一種反射式的光纖氫氣濃度測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種反射式的光纖氫氣濃度測(cè)量方法，包括寬譜光源1、參考單元2、傳感單元3和光譜儀4，所述的參考單元2是一個(gè)高雙折射光纖環(huán)鏡，所述的傳感單元3是一個(gè)反射式的高雙折射光纖環(huán)鏡，其尾端的傳感探頭由單模光纖、鍍有鈀基氫敏膜的高雙折射光纖和充滿酒精的毛細(xì)管串聯(lián)形成；寬譜光源1發(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)參考單元2和傳感單元3后，進(jìn)入光譜儀4進(jìn)行光波長(zhǎng)和光強(qiáng)度的測(cè)量。其中，參考單元2的結(jié)構(gòu)參數(shù)固定且不受任何外界環(huán)境參數(shù)的影響；傳感單元3的探頭將根據(jù)實(shí)際需要安置在被測(cè)環(huán)境附近。最后，通過(guò)觀測(cè)參考單元2和傳感單元3級(jí)聯(lián)后的總透射譜的變化量來(lái)反推氫氣濃度的變化，實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的高靈敏度、高精度、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線測(cè)量。
【專利說(shuō)明】
_種反射式的光纖氫氣^農(nóng)度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種反射式的光纖氫氣濃度測(cè)量方法，屬于光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和工業(yè)化程度的不斷提高，全球環(huán)境污染、能源短缺以 及溫室效應(yīng)卻日益嚴(yán)重，因此，迫切需要尋找高效、清潔、可再生的新能源，來(lái)完成資源的開(kāi) 拓和環(huán)境、能源的可持續(xù)發(fā)展。氫氣作為一種理想的清潔能源，具有燃燒熱值高、燃燒產(chǎn)物 無(wú)污染的特點(diǎn)，被稱為21世紀(jì)新能源體系的支柱，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和巨大的開(kāi)發(fā)前景 (文獻(xiàn) 1. B. D. Solomon, A. Baner jee. A global survey of hydrogen energy research, development and policy [J], Energy Policy, 2006, 34(7): 781-792·)。 但在利用氫氣的同時(shí)，也存在著很多潛在危險(xiǎn):氫是質(zhì)量最輕的元素，一旦泄漏發(fā)生會(huì)很快 擴(kuò)散;氫氣本身是一種易燃易爆氣體，其點(diǎn)火能量?jī)H為〇.〇17mJ;當(dāng)空氣中氫氣的含量位于 4%~74.5%之間時(shí)，遇明火或電火花就會(huì)發(fā)生爆炸。氫氣一旦發(fā)生爆炸，將嚴(yán)重影響人們生命 和財(cái)產(chǎn)的安全。所以，研究和發(fā)展實(shí)用化的氫氣傳感技術(shù)，是研究氫能、利用氫能和防止氫 氣危害的首要條件，并逐漸引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
[0003] 根據(jù)測(cè)量原理的不用，氫氣傳感器可分為催化劑燃燒型、熱傳導(dǎo)型、電化學(xué)型和光 纖型幾種（文獻(xiàn)2· T. Hilbert, L. Boon-Brett, G. Black, U. Banach. Hydrogen sensors-A review [J], Sensors and Actuators B: Chemical, 2011, 157(2): 329-352.)。催化劑燃燒型氫氣傳感器是利用氫氣在傳感器表面和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)燃燒時(shí)會(huì) 釋放熱能的特性實(shí)現(xiàn)氫氣測(cè)量的（文獻(xiàn)3.E. B. Lee, I. S. Hwang, J. H. Cha，H. J. Lee , ff. B. Lee , J. J. Pak, J. H. Lee , B. K. Ju. Micromachined catalytic combustible hydrogen gas sensor [J], Sensors and Actuators B: Chemical, 2011, 153(2): 392-397.)