基于光加熱的光纖氫氣檢測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)，材料科學(xué)以及光電子技術(shù)的交叉領(lǐng)域，涉及到功能材料制備和光電檢測技術(shù)，具體涉及到具有自補(bǔ)償功能光纖氫氣檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]以煤和石油為代表的能源消耗和環(huán)境污染是當(dāng)今社會的一個重大問題，近年來我國深受大氣污染(嚴(yán)重霧霾)和生態(tài)環(huán)境惡化的危害，開發(fā)和使用新型清潔能源的是國家未來的一個戰(zhàn)略需求。在眾多的新能源中，氫能是具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ奈磥砟茉粗?，從長遠(yuǎn)看，它的發(fā)展可能帶來能源結(jié)構(gòu)的重大改變。由于氫氣具有分子量小、滲透性強(qiáng)、易燃易爆以及無色無味等特性，在空氣中氫氣的濃度超4%時遇明火即會爆炸，其易燃范圍為4?74.4%，在泄漏后難以察覺，因而極有可能導(dǎo)致爆炸事故。
[0003]在國防軍事應(yīng)用方面，核武器及核燃料存放設(shè)施由于放射材料的裂變產(chǎn)生氫，在此設(shè)施中氫濃度是評價核材料壽命的重要指標(biāo)；潛艇長期在水下潛伏，潛艇中由于在鉛酸蓄電池充放電過程會產(chǎn)生氫氣，需要對艇內(nèi)可能的氫氣泄漏和氫氣濃度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。
[0004]目前技術(shù)上相對成熟應(yīng)用的氫氣傳感器主要是電化學(xué)類傳感器，這類傳感器采用電信號作為傳感信號，在工作時有產(chǎn)生電火花的可能性，因而仍然具有潛在爆炸的危險；另外由于是基于電子迀移導(dǎo)致電阻變化的電學(xué)參量傳感，傳感器對其他還原性氣體具有交叉敏感的可能性，因此傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器在安全性和選擇敏感性方面仍然存在一些難以克服的問題。光纖氫氣傳感器在傳感和傳輸過程中只有弱光信號，具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、遠(yuǎn)程傳輸及體積小等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)氫氣濃度安全監(jiān)測的理想方案，由于環(huán)境溫度和濕度的干擾難以實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的精確測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于光加熱的光纖氫氣檢測裝置，該裝置具有較好的抗溫度、濕度和光纖中光強(qiáng)波動干擾能力，能夠?qū)崿F(xiàn)氫氣濃度的精確測量。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明提供的基于光加熱的光纖氫氣檢測裝置，由依次相連的傳感光源、光纖耦合器、光環(huán)形器、傳感探頭，和依次相連的加熱光源、電控單元、計算機(jī)、光譜儀組成，其中加熱光源、光譜儀還分別與光纖耦合器、光環(huán)行器相連。
[0008]所述的傳感光源采用為850nm、1310nm或1550nmASE平坦光源，所述的加熱光源采用980nm或1480nm泵浦激光光源。
[0009]所述的光纖耦合器采用I X 2單模光纖耦合器。
[0010]所述的傳感探頭由高反射光柵、低反射光柵、短周期光柵、氫氣敏感膜和多模光纖組成，其中:低反射光柵和短周期光柵焊接多模光纖，當(dāng)多模光纖焊接在低反射光柵和短周期光柵之間時，將氫氣敏感薄膜沉積在短周期光柵端面，或者，當(dāng)多模光纖焊接在短周期光柵之后時，將氫氣敏感膜沉積在多模光纖端面。
[0011]所述的傳感探頭位于多孔保護(hù)套中，并用環(huán)氧樹脂封裝。
[0012]所述的高反射光柵、低反射光柵、短周期光柵均采用布喇格光纖光柵，其中高反射光柵、低反射光柵的反射率分別為多98%、0.1%?40%，高反射光柵和短周期光柵柵區(qū)的間距為3?50mm，短周期光柵的長度為I?4mm。
[0013]所述的氫氣敏感膜采用Pt薄膜表面保護(hù)的Mg/Ni合金薄膜，或Pt/Pd復(fù)合薄膜表面保護(hù)的wcv薄膜。
[0014]所述的多模光纖，其規(guī)格為50/125 μ m、62.5/125 μ m、100/125 μ m 或 100/125 μ m，其長度為0.2?5mm。
[0015]本發(fā)明提供的基于光加熱的光纖氫氣檢測裝置，其在能源、化工或國防安全領(lǐng)域中氫氣濃度檢測中的應(yīng)用。
[0016]本發(fā)明光纖氫氣檢測裝置在進(jìn)行氫氣濃度檢測時，可以采用光強(qiáng)比值法進(jìn)行測試，根據(jù)高反射光柵反射峰強(qiáng)度與其反射峰附近基線強(qiáng)度、旁瓣強(qiáng)度或同一光纖中低反射光柵反射峰強(qiáng)的比值獲得對應(yīng)氫氣濃度。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的主要的優(yōu)點(diǎn):
