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基于光纖微腔雙F?P游標(biāo)放大氫氣傳感器的自標(biāo)定技術(shù)及裝置的制作方法

文檔序號:11515786閱讀:346來源:國知局
基于光纖微腔雙F?P游標(biāo)放大氫氣傳感器的自標(biāo)定技術(shù)及裝置的制造方法

本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及基于光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器的自標(biāo)定技術(shù)及裝置。



背景技術(shù):

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,能源的需求與日俱增。而現(xiàn)在所使用的石油、煤炭等能源都是不可再生資源。同時,這些能源的使用會排放出大量的二氧化碳和溫室氣體,對環(huán)境危害大。氫能是一種無污染,儲量大,熱值高的清潔能源,是保障能源安全的永久性戰(zhàn)略。但是,由于氫氣分子量小,容易泄露,在生產(chǎn),儲存,運(yùn)輸,使用中存在很多安全隱患。因此,氫能在存儲和使用過程中必須對其進(jìn)行監(jiān)測?,F(xiàn)有的氫氣傳感器有催化式、熱導(dǎo)式、電化學(xué)式、光學(xué)式等幾大類產(chǎn)品。然而目前還沒有任何一種氫氣傳感器能完全滿足所有的市場要求。面對未來氫能市場的巨大需求,不斷提升傳感器的靈敏度、選擇性、響應(yīng)時間和穩(wěn)定性一直是氫氣傳感技術(shù)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

光纖傳感器興起于八十年代,因其具有良好的實時性,具有較高的靈敏度等特點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個鄰域,特別是受環(huán)境溫濕度影響小,體積小,重量輕,是無源器件,不產(chǎn)生火花,本質(zhì)安全這些特點(diǎn),光纖傳感技術(shù)在氫氣檢測領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。目前,常見的光纖氫氣傳感器的類型主要有光纖干涉型、微透鏡型、倏逝場型和布拉格光柵型等。鈀因為其對氫氣有很好的選擇性、透過性和吸收性而普遍被用作光學(xué)氫氣傳感中。當(dāng)氫氣遇到鈀時,氫氣能夠在鈀表面離解為氫原子,通過擴(kuò)散進(jìn)入鈀體內(nèi)。當(dāng)環(huán)境中的氫氣濃度降低時鈀中的氫又會結(jié)合成氫氣脫附,該反應(yīng)為可逆反應(yīng)。但是在一些特殊場合,光纖氫氣傳感器仍存在一些不足,例如沒有基準(zhǔn)線,會出現(xiàn)零基漂移,測量精度不高;鈀膜容易開裂導(dǎo)致測量范圍小,探測靈敏度不高等問題。

針對上述光纖氫氣傳感器中所存在的不足,解決零漂問題,實現(xiàn)對氫氣的高精度檢測。本發(fā)明提出了基于光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器的自標(biāo)定技術(shù)及裝置,這種技術(shù)選取雙f-p干涉腔中一組干涉峰作為自標(biāo)定線,解決零漂的問題,充分利用了光纖微腔所形成的雙f-p干涉結(jié)構(gòu),實現(xiàn)游標(biāo)放大效應(yīng),結(jié)合具有高穩(wěn)定性的銀鈀合金膜實現(xiàn)對氫氣的高精度檢測。根據(jù)此技術(shù)所制做的光纖傳感器具有感應(yīng)氫氣量程大,選擇性好,精度高,響應(yīng)時間短,重復(fù)性好,抗溫度干擾等優(yōu)點(diǎn)。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明提供了基于光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器的自標(biāo)定技術(shù)及裝置,以解決光纖氫氣傳感器普遍存在的零基漂移問題。

本發(fā)明的技術(shù)包括以下步驟:

步驟一選擇一個輸出波長為1420nm至1620nm的寬帶光源(1),一個工作波長覆蓋1420nm至1620nm的光譜分析儀(2),一個3db耦合器(3),單模光纖(4),長度差為5μm~50μm的空芯光纖(6)、多模光纖(7);

步驟二將兩段空芯光纖(6),多模光纖(7)的末端垂直切割,并用熔接機(jī)進(jìn)行熔接,形成雙f-p氫氣傳感模塊(5),其中空芯光纖(6)構(gòu)成第一f-p光纖微腔(10),多模光纖(7)構(gòu)成第二f-p光纖微腔(11);

