專利名稱：一種氫氣傳感器及鈀膜氫敏感系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器測量領域，具體涉及一種基于EFPI的氫氣傳感 器和鈀膜氫敏感系統。
背景技術：
目前測量氫氣濃度的傳感器主要包括三類，分別為干涉型光纖 氫傳感器(參見Optical fiber hydrogen sensor, M. A. Butler , Applied Physics Letters, 1984, Vol.45(10), pp. 1007-1009 )、微透鏡型光纖氫傳感 器(參見Fiber optic sensor for hydrogen concentrations near the explosive limit, Butler Michael A., Journal of the Electrochemical Society, Vol.l38(9), 1991,pp. L46-L47 )和基于布拉格光柵型光纖氫傳感器(參 見Pd-coated elastoopic fiber optic optic bragg grating sensors for multiplexed hydrogen sensing, Boonsong S., Sensor and Actuators B， Vol,60， 1999，pp.27畫34)。
由于金屬鈀(Pd)在低分壓氫氣環境中吸收氫氣產生伸長效應， 在干涉型光纖氫傳感器中，將金屬鈀蒸鍍于某一段光纖上，利用伸長 效應會造成光纖的徑向及軸向應變，因此干涉型光纖氫傳感器以鍍鈀 光纖作為M-Z (馬赫-曾德/Mach-Zehnder)干涉儀的信號臂，通過檢 測出光的相位變化即可間接得到氫氣濃度。如圖l所示為現有M-Z干 涉型光纖氫氣傳感器的結構圖，其結構中包括信號臂1和參考臂2兩路 信號，信號臂1光路中的光纖上具有鈀或鈀金屬膜3，當任意一路信號 受到干擾都會影響測量結果，與其他只檢測 一路信號的傳感器相比 較，則這種結構更容易引入干擾。
在微透鏡型光纖氫傳感器中，在單模或多模光纖端面上蒸鍍一層 鈀膜，鈀膜厚度為10mm 50mm。由于注入光纖的光在輸出端面上會產生折射，因此當把該微透鏡型光纖傳感器暴露于包含氫氣的環境 中時，蒸鍍在光纖輸出端面上的鈀會與氫反應，從而引起鈀膜折射率 的變化，進而使經折射輸出后的光強度發生變化。折射率變化的大小 與氫濃度有關，通過檢測光強度變化可以確定氫的濃度。對于微透鏡 型光纖氫傳感器，在一定范圍內增加鈀膜厚度對提高傳感器的響應度 有所幫助。但是，隨著厚度的增加，響應時間也將加長，這主要是因 為當鈀膜加厚時，氫含量達到飽和需要較長的時間。因此，從響應時 間的角度來考慮，鈀膜越薄越好，這就在靈敏度與響應時間之間形成 了矛盾而不能同時優化。
在基于布拉格光柵型光纖氫傳感器中，當鍍有鈀膜的光纖布拉格
光柵(fibber bmgg gratting， FBG)暴露于氫氣中時，鈀與氫反應生 成鈀的氫化物PdHx。 一般PdHx密度較小使得鈀膜膨脹產生張力，這 一張力可以通過比較FBG的發射譜和反射譜確定。鈀膜膨脹還使得光 纖拉伸，從而引起光柵周期與折射率變化。由于張力的大小由氫氣濃 度決定，故布拉格波長的變化量與氫氣濃度有關，從而通過布拉格波 長可以確定該處氫氣濃度的大小。基于布拉格光柵型光纖氫傳感器檢 測需要較復雜的技術和較昂貴的儀器。

發明內容