，但其存在鑒別性差、功耗大、易帶來(lái)爆炸隱患的缺點(diǎn)；熱傳導(dǎo)型氫氣傳 感器是利用氣體的導(dǎo)熱系數(shù)不同實(shí)現(xiàn)測(cè)量的（文獻(xiàn)4. I. Simon, M. Arndt. Thermal and gas-sensing properties of a micromachined thermal conductivity sensor for the detection of hydrogen in automotive applications [J], Sensors and Actuators B: Chemical, 2002，97-98: 104-108.)，但其不能檢測(cè)1%濃度以下的氫氣；電化學(xué)型氫氣 傳感器是利用固態(tài)電解質(zhì)與氫氣反應(yīng)改變電路中電流，最后通過(guò)檢測(cè)輸出電壓變化來(lái)確定 氫氣的濃度（文獻(xiàn)5. G. Korotcenkov, S. D. Han, J. R. Stetter. Review of electrochemical hydrogen sensors [J], Chemical Reviews, 2009, 109(3): 1402-1433.)，由于傳感信號(hào)是電信號(hào)，在測(cè)量時(shí)容易產(chǎn)生電火花，存在引燃?xì)錃獗ǖ臐撛谖?險(xiǎn)，并且電信號(hào)容易受到電磁干擾，極大地影響了傳感器的測(cè)量精度;光纖氫氣傳感器的測(cè) 量原理是氫氣與沉積在光纖上的氫敏材料發(fā)生反應(yīng)來(lái)改變氫敏材料的某些性質(zhì)，使得光纖 中光信號(hào)的波長(zhǎng)或強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而通過(guò)檢測(cè)光信號(hào)的改變量來(lái)反推出外界氫氣的濃度 (文獻(xiàn)6.許琰瑋，劉永智.光纖氫氣傳感技術(shù)的研究進(jìn)展[J]，激光與光電子學(xué)進(jìn)展， 2006，43(7): 1-5.)。相比較來(lái)說(shuō)，光纖氫氣傳感器因具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾能力強(qiáng)且 耐高溫、高壓、腐蝕等優(yōu)異特性，表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但目前仍存在靈敏度低、抗干擾能 力差、不適于遠(yuǎn)距離測(cè)量的問(wèn)題（文獻(xiàn)7· Τ· Y. Hu，D. N. Wang, M. Wang, Z. Li，M. H. Yang. Miniature hydrogen sensor based on fiber inner cavity and Pt-doped W03 coating [J], IEEE Photonics Technology Letters, 2014, 26(14): 1458-1461; 文南犬8. J. X. Dai, Μ. H. Yang, X. Yu, K. Cao，J. S. Liao. Greatly etched fiber Bragg grating hydrogen sensor with Pd/Ni composite film as sensing material [J]，Sensors and Actuators B: Chemical，2012，174: 253-257;文獻(xiàn)9. M. Wang， D. N. Wang，M. Yang, J. Cheng, J. Li. In-line Mach-Zehnder Interferometer and FBG with Pd film for simultaneous hydrogen and temperature detection [J]， Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 202: 893-896.)〇
[0004] 為了解決現(xiàn)有氫氣測(cè)量方法的不足，本發(fā)明提出一種基于鈀基敏感膜的高雙折射 光纖環(huán)境氫氣傳感技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的高精度、遠(yuǎn)距離、低成本測(cè)量，同時(shí)，引入級(jí)聯(lián) 光纖環(huán)境結(jié)構(gòu)，以達(dá)到提高氫氣測(cè)量靈敏度的目的，為特殊場(chǎng)合下的氫氣濃度檢測(cè)提供一 種新穎可靠的解決方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] ( - )要解決的技術(shù)問(wèn)題 本發(fā)明的目的在于克服目前光纖氫氣傳感器的不足之處，提出一種高靈敏度、高精度、 反射式的氫氣濃度測(cè)量方法。
