber 10 has a structure of a distributed sensor in which FBGs having different wavelength characteristics are arranged at specific intervals, and a Pt / WO ₃ thin film having a thickness of 2 μm is sol-gel on the clad surface of the FBG portion. The sensor parts 12a, 12b,. An optical coupler 3 is connected to one end of the optical fiber 10, and a white (broadband) light source 14 and a detection system 15 are connected to the other end of the optical coupler 3. An optical spectrum analyzer or a wavelength meter is used for the detection system 15 to receive and analyze reflected light from the FBG. In the case of an optical spectrum analyzer, the wavelength spectrum itself is measured, and in the case of using a wavelength meter, the wavelength with respect to the peak value of the wavelength spectrum is detected. In the case of an FBG type sensor, when hydrogen is leaked from one part of the flow path and white light is incident on the optical fiber 10 from the light source 14, the wavelength corresponding to the period of the grating from each sensor unit 12a, 12b,. Light is reflected. The Pt / WO ₃ thin film reaction of hydrogen leakage point near the sensor portion 12i at the surface, changing its grating period becomes hot deformation. If the reflected light spectrum waveform is stored when all the sensor units 12a, 12b,..., 12i are all in the air, the sensor unit 12i causing a frequency shift compared to the detected reflected frequency spectrum at this time. Can be specified. Since each FBG has a different wavelength characteristic, it is possible to acquire positional information of a portion exposed to hydrogen. When white light is used as a light source as in the present embodiment, a plurality of FBGs having different center wavelengths are arranged. The number N of sensors is the bandwidth A of white light and the bandwidth B allocated to each sensor. Therefore, there is a constraint that N <A / B. In the above example, the detection system is connected to the optical coupler 3. However, it is also possible to detect and analyze the transmitted light by placing it on the tip side of the optical fiber 10, or more accurate analysis by arranging both. Can also be done.
FIG. 5 is a graph showing the results of one experiment using this FBG type sensor. In the air, it can be seen that the reflected light having the center frequency at 1547.3 nm is shifted to 1547.8 nm due to hydrogen exposure. It can be seen that there was hydrogen leakage in the vicinity of the sensor portion having this reflection wavelength characteristic.

ＦＢＧ型センサを用いた他の測定法の実施例を示す。図６に示した構成図は光源に波長可変光源を用いるＯＦＤＲ(Optical Frequency Domain Reflectometry)方式のものである。図中上段は第一の光学干渉器で行路差がＬである２つの光路の先端部に反射端R1，R2が配置され、中段は第二の光学干渉器で複数のＦＢＧが配置された本発明のセンサが接続され、反射端R3とＦＢＧセンサ部の行路差が周波数として観測され、それを基に位置を特定する。下段は第三の光学干渉器で、ここは波長の基準となる参照用のＦＢＧが配置されている。計測には、波長の変化量をモニタリングすることになるが、そのためには正確な波長が必要となる。しかし、波長可変光源の波長出力値は十分な精度を持っていない。そこで、本実施例の計測装置では参照ＦＢＧを別に用意し、その反射光強度が最大となる波長を基準として、センサーＦＢＧの反射波長の変化量をモニタリングすることとした。光源14からは上記３系統の光学干渉器に波長をスイープさせながら光が分配供給され、それぞれの反射光を検出器D1，D2，D3で受光する。波長可変光源のコントロール及びＡ／Ｄコンバーターを経由したデータ取得は、１台のパソコンで行う。ディジタル的なデータ処理を行うためには、一定間隔の光波数毎の計測を行う必要がある。第一の干渉器はこのために使用される。検出器D1で計測される光強度は、次式のように表される光波数間隔Δｋで周期的に変化する。
Δｋ＝π／ｎＬ (２)
周期的に変化する検出器D1での光強度をトリガーとして使用して、ＦＢＧからの反射光の強度を検出器D2，D3で計測する。 Examples of other measurement methods using an FBG type sensor will be described. The configuration diagram shown in FIG. 6 is an OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) method using a wavelength tunable light source as a light source. In the upper part of the figure, the first optical interferor is a book in which reflection ends R1 and R2 are arranged at the tip of two optical paths having a path difference L, and the middle part is a second optical interferor in which a plurality of FBGs are arranged. The sensor of the invention is connected, and the path difference between the reflection end R3 and the FBG sensor unit is observed as a frequency, and the position is specified based on it. The lower stage is a third optical interferometer, in which an FBG for reference serving as a wavelength reference is disposed. For the measurement, the amount of change in the wavelength is monitored. For this purpose, an accurate wavelength is required. However, the wavelength output value of the wavelength tunable light source does not have sufficient accuracy. Therefore, in the measurement apparatus of this embodiment, a reference FBG is prepared separately, and the amount of change in the reflected wavelength of the sensor FBG is monitored based on the wavelength at which the reflected light intensity is maximum. Light is distributed and supplied from the light source 14 to the above three systems of optical interferometers while sweeping the wavelength, and the respective reflected lights are received by the detectors D1, D2, and D3. The control of the tunable light source and the data acquisition via the A / D converter are performed by a single personal computer. In order to perform digital data processing, it is necessary to perform measurement for each number of light waves at regular intervals. The first interferometer is used for this purpose. The light intensity measured by the detector D1 periodically changes at a light wave number interval Δk expressed by the following equation.
Δk = π / nL (2)
The intensity of the reflected light from the FBG is measured by the detectors D2 and D3 using the light intensity at the periodically changing detector D1 as a trigger.