本發明的目的是提供一種氫氣傳感器和鈀膜氫敏感系統，克服了 現有技術中由于光源波動和光纖擾動等因素難以實現高分辨率穩定 測量的問題，及易受環境溫度擾動影響的問題，測量結果準確且溫度 性強，且成本低廉。
為實現上述目的，本發明釆用如下技術方案
一種氫氣傳感器，包括導入光纖、反射光纖和空心管，所述空心 管表面具有鈀或鈀合金膜，所述導入光纖和反射光纖分別與所述空心 管管腔的兩端連接，相對的兩個光纖端面相互平行并與所述管腔一起 構成干涉腔體。優選地，所述空心管為空芯光子晶體光纖，其表面鍍有鈀或鈀合 金膜，所述導入光纖和反射光纖均為單模光纖，并分別與所述空芯光 子晶體光纖的兩端熔接在一起。
優選地，所述空心管為毛細管，所述導入光纖和反射光纖從兩端 一同置入所述毛細管內，且導入光纖和反射光纖的外徑均與毛細管的 內徑相匹配。
優選地，所述毛細管為石英毛細管，所述石英毛細管的表面上鍍 有鈀或鈀合金膜；
或所述毛細管為鈀金屬毛細管； 或所述毛細管為鈀合金毛紳管。
優選地，還包括用于調整毛細管和導入光纖、反射光纖的相對位 置的螺旋微進裝置和壓電陶瓷。
優選地，連接導入光纖和反射光纖的毛細管套在不銹鋼保護套管 內，所述不銹鋼保護套管上與毛細管上有鈀或鈀合金膜的位置對應處
優選地，所述不銹鋼保護套管上套有光纖熱縮管。 優選地，所述反射光纖上不與導入光纖相對的光纖端面經過毛化 處理。
本發明還提供了另一種氫氣傳感器，包括導入光纖、反射光纖、 毛細管和V形鈀槽，所述毛細管固定在所述V形鎧槽內，所述導入 光纖和反射光纖從兩端一同置入所述毛細管內，且導入光纖和反射光 纖的外徑均與毛細管的內徑相匹配，相對的兩個光纖端面相互平行并 與毛細管管腔一起構成干涉腔體。
優選地，所述V形鈀槽的長度大于所述毛細管的長度，所述毛
細管以 一端與V形鈀槽一端對齊或向外凸出方式固定在所述V形鈀 槽內，在V形鈀槽的另一端間隔固定另一毛細管，反射光纖穿過另
一毛細管，另一毛細管向外的一端與所述v形鈀槽的另一端對齊或
6向外凸出。
本發明還提供了一種使用上述氫氣傳感器的鈀膜氫敏感系統，該 系統包括
光源，用于發出寬譜光；
氫氣傳感器，置于氫氣濃度測量環境中，導入光纖接收寬譜光后
經導入光纖和反射光纖相對的光纖端面分別反射后產生干涉光；
光纖耦合器，通過傳輸光纖接收光源發出的寬譜光，將其傳輸到 氫氣傳感器，接收氫氣傳感器產生的干涉光將其傳輸到光譜儀；
光譜儀，用于接收光纖耦合傳輸過來的干涉光，釆集接收干涉光 譜信號并對其數字化；
處理單元，與光譜儀連接，用于根據光譜儀數字化后的干涉光譜 信號計算干涉腔體腔長的變化，由所述腔長的變化確定氫氣的濃度。
優選地，所述光纖耦合器為2x2光纖耦合器，其中一個端口A連 接光源， 一個端口B接入所述氫氣傳感器中的導入光纖， 一個端口C
通過傳輸光纖連接光譜儀；另一個端口D連接置于折射率匹配溶液中 的傳輸光纖。
利用本發明提供的氫氣傳感器及鈀膜氫敏感裝置，具有以下有益 效果
1) 由于基于相位測量方式，測量時對光強信號進行歸一化，則 光源波動和光纖擾動不會對測量結果有影響；
2) 由于石英和光纖的熱膨脹系數均小于lxio-V。c，克服了通常 干涉式和光纖光柵式氫氣傳感器易受環境溫度擾動影響的問題；
3) 核心設備微型光纖光譜儀相對低廉的價格，使得其對比得到 最廣泛關注的光纖光柵式氫氣傳感方案，在低通道數傳感系統中具有 明顯的價格優勢。


