一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫氣傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[00011 本實(shí)用新型屬于光纖氫氣傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫氣傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 氫氣(H2)同時(shí)具備高能量密度和燃燒產(chǎn)物無毒無害兩大突出優(yōu)勢，被公認(rèn)為二十 一世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ亩文茉础Ｔ谑覝睾蜆?biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，氫氣的爆炸濃度范圍非常 廣(4 %~74.2 %)，點(diǎn)火能量極小(0.02mJ)，強(qiáng)烈的易燃易爆性對氫氣檢測裝置自身的安全 性，可靠性以及對超低濃度氫氣的響應(yīng)能力提出了較高要求。
[0003]光學(xué)氫氣傳感器，尤其是光纖氫氣傳感器，利用光作為媒介進(jìn)行氫氣濃度傳感，由 于探頭不存在電學(xué)部件，具有本質(zhì)防爆，靈敏度高，抗電磁干擾等優(yōu)勢，近年來引起了廣泛 的關(guān)注和研究。常見的光纖光柵型氫氣傳感器，需溫度補(bǔ)償措施抑制環(huán)境溫度波動造成的 中心波長漂移，檢測精度不高的同時(shí)存在著對溫度交叉敏感的問題。
[0004]保偏光子晶體光纖(PM-PCF)是具有保偏特性的光子晶體光纖，通過纖芯周圍周期 性排列的空氣孔結(jié)合應(yīng)力棒在光纖內(nèi)部產(chǎn)生統(tǒng)一的應(yīng)力雙折射，能夠長距離地保持偏振光 的偏振態(tài)，尤其是良好的溫度特性，有利于制作對溫度不敏感的光纖器件，能有效簡化儀器 結(jié)構(gòu)，提高裝置穩(wěn)定性。
[0005]一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫氣傳感器，在構(gòu)建的全光纖Michelson干涉儀中引入經(jīng)鍍膜處理的PM-PCF作為敏感部件，具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，對環(huán)境溫度變 化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于PM-PCF的Michelson 干涉型光纖氫氣傳感器，測量干涉光譜中指定級數(shù)的波谷波長漂移量反應(yīng)氫氣濃度，結(jié)構(gòu) 易于實(shí)現(xiàn)，靈敏度高，減輕環(huán)境溫度波動給氫氣濃度檢測帶來的影響。
[0007] 本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫 氣傳感器，由寬帶光源（1)，偏振控制器(2)，傳輸光纖1(3)，3dB親合器(4)，傳輸光纖2(5)， 鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)，傳輸光纖3(7)，傳輸光纖4(8)，光譜儀(9)，恒溫氣室（10)組成， 其特征在于：寬帶光源（1)和偏振控制器(2)相連，偏振控制器(2)通過傳輸光纖1(3)與3dB 親合器(4)入射端相連，3dB親合器(4)的一個(gè)出射端通過傳輸光纖2 (5)與鍍有Pd/Ag薄膜 PM-PCF(6 )的左端相連，另一個(gè)出射端與傳輸光纖3 (7 )相連;3dB耦合器(4 )的透射端通過傳 輸光纖4 (8 )與光譜儀(9 )相連;鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF( 6 )的左端與傳輸光纖2 (5 )熔接，在 PM-PCF外周上均勻?yàn)R射Pd/Ag合金薄膜;鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF( 6 )和傳輸光纖3 (7 )的右端 面分別涂覆A1反射膜，平行置于恒溫氣室（10)內(nèi)。
[0008] 所述的鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)長度為5cm~8cm，Pd/Ag合金薄膜的膜厚為40nm~ 50nm，Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~25%〇