步驟三在空芯光纖(6)外表面涂覆銀膠,再對雙f-p氫氣傳感模塊(5)進(jìn)行磁控濺射,使得雙f-p氫氣傳感模塊(5)外表面均勻鍍上銀膜(11)、銀/鈀復(fù)合膜(12);銀膜(11)的厚度應(yīng)為2nm~10nm,銀/鈀復(fù)合膜(12)的厚度應(yīng)為10nm~40nm,銀/鈀復(fù)合膜(12)中鈀含量為銀含量的2.5~3.5倍;由于空芯光纖(6)已涂覆銀膠,所以不能緊密粘敷銀膜(11)和銀/鈀復(fù)合膜(12);進(jìn)一步洗凈銀膠,只有多模光纖(7)外表面鍍的銀膜(11)和銀/鈀復(fù)合膜(12)被保留,從而形成敏感探頭;先濺射銀膜(11),后濺射銀/鈀復(fù)合膜(12)能夠提高膜與光纖傳感頭的結(jié)合力,另一方面也能夠提高傳感器的重復(fù)性和靈敏度;第一f-p光纖微腔(10)外表無鍍膜,作為自標(biāo)定技術(shù)“雙標(biāo)尺”中穩(wěn)定的“基標(biāo)尺”,為自標(biāo)定技術(shù)提供一系列基準(zhǔn)線,第二f-p光纖微腔(11)外表鍍有銀膜(11),銀/鈀復(fù)合膜(12),作為“游標(biāo)尺”,用于感應(yīng)待測量,可隨待測量移動;

步驟四3db耦合器(3)一側(cè)的兩個端口分別與寬帶光源(1),光譜分析儀(2)相連,3db耦合器(3)另一側(cè)的端口通過單模光纖(4)與帶有自標(biāo)定功能的雙f-p氫氣傳感模塊(5)相連;光譜分析儀(2)作為信號解調(diào)部分。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采取的裝置:

其特征在于:由寬帶光源(1)、光譜分析儀(2)、3db耦合器(3)、單模光纖(4)、雙f-p氫氣傳感模塊(5)組成;所述雙f-p氫氣傳感模塊(5)由空芯光纖(6)、多模光纖(7)熔接而成;其中空芯光纖(6)構(gòu)成第一f-p光纖微腔(10);多模光纖(7)構(gòu)成第二f-p光纖微腔(11),外表面鍍有銀膜(11),銀/鈀復(fù)合膜(12);3db耦合器(3)一側(cè)的兩個端口分別與寬帶光源(1),光譜分析儀(2)相連,3db耦合器(3)另一側(cè)的端口通過單模光纖(4)與雙f-p氫氣傳感模塊(5)相連;光譜分析儀(2)作為信號解調(diào)部分。

本發(fā)明的有益效果為:

本發(fā)明選取雙f-p干涉腔中一組干涉峰作為自標(biāo)定線,解決零漂的問題,充分利用了光纖微腔所形成的雙f-p干涉結(jié)構(gòu),實現(xiàn)游標(biāo)放大效應(yīng),結(jié)合具有高穩(wěn)定性的銀鈀合金膜實現(xiàn)對氫氣的高精度檢測。根據(jù)此技術(shù)所制做的光纖傳感器具有感應(yīng)氫氣量程大,選擇性好,精度高,響應(yīng)時間短,重復(fù)性好,抗溫度干擾等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的雙f-p氫氣傳感模塊(5)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步描述。

參見附圖1,基于光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器的自標(biāo)定技術(shù)及裝置,包括寬帶光源(1)、光譜分析儀(2)、3db耦合器(3)、單模光纖(4)、雙f-p氫氣傳感模塊(5);所述雙f-p氫氣傳感模塊(5)由空芯光纖(6)、多模光纖(7)熔接而成;其中空芯光纖(6)構(gòu)成第一f-p光纖微腔(10);多模光纖(7)構(gòu)成第二f-p光纖微腔(11),外表面鍍有銀膜(11),銀/鈀復(fù)合膜(12);3db耦合器(3)一側(cè)的兩個端口分別與寬帶光源(1),光譜分析儀(2)相連,3db耦合器(3)另一側(cè)的端口通過單模光纖(4)與雙f-p氫氣傳感模塊(5)相連;光譜分析儀(2)作為信號解調(diào)部分。

