[发明专利]基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器

摘要

本发明涉及基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，其特征在于包括宽带光源、光谱分析仪、单模光纤、环形器、双C型氢气传感头；PDMS（聚二甲基硅氧烷）将空芯光纤分隔成两个C型空腔，一个微腔形成干涉结构，另一个微腔内嵌氢气敏感材料作为传感区。当氢气浓度增加，Pt/WO3（三氧化钨载铂）粉末与氢气发生反应产生热，PDMS薄膜体积发生膨胀，导致干涉谱移动，检测干涉波长的变化就可以得到氢气的浓度。针对现有光纤氢气传感器存在的传感区域大、不适合远距离操控、氢气敏感材料容易脱落，制作复杂等缺点，提出了一种结构制作简单，操作灵活，传感结构紧凑，尺寸微小，可以长期使用的基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器。

主权项

基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，其特征在于包括如下步骤：步骤一选择一个输出波长为1420nm至1620nm的宽带光源，一个工作波长覆盖1420nm至1620nm的光谱分析仪，单模光纤，环形器，双C型氢气传感头；其中双C型氢气传感头由空芯光纤， PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜， Pt/WO₃（三氧化钨载铂）组成；步骤二双C型氢气传感头的制作，是将一段空芯光纤和一段单模光纤的末端垂直切割，并用熔接机进行熔接，空芯光纤的长度为100μm ~150μm，将熔接形成的传感结构垂直插入PDMS（聚二甲基硅氧烷）中，由于毛细效应，PDMS会进入空芯光纤中，并将空芯光纤分隔成空腔1和空腔2，空腔1的长度为20μm ~60μm；然后将传感结构置于加热箱中固化，固化温度为50℃~70℃，时间为2~3小时；将加热箱中取出的结构置于Pt/WO₃粉末中，使PDMS在空腔2一侧的表面黏附Pt/WO₃粉末；由于经过加热的PDMS为半固化状态，Pt/WO₃粉末会紧密黏附在未完全固化的PDMS上；将传感结构重新放置于加热箱中固化，固化温度为50℃~70℃，固化时间为3~5小时，使得PDMS完全固化形成PDMS薄膜；黏附有Pt/WO₃粉末的PDMS薄膜作为氢气检测的敏感区域；步骤三宽带光源通过单模光纤与环形器的401端口相连，环形器的402端口通过单模光纤与双C型氢气传感头相连，环形器的403端口通过单模光纤与光谱分析仪相连；光谱分析仪作为信号解调部分；步骤四宽带光源发出的信号光通过单模光纤从环形器的401端口输入，从环形器的402端口输出，通过单模光纤传输到双C型氢气传感头；一部分信号光在单模光纤与空芯光纤相接的界面发生反射，另一部分信号光会在 PDMS薄膜靠近空腔1的界面发生反射；两部分光的相位差为$\[ \mathrm{\Δ}\mathrm{\Φ}=\frac{2\mathrm{\π}\mathrm{nL}}{\mathrm{\λ}} \]$，其中n为空气折射率，L为空腔1最长腔长，λ为波长；两部分光会在环形器中叠加干涉，通过环形器的403端口相干输出到光谱分析仪，进行信号解调;由于存在半波损失，不同级次的干涉光强极小值处波长值表示为$\[ {\mathrm{\λ}}_m=2\mathrm{nL}/m \]$，其中m为干涉级次；当氢气浓度升高时，Pt/WO₃粉末会与氢气发生氧化还原反应，使得氢气敏感区域温度升高；PDMS薄膜会受热发生膨胀，导致空腔1最长腔长L减小，使得两部分光的相位差减小，干涉条纹向短波方向移动；传感器氢气灵敏度可表示为$\[ S=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δ}c}=\frac{2}{m}\frac{\∂L}{\∂c}n={\mathrm{\λ}}_m\frac{\∂L}{\∂c}\frac{1}{L}={\mathrm{\λ}}_{m}k\mathrm{\α} \]$，其中Δλ为波长漂移量，Δc为氢气浓度变化量，k为PDMS的热膨胀系数，α为Pt/WO₃粉末在单位浓度下所释放的热量，c为氢气浓度，L为室温下空腔1最长腔长；由于k与α均为常量，由公式可以得波长的漂移量与氢气浓度成线性关系；利用光谱分析仪对得到的光谱进行解调，就可以得到氢气浓度。