圖1為現有技術中M-Z干涉型光纖氫氣傳感器的結構7圖2為本發明實施例1中氫氣傳感器的結構圖3為本發明實施例2中氫氣傳感器的結構圖； 圖4為本發明實施例3中氫氣傳感器的結構圖； 圖5為本發明實施例4中氫氣傳感器的另一種結構的主視圖； 圖6為本發明實施例4中氫氣傳感器的剖視圖； 圖7為本發明實施例5中鈀膜氫敏感系統的結構圖； 圖8為本發明實施例5中光纖耦合器的結構圖； 圖9為本發明實施例5中實驗時系統的結構圖； 圖10為本發明實施例5中測量氫氣濃度的曲線圖。 圖中1、信號臂；2、參考臂；3、鈀或鈀合金膜；4、氫氣傳感 器；401、導入光纖；402、反射光纖；403、石英毛細管；404、鈀或 鈀合金毛細管；405、空心光子晶體光纖；406、干涉腔體；407、熔 接點；408、固定點；409、 V形鈀槽；410、另一毛細管；5、光源； 6、光纖耦合器；7、傳輸光纖；8、光譜儀；9、 PC機；10、法蘭； 11、氣罐；12、氫氣瓶；13、氮氣瓶。
具體實施例方式
本發明提出的氫氣傳感器及鈀膜氫敏感系統，結合附圖和實施例 說明如下。
本發明提出的氫氣傳感器及鈀膜氫敏感系統是基于非本征型法 布里-珀羅干涉EFPI ( Extrinsic Fabry-Perot Interferometric )的，"非
本征"是指光纖在傳感器中僅起到光傳輸介質的作用，對外界信息的 敏感是通過其他功能元件來實現的。EFPI是一種結構特點和干涉技 術。基于EFPI的光纖傳感器的結構特點為釆用導入光纖和反射光纖 的光纖端面上的反射光形成干涉光，干涉腔體為導入光纖與反射光纖 相對光纖端面間的空氣隙。EFPI這一結構已被應用到不同的領域，比 如已經應用到溫度、應力等方面的傳感。但還未涉及應用到氫氣傳感 器領域。本發明將EFPI結構應到氫氣傳感器中，所提出的氫氣傳感器4包
括導入光纖401、反射光纖402和空心管，空心管的表面具有鈀或鈀 合金膜3 ，導入光纖401和反射光纖402分別與空心管管腔的兩端連接， 相對的兩個光纖端面相互平行并與空心管管腔一起構成干涉腔體 406。
下面給出本發明氫氣傳感器和使用該氫氣傳感器的鈀膜氫敏感 系統的優選實施方式。 實施例l
本實施例中空心管可釆用毛細管，其中一種優選的實施方式，如 圖2所示，該氫氣傳感器包括導入光纖401、反射光纖402和石英毛 細管403,石英毛細管403的表面鍍有鈀或鈀合金膜3，實現石英毛細 管403對氫氣的敏感，具有良好垂直端面的導入光纖401和反射光纖 402從兩端一同置入石英毛細管403內，利用C02激光或環氧樹脂將兩 根光纖與石英毛細管403固定在一起，如圖2所示的固定點407,導入 光纖401、反射光纖402相對的兩個光纖端面與石英毛細管403管腔一 起構成干涉腔體406,且導入光纖401和反射光纖402的外徑均與石英 毛細管403的內徑相匹配，可以保證導入光纖401和反射光纖402在石 英毛細管403內相互同軸；導入光纖401和反射光纖402均與石英毛細 管403平行，二者之間無傾角即平行，這樣可以保證干涉效果較好； 反射光纖402的背端(即不與入射光纖401直接相對的光纖端面)經過 毛化處理，這樣能消除該光纖端面的反射干擾。通過螺旋微進裝置和 壓電陶瓷調整石英毛細管403和導入光纖401、反射光纖402的相對位 置，使兩個光纖端面間有十幾至數百微米的間距，構成一個低細度的 非本征FP光纖干涉儀，兩個相對的光纖端面反射率約為4%，則可認 為是反射率遠小于1的低細度FP干涉儀。
傳感器除了釆用毛細管作為空心管的結構外，還包括套接在毛細 管外部的不銹鋼保護套管，由于使用中氫氣傳感器中導入光纖401和反射光纖402的另外兩端裸漏在外，容易損壞，毛細管外部的不銹鋼 保護套管，使裸露的光纖置于不銹鋼保護套管內固定，并在不銹鋼保 護套管對應毛細管上有鈀或鈀合金膜的位置處開槽，以便氫氣通入。 同時在不銹鋼保護套管上套一光纖熱縮管以保障光纖與保護套管連 接處不損壞。
