[发明专利]基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器。

背景技术

法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer，简称FPI)早在19世纪末就已问世，但基于光纤的FPI知道20世纪80年代初才制作成功，目前已经应用于温度、应力、电流、电压等传感中。光纤FPI传感器的特点是采用单根光纤、利用多光束干涉原理来检测被测量，避开了Michelson和Mach-Zehnde干涉传感所需两根光纤配对移机必须对偏振进行补偿等问题。此外光纤FPI传感器对任何导致其两个反射距离发生变化的物理量灵敏度极高，而且传感区域小，在很多应用中可被视为“点”测量；加之其结果简单、体积小、复用能力强、抗干扰、重复性好等优势，在嵌入式测量更是倍受青睐，成为实现所谓人工智能结构和材料等相关领域的研究热点。

近年来全球变暖的趋势日益严重，遏制全球变暖的趋势已成为当今时代环保的一项重要任务，而全球变暖主要就是因为很多化石燃料燃烧释放了大量的CO₂破坏臭氧层引起的，因此使用不排放CO₂可在生的新能源已成为一种必然趋势。氢能源作为一种绿色能源，其燃烧产物只有水，以其分布广泛(有水即可制氢)、可再生永不枯竭、无污染、能量密度大和应用面广等优点越来越受到人们的青睐，具有广阔的开发应用前景。因此，检测氢气的浓度和预防其泄露是至关重要的。

光纤型氢气传感器是将氢敏材料涂到光纤器件上，氢气浓度变化时，氢敏材料就会发生反应从而使光纤中光信号的波长或强度发生改变，通过对光信号改变量的检测来获得氢气的浓度。目前主要的光纤氢气传感器有四类：以光的干涉为基础的干涉型氢气传感器、以光的反射为基础的微透镜型氢气传感器、以光的传输损耗为基础的消逝场型氢气传感器、以光栅为基础的光栅型氢气传感器。这些传感器使用光作为媒介，无需加热，因此用于检测氢气浓度具有很高的安全性，而且它在常温下就有良好的敏感性，故在常温下适用，此外光纤传感器使用适当波长的光和光纤就可以实现远距离监测。大都以Pd或者Pt/WO₃作为敏感材料，在测量氢气浓度过程中，随着氢气与敏感膜的作用，传感头的环境温度可能会变化，进而影响测量的精确度与灵敏度，如若想要消除环境温度对测量精度和灵敏度的影响，还需用光纤光栅来再次测量，操作繁琐，而且结构疏散；在传感器的使用时，多次使用后，敏感膜容易脱落，不利于重复利用。

针对上述氢气传感器中所遇到的环境温度对测量精确度与灵敏度的影响、敏感膜的重复利用率差、操作繁琐及结构疏散等缺点，本发明提出一种基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器。本发明中以镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔FPI为传感头，微腔加工在光纤光栅栅区中间位置，随着氢气浓度的变化，Pt/WO₃膜与氢气发生反应，使膜的折射率发生变化，会改变FP腔的长度，在此结构中，特定波长的光被反射，其余透射光的相位在FP腔中发生改变，从而干涉波峰的位置发生变化。然而在Pt/WO₃膜与氢气发生反应过程中，环境温度可能会发生变化，对测量结果的精确度造成影响。由于有光纤光栅的存在，可以在测量氢气浓度的同时可以监测环境温度对测量结果的影响，所以能够消除环境温度对测量结果的影响。因此，本发明提出的基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器可以提高测量的精确度与灵敏度，结构紧凑，安全可靠，具有很强的实用价值。

发明内容

为了克服氢气传感器中所遇到的环境温度对测量精确度与灵敏度的影响、敏感膜的重复利用率差、操作繁琐及结构疏散等缺点，本发明提出一种结构紧凑，操作简单，可以消除环境温度对测量结果影响的基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案：

基于光纤光栅微腔的FPI氢气传感器，包括：宽带光源、单模传输光纤、镀有Pt/WO₃膜的光纤光栅微腔FPI传感头、气室以及光谱仪。