[0009] 所述的鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)選用的保偏光子晶體光纖的優(yōu)選型號是LMA-PM-15,工作波長在1550nm〇
[0010]本實(shí)用新型的工作原理是：寬帶光源（1)發(fā)射中心波長1550nm的激光，通過偏振控 制器(2)得到一束線偏振光，沿傳輸光纖1(3)入射3dB親合器(4)分為兩束相同的光分別入 射到傳輸光纖3(7)和沿傳輸光纖2(5)直接耦合至鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)中，構(gòu)成全光纖 Michelson干涉儀。PM-PCF在外周上均勻?yàn)R射Pd/Ag合金薄膜作為敏感區(qū)，在Pd/Ag薄膜吸收 氫氣發(fā)生體積膨脹后，擠壓包層中的空氣孔導(dǎo)致鍍膜區(qū)域中傳輸模式的相位改變，與分光 后的另一束光出現(xiàn)恒定的相位差。兩束光經(jīng)端面高反射率的A1反射膜反射后，在3dB耦合器 (4 )的透射端匯合并發(fā)生干涉，干涉光譜經(jīng)傳輸光纖4 (8 )被光譜儀(9 )接收?？芍?，干涉光譜 漂移量與氫氣濃度之間存在對應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對氫氣濃度的高精度檢測。
[0011]干涉光譜中第m級波谷處兩束光之間的相位差同時(shí)受到PM-PCF參數(shù)和包層表面Pd/Ag鍍膜的影響，可以表示為
[0012]
[0013]式中，整數(shù)m為干涉級數(shù)，為第m級波谷波長，馬、！〇分別為PM-PCF的固有雙折 射和長度；、^財(cái)分別為Pd/Ag合金薄膜引入的附加雙折射和鍍膜區(qū)域長度。
[0014]Pd/Ag合金薄膜中的Pd結(jié)合氫分子發(fā)生晶格體積膨脹，擠壓空氣孔發(fā)生變形，引起 PM-PCF的附加雙折射和鍍膜長度變化，兩束光之間的相位差^可表示為
[0015]
[0016]式中，.I為漂移后第m級波谷波長，1%；、分別為Pd/Ag合金薄膜引入的附 加雙折射變化量和鍍膜長度變化量。考慮到ijy的量級為50~80mm，的量級約為10-
5mm，相位差滬的改變量主要來自于雙折射的變化，鍍膜長度變化忽略不計(jì)。因此，（2)式改 寫為
[0017] (3)〇
[0018]對于光纖Michelson干涉儀，由于傳輸光兩次經(jīng)過鍍膜區(qū)域，干涉光的相位差應(yīng)是 兩倍，結(jié)合(1)式和(3)式，可得第m級波谷波長漂移量為
[0019]
(4)
[0020]附加雙折射變化量對應(yīng)環(huán)境中氫氣濃度，決定了第m級波谷波長漂移量 1?，實(shí)現(xiàn)了對氫氣濃度的高精度檢測。
[0021]本實(shí)用新型的有益效果是：（1)選用溫度特性優(yōu)良的PM-PCF制作對溫度不敏感的 光纖氫氣傳感器，無需溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，有效簡化儀器結(jié)構(gòu)，節(jié)約制作成本;（2)Ag能有效抑制 Pd結(jié)合氫分子發(fā)生泛相變，穩(wěn)定金屬晶格結(jié)構(gòu)，Pd/Ag合金緩解Pd涂層表面起泡、層錯(cuò)現(xiàn) 象，提高敏感膜的機(jī)械性能，延長裝置使用壽命;（3)該傳感器體積小，探頭式結(jié)構(gòu)有利于構(gòu) 建分布式測量，抗電磁干擾，靈敏度優(yōu)于光纖光柵型氫氣傳感器。因此，本實(shí)用新型具有結(jié) 構(gòu)簡單，靈敏度高，有效抑制環(huán)境溫度波動干擾檢測等優(yōu)點(diǎn)，為氫氣濃度在線監(jiān)測提供了一 種切實(shí)可行的方案。
【附圖說明】
[0022]圖1是一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫氣傳感器的系統(tǒng)原理圖。
[0023]圖2是一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫氣傳感器中傳感頭的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0024]圖3是一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫氣傳感器中鍍膜區(qū)域的橫截面 示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0026]圖1所示一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫氣傳感器，由寬帶光源（1)，偏 振控制器(2)，傳輸光纖1 (3)，3dB耦合器(4)，傳輸光纖2(5)，鍍有