[发明专利]等离子体共振倾斜光纤光栅氢气传感器、检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种等离子体共振倾斜光纤光栅氢气传感器、检测系统及方法，所述系统包括光源、起偏器、偏振控制器、等离子体共振倾斜光纤光栅氢气传感器、光电探测器、示波器和气体贮存容器，光源、起偏器、偏振控制器、氢气传感器、光电探测器和示波器依次连接，所述氢气传感器在测量氢气时置于气体贮存容器内；氢气传感器包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，倾斜光纤光栅的倾斜角度小于或等于45度，所述光纤包层外表面镀有纳米量级的钯膜，通过镀钯膜的倾斜光纤光栅，激发钯膜表面的等离子体共振波，对氢气进行特异性识别，进一步实现氢气静态浓度和动态浓度变化的高精度测量。

技术领域

本发明涉及一种氢气测量仪器，尤其是一种等离子体共振倾斜光纤光栅氢气传感器、检测系统及方法，属于气体检测领域。

背景技术

进入二十一世纪以来，氢气作为未来的清洁能源引起了巨大的关注，特别是由于其可回收和低污染的特性。氢气被广泛用于太空环境中，为火箭和动力生命支持系统和计算机提供燃料的动力源。氢气还可以用于汽车工业，其与氧气反应在汽车钢部件上产生明亮的光泽。当用作替代燃料时，它在减少不良排放方面起着关键作用。

由于氢需求的规模和增长，其如何被安全使用引起了广泛的关注。氢气无色，无味，极易挥发，易燃，甚至具有爆炸性：在室温和压力下，氢气的爆炸范围很宽，浓度超过4％(爆炸下限)，同时点火能量低，火焰传播速度大。此外，它非常快速和容易地扩散，并且由于其分子尺寸小，极易从容器中泄漏。因此，随着氢气的工业用途增加，迫切需要安全，坚固，紧凑和实时的传感器来监测氢气的存在以保证使用的人和设备的安全。

近年来，各类型的氢传感器被争相报道。其中，一类是基于钯(Pd)纳米线和纳米颗粒的电氢气传感器。然而，这种电传感器在高工作温度下显示出增强的灵敏度，从而容易引起安全问题。另一类是光学传感器，此类传感器基于不同的光学原理和装置，例如玻璃棱镜或微镜。

目前，以光纤为物理媒质，以其结构小巧、灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、本质安全以及便于多点组网和远距离遥测等优点，非常适合用于设计氢气传感器。在相关报道中，比如去除包层型，干涉型，声学谐振器型或光纤光栅型等等。由于氢的分子结构，分子氢在光学频率下是透明，所以的无法使用传统的吸收光谱作为分析工具，因此大多数光纤氢气传感器都是基于钯而不是吸收光谱。在氢气的存在下，分子氢被插入钯晶格内，导致钯从金属到金属氢化物的可逆相变，从而提供改变传感器的光学性质的平均值。

1982年，在Liedberg等人对表面等离子体共振传感器对气体以及生物样品的检测的报道后，以其具有检测过程方便迅速、无需标记、实时监测、精度高等特点，使表面等离子体共振传感器在传感领域得到广泛应用。

等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的负电子组成的离子化气状物质。带电粒子受到外界干扰时，能引起正负电荷的局部集中，产生电场，而电场又产生磁场，同时伴随着极强的热辐射和热传导等等，这种电子沿金属层表面的波动形式叫做表面等离子体波(Surface Plasmon Wave，SPW)。当在电介质和金属的接触面处，外界电磁场作用于等离子体时，金属中的部分自由电子发生位移，破坏了此区域的电中性，并且形成电场，发生位移的电子由于电场的作用而在其平衡位置振荡，振荡波沿金属界面纵向传输，其振幅以指数形式衰减，这种在空间电荷电场的作用下，等离子体内部的正负带电粒子发生密度起伏的振荡，称为表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)。