本發(fā)明的工作方式為:寬帶光源(1)產(chǎn)生信號光,由單模光纖(4)輸入到3db耦合器(3),3db耦合器(3)將信號光通過單模光纖(4)輸入到雙f-p氫氣傳感模塊(5)在端面反射,反射光經(jīng)過單模光纖(4),通過3db耦合器(3)與寬帶光源(1)相連接側(cè)的另一端口相干輸出到光譜分析儀(2)。

第一f-p光纖微腔(10)外無氫氣敏感膜,作為自標(biāo)定技術(shù)“雙標(biāo)尺”中穩(wěn)定的“基標(biāo)尺”,為自標(biāo)定技術(shù)提供一系列基準(zhǔn)線,第二f-p光纖微腔(11)外表鍍有銀膜(11),銀/鈀復(fù)合膜(12),作為“游標(biāo)尺”,用于感應(yīng)待測量,可隨待測量移動;這時的光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器具有自標(biāo)定功能。

第一f-p光纖微腔(10)與第二f-p光纖微腔(11)分別對應(yīng)于游標(biāo)卡尺里面的標(biāo)尺和游尺,所以雙f-p氫氣傳感模塊(5)由于游標(biāo)放大效應(yīng),能實現(xiàn)對氫氣的高精度測量;

當(dāng)氫氣濃度增加,銀/鈀復(fù)合膜(12)吸收氫后,體積發(fā)生膨脹,從而對第二f-p光纖微腔(11)施加軸向的應(yīng)力,改變光纖干涉儀相位,導(dǎo)致光纖傳感頭干涉譜移動;第一f-p光纖微腔(10)無氫氣敏感膜,微腔有效長度不變,為實驗提供“基線”;利用光譜分析儀(2)檢測干涉波長的變化就可以得到氫氣的濃度。

該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)基于光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器的自標(biāo)定技術(shù)及裝置的關(guān)鍵技術(shù)有:

選取雙f-p干涉腔中一個無氫氣敏感膜的f-p光纖微腔作為自標(biāo)定技術(shù)“雙標(biāo)尺”中的“基標(biāo)尺”,為自標(biāo)定技術(shù)提供一系列基準(zhǔn)線,從而獲得一個穩(wěn)定的“基標(biāo)尺”,另一個鍍有銀膜,銀/鈀復(fù)合膜的f-p光纖微腔作為“游標(biāo)尺”,用于感應(yīng)待測量,可隨待測量移動,以此解決零漂的問題;利用了光纖微腔所形成的雙f-p干涉結(jié)構(gòu),選取了兩段等效腔長不同的f-p光纖微腔,實現(xiàn)游標(biāo)放大效應(yīng);結(jié)合具有高穩(wěn)定性的銀鈀合金膜,通過多次交替濺射,提高膜與光纖傳感頭的結(jié)合力,實現(xiàn)對氫氣的高精度檢測。根據(jù)此技術(shù)所研制的光纖傳感器具有感應(yīng)氫氣量程大,選擇性好,精度高,響應(yīng)時間短,重復(fù)性好,抗溫度干擾等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的一個具體實施例中,光源的輸出波長為1200nm~1650nm;光譜儀的工作波長覆蓋范圍為1200nm~1650nm;單模光纖用的是常規(guī)單模光纖(g.625),纖芯直徑為8.2μm,包層直徑為125μm,多模光纖用的是漸變折射率多模光纖,纖芯直徑為62.5μm,包層直徑為125μm,空芯光纖用的是石英毛細(xì)管(tsp075150),外徑為150μm,內(nèi)徑為75μm,涂層為12μm;空芯光纖和多模光纖的長度分別為200μm和215μm,長度差為15μm;銀膜厚度為5nm,銀/鈀復(fù)合膜厚度為30nm,銀和鈀的比例為1∶3,在氫氣濃度在0%至1.6%范圍內(nèi),基于光纖微腔雙f-p游標(biāo)放大氫氣傳感器的靈敏度為20nm/%。

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