基于光加热的光纤氢气检测装置的制造方法
基于光加热的光纤氢气检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤传感技术，材料科学以及光电子技术的交叉领域，涉及到功能材料制备和光电检测技术，具体涉及到具有自补偿功能光纤氢气检测装置。
【背景技术】
[0002]以煤和石油为代表的能源消耗和环境污染是当今社会的一个重大问题，近年来我国深受大气污染(严重雾霾)和生态环境恶化的危害，开发和使用新型清洁能源的是国家未来的一个战略需求。在众多的新能源中，氢能是具有巨大发展潜力的未来能源之一，从长远看，它的发展可能带来能源结构的重大改变。由于氢气具有分子量小、渗透性强、易燃易爆以及无色无味等特性，在空气中氢气的浓度超4%时遇明火即会爆炸，其易燃范围为4?74.4%，在泄漏后难以察觉，因而极有可能导致爆炸事故。
[0003]在国防军事应用方面，核武器及核燃料存放设施由于放射材料的裂变产生氢，在此设施中氢浓度是评价核材料寿命的重要指标；潜艇长期在水下潜伏，潜艇中由于在铅酸蓄电池充放电过程会产生氢气，需要对艇内可能的氢气泄漏和氢气浓度进行实时监测。
[0004]目前技术上相对成熟应用的氢气传感器主要是电化学类传感器，这类传感器采用电信号作为传感信号，在工作时有产生电火花的可能性，因而仍然具有潜在爆炸的危险；另外由于是基于电子迀移导致电阻变化的电学参量传感，传感器对其他还原性气体具有交叉敏感的可能性，因此传统的电化学传感器在安全性和选择敏感性方面仍然存在一些难以克服的问题。光纤氢气传感器在传感和传输过程中只有弱光信号，具有本质安全、抗电磁干扰、远程传输及体积小等优点，是实现氢气浓度安全监测的理想方案，由于环境温度和湿度的干扰难以实现氢气浓度的精确测量。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于光加热的光纤氢气检测装置，该装置具有较好的抗温度、湿度和光纤中光强波动干扰能力，能够实现氢气浓度的精确测量。
[0006]本发明解决其技术问题采用以下的技术方案:
[0007]本发明提供的基于光加热的光纤氢气检测装置，由依次相连的传感光源、光纤耦合器、光环形器、传感探头，和依次相连的加热光源、电控单元、计算机、光谱仪组成，其中加热光源、光谱仪还分别与光纤耦合器、光环行器相连。
[0008]所述的传感光源采用为850nm、1310nm或1550nmASE平坦光源，所述的加热光源采用980nm或1480nm泵浦激光光源。
[0009]所述的光纤耦合器采用I X 2单模光纤耦合器。
[0010]所述的传感探头由高反射光栅、低反射光栅、短周期光栅、氢气敏感膜和多模光纤组成，其中:低反射光栅和短周期光栅焊接多模光纤，当多模光纤焊接在低反射光栅和短周期光栅之间时，将氢气敏感薄膜沉积在短周期光栅端面，或者，当多模光纤焊接在短周期光栅之后时，将氢气敏感膜沉积在多模光纤端面。
[0011]所述的传感探头位于多孔保护套中，并用环氧树脂封装。
[0012]所述的高反射光栅、低反射光栅、短周期光栅均采用布喇格光纤光栅，其中高反射光栅、低反射光栅的反射率分别为多98%、0.1%?40%，高反射光栅和短周期光栅栅区的间距为3?50mm，短周期光栅的长度为I?4mm。
[0013]所述的氢气敏感膜采用Pt薄膜表面保护的Mg/Ni合金薄膜，或Pt/Pd复合薄膜表面保护的wcv薄膜。
[0014]所述的多模光纤，其规格为50/125 μ m、62.5/125 μ m、100/125 μ m 或 100/125 μ m，其长度为0.2?5mm。