實施例2
如圖3為氫氣傳感器的另一實施方式的結構圖，其結構與釆用石 英毛細管403的結構基本相同，不同的是毛細管具體為鈀或鈀合金毛 細管404,實現對氫氣的敏感，由于鎧或鎧合金毛細管404本身表面具 有鈀或鈀合金膜3，因此，制作時省略實施例l中需要再鍍一層鈀或鈀 合金膜的步驟。
實施例3
本發明基于EFPI的氫氣傳感器具體為基于空芯光子晶體光纖法-珀干涉傳感器，如圖4所示，即釆用一段空芯光子晶體光纖405 (PCF) 作法布里-珀羅腔體(干涉腔體)，導入光纖401和反射光纖402均為單 模光纖，利用光纖熔接方法在熔接點408將空芯光子晶體光纖405與兩 根單模光纖熔接起來，與空芯光子晶體光纖405熔接處的單模光纖相 對的兩個端面分別形成法布里-珀羅腔的兩個反射面，在空芯光子晶 體光纖405表面鍍一定厚度的鈀或鈀合金膜3來實現對氫氣的敏感。本 實施例中具體利用磁控濺射方式在空芯光子晶體光纖405表面鍍一定 厚度的鈀或鈀合金膜3，構成氫氣傳感器。
實施例4
本發明另一種基于EFPI結構氫氣傳感器的實施方式，如圖5所 示，包括導入光纖401、反射光纖402、毛細管和V形鈀槽409，導 入光纖401和反射光纖402從兩端一同置入毛細管內，且導入光纖 401和反射光纖402的外徑均與毛細管的內徑相匹配，相對的兩個光 纖端面相互平行并與毛細管管腔一起構成干涉腔體406,與上面實施
10不同的是，毛細管表面不直接鍍鈀或鈀合金膜3，而是將毛細管固定
在V形鎧槽409內，由V形鎧槽409實現對氫氣的敏感，V形鈀槽 409的形變引起干涉腔體406腔長長度的變化。
優選地，如圖6所示，V形鈀槽409的長度大于毛細管的長度，毛 細管以一端與V形鈀槽409 —端對齊或向外凸出方式固定在V形鈀槽 409內，在V形鈀槽409的另一端間隔固定另一毛細管410，反射光纖 402穿過另一毛細管410,另一毛細管410向外的一端與V形鈀槽409的 另一端對齊或向外凸出，這樣的好處是V形鈀槽409發生形變時更容 易帶動干涉腔體406的形變。
實施例5
如圖7為本實施例中使用上述氫氣傳感器的鈀膜氫敏感系統，該 系統包括光源5,用于發出寬譜光， 一般光譜范圍為幾十納米以上 即為寬譜光，通常釆用LED作光源即可；氫氣傳感器4，置于氫氣 濃度測量環境中，當寬譜光經傳輸光纖7傳輸到導入光纖401后，寬 譜光在導入光纖401的光纖端面一部分透射，另一部分反射， 一部分 透射光在反射光纖402的光纖端面反射，則導入光纖401與反射光纖 402相對端面的反射光形成干涉；光纖耦合器6，通過傳輸光纖7接 收光源5發出的寬譜光，將其通過傳輸光纖7傳輸到氫氣傳感器4, 接收氫氣傳感器4產生的干涉光將其傳輸到光譜儀8;光譜儀8，用 于接收光纖耦合器6傳輸過來的干涉光，釆集接收干涉光譜信號并對 其數字化；PC機9，與光譜儀8連接，用于根據光譜儀數字化后的 干涉光譜信號確定氫氣的濃度。
如圖8所示為本實施例中光纖耦合器結構圖，該光纖耦合器6為 2x2光纖耦合器，其中一個端口A通過傳輸光纖7連接光源5， 一個端 口B通過傳輸光纖7接入氫氣傳感器4中的導入光纖， 一個端口C通過 傳輸光纖7連接光譜儀8;另一個端口D連接置于折射率匹配溶液中的 傳輸光纖7，折射率匹配溶液具有高增透、防潮等特點，因為與傳輸
ii光纖的折射率相近，從而起到減少表面剩余反射的作用。上述四路傳 輸光纖7中均連接有法蘭6。
