[实用新型]一种在光纤锥圆表面溅射Pd膜氢敏感探头

说明书

(一)所属技术领域

本实用新型涉及氢气敏感技术、镀膜技术、光纤加工技术和SPR光谱测试技术，特别是在光纤端加工一种具有直敏感区和锥圆敏感区复合的氢敏感装置。

(二)背景技术

在氢敏感技术中普遍采用Pd作催化物质，当H₂气体遇到Pd膜后首先被吸附然后被吸收，此催化反应是可逆的。吸氢后的Pd膜通常有两种固溶体存在，表现为α相和β相，α相到β相的转化与氢气的浓度有关。不同相的晶格参数相差很大，反复的吸附和脱附会导致金属晶格的错位，致使Pd膜经受几个吸氢放氢周期后便会扭曲以至破损，这种变形与Pd膜的厚度和温度有关。为了有效地减缓α相到β相的转变，必须严格控制Pd膜的厚度和实现温度的校正。目前，在光纤氢敏传感器研究方面使用最多的是在光纤端部一段或光纤端面镀一层或多层Pd/Si，Pd/SiO和Pd/Ag合金膜使之构成光纤氢敏传感器的直探头和光纤微透镜氢传感器探头；另外使用Pd膜和非晶体的WO₃作氢气催化剂也是早期方案之一，即除了在光纤端面镀Pd膜外，再镀一层WO₃膜，由于这种传感器能够对800nm的光波产生强烈吸收，因此该方法对氢气的敏感具有很高的灵敏度，但唯一不足是响应速度比较慢。近年来，关于在光纤表面产生等离子共振波(SPR)结构的氢敏传感器和倏逝波(Evanescent)结构的氢敏传感器已有报导，这些方法对氢气敏感的灵敏度均有不同程度的提高，但测试精度一般很难达到0.1％，因此在测试精度要求比较高的场合，如氢气敏感精度高于0.05％的场合，光纤锥圆SPR探头是首选的方案，它的氢敏感灵敏度比光纤直探头高数倍。去除光纤端20mm的一段保护层和包层，在离光纤端10mm的一段纤芯上加工成锥圆形，然后将去除包层的光纤部分在刨光机上刨光，采用溅射镀膜工艺在光纤芯层上蒸镀一层50nm的Pd膜，在经过刨光后的光纤端面上蒸镀Ag薄膜作为反射膜，即构成光纤SPR锥圆氢敏传感器探头。

使用光纤锥圆构成的SPR探头的氢敏传感原理是：在光纤芯层上溅射50nm的Pd膜，H₂遇Pd膜后很快被吸附并进而吸收生成PdHx，生成的PdHx随氢气浓度的变化而产生折射率的变化。当宽光谱的光通过光纤照射到光纤Pd膜的氢敏感区，在Pd膜与氢气发生反应生成的PdHx的化合物层产生表面等离子波，当氢气浓度发生变化时，会激发表面波产生表面等离子共振。共振波长λ₀与氢气浓度有关，建立共振波长与氢气浓度之间的关系，即可通过光谱信息的变化而得到氢气浓度的值。

(三)实用新型内容

为了能提高光纤Pd膜氢气敏感的灵敏度，降低外界环境对测试系统的影响，本发明提供了一种在光纤锥圆表面溅射Pd膜氢敏感探头。

本实用新型解决的技术问题所采用的技术方案是：使用光纤锥圆探头构成氢敏传感器，在光纤锥圆上溅射Pd膜，并采用一种光谱调制方法对探头的SPR光谱信息进行分析，以提高氢气的测试精度和灵敏度。光纤锥圆SPR氢敏传感器如图1所示，光纤锥圆上镀有Pd膜构成氢气敏感光纤SPR探头，一种基于光谱调制装置的实例如图2所示，它包括光纤耦合器、光纤锥圆探头、宽光源和光谱仪和计算机等。将光纤锥圆氢敏传感器与光纤耦合器相连，一根多模光纤与光谱仪和计算机相连，另一根多模光纤与宽光源相连接，宽光源通过光纤和光纤耦合器后照射到光纤的氢敏感区，反射膜层反射回来的光束通过光谱仪接收，光谱仪连接计算机。计算机分析氢气浓度变化后的光谱信息，由光谱信息的变化而获得氢气浓度值。

本实用新型所具有的有益效果是：

可以使其对氢气敏感的灵敏度提高，且测试系统性能可靠，抗干扰性强、精度高。

(四)附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的氢气敏感光纤锥圆探头结构图，1是光纤，2是光纤芯，3是Pd膜层，4是反射膜层。

图2是一种光谱调制的光纤氢敏传感器检测实例，3是Pd膜，4是反射膜层，5是光纤锥圆探头，6是光纤耦合器，7，8是多模光纤，9是宽光源，10是光谱仪和计算机.

(五)具体实施方式

在图1所示的氢敏感光纤锥圆探头中，采用机械方法去除光纤1上的保护层和包层，制作光纤芯2，将光纤芯2的一段拉制成锥形，在光纤的直线段和光纤芯的锥圆段上溅射Pd膜3，Pd膜的厚度在10nm-50nm之间，在光纤的端面溅射反射膜层4构成反射镜。。

在图2所示的光谱调制的光纤氢敏传感器检测实例中，光纤锥圆氢敏传感器机理是表面等离子共振，这里Pd膜3具有双重作用，既与氢气发生反应，导致PdHx化合物的折射率发生变化，又作为产生表面波的金属。将光纤锥圆氢敏传感探头5与光纤耦合器6相连，多模光纤7与光谱仪和计算机10相连，多模光纤8与宽光源9相连接，宽光源9通过多模光纤8和光纤耦合器6后照射到光纤的氢敏感区，激发Pd膜3中的自由电子产生表面波，表面波在氢气浓度的变化下产生表面等离子共振，导致光波损失。反射膜层4反射回来的光束通过光纤耦合器6和多模光纤7传输至光谱仪和计算机10接收。计算机分析氢气浓度变化后的光谱信息，由光谱信息的变化而获得氢气浓度值。