[发明专利]温度和浓度同时测量的FBG氢气传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及光纤气体传感器，具体涉及一种温度和浓度同时测量的FBG氢气传感器及其制备方法；包括光纤纤芯，光纤包层、光纤保护层组成的光纤，所述光纤上设置有不少于一个的FBG区域，FBG区域上设有与光纤纤芯同轴的测量区，包括长度为L₁的测温区以及长度为L₂测温和测氢浓度区，测温区由自内向外依次设置的快腐蚀后的FBG、金膜和PTFE薄膜层构成；测温和测氢浓度区由自内向外依次设置的慢腐蚀后的FBG、聚多巴胺膜层、氢敏感膜层和PTFE薄膜层构成，采用本发明技术方案的FBG传感器，灵敏度高、性能稳定且能在线同时获取氢浓度和温度变化信息。

技术领域

本发明涉及光纤气体传感器，具体涉及一种温度和浓度同时测量的FBG氢气传感器及其制备方法。

背景技术

氢能源作为一种理想的新能源，具有重量最轻、燃烧热之高、导热性能好，燃烧过程清洁、无污染、能循环使用，氢能来源广泛，氢的生产不受时间和地域的限制等优点，目前已被广泛地应用于航空航天、新能源汽车、半导体制造和化工生产等领域。虽然氢能具有上述诸多优点，但是氢能仍未得到大规模广泛地应用，其主要原因在于氢能制造、存储、运输、监控等方面还存在许多技术瓶颈。其根源在于氢分子体积小，常温常压下密度小，氢能存贮时由于氢原子体积小容易发生泄漏；当空气中的氢气浓度达到4％～74.5％时，遇到明火便发生爆炸。因此，为了避免氢气爆炸事故的发生，实时在线地监测空气中氢浓度信息就显得尤为重要。

目前，用于氢浓度在线测量的传感器主要有：电化学传感器、半导体传感器、光纤传感器等。电化学传感器和半导体传感器感知氢能力强，但使用时需外加电压，易产生电火花，引起爆炸，且受电磁干扰较大，结构复杂。而光纤传感器采用光信号，不易产生电火花，具有抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、体积小、重量轻、能实现远程检测等优点，而成为在线监测氢浓度的最有效方法之一。光纤氢气传感器的类型主要有光纤消逝场型、干涉型、微透镜型和光纤Bragg光栅(FBG)型等。其中FBG氢传感器采用反射式波长调制，波长的变化不受传感系统噪声的影响，仅受被测量参量调制，所以它比强度及相位调制型光纤传感器的抗干扰能力强、测量精度与准确度高。同时，可以在同一根光纤上利用波分复用技术实现氢浓度分布式测量。但是目前常用的金属单质氢敏材料钯(Pd)膜易出现起泡、层错等现象,与光纤的结合力差，导致传感器性能不稳定，测量结果可靠性低。为增强氢敏材料与光纤之间的结合强度，提高传感器测量结果的准确性，Yang研究团队在相关领域展开了系列研究工作，并取得突破性研究进展；该研究团队采用层层组装技术，首先在光纤表面镀上与SiO₂具有较强结合强度的WO₃薄膜，然后在WO₃薄膜表面镀上Pd膜(WO₃薄膜对氢气的选择性较差)，通过Pd来实现对氢气的离化，以提高WO₃薄膜对氢气的选择性和灵敏度；但同时，该研究团队也指出由于WO₃薄膜在不加催化剂的情况下，其气敏响应速度较慢，因此难以实现氢浓度时时变化的动态测量。其次，一般需要测量氢气的环境，氢气浓度和环境温度都表现出典型的时间动态性与空间分布特性。虽然目前有同时测量氢浓度和温度的传感器报道，但一般需要将FBG传感器与其它传感器级联，增加了传感器和检测系统的复杂性及成本；同时目前还未见采用同一FBG传感单元实现氢浓度与温度同时测量的传感器报道。此外，现有氢浓度传感器一般直接将氢敏感膜暴露在空气中，空气中的水分子和粉尘颗粒容易附着在氢敏感膜表面，污染敏感膜和腐蚀敏感膜，从而降低传感器的灵敏度、稳定性及使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种灵敏度高、性能稳定且能在线同时获取氢浓度和温度变化信息的FBG传感器，同时提供这种传感器的制备方法。