一種光纖氫氣傳感器的制造方法
【專利摘要】一種光纖氫氣傳感器。它是將單模光纖與毛細(xì)管直接熔接，向毛細(xì)管中填充聚合物，在熔接處留存一定空氣間隙構(gòu)成法布里?珀羅干涉儀；在毛細(xì)管外壁涂敷三氧化鎢載鉑催化劑(Pt?loaded WO3)粉末。利用H2與O2在Pt?loaded WO3粉末催化下發(fā)生放熱反應(yīng)，以及聚合物較大的熱膨脹系數(shù)，實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的高靈敏度測(cè)量。
【專利說(shuō)明】
一種光纖氫氣傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型涉及一種檢測(cè)氫氣濃度的光纖傳感裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 氫氣因其燃燒充分，易制備等特點(diǎn)，成為一種深受歡迎的清潔能源，應(yīng)用于航天、 發(fā)電等領(lǐng)域。同時(shí)，它又具有較寬的爆炸極限(4%_75%體積比），使用時(shí)得十分注意其濃度 變化。因此，氫氣泄露檢測(cè)或高精度的氫氣濃度檢測(cè)顯得尤為重要。
[0003] 光纖傳感器具有抗電磁干擾和便于遠(yuǎn)距離遙感等特點(diǎn)，尤其是不涉及任何明火， 因此安全可靠，廣泛應(yīng)用于各種易燃易爆場(chǎng)合。1984年美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Butler和 Ginley教授首次研究光纖氫敏傳感技術(shù)，隨后美國(guó)國(guó)家航空航天局、波音公司、馬里蘭大 學(xué)、DCH Technologies、華盛頓大學(xué)、加拿大多倫多大學(xué)、法國(guó)的信號(hào)與儀器處理實(shí)驗(yàn)室和 澳大利亞的新南威爾士大學(xué)等單位相繼開(kāi)展了此項(xiàng)技術(shù)的研究，多種光纖氫氣傳感器被設(shè) 計(jì)和研制。如基于光纖布拉格光柵、光纖干涉儀、表面等離子結(jié)構(gòu)，以及光纖倏逝場(chǎng)結(jié)構(gòu)等 各種光纖傳感器應(yīng)運(yùn)而生。這些傳感器中絕大多數(shù)是在光纖表面涂敷氫敏材料，如Butler 提出在光纖端面鍍一層鈀膜或多層鈀與氧化硅薄膜構(gòu)成微透鏡型氫氣傳感器;Garcia和 Mandelis提出將半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光通過(guò)分束器產(chǎn)生兩束光波并分別照射在氣流室 中鍍有鈀膜的氫氣敏感面和鍍有鋁膜的參考極板上，通過(guò)比較兩束光最終的光強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)探 測(cè)氫氣濃度，該方法提高了傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和測(cè)試精度，等。然而，這些傳感器受限 于光纖本身微弱的彈光效應(yīng)或折射率不敏感特性，導(dǎo)致其氫氣傳感的靈敏度不高，通常都 低于5nm/%(v/v)。表面等離子結(jié)構(gòu)的光纖傳感器具有較高的靈敏度，但是需要精確控制鍍 膜厚度(通常是納米量級(jí)），因此其制備較復(fù)雜，其使用受到一定限制。
[0004] 三氧化鎢載鉑催化劑(Pt-loaded W03)具有良好的氫敏特性，近年來(lái)受到廣泛關(guān) 注和研究。如Ying Wang提出通過(guò)在選擇性填充的光子晶體光纖干涉儀表面涂敷Pt-loaded W03粉末，利用氫敏粉末的熱效應(yīng)和光纖干涉儀較高的溫度敏感特性從而實(shí)現(xiàn)了氫氣的高 靈敏度檢測(cè)。但其缺點(diǎn)是需要應(yīng)用到價(jià)格昂貴的光子晶體光纖，且其選擇性填充需要應(yīng)用 到飛秒激光器，制備比較復(fù)雜，限制該傳感器的廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為提高光纖氫氣傳感器的靈敏度，且簡(jiǎn)化其制作流程和降低制備成本，本實(shí)用新 型提出了一種新的光纖氫氣傳感結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將單模光纖與側(cè)面涂敷Pt-loaded W03粉末 且填充聚合物的毛細(xì)管相連，在連接處留存一定空氣間隙構(gòu)成法布里-珀羅干涉儀，從而達(dá) 到對(duì)氫氣濃度的高靈敏傳感的目的。
[0006] 本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:將一小截毛細(xì)管與單模光纖直接熔接，在毛細(xì) 管內(nèi)填充聚合物(其主要成分包括不飽和聚酯或丙烯酸酯、活性稀釋劑和光引發(fā)劑等），在 聚合物與單模光纖和毛細(xì)管的熔接界面之間形成一個(gè)空氣間隙，然后在毛細(xì)管外壁涂敷 Pt-loaded W03粉末。進(jìn)一步，所用的單模光纖為通信用單模光纖，其包層直徑為125微米。 所用毛細(xì)管為石英毛細(xì)管，其長(zhǎng)度為100-1000微米，內(nèi)徑為30-100微米，外徑為120-180微 米。毛細(xì)管內(nèi)填充的聚合物具有紫外光照固化的特性，即液態(tài)的聚合物經(jīng)紫外光照射后會(huì) 固化。毛細(xì)管外壁涂敷的Pt-loaded W03粉末的厚度為10-50微米。毛細(xì)管內(nèi)填充聚合物后， 在單模光纖和毛細(xì)管的熔接處留存一個(gè)空氣間隙，其長(zhǎng)度為10-50微米。
[0007] 本實(shí)用新型的具體工作原理是:毛細(xì)管內(nèi)填充的聚合物與單模光纖和毛細(xì)管的熔 接界面之間形成一個(gè)空氣間隙，構(gòu)成一個(gè)法布里-珀羅干涉儀。當(dāng)傳感器接觸到混有出的空 氣時(shí)，空氣中的〇2與H 2在Pt-loaded W03粉末作用下發(fā)生放熱反應(yīng)并且引起局部溫度的升 高，此化學(xué)反應(yīng)過(guò)程可表示為：
