[发明专利]基于钯金纳米颗粒双光路补偿反射式光纤氢气传感器

说明书

本发明公开了基于钯金纳米颗粒双光路补偿反射式光纤氢气传感器，由测试系统和参考系统，光纤束，LED光源，光电二极管和数据采集卡和计算机组成，测试系统和参考系统中的测试平台结构采用相同的设计，并旋涂沉积同一批钯金纳米颗粒，测试气室通入氢气和氮气混合气体，期间参考系统始终密闭。LED光源出射的光信号通过光纤束分别入射两系统并经过敏感膜反射回光纤束后，分别通过光电二极管进行光电信号转换，得到的电信号通过数据采集卡采集，由计算机利用Lab VIEW实现对信号的滤波处理、补偿运算和波形显示。该发明在提高传感器的稳定性并抑制漂移方面提出新理念。

技术领域

本发明属于氢气传感器领域，具体涉及一种基于钯金纳米颗粒双光路补偿反射式光纤氢气传感器。

背景技术

随着全球环境污染、能源短缺以及温室效应的加剧，氢气作为一种高效、清洁、可再生的二次能源被称为21世纪能源体系的支柱。液氢作为火箭推进器的一种重要燃料已广泛应用于通讯卫星、宇宙飞船、航天飞机等飞行器的运载发射。由于氢气具有燃烧热值高、燃烧产物无污染的特点，化石燃料、太阳能、风能、地热能、潮汐能及核能等各种一次能源都可以转化为氢能，从而实现能源的高效储存和清洁使用。

然而氢气有着很宽的爆炸范围，在常温常压下，当空气中氢气的含量位于4%-74.5%之间时就极易引起爆炸；并且由于氢是质量最轻的元素，氢气的扩散性比天然气高四倍，比汽油蒸汽的挥发性高十二倍，一旦泄漏发生会很快扩散，这将严重威胁到人们的生命财产安全。由此可见，研究和发展实用化的氢气传感技术，是研究氢能、利用氢能和防止氢气危害的首要条件。氢能经济的快速发展，使得氢气传感器需要不断的提升灵敏度、选择性、响应时间以满足在氢气制造、储存、运输和使用等各个环节中多样化的安全需求。

光纤氢气传感器因其本质安全、抗干扰能力强、信号传输距离远及体积小巧等优势，是目前各种类型氢气传感器中的研究热点，在军用民用领域都有着极大的应用前景和商业价值。其中光强调制型光纤氢气传感器是利用氢气浓度改变而引起的敏感元件折射率、吸收或反射系数变化，从而使经过敏感元件的光载波信号强度得到调制改变来实现测量。这种类型的传感器结构简单，形式多样，因而得到广泛关注。

纯钯在历经多次的吸氢释氢循环后，钯膜中的晶界、缺陷及与基底之间的界面处产生的局部应力会逐渐积累，并最终导致薄膜表面的缺陷、裂纹和脱层的扩展，甚至变形破裂，通过对钯掺杂得到的钯金纳米颗粒通过实验分析表明，钯金纳米颗粒可以有效抑制零点漂移，并且高金含量的具有更快的氢气响应及恢复速率，由于其具有更理想的响应幅值，因此更适合高精度快速氢气检测。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种用于补偿温度波动的双光路，采用液相合成法制备了5 nm 直径的钯金纳米颗粒，并通过旋涂沉积纳米颗粒实现的反射式光纤氢气传感器探头，从而得到一种可以提高稳定性并抑制漂移的反射式光纤氢气传感器系统。