下面給出使用本實施例中的鈀膜氫敏感系統的測量過程及原理 光源5所發生的寬譜光首先經端口A傳輸到光纖耦合器6，然后經端口 B傳輸到氫氣傳感器4，當寬譜光通過導入光纖401傳輸過來后，導入 光纖401和反射光纖402的相對的兩個光纖端面反射后產生干涉光譜 信號，反射回的干涉光譜信號再次經過傳輸光纖7傳輸到耦合器6，經 耦合器6的端口C通過傳輸光纖7輸出傳送給光譜儀8;光譜儀8采集接 收的干涉光譜信號并將其數字化發送給PC機9， PC機9接收光譜儀8 數字化后的干涉光譜信號，根據該數字化后的干涉光譜信息確定空氣 中氫氣的濃度。測氫氣濃度的原理為鈀或鈀合金膜吸收氫氣后產生 的形變通過空心管將傳遞到干涉腔體406上，引起干涉腔體406腔長的 變化，反過來，通過釆集返回的干涉光譜信號來測量干涉腔體406腔 長的變化就可以反映出氫氣的濃度。
如圖9為實驗時的系統結構圖，為了驗證本發明系統測量的準確 性，實驗中將氫氣傳感器4置于氣罐11中，氫氣瓶12和氮氣瓶13通過 連接有流量計的管路通入氣罐ll中，實驗中分別控制氫氣流量計流量 為25ml/min，氮氣流量計流量為1L/min，可以得到濃度約為2.5%的氫 氣，利用基于交叉相關的解調算法，對光譜儀釆集的數據進行處理可 得氫氣濃度曲線。在實驗中，實驗開始后10秒通入氫氣、氮氣混合氣 體，800秒時通氣停止，然后在1100秒時通入純氮氣，2500秒時停止， 如圖IO所示為對應得到的實驗結果圖。
本發明提出的基于EFPI結構的氫氣傳感器是基于相位測量方式， 測量時對光強信號進行歸一化，則光源波動和光纖擾動不會對測量結 果有影響，克服了基于強度測量方式的光纖氫氣傳感器由于光源波動 和光纖擾動等因素難以實現高分辨率穩定測量的問題。
另外，由于鈀的熱膨脹系數約為L2xlO力。C，環境溫度漂移同樣會通過鈀膜的熱膨脹使EFPI傳感器的腔長發生變化，會對氫氣濃度的 測量結果造成誤差。但本發明中石英和光纖的熱膨脹系數均小于lx 10，C，為了對鈀膜的熱膨脹所造成的腔長變化進行補償，可以通過 選用一定長度具有較大熱膨脹系數的金屬絲代替反射光纖來實現這 一目的。當環境溫度發生漂移，金屬絲的熱膨脹效應與鈀膜的熱膨脹 效應所帶來的腔長變化影響相反，通過控制金屬絲的長度，可以基本 消除環境溫度漂移對氫氣濃度測量的影響，因此克服了通常干涉式和 光纖光柵式氫氣傳感器易受環境溫度擾動影響的問題。
同時，由于本發明中的核心設備微型光纖光譜儀相對低廉的價 格，使得其對比得到最廣泛關注的光纖光柵式氫氣傳感方案，在低通
道數傳感系統中具有明顯的價格優勢。并且近年發展起來的頻分復用 技術也使得本方案具有復用成陣的可能。
以上實施方式僅用于說明本發明，而并非對本發明的限制，有關 技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下， 還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發明 的范疇，本發明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1、一種氫氣傳感器，其特征在于，包括導入光纖、反射光纖和空心管，所述空心管表面具有鈀或鈀合金膜，所述導入光纖和反射光纖分別與所述空心管管腔的兩端連接，相對的兩個光纖端面相互平行并與所述管腔一起構成干涉腔體。
2、 根據權利要求l所述的氫氣傳感器，其特征在于，所述空心管為空芯光子晶體光纖，其表面鍍有鈀或鈀合金膜，所述導入光纖和反 射光纖均為單模光纖，并分別與所述空芯光子晶體光纖的兩端熔接在 一起。