[0006] (二)技術(shù)方案 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種反射式的光纖氫氣濃度測(cè)量方法，包括寬譜光源 I、 參考單元2、傳感單元3和光譜儀4,所述的參考單元2是一個(gè)高雙折射光纖環(huán)鏡，所述的傳 感單元3是一個(gè)反射式的高雙折射光纖環(huán)鏡，其反射探頭由單模光纖、鍍有鈀基氫敏膜的高 雙折射光纖和充滿酒精的毛細(xì)管串聯(lián)形成;寬譜光源1發(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)參考單元2和傳感 單元3后，進(jìn)入光譜儀4進(jìn)行光波長(zhǎng)和光強(qiáng)度的測(cè)量。其中，參考單元2的結(jié)構(gòu)參數(shù)固定且不 受任何外界環(huán)境參數(shù)的影響；傳感單元3的尾端將根據(jù)實(shí)際需要安置在被測(cè)環(huán)境附近。最 后，通過(guò)觀測(cè)參考單元2和傳感單元3級(jí)聯(lián)后的總透射譜的變化量來(lái)反推氫氣濃度的變化， 實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的高靈敏度、高精度、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線測(cè)量。
[0007] (三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果： 1)本發(fā)明提出的這種反射式的光纖氫氣濃度測(cè)量方法，解決了目前光纖環(huán)鏡傳感器 中存在的傳感探頭體積大、易受鏈路干擾影響、不適于遠(yuǎn)距離測(cè)量以及光纖氫氣傳感器在 使用過(guò)程中普遍存在的易受環(huán)境溫度干擾的實(shí)際問(wèn)題，為氫氣濃度的高精度、遠(yuǎn)距離測(cè)量 提供可行的技術(shù)手段。
[0008] 2)利用參考單元2和傳感單元3級(jí)聯(lián)后的總透射譜的變化量來(lái)反推氫氣濃度的變 化，可將傳感單元3上的透射譜變化量在總透射譜上得以放大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的高靈敏 度測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1為本發(fā)明提供的反射式光纖氫氣濃度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明提供的反射式傳感探頭結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及工作過(guò)程作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0011] 如圖1所示為本發(fā)明提出的一種反射式的光纖氫氣濃度測(cè)量方法。其工作過(guò)程為： 寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)分光比為50:50的親合器5后被分成兩束光，其中一束光沿順時(shí)針?lè)?向在參考光纖環(huán)鏡中傳輸，另一束光沿逆時(shí)針?lè)较蛟诠饫w環(huán)鏡中傳輸，由于高雙折射光纖 的雙折射效應(yīng)，使得沿相反方向傳輸?shù)膬墒獠óa(chǎn)生光程差，因此，這兩束光會(huì)在耦合器5 處相遇并發(fā)生干涉，干涉后的光進(jìn)入另一個(gè)分光比為50:50的耦合器6,同樣被分成順時(shí)針 和逆時(shí)針兩個(gè)方向傳輸?shù)膬墒猓@兩束光在分光比為50 :50的親合器7處相遇后，進(jìn)入反 射式傳感探頭，該探頭將根據(jù)實(shí)際需要安置在被測(cè)環(huán)境附近，這樣，從探頭反射回來(lái)的光信 號(hào)中將攜帶有氫氣濃度和溫度信息，該信號(hào)將被耦合器7分成沿順時(shí)針傳輸和沿逆時(shí)針傳 輸?shù)膬墒?，這兩束光在耦合器6處相遇并發(fā)生干涉，最后進(jìn)入光譜儀4中進(jìn)行光波長(zhǎng)和光 強(qiáng)度的測(cè)量。
