一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，属于光纤传感技术领域，包括宽带光源、光谱分析仪、单模光纤、环形器、双C型氢气传感头；本实用新型专利技术利用聚二甲基硅氧烷将空芯光纤分隔成两个C型空腔，一个微腔形成干涉结构，另一个微腔内嵌氢气敏感材料作为传感区，其中，空芯光纤的长度为100μm～150μm，第一空腔的长度为20μm～60μm；当氢气浓度增加，三氧化钨载铂粉末与氢气发生氧化还原反应，使得传感结构周围温度升高，聚二甲基硅氧烷膜受热发生膨胀，使得第一空腔的腔长缩短，从而使得干涉波谱向短波发生波长漂移。本实用新型专利技术具有结构制作简单，操作灵活，传感结构紧凑，尺寸微小，可以长期使用等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器
本技术涉及了一种光纤氢气传感器，尤其涉及一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，属于光纤传感

技术介绍
氢能是一种无污染，储量大，热值高的清洁能源，是保障能源安全的永久性战略。作为反应物，保护气体，转子冷却剂，清洁的可持续能源等，氢气被广泛应用于许多领域，如石油和化学工业，物理和工程，电气工业，汽车，航空航天。然而，由于氢气的最低点火能量和爆炸极限(4％)非常低，在日常存储、使用氢气过程中存在很大的安全隐患。因此，储氢泄漏的快速检测和准确的氢浓度测量(特别是低于4％甚至更低)对于安全使用氢极其重要。目前许多科研团队已经发表了多种类型的氢气传感器并且在实际生产生活中广泛应用。传统的氢气传感器是基于量热电热和电导传感器等电化学机理，具有较高的精度和较低的检测阈值。然而，电传感器容易产生电火花，存在很大安全隐患。光学传感器，特别是全光纤光学氢传感器具有本质安全性，远程接触潜在爆炸区域和抗电磁干扰的优点，并因此在某些环境中特别需要。目前，常见的光纤氢气传感器的类型主要有光纤光栅型、干涉型和布拉格光栅型等。基于干涉仪的氢气传感器可以实现较高氢气灵敏度，结构更加灵活，是目前使用较多的一种类型。光纤氢气传感器主要采用两种主要类型的氢敏感材料钯(Pd)和三氧化钨(WO3)。当氢气浓度变化时，钯膜的体积以及介电常数会发生变化，对光纤结构产生一个光调制作用。然而钯膜与光纤表面的结合性差，重复使用容易出现开裂和脱落的情况；同时存在测试范围小，探测灵敏度低等情况。当氢气浓度变化时，三氧化钨会与氢气发生氧化还原反应，其正反应为放热反应，会导致温度发生变化，从而对光纤结构产生一个光调制作用，因此此类光纤传感器为一种基于自发热传感机制的氢气检测手段。三氧化钨为粉末，在实际使用中比较方便。然而，由于三氧化钨一般包覆在光纤外表面，使用中容易由于接触、摩擦而脱落，重复性差。
技术实现思路
本技术的目的是：为了解决光纤氢气传感器中所存在的传感区域大、不适合远距离操控、氢气敏感材料容易脱落，制作复杂等缺点，提供了一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，该氢气传感器具有结构紧凑，稳定性好，精度高，响应时间短，安全可靠，很强的实用价值等优点。本技术为解决技术问题所采取的技术方案为：一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，包括宽带光源(1)、光谱分析仪(2)、单模光纤(3)、环形器(4)、双C型氢气传感头(5)，其特征在于：宽带光源(1)通过单模光纤(3)与环形器(4)的第一端口(401)相连，环形器(4)的第二端口(402)通过单模光纤(3)与双C型氢气传感头(5)相连，环形器(4)的第三端口(403)通过单模光纤(3)与光谱分析仪(2)相连；光谱分析仪(2)作为信号解调部分；所述双C型氢气传感头(5)由空心光纤(6)，聚二甲基硅氧烷薄膜(7)，三氧化钨载铂粉末(10)组成；聚二甲基硅氧烷薄膜(7)将空心光纤(6)分隔成第一空腔(8)和第二空腔(9)；其中聚二甲基硅氧烷薄膜(7)靠近第二空腔(9)一侧黏附有三氧化钨载铂粉末(10)；空芯光纤的长度为100μm～150μm，第一空腔(8)的长度为20μm～60μm。本技术的有益效果为：结构制作简单，操作灵活，传感结构紧凑，尺寸微小，可以长期使用。附图说明图1为一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器结构示意图。具体实施方式下面结合附图及其实施实例对本技术作进一步说明。图1为本技术一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器示意图。