[发明专利]一种基于WO3

说明书

本发明公开了一种基于WO₃的Sagnac干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源，光谱仪，单模光纤，光纤耦合器，FC光纤连接器，气室，气体流量控制器，氢气发生器，空气泵，掺催化剂的WO₃/SiO₂混合膜，PDMS，由飞秒激光刻写倾斜角为1.5°的光纤波导，无芯光纤组成。宽带光源发出的光通过单模光纤进入光纤耦合器，后被分成顺时针和逆时针方向的两列光波分别经FC光纤连接器传播，通过涂附掺催化剂的WO₃/SiO₂混合膜包裹的带有由飞秒激光刻写倾斜角为1.5°的光纤波导的无芯光纤，传输一周后，两列光波在光纤耦合器透射端处汇合并发生干涉。氢气浓度发生变化时，PDMS利用热膨胀性质改变无芯光纤表面折射率，通过计算产生的光程差，测得氢气浓度及其变化量。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于WO₃的Sagnac干涉型光纤氢气传感器。

背景技术

1913年萨格纳克发明了环形干涉仪，并总结了工作原理即将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉，当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移动。

光纤光栅特别是布拉格光栅，以其低插入损耗，易于集成，稳定性好等优点被广泛应用于光纤传感领域，成为了不可缺少的光学元件。

WO₃/SiO₂粉末用作敏感区域，当传感器暴露在混有氢气的空气中时，氧化还原反应会导致环境温度升高，导致由于PDMS的热膨胀导致传感部分形状变化。

光波导由光透明介质构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理不同于金属封闭波导，在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。多模和单模光纤已成功地应用于通信。光纤的传输特性对外界的温度因素敏感，因而可制成光纤传感器，用于测量温度.

聚二甲基硅氧烷(PDMS)，是有机硅的一种，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，已大量应用于光纤传感领域。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于以萨格纳克干涉结构为传感器主要结构，利用WO₃与氢气发生氧化还原反应放热和PDMS的受热易膨胀性质，改变倾斜布拉格光纤光栅包层模环境，形成氢气传感器。

本发明通过以下技术方案实现：一种基于WO₃的Sagnac干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源，光谱仪，单模光纤，光纤耦合器，FC光纤连接器，气室，无芯光纤，氢气流量控制器，空气流量控制器，氢气发生器，空气泵，掺催化剂的WO₃/SiO₂混合膜，PDMS，由飞秒激光刻写倾斜角为1.5°的光纤波导组成；宽带光源发出的光通过单模光纤进入光纤耦合器，后被分成顺时针和逆时针方向的两列光波分别经FC光纤连接器传播，通过涂附掺催化剂的WO₃/SiO₂混合膜包裹的带有由飞秒激光刻写倾斜角为1.5°的光纤波导的无芯光纤，传输一周后，两列光波在光纤耦合器透射端处汇合并发生干涉。连接气室的氢气流量控制器和空气流量控制器分别连接氢气发生器和空气泵，氢气浓度发生变化时，PDMS利用热膨胀性质改变无芯光纤表面折射率，通过计算产生的光程差，测得氢气浓度及其变化量。

本发明的工作原理是：基于光纤萨格纳克干涉的干涉特性，利用黏附在PDMS外的WO₃/SiO₂粉末与氢气发生氧化还原反应，改变涂附掺催化剂的WO₃/SiO₂混合膜包裹的带有由飞秒激光刻写倾斜角为1.5°的光纤波导的无芯光纤表面折射率，检测氢气浓度及其变化量，化学方程式如下：