[发明专利]一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤氢气传感技术领域，具体涉及一种具有温度补偿功能的光纤氢气 传感器。

背景技术

H₂是一种无污染的新型能源，燃烧时能与氧气反应释放能量和水，除燃料电池外， 氢能也被用于其他领域，例如航空航天，飞机和汽车工业。氢极易挥发和燃烧，爆炸浓度范 围非常广，但是电学传感装置容易产生电火花，不适合危险环境中的氢检测。光纤氢气传感 能够克服电学传感器的缺陷，在可能存在氢泄漏的环境如储气罐和管道表面工作，信号传 输距离远，精度不易受机械结构干扰，成为广受关注的研究领域。

光纤布拉格光栅(FBG)是最具应用潜力的光纤光栅，通过周期性调制纤芯折射率 形成。宽带光波在通过FBG时，中心波长的光波被反射回来，其余波长的光则不受影响。在所 有引起FBG反射光谱峰值波长漂移的外界因素中，最直接的是应力和温度参量。外界温度导 致的热膨胀使得光栅周期发生变化，由于光纤布拉格光栅特殊的温度敏感特性，对于测量 误差、应变传感的温度补偿以及应力与温度联合效应的研究是开发光纤光栅传感器的重要 因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器，对单模光纤进 行熔融拉锥后在其锥区的纤芯上间隔一定距离写入两个相同参数的FBG，一个FBG用于温度 补偿，另一个FBG表面均匀溅镀Ti/Pd薄膜。该薄膜具有吸氢膨胀的特性，随着环境氢气浓度 的变化挤压光纤改变FBG的光栅周期，利用两个FBG中心波长漂移量之差可以消除温度交叉 敏感。在FBG表面先后溅射一定膜厚的Ti薄膜和Pd薄膜，利用Ti薄膜对光纤良好的吸附性， 维持Pd薄膜的稳定和抑制其降解，可以极大的提高该新型传感器的灵敏度和重复性。

本发明通过以下技术方案实现：一种具有温度补偿功能的光纤氢气传感器由宽带 光源（1）、环行器（2）、拉锥光纤（3）、第一光纤布拉格光栅（4）、第二光纤布拉格光栅（5）、氢 敏感薄膜（6）、尾纤（7）、光栅解调仪（8）组成；宽带光源（1）与环行器（2）的a端口连接，拉锥 光纤（3）与环行器（2）的b端口连接，光栅解调仪（8）与环行器（2）的c端口连接；在拉锥光纤 （3）锥区的纤芯上依次写入第一光纤布拉格光栅（4）与第二光纤布拉格光栅（5），其中第一 光纤布拉格光栅（4）表面裸露用于进行温度补偿，第二光纤布拉格光栅（5）表面均匀溅镀氢 敏感薄膜（6）形成光纤氢敏感头。

所述的拉锥光纤（3）由单模光纤经过熔融拉锥制成，锥区光纤直径为80~100μm，锥 区长度为20~25mm。

所述的第一光纤布拉格光栅（4）和第二光纤布拉格光栅（5）的反射中心波长约为 1550nm，反射率为60%，长度为5~10mm，间距为5~10mm。

所述的氢敏感薄膜（6）具体为膜厚分别是5nm和100nm~200nm的Ti/Pd薄膜。

所述的尾纤（7）的端面经过拋磨处理，破坏端面平整。

本发明的工作原理是：宽带光源（1）产生中心波长1510nm~1610nm的光束入射环行 器（2）的a端口，由于环行器（2）具有使电磁波单向环形传输的特性，a端口入射的光束将通 过b端口出射，然后依次通过拉锥光纤（3），第一光纤布拉格光栅（4）以及第二光纤布拉格光 栅（5）和氢敏感薄膜（6）形成的光纤氢敏感头。反射光沿相反路径返回到环行器（2）的b端 口，经c端口出射后被光栅解调仪（8）接收。

对尾纤（7）的端面进行拋磨处理破坏端面平整，可以减少端面的菲涅尔反射，从而 阻止其反射光重新耦合到拉锥光纤（3）的纤芯中。

FBG通过外界参量对布拉格中心波长λ_B的调制来获取传感信息。光纤中满足布拉 格方程的光将发生极大的反射，形成反射的布拉格波长如下公式所示：

（1）

其中λ_B1、λ_B2分别表示两个FBG的反射波长，n_eff表示纤芯的有效折射率，Λ₁、Λ₂分别表 示两个FBG的光栅周期。当外界环境变化时，例如温度和应力变化，将会引起Λ₁、Λ₂的变化。

第一光纤布拉格光栅（4）的反射中心波长将随温度变化发生漂移，其温度传感模 型为

（2）