本技术包括宽带光源(1)，光谱分析仪(2)，单模光纤(3)，环形器(4)，双C型氢气传感头(5)；其中双C型氢气传感头(5)由空心光纤(6)，聚二甲基硅氧烷薄膜(7)，三氧化钨载铂粉末(10)组成；聚二甲基硅氧烷薄膜(7)将空心光纤(6)分隔成第一空腔(8)和第二空腔(9)；其中聚二甲基硅氧烷薄膜(7)靠近第二空腔(9)一侧黏附有三氧化钨载铂粉末(10)；宽带光源(1)通过单模光纤(3)与环形器(4)的第一端口(401)相连，环形器(4)的第二端口(402)通过单模光纤(3)与双C型氢气传感头(5)相连，环形器(4)的第三端口(403)通过单模光纤(3)与光谱分析仪(2)相连；光谱分析仪(2)作为信号解调部分。本技术的系统工作方式为：宽带光源(1)产生信号光，由单模光纤(3)输入到环形器(4)第一端口(401)，环形器(4)通过第二端口(402)将信号光通过单模光纤(3)输入到双C型氢气传感头(5)，在聚二甲基硅氧烷薄膜(7)反射，反射光经过单模光纤(3)，通过环形器(4)第三端口(403)相干输出到光谱分析仪(2)。当氢气浓度增加，三氧化钨载铂粉末(10)与氢气发生氧化还原反应，使得传感结构周围温度升高，聚二甲基硅氧烷薄膜(7)受热发生膨胀，使得第一空腔(8)的腔长缩短，从而使得干涉波谱向短波发生波长漂移；利用光谱分析仪(2)检测干涉波长的变化就可以实现对氢气浓度的测量。基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器的关键技术有：双C型微型空腔传感结构。由空芯光纤与聚二甲基硅氧烷薄膜形成的双腔结构是实现高灵敏度传感的基础；利用聚二甲基硅氧烷将空芯光纤分隔成两个C型空腔，一个微腔形成干涉结构，另一个微腔内嵌氢气敏感材料作为传感区。空芯光纤的长度。空芯光纤长度太长，会导致形成的空腔过大，产生的干涉光谱效果差；空芯光纤长度太短，会导致聚二甲基硅氧烷无法通过毛细效应进入空芯光纤内部，无法形成两个C型空气微腔；空芯光纤的长度应该控制在100μm～150μm，第一空腔的长度为20μm～60μm。传感结构与三氧化钨载铂粉末的结合，利用半固化的聚二甲基硅氧烷的紧密黏附氢气敏感材料，使传感器稳定性高，便于长期使用。本实例中，光源的输出波长为1200nm～1650nm；光谱仪的工作波长覆盖范围为1200nm～1650nm；单模光纤用的是常规单模光纤(G.625)，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，空芯光纤用的是石英毛细管(TSP075150)，外径为150μm，内径为75μm，涂层为12μm；空芯光纤的长度为120.5μm，第一空腔的长度为35.5μm；在氢气浓度在0％至1.0％范围内，一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器的氢气灵敏度为-15.14nm/％，拟合度R2为0.99。通过上述实例对本技术进行了揭示，但其他对基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器的简单变形、替换均将落入本技术的权利要求范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，包括宽带光源、光谱分析仪、单模光纤、环形器、双C型氢气传感头，其特征在于：宽带光源通过单模光纤与环形器的第一端口(401)相连，环形器的第二端口(402)通过单模光纤与双C型氢气传感头相连，环形器的第三端口(403)通过单模光纤与光谱分析仪相连；光谱分析仪作为信号解调部分；所述双C型氢气传感头由空心光纤，聚二甲基硅氧烷薄膜，三氧化钨载铂粉末组成；聚二甲基硅氧烷薄膜将空心光纤分隔成第一空腔和第二空腔；其中聚二甲基硅氧烷薄膜靠近第二空腔一侧黏附有三氧化钨载铂粉末；空芯光纤的长度为100μm～150μm，第一空腔的长度为20μm～60μm。

【技术特征摘要】
1.一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，包括宽带光源、光谱分析仪、单模光纤、环形器、双C型氢气传感头，其特征在于：宽带光源通过单模光纤与环形器的第一端口(401)相连，环形器的第二端口(402)通过单模光纤与双C型氢气传感头相连，环形器的第三端口(403)通过单模光纤与光谱分析仪相...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵春柳，李翌娜，徐贲，于栋友，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33