一种光纤氢气传感器制造技术

一种光纤氢气传感器。它是将单模光纤与毛细管直接熔接，向毛细管中填充聚合物，在熔接处留存一定空气间隙构成法布里‑珀罗干涉仪；在毛细管外壁涂敷三氧化钨载铂催化剂(Pt‑loaded WO3)粉末。利用H2与O2在Pt‑loaded WO3粉末催化下发生放热反应，以及聚合物较大的热膨胀系数，实现氢气浓度的高灵敏度测量。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种检测氢气浓度的光纤传感装置。
技术介绍
氢气因其燃烧充分，易制备等特点，成为一种深受欢迎的清洁能源，应用于航天、发电等领域。同时，它又具有较宽的爆炸极限(4％-75％体积比)，使用时得十分注意其浓度变化。因此，氢气泄露检测或高精度的氢气浓度检测显得尤为重要。光纤传感器具有抗电磁干扰和便于远距离遥感等特点，尤其是不涉及任何明火，因此安全可靠，广泛应用于各种易燃易爆场合。1984年美国Sandia国家实验室Butler和Ginley教授首次研究光纤氢敏传感技术，随后美国国家航空航天局、波音公司、马里兰大学、DCH Technologies、华盛顿大学、加拿大多伦多大学、法国的信号与仪器处理实验室和澳大利亚的新南威尔士大学等单位相继开展了此项技术的研究，多种光纤氢气传感器被设计和研制。如基于光纤布拉格光栅、光纤干涉仪、表面等离子结构，以及光纤倏逝场结构等各种光纤传感器应运而生。这些传感器中绝大多数是在光纤表面涂敷氢敏材料，如Butler提出在光纤端面镀一层钯膜或多层钯与氧化硅薄膜构成微透镜型氢气传感器；Garcia和Mandelis提出将半导体激光器发出的激光通过分束器产生两束光波并分别照射在气流室中镀有钯膜的氢气敏感面和镀有铝膜的参考极板上，通过比较两束光最终的光强来实现探测氢气浓度，该方法提高了传感器对环境的适应性和测试精度，等。然而，这些传感器受限于光纤本身微弱的弹光效应或折射率不敏感特性，导致其氢气传感的灵敏度不高，通常都低于5nm/％(v/v)。表面等离子结构的光纤传感器具有较高的灵敏度，但是需要精确控制镀膜厚度(通常是纳米量级)，因此其制备较复杂，其使用受到一定限制。三氧化钨载铂催化剂(Pt-loaded WO3)具有良好的氢敏特性，近年来受到广泛关注和研究。如Ying Wang提出通过在选择性填充的光子晶体光纤干涉仪表面涂敷Pt-loaded WO3粉末，利用氢敏粉末的热效应和光纤干涉仪较高的温度敏感特性从而实现了氢气的高灵敏度检测。但其缺点是需要应用到价格昂贵的光子晶体光纤，且其选择性填充需要应用到飞秒激光器，制备比较复杂，限制该传感器的广泛应用。
技术实现思路
为提高光纤氢气传感器的灵敏度，且简化其制作流程和降低制备成本，本技术提出 了一种新的光纤氢气传感结构，该结构将单模光纤与侧面涂敷Pt-loaded WO3粉末且填充聚合物的毛细管相连，在连接处留存一定空气间隙构成法布里-珀罗干涉仪，从而达到对氢气浓度的高灵敏传感的目的。本技术所采用的技术方案是：将一小截毛细管与单模光纤直接熔接，在毛细管内填充聚合物(其主要成分包括不饱和聚酯或丙烯酸酯、活性稀释剂和光引发剂等)，在聚合物与单模光纤和毛细管的熔接界面之间形成一个空气间隙，然后在毛细管外壁涂敷Pt-loaded WO3粉末。进一步，所用的单模光纤为通信用单模光纤，其包层直径为125微米。所用毛细管为石英毛细管，其长度为100-1000微米，内径为30-100微米，外径为120-180微米。毛细管内填充的聚合物具有紫外光照固化的特性，即液态的聚合物经紫外光照射后会固化。毛细管外壁涂敷的Pt-loaded WO3粉末的厚度为10-50微米。毛细管内填充聚合物后，在单模光纤和毛细管的熔接处留存一个空气间隙，其长度为10-50微米。本技术的具体工作原理是：毛细管内填充的聚合物与单模光纤和毛细管的熔接界面之间形成一个空气间隙，构成一个法布里-珀罗干涉仪。