[0012] 如圖2所示為本發(fā)明提出的反射式傳感探頭結(jié)構(gòu)，該探頭由單模光纖8、表面鍍有 鈀基氫敏膜的高雙折射光纖9、單模光纖10和充滿酒精的毛細(xì)管11串聯(lián)而成，其中，高雙折 射光纖9與單模光纖8之間通過(guò)熔接機(jī)進(jìn)行熔融連接，同樣，高雙折射光纖9與單模光纖10之 間也通過(guò)熔接機(jī)進(jìn)行熔融連接，而單模光纖10的尾端將在切平整后直接插入充滿酒精的毛 細(xì)管11中，并在毛細(xì)管11的端口處用UV膠進(jìn)行密封。這樣，從耦合器7發(fā)出的光經(jīng)單模光纖 和高雙折射光纖后進(jìn)入另一段單模光纖，然后由于菲涅爾反射作用，光信號(hào)將在單模光纖 尾端發(fā)生反射，反射光再次經(jīng)單模光纖、高雙折射光纖、單模光纖后進(jìn)入耦合器7。由于高雙 折射光纖表面鍍有鈀基氫敏膜，因此，當(dāng)外界氫氣濃度和溫度發(fā)生變化時(shí)，均會(huì)改變高雙折 射光纖的雙折射特性，進(jìn)而影響傳感光纖環(huán)鏡的輸出譜峰值波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)。此外，由于酒精 的折射率會(huì)受環(huán)境溫度影響，當(dāng)外界溫度改變時(shí)，會(huì)影響單模光纖尾端的反射率，使光纖環(huán) 鏡的輸出譜峰值強(qiáng)度發(fā)生變化。因此可得：
其中，Δ λ、Δ t分別為光纖環(huán)鏡輸出光譜的波長(zhǎng)移動(dòng)量和強(qiáng)度變化量；Δ C、Δ T分別為 氫氣濃度的變化量和外界溫度的變化量。a為氫氣濃度變化時(shí)光纖環(huán)鏡輸出譜的波長(zhǎng)移動(dòng) 靈敏度系數(shù);b、d分別為外界溫度變化時(shí)光纖環(huán)鏡輸出譜的波長(zhǎng)移動(dòng)靈敏度系數(shù)和光強(qiáng)變 化靈敏度系數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)固定時(shí)，a、b、d均為固定值，因此，結(jié)合雙參數(shù)矩陣法，通過(guò)觀察輸出 譜波長(zhǎng)的移動(dòng)量和強(qiáng)度的變化量即可反推出外界的氫氣濃度和溫度大小，不僅可解決溫度 對(duì)氫氣濃度測(cè)量的交叉敏感問(wèn)題，還可以實(shí)現(xiàn)氫氣濃度和溫度的同時(shí)監(jiān)測(cè)，避免溫度過(guò)高 所引起的潛在的氫氣爆炸危險(xiǎn)，此外，其獨(dú)特的反射式傳感探頭結(jié)構(gòu)有利于信號(hào)的遠(yuǎn)傳，為 氫氣濃度的遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)提供了可能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種反射式的光纖氫氣濃度測(cè)量方法，包括寬譜光源1、參考單元2、傳感單元3和光 譜儀4，其特征在于:所述的參考單元2是一個(gè)高雙折射光纖環(huán)鏡，其結(jié)構(gòu)參數(shù)固定且不受任 何外界環(huán)境參數(shù)的影響，所述的傳感單元3是一個(gè)反射式的高雙折射光纖環(huán)鏡，其尾端的反 射式傳感探頭將根據(jù)實(shí)際需要安置在被測(cè)環(huán)境附近，寬譜光源1發(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)參考單 元2和傳感單元3后，進(jìn)入光譜儀4進(jìn)行光波長(zhǎng)和光強(qiáng)度的測(cè)量，最后，通過(guò)測(cè)量參考單元2和 傳感單元3級(jí)聯(lián)后的總透射譜的變化量來(lái)反推氫氣濃度的變化。2. 如權(quán)利要求1所述的一種反射式的光纖氫氣濃度測(cè)量方法，其特征在于:所述的反射 式傳感探頭由單模光纖8、表面鍍有鈀基氫敏膜的高雙折射光纖9、單模光纖10和充滿酒精 的毛細(xì)管11串聯(lián)而成，其中，高雙折射光纖9與單模光纖8之間通過(guò)熔接機(jī)進(jìn)行熔融連接，同 樣，高雙折射光纖9與單模光纖10之間也通過(guò)熔接機(jī)進(jìn)行熔融連接，而單模光纖10的尾端將 在切平整后直接插入充滿酒精的毛細(xì)管11中，并在毛細(xì)管11的端口處用UV膠進(jìn)行密封。
【文檔編號(hào)】G01N21/27GK105866045SQ201610189418
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】張亞男, 趙勇, 李晉, 呂日清
【申請(qǐng)人】東北大學(xué)