3、 根據權利要求1所述的氫氣傳感器，其特征在于，所述空心 管為毛細管，所述導入光纖和反射光纖從兩端一同置入所述毛細管 內，且導入光纖和反射光纖的外徑均與毛細管的內徑相匹配。
4、 根據權利要求3所述的氫氣傳感器，其特征在于，所述毛細 管為石英毛細管，所述石英毛細管的表面上鍍有鈀或鈀合金膜；或所述毛細管為鈀金屬毛細管； 或所述毛細管為鈀合金毛細管。
5、 根據權利要求3或4所述的氫氣傳感器，其特征在于，還包 括用于調整毛細管和導入光纖、反射光纖的相對位置的螺旋微進裝置 和壓電陶瓷。
6、 根據權利要求3或4所述的氫氣傳感器，其特征在于，連接 導入光纖和反射光纖的毛細管套在不銹鋼保護套管內，所述不銹鋼保 護套管上與毛細管上有鈀或鈀合金膜的位置對應處開槽。
7、 根據權利要求6所述的氫氣傳感器，其特征在于，所述不銹 鋼保護套管上套有光纖熱縮管。
8、 根據權利要求1 4任一項所述的氫氣傳感器，其特征在于， 所述反射光纖上不與導入光纖相對的光纖端面經過毛化處理。
9、 一種氫氣傳感器，其特征在于，包括導入光纖、反射光纖、毛細管和V形鈀槽，所述毛細管固定在所述V形鈀槽內，所述導入 光纖和反射光纖從兩端一同置入所述毛細管內，且導入光纖和反射光 纖的外徑均與毛細管的內徑相匹配，相對的兩個光纖端面相互平行并 與毛細管管腔一起構成干涉腔體。
10、根據權利要求9所述的氫氣傳感器，其特征在于，所述V 形鈀槽的長度大于所述毛細管的長度，所述毛細管以一端與V形鈀 槽一端對齊或向外凸出方式固定在所述V形鈀槽內，在V形鈀槽的 另一端間隔固定另一毛細管，反射光纖穿過另一毛細管，另一毛細管 向外的一端與所述V形鈀槽的另一端對齊或向外凸出。
11 、 一種使用權利要求1或9所述氫氣傳感器的鈀膜氫敏感系統， 其特征在于，包括光源，用于發出寬譜光；氫氣傳感器，置于氫氣濃度測量環境中，導入光纖接收寬譜光后光纖耦合器，通過傳輸光纖接收光源發出的寬譜光，將其傳輸到 氫氣傳感器，接收氫氣傳感器產生的千涉光將其傳輸到光譜儀；光譜儀，用于接收光纖耦合傳輸過來的干涉光，釆集接收干涉光 譜信號并對其數字化；處理單元，與光譜儀連接，用于根據光譜儀數字化后的干涉光譜 信號計算干涉腔體腔長的變化，由所述腔長的變化確定氫氣的濃度。
12、如權利要求11所述的系統，其特征在于，所述光纖耦合器 為2x2光纖耦合器，其中一個端口A連接光源， 一個端口B接入所 述氫氣傳感器中的導入光纖， 一個端口 C通過傳輸光纖連接光譜儀； 另一個端口 D連接置于折射率匹配溶液中的傳輸光纖。
全文摘要
本發明涉及一種氫氣傳感器及鈀膜氫敏感系統，該氫氣傳感器包括導入光纖、反射光纖和空心管，空心管的表面具有鈀或鈀合金膜，導入光纖和反射光纖分別與空心管管腔的兩端連接，相對的兩個光纖端面相互平行并與管腔一起構成干涉腔體；該鈀膜氫敏感系統通過向氫氣傳感器的導入光纖傳輸寬譜光，并接收導入光纖和反射光纖相對兩端反射產生的干涉光，通過采集干涉光譜信號來確定干涉腔體腔長的變化，進而計算出氫氣的濃度。本發明克服了現有技術中由于光源波動和光纖擾動等因素難以實現高分辨率穩定測量的問題，極易受環境溫度擾動影響的問題，測量結果準確且溫度性強，且成本低廉。
文檔編號G01N21/84GK101451959SQ200810247340
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月30日 優先權日2008年12月30日
發明者志 莊, 廖延彪, 敏 張, 毅 張, 振 楊, 芊 田, 黎啟勝 申請人:清華大學