[0008]
[0009]
[0010] 溫度的升高引起毛細(xì)管內(nèi)聚合物的受熱膨脹，進(jìn)而引起法布里-珀羅干涉儀腔長(zhǎng) 的改變，進(jìn)一步導(dǎo)致該干涉儀的反射光譜波長(zhǎng)漂移。該反射光譜波長(zhǎng)漂移量的大小與氫氣 濃度的大小存在正相關(guān)的關(guān)系。通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)漂移量，從而實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量。由于 聚合物的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于單模光纖和石英毛細(xì)管的熱膨脹系數(shù)，因此，該傳感器具有極 高的溫度靈敏度，又由于W〇3粉末的催化下和空氣中0 2反應(yīng)產(chǎn)生熱效應(yīng)，從 而實(shí)現(xiàn)了該傳感器的高靈敏度氫氣濃度測(cè)量。
[0011] 本實(shí)用新型的有益效果是：
[0012] 1)傳感器制備簡(jiǎn)單，成本低，只需將單模光纖和毛細(xì)管直接熔接，然后在毛細(xì)管內(nèi) 注入聚合物，以及在其外壁涂敷Pt-loaded W〇3粉末即可。
[0013] 2)傳感器尺寸小，全長(zhǎng)不超過(guò)1毫米，方便在狹小空間使用。
[0014] 3)巧妙利用出與02在Pt-loaded W03粉末催化下發(fā)生放熱反應(yīng)，以及聚合物較大的 熱膨脹系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了氫氣濃度的高靈敏度測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016] 圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：
[0017] ⑴單模光纖，⑵毛細(xì)管，⑶聚合物，⑷三氧化媽載鉬催化劑(Pt-loaded W03) 粉末。
【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1，制備傳感器的步驟為:第一步，將通信用單模光纖和毛細(xì)管直接熔接;第二 步，在毛細(xì)管內(nèi)注入液態(tài)聚合物，然后置于紫外燈照射下將聚合物固化;第三步，在毛細(xì)管 的外壁涂敷Pt-loaded W03粉末。其特征為:利用的通信用單模光纖包層直徑為125微米，所 用毛細(xì)管為石英毛細(xì)管，其長(zhǎng)度為100-1000微米，內(nèi)徑為30-100微米，外徑為120-180微米。 毛細(xì)管內(nèi)填充的聚合物具有紫外光照固化的特性，即液態(tài)的聚合物經(jīng)紫外光照射后會(huì)固 化。毛細(xì)感外壁涂敷的三氧化鎢載鉑催化劑粉末的厚度為10-50微米。毛細(xì)管內(nèi)填充聚合物 后，在單模光纖和毛細(xì)管的熔接處形成一個(gè)空氣間隙，其長(zhǎng)度為10-50微米，構(gòu)成一個(gè)法布 里-?自羅干涉儀。
[0019]使用時(shí)，傳感器的單模光纖輸入端與光纖環(huán)行器的輸出端相連，該環(huán)行器的兩個(gè) 輸入端分別與寬帶光源和光譜儀相連。當(dāng)傳感器接觸到混有出的空氣時(shí)，空氣中的02與Η2在 Pt-loaded W03粉末作用下發(fā)生放熱反應(yīng)并且引起局部溫度的升高。溫度的升高引起毛細(xì) 管內(nèi)聚合物的受熱膨脹，進(jìn)而引起法布里-珀羅干涉儀腔長(zhǎng)的改變，進(jìn)一步導(dǎo)致該干涉儀的 反射光譜波長(zhǎng)漂移。該反射光譜波長(zhǎng)漂移量的大小與氫氣濃度的大小存在正相關(guān)的關(guān)系。 通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)漂移量，從而實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光纖氫氣傳感器，其特征在于:該傳感器包括單模光纖（1)、毛細(xì)管（2)，毛細(xì)管 內(nèi)填充有聚合物(3)，并且毛細(xì)管外壁涂敷Pt-loaded W03粉末(4)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于:單模光纖（1)與毛細(xì)管(2)直接 熔接，且單模光纖(1)為通信用單模光纖，其包層直徑為125微米。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于:毛細(xì)管（2)的長(zhǎng)度為100-1000 微米，內(nèi)徑為30-100微米，外徑為120-180微米，其內(nèi)填充的聚合物(3)具有紫外光照固化的 特性，且毛細(xì)管外壁涂敷的Pt-loaded W03粉末(4)的厚度約為10-50微米。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于:毛細(xì)管（2)內(nèi)填充的聚合物與 單模光纖（1)和毛細(xì)管(2)的熔接界面之間形成一個(gè)空氣間隙，該空氣間隙長(zhǎng)度為10-50微 米。
【文檔編號(hào)】G01N21/25GK205656120SQ201521143688
【公開(kāi)日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2015年12月31日 公開(kāi)號(hào)201521143688.5, CN 201521143688, CN 205656120 U, CN 205656120U, CN-U-205656120, CN201521143688, CN201521143688.5, CN205656120 U, CN205656120U
【發(fā)明人】楊易, 徐賁
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院