当传感器接触到混有H2的空气时，空气中的O2与H2在Pt-loaded WO3粉末作用下发生放热反应并且引起局部温度的升高，此化学反应过程可表示为：温度的升高引起毛细管内聚合物的受热膨胀，进而引起法布里-珀罗干涉仪腔长的改变，进一步导致该干涉仪的反射光谱波长漂移。该反射光谱波长漂移量的大小与氢气浓度的大小存在正相关的关系。通过检测波长漂移量，从而实现氢气浓度的实时测量。由于聚合物的热膨胀系数远大于单模光纤和石英毛细管的热膨胀系数，因此，该传感器具有极高的温度灵敏度，又由于H2在Pt-loaded WO3粉末的催化下和空气中O2反应产生热效应，从而实现了该传感器的高灵敏度氢气浓度测量。本技术的有益效果是：1)传感器制备简单，成本低，只需将单模光纤和毛细管直接熔接，然后在毛细管内注入聚合物，以及在其外壁涂敷Pt-loaded WO3粉末即可。2)传感器尺寸小，全长不超过1毫米，方便在狭小空间使用。3)巧妙利用H2与O2在Pt-loaded WO3粉末催化下发生放热反应，以及聚合物较大的热膨胀系数，实现了氢气浓度的高灵敏度测量。附图说明下面结合附图和实施例对本技术进一步说明。图1是本技术的结构示意图。图中：(1)单模光纤，(2)毛细管，(3)聚合物，(4)三氧化钨载铂催化剂(Pt-loaded WO3)粉末。具体实施方式如图1，制备传感器的步骤为：第一步，将通信用单模光纤和毛细管直接熔接；第二步，在毛细管内注入液态聚合物，然后置于紫外灯照射下将聚合物固化；第三步，在毛细管的外壁涂敷Pt-loaded WO3粉末。其特征为：利用的通信用单模光纤包层直径为125微米，所用毛细管为石英毛细管，其长度为100-1000微米，内径为30-100微米，外径为120-180微米。毛细管内填充的聚合物具有紫外光照固化的特性，即液态的聚合物经紫外光照射后会固化。毛细感外壁涂敷的三氧化钨载铂催化剂粉末的厚度为10-50微米。毛细管内填充聚合物后，在单模光纤和毛细管的熔接处形成一个空气间隙，其长度为10-50微米，构成一个法布里-珀罗干涉仪。使用时，传感器的单模光纤输入端与光纤环行器的输出端相连，该环行器的两个输入端分别与宽带光源和光谱仪相连。当传感器接触到混有H2的空气时，空气中的O2与H2在Pt-loaded WO3粉末作用下发生放热反应并且引起局部温度的升高。温度的升高引起毛细管内聚合物的受热膨胀，进而引起法布里-珀罗干涉仪腔长的改变，进一步导致该干涉仪的反射光谱波长漂移。该反射光谱波长漂移量的大小与氢气浓度的大小存在正相关的关系。通过检测波长漂移量，从而实现氢气浓度的实时测量。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤氢气传感器，其特征在于：该传感器包括单模光纤(1)、毛细管(2)，毛细管内填充有聚合物(3)，并且毛细管外壁涂敷Pt‑loaded WO3粉末(4)。

【技术特征摘要】
1.一种光纤氢气传感器，其特征在于：该传感器包括单模光纤(1)、毛细管(2)，毛细管内填充有聚合物(3)，并且毛细管外壁涂敷Pt-loaded WO3粉末(4)。2.根据权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于：单模光纤(1)与毛细管(2)直接熔接，且单模光纤(1)为通信用单模光纤，其包层直径为125微米。3.根据权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于：毛细管(2)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨易，徐贲，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：新型
国别省市：浙江;33