[0018]1.能夠保證傳感探頭在不同氣氛環(huán)境下的靈敏度。
[0019]所述的兩種氫氣敏感材料:針對無氧和有氧的應(yīng)用環(huán)境，分別采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)和成分氫氣敏感材料Pt薄膜表面保護(hù)的Mg/Ni復(fù)合薄膜和Pt/Pd復(fù)合薄膜表面保護(hù)的WCV薄膜，能夠保證傳感探頭在不同氣氛環(huán)境下的靈敏度。
[0020]2.具有較好的抗溫度、濕度和光纖中光強(qiáng)波動干擾能力。
[0021]所述傳感探頭在同一光纖中刻寫光柵及沉積氫氣敏感膜，刻寫光柵及沉積氫氣敏感膜的探頭部分采用多孔不銹鋼外套封裝保護(hù)，因此參考光信號強(qiáng)度及傳感光信號強(qiáng)度受前端傳輸光纖中光強(qiáng)變化的影響程度相同，因此該傳感探頭具有較好的抗光源波動、光纖彎曲、光纖接頭插入損耗和外界震動干擾能力。
[0022]3.具有補(bǔ)償功能，能夠?qū)崿F(xiàn)氫氣濃度的精確測量。
[0023]由于采用光加熱方式加熱氫氣敏感材料，保證氫氣敏感材料工作在理想恒定的溫度下，故可以提高傳感探頭的靈敏度，并且可以排除環(huán)境溫度和濕度對光纖氫氣檢測裝置性能的干擾，從而提高檢測裝置的測量精度。
[0024]4.實(shí)用性強(qiáng)。
[0025]由于能夠?qū)崿F(xiàn)氫氣濃度的精確測量，將在我國能源、化工等領(lǐng)域中氫氣安全監(jiān)測中有廣闊的應(yīng)用前景；同時對我國國防安全方面具有重要意義。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明一種基于光加熱的光纖氫氣檢測裝置的示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明的傳感器探頭在1000ppm氫氣下反應(yīng)前后的光譜圖；
[0028]圖3為本發(fā)明的光纖氫氣檢測裝置在前端傳輸光纖彎曲前后性能指標(biāo)的重復(fù)性對比；
[0029]圖中:1.傳感光源；2.加熱光源；3.電控單元；4.計算機(jī)；5.光譜儀；6.光纖耦合器；7.光環(huán)形器；8.傳感探頭；9.環(huán)氧樹脂；10.高反射光柵；11.低反射光柵；12.短周期光柵；13.氫氣敏感膜；14.多模光纖；15.多孔保護(hù)套。
【具體實(shí)施方式】
[0030]本發(fā)明是一種基于光加熱的光纖氫氣檢測裝置，在同一光纖中制備高反射光柵、低反射光柵和短周期光柵，光纖端面沉積氫氣敏感薄膜，利用功率可調(diào)泵浦光源作為加熱光源，平坦ASE光源作為傳感光源。高反射光柵反射峰強(qiáng)度作為參考信號，高反射光柵反射峰附近基線、旁瓣強(qiáng)度或低反射光柵反射峰強(qiáng)作為傳感信號，通過兩者比值測量氫氣濃度，該結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較好的抗干擾能力。利用加熱光源對沉積在短周期光柵端面的氫氣敏感膜進(jìn)行加熱，光譜儀測量短周期光柵中心波長，經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，向電控單元發(fā)出指令，通過電控單元控制加熱光源輸出功率使控制氫氣敏感膜的工作溫度，排除環(huán)境溫度和濕度對敏感膜性能的影響，進(jìn)而提高傳感系統(tǒng)的測量精度，該裝置在氫氣濃度檢測方面具有重要應(yīng)用價值。
[0031]下面將結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明:
[0032]本發(fā)明提供的一種基于光加熱的光纖氫氣檢測裝置，如圖1所示，包括傳感光源1、加熱光源2、電控單元3、計算機(jī)4、光譜儀5、光纖耦合器6、光環(huán)形器7和傳感探頭8，其中:傳感光源I和加熱光源2分別與光纖親合器6具有兩個接頭部分中一端相連，光纖f禹合器6的單個接頭部分與光環(huán)行器7連接，光環(huán)行器7與傳感探頭8和光譜儀5連接，光譜儀5同時與計算機(jī)4相連，計算機(jī)4也與電控單元3輸入口相接，而電控單元3與加熱光源2連接。傳感光源I和加熱光源2發(fā)出的光由光纖耦合器6到達(dá)光環(huán)形器7，經(jīng)過光環(huán)形器7傳輸?shù)竭_(dá)傳感探頭8，光信號經(jīng)過傳感探頭8反射后到達(dá)光譜儀7，再經(jīng)過光環(huán)形器7耦合到光譜儀5，光譜儀5將采集到的光譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)4，計算機(jī)4對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示氫氣濃度，并向電控單元3發(fā)出指令，通過電控單元3控制加熱光源2的輸出功率。
[0033]所述的傳感光源I可采用為850nm、1310nm或1550nmASE平坦光源，可由市場上購買。
[0034]所述加熱光源2可以采用98