一种基于光杠杆修正原理的双干涉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光杠杆修正原理的双干涉氢气传感器，由宽带光源、分光器、参考光纤、温度参考光纤、氢气参考光纤、氢敏薄膜、真空传温管、形变片、望远镜、直尺、反光镜装置、支架组成；将传感器置于氢气环境中，宽带光源经分光器产生两束相干光；关闭氢气参考光纤，两束相干光分别经过参考光纤和温度参考光纤，通过记录干涉图样的信息，得到环境温度的影响；然后关闭温度参考光纤，让两束相干光经过参考光纤和氢气参考光纤，记录干涉图样的信息，根据记录的温度信息来修正环境温度对传感器的误差影响，最后将两种信息综合分析得出氢气浓度；本实用新型专利技术受环境影响小，精度高，寿命长，具有一定的创新性和实用价值，具有良好的市场前景。市场前景。市场前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光杠杆修正原理的双干涉氢气传感器


[0001]本技术属于氢气传感器领域，具体涉及一种基于光杠杆修正原理的双干涉氢气传感器。

技术介绍

[0002]当今社会，由于化石燃料的有限性及其引发的温室效应和环境污染，使得清洁新能源成为全球开发和利用的研究热点。氢能具有燃烧效率高、产物无污染等优点，与太阳能、风能等被称为九大新能源，并被誉为最具发展前景的二次能源。同时，氢也是一种重要的工业原料，在电子工业、汽车业、冶金工业、石油化工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天、食品加工等方面有着广泛的应用。氢气是一种无色、无嗅、无毒、易燃易爆的气体。氢气分子量很小，在生产、储存、运输、使用过程中很容易发生泄漏，并且氢气具有很强的渗透能力。同时，氢气的着火点为585℃，当空气中的氢气含量在4％至75％的范围时，遇到明火就会发生爆炸，这给氢气的储存和使用等带来很大不便。鉴于氢气在食品卫生、能源动力、军事国防等领域的广泛使用以及不安全性，在使用氢气时必须对其浓度进行检测。国内外已经进行了大量关于氢气传感器的研究，目前氢气传感器主要有电化学型、电学型、光学型三大类。
[0003]目前市场上电化学与电学氢气传感器占有率较高。各种电化学氢气传感器的工作温度范围覆盖较广，并且功耗很低，灵敏度高，但是其电极寿命有限，并且工作时需要提供给传感器电流或电压，不适用于易燃易爆场所。电学型氢气传感器具有结构简单，易实现微型化，易集成的优点，但是其工作所需温度较高，增加了能耗，并且其工作时易产生电火花，同样不适用于易燃易爆场所。光学型氢气传感器中声表面波型与光声型通过测其频率的偏移量来检测氢气浓度的方法受环境因素影响较大，而光纤氢气传感器具有本征安全、抗电磁干扰、体积小、耐腐蚀等优点，并且其传感器灵敏度和测量精度高，能够达到实时响应。根据传感机理的不同，可以制作出适用于单点测量和分布式多点测量的多种光纤氢气传感器。因此光纤氢气传感器将成为氢气传感器研究领域的主要内容，随着传感器制作工艺的提升和信号解调技术的发展，光纤氢气传感器将占据更大的市场。
[0004]光纤氢气传感器的传输介质是光纤，光纤作为信息传输的介质问世于20世纪70年代。光纤具有一系列的优点：光纤体积小，对于石英光纤其包层直径仅100-150um；光纤传光性能好，这与光纤材料和结构有关；光纤抵抗外界电磁干扰的能力和抗腐蚀能力强，因为光纤外面涂有一层特殊材料的涂覆层。通过在通信方面对光纤的研究人们也提出了光纤在其他领域的应用。目前光纤传感已进入研究与实用并存的阶段。光纤氢气传感器就是以光纤为传导介质，通过氢气浓度的变化引起传导的光信号发生变化为基础制作的。
[0005]传感器技术支撑着工业产业的发展，领先的传感器技术已成为发达工业国家的核心竞争力。氢气传感器是传感器技术用于工业生产的代表。早在100多年前，人们为了保障飞船氢燃料的纯度，就已经开始进行氢气浓度的检测。目前，工业生产中投入使用的氢气传感器大多是电化学类，但由于此类传感器可能产生电火花，构成严重的安全隐患。相较之
下，光纤传感器本征防爆，进行传感时没有电火花产生，处于氢气环境中更加安全，并且该类传感器还具备测量灵敏度高，抗电磁干扰，重量轻，体积小，耐腐蚀，易于复用等诸多优点，故对基于光学原理的传感器的研究已成为氢气传感领域的重要研究方向。
