[发明专利]基于光纤光栅微腔的相移光纤光栅氢气传感器

说明书

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、燃点低和易爆炸的浓度范围广(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。