複数（Ｎ個）のＦＢＧを配置した光ファイバの反射光強度計測し、結果を記憶する。行路差は周波数として表現される。計測された波形は、Ｎ個のＦＢＧの位置、つまり行路差が異なるので、周波数の異なるＮ個の波の重ね合わせ形となっている。この反射光強度計測結果に対しスペクトログラム解析を適用する。これは、ある波形に対しスライディングウィンドウを適用し時間毎の離散フーリエ変換を行い、時間に依存した周波数解析を行うものである。ここにおいては、時間は光源の波長を、周波数は行路差つまりＦＢＧの位置を表すこととなる。各ＦＢＧからの反射光強度が最大になる波長がそれぞれ異なっていおり、この反射光強度が最大となる波長の変化量をモニタリングすれば、各ＦＢＧ部での水素検知の有無を判定することが可能となる。この方式では一般的に同じ中心波長のＦＢＧを使うことが出来るため、センサの点数に制限はない。   The reflected light intensity of the optical fiber in which a plurality (N) of FBGs are arranged is measured and the result is stored. The path difference is expressed as a frequency. Since the measured waveforms have different positions of N FBGs, that is, path differences, they are superimposed on N waves having different frequencies. Spectrogram analysis is applied to the reflected light intensity measurement result. In this method, a sliding window is applied to a certain waveform, discrete Fourier transform is performed for each time, and time-dependent frequency analysis is performed. Here, time represents the wavelength of the light source, and frequency represents the path difference, that is, the position of the FBG. The wavelength at which the reflected light intensity from each FBG is maximized is different. By monitoring the amount of change in the wavelength at which the reflected light intensity is maximized, it is possible to determine whether or not hydrogen is detected in each FBG section. It becomes. In this method, since FBGs having the same center wavelength can be generally used, there is no limitation on the number of sensors.

液体水素燃料を使用するロケット及び宇宙輸送機等の燃料供給系統、あるいはこれらを評価するための試験設備等における水素漏洩を検知するとともに、漏洩箇所を特定することに適した測定方法として利用されるだけでなく、将来的に水素が石油代替エネルギー源として普及した場合、水素エネルギーに関連したインフラ(水素貯蔵施設、水素発電施設)設備や燃料電池自動車等の水素利用機器における水素漏洩監視と健全性評価への応用が大いに期待される。   It is used as a measurement method suitable for detecting hydrogen leaks in fuel supply systems such as rockets and space transports that use liquid hydrogen fuel, or in test facilities for evaluating them, and for identifying leak points In addition, if hydrogen becomes popular as an alternative energy source in the future, hydrogen leakage monitoring and soundness in hydrogen-related equipment (hydrogen storage facilities, hydrogen power generation facilities) equipment and fuel cell vehicles Application to evaluation is greatly expected.