[0006]1984年，美国的M.A.Bulter教授和Ginley教授提出并开始研究光纤氢气传感器，首次将光纤应用在氢气检测技术上，以此带动了该类传感技术的发展，在随后的几十年中，越来越多的国家和科研机构都开始致力于光纤氢气传感器的研究，并且都取得了很大的进展，他们对各自的方案设计进行了大量研究，并取得很好的成果。而在国内，许多的科研机构和院校，甚至是公司企业也都开始了光纤氢气传感器的研究。但是到目前为止，国内大部分的研究还都处于实验阶段，达不到实用化标准，因此，利用光纤传感技术对氢气进行检测还是一个值得继续研究的课题。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本技术的目的在于以双干涉传感器为依托，通过光杠杆的方法进行温度修正，氢敏薄膜和氢气结合，体积膨胀，以致拉伸光纤，增加光程，导致信号臂中光信号的相位发生改变，从而使得参考光纤(3)和氢气参考光纤(5)中光信号的光程差增加，干涉图样会变细变密；同时也会造成反光镜装置(11)的微小位移，而经过光杠杆光路放大后，会形成肉眼可见的空间位移，这样便能增强结果的精准程度。通过另一个只关于环境温度的干涉图样及光杠杆信息，对氢气浓度结果进行相应的修正，提高结果的独立准确性。
[0008]本技术通过以下技术方案实现：宽带光源(1)发射的光经由分光器(2)首先入射到参考光纤(3)和温度参考光纤(4)，然后经由分光器(2)入射到参考光纤(3)和氢气参考光纤(5)。在测试过程中，宽带光源(1)同时向两个光杠杆装置提供光源，调整光源位置角度，使光源经过反光镜装置(11)后反射到直尺(10)上，通过望远镜(9)观测反光镜装置(11)中的直尺(10)刻度。通过比较两次干涉图样信息以及直尺(10)刻度的差别，便可修正环境温度对于氢气浓度测量带来的误差，提高检测结果的准确性。
[0009]所述氢敏薄膜(6)选用Pt/WO3传感膜，并用溶胶-凝胶法与浸渍提拉法制备。
[0010]所述真空传温管(7)选用10mm内径PVC透明软管。
[0011]所述形变片(8)粘附在温度参考光纤(4)和氢气参考光纤(5)包层外侧，同时与支架(12)所在平面水平。
[0012]本技术的工作原理是：对于双干涉部分：在氢气环境中，对氢气有高选择性的氢敏薄膜和氢气结合，体积膨胀，以致拉伸光纤，增加光程，导致氢气参考光纤(5)中光信号的相位发生改变，从而使得参考光纤(3)和氢气参考光纤(5)中光信号的光程差增加，干涉图样会变细变密；通过对干涉图样信息的分析，便可得知环境温度和氢气浓度共同作用于装置的影响以及环境温度对装置的影响。对于光杠杆部分：环境温度会使氢敏材料和光纤有一定程度的热胀冷缩，在温差很大的情况下这种影响对于检测结果带来的误差更是不容忽略。所以环境温度也会使光纤产生一定的微小形变，从而使形变片(8)翻转一定的角度，通过光杠杆这种光学放大装置来检测这种小角度变化，从而得知仅环境温度对于装置测量结果的影响。通过综合分析环境温度对于装置测量结果的影响来修正温度因素的影响，从而得到更加精确的氢气浓度测量结果。
[0013]本技术的有益效果是：本技术在干涉法测量氢气浓度的前提上进行改进，采用双干涉方法，增加了一定的系统容错性和稳定性，同时以光杠杆占主要权重来修正传统干涉法中环境温度对于系统测量结果的误差，使测量结果的准确性大大提高。同时运用溶胶
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凝胶法与浸渍提拉法制备Pt/WO3传感膜，既增加了对于氢气的选择性，也缩短了响应时间，同时使系统具有一定的重复性，稳定性。本技术受环境影响小，精度高，寿命长，具有一定的创新性和实用价值，具有良好的市场前景。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光杠杆修正原理的双干涉氢气传感器，由宽带光源(1)、分光器(2)、参考光纤(3)、温度参考光纤(4)、氢气参考光纤(5)、氢敏薄膜(6)、真空传温管(7)、形变片(8)、望远镜(9)、直尺(10)、反光镜装置(11)、支架(12)组成；其特征在于：参考光纤(3)、温度参考光纤(4)、氢气参考光纤(5)选用同种光纤，温度参考光纤(4)和氢气参考光纤(5)镀有相同的氢敏薄膜(6)，区别在于温度参考光纤(4)上的氢敏薄膜(6)由真空传温管(7)包覆；望远镜(9)由物镜、目镜、十字分划板组成，反光镜装置(11)前两脚放置于支架(12)平台上，后脚放置于温度参考光纤(4)和氢气参考光纤(5)的形变片(8)上面；在反光镜装置(11)正前方1-2米处放置望远镜(9)和直尺(10)；将传感器装置在氢气环境中，宽带光源(1)产生两束激光，为光杠杆提供光源；同时经由分光器(2)产生两束相干光，首先关闭氢气参考...

【专利技术属性】
技术研发人员：马宁，沈常宇，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：