本発明のＦＢＧ型センサの動作原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of operation of the FBG type sensor of the present invention. エバネッセント波吸収型センサの実施例とＯＴＤＲ検出特性を示す図である。It is a figure which shows the Example and OTDR detection characteristic of an evanescent wave absorption type sensor. エバネッセント波吸収型センサの実施例による実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result by the Example of an evanescent wave absorption type sensor. ＦＢＧ型センサの実施例と検出特性を示す図である。It is a figure which shows the Example and detection characteristic of a FBG type | mold sensor. 白色光源を用いたＦＢＧ型センサの実施例の構成図とこれを用いた実験結果を示す図である。It is a figure which shows the block diagram of the Example of the FBG type | mold sensor using a white light source, and the experimental result using this. ＯＦＤＲ方式のＦＢＧ型センサの実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the Example of the OFG-type FBG type sensor. エバナッセント波吸収型センサの動作原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of operation of an evanescent wave absorption type sensor. ＦＢＧの構造とそこでの反射・透過特性を説明する図である。It is a figure explaining the structure of FBG, and the reflection / transmission characteristic there.

符号の説明Explanation of symbols

１ 光ファイバコア ２ センサ部
2a,2b,2c…,2i… 各センサ部 ３,C1,C2,C3 光結合器
４，14 光源 ５，15 検出系
10 光ファイバ 12a,12b,12c…,12i… 各センサ部
D1,D2,D3 検出器 R1,R2,R3,R4 反射端 1 Optical fiber core 2 Sensor part
2a, 2b, 2c ..., 2i ... Each sensor unit 3, C1, C2, C3 Optical coupler 4, 14 Light source 5, 15 Detection system
10 Optical fibers 12a, 12b, 12c…, 12i… Each sensor unit
D1, D2, D3 detector R1, R2, R3, R4 Reflection end

Claims (4)

長尺の光ファイバに特定間隔でＦＢＧを配置すると共に、該ＦＢＧ部のクラッド周面に膜厚１μｍ以上の白金触媒担持酸化タングステン薄膜をゾルゲル法にて固定化した光ファイバ型水素センサ。   An optical fiber type hydrogen sensor in which FBGs are arranged on a long optical fiber at specific intervals, and a platinum catalyst-carrying tungsten oxide thin film having a thickness of 1 μm or more is fixed to the clad peripheral surface of the FBG part by a sol-gel method. 長尺の光ファイバに特定間隔でＦＢＧを配置すると共に、該ＦＢＧ部のクラッド周面に白金触媒担持酸化タングステン粉末を膜厚１μｍ以上の厚さで粉末焼付け法にて固定化した光ファイバ型水素センサ。   An optical fiber type hydrogen in which FBGs are arranged on a long optical fiber at specific intervals, and a platinum catalyst-supported tungsten oxide powder is fixed to a thickness of 1 μm or more on the cladding peripheral surface of the FBG part by a powder baking method. Sensor. 各計測部に配置するＦＢＧには異なる中心波長と帯域幅が与えられている請求項１又は２に記載の光ファイバ型水素センサ。   The optical fiber type hydrogen sensor according to claim 1 or 2, wherein different central wavelengths and bandwidths are given to the FBGs arranged in each measurement unit. 請求項３に記載の光ファイバ型水素センサを水素が使用される設備あるいは機器に設置し、当該センサへブロードバンド光を送り各ＦＢＧを通過又は反射する光の波長特性を検出し、中心波長の変化から水素の漏洩と反応したＦＢＧ位置とを検知する測定方法。   The optical fiber type hydrogen sensor according to claim 3 is installed in a facility or equipment in which hydrogen is used, a broadband characteristic is transmitted to the sensor, a wavelength characteristic of light passing through or reflecting each FBG is detected, and a change in center wavelength is detected. Method for detecting the position of the FBG that has reacted with the leakage of hydrogen.

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