[0015]本发明提供的基于光加热的光纤氢气检测装置，其在能源、化工或国防安全领域中氢气浓度检测中的应用。
[0016]本发明光纤氢气检测装置在进行氢气浓度检测时，可以采用光强比值法进行测试，根据高反射光栅反射峰强度与其反射峰附近基线强度、旁瓣强度或同一光纤中低反射光栅反射峰强的比值获得对应氢气浓度。
[0017]本发明与现有技术相比具有以下的主要的优点:
[0018]1.能够保证传感探头在不同气氛环境下的灵敏度。
[0019]所述的两种氢气敏感材料:针对无氧和有氧的应用环境，分别采用优化结构和成分氢气敏感材料Pt薄膜表面保护的Mg/Ni复合薄膜和Pt/Pd复合薄膜表面保护的WCV薄膜，能够保证传感探头在不同气氛环境下的灵敏度。
[0020]2.具有较好的抗温度、湿度和光纤中光强波动干扰能力。
[0021]所述传感探头在同一光纤中刻写光栅及沉积氢气敏感膜，刻写光栅及沉积氢气敏感膜的探头部分采用多孔不锈钢外套封装保护，因此参考光信号强度及传感光信号强度受前端传输光纤中光强变化的影响程度相同，因此该传感探头具有较好的抗光源波动、光纤弯曲、光纤接头插入损耗和外界震动干扰能力。
[0022]3.具有补偿功能，能够实现氢气浓度的精确测量。
[0023]由于采用光加热方式加热氢气敏感材料，保证氢气敏感材料工作在理想恒定的温度下，故可以提高传感探头的灵敏度，并且可以排除环境温度和湿度对光纤氢气检测装置性能的干扰，从而提高检测装置的测量精度。
[0024]4.实用性强。
[0025]由于能够实现氢气浓度的精确测量，将在我国能源、化工等领域中氢气安全监测中有广阔的应用前景；同时对我国国防安全方面具有重要意义。
【附图说明】
[0026]图1为本发明一种基于光加热的光纤氢气检测装置的示意图；
[0027]图2为本发明的传感器探头在1000ppm氢气下反应前后的光谱图；
[0028]图3为本发明的光纤氢气检测装置在前端传输光纤弯曲前后性能指标的重复性对比；
[0029]图中:1.传感光源；2.加热光源；3.电控单元；4.计算机；5.光谱仪；6.光纤耦合器；7.光环形器；8.传感探头；9.环氧树脂；10.高反射光栅；11.低反射光栅；12.短周期光栅；13.氢气敏感膜；14.多模光纤；15.多孔保护套。
【具体实施方式】
[0030]本发明是一种基于光加热的光纤氢气检测装置，在同一光纤中制备高反射光栅、低反射光栅和短周期光栅，光纤端面沉积氢气敏感薄膜，利用功率可调泵浦光源作为加热光源，平坦ASE光源作为传感光源。高反射光栅反射峰强度作为参考信号，高反射光栅反射峰附近基线、旁瓣强度或低反射光栅反射峰强作为传感信号，通过两者比值测量氢气浓度，该结构设计具有较好的抗干扰能力。利用加热光源对沉积在短周期光栅端面的氢气敏感膜进行加热，光谱仪测量短周期光栅中心波长，经计算机进行数据处理后，向电控单元发出指令，通过电控单元控制加热光源输出功率使控制氢气敏感膜的工作温度，排除环境温度和湿度对敏感膜性能的影响，进而提高传感系统的测量精度，该装置在氢气浓度检测方面具有重要应用价值。
[0031]下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明:
[0032]本发明提供的一种基于光加热的光纤氢气检测装置，如图1所示，包括传感光源1、加热光源2、电控单元3、计算机4、光谱仪5、光纤耦合器6、光环形器7和传感探头8，其中:传感光源I和加热光源2分别与光纤親合器6具有两个接头部分中一端相连，光纤f禹合器6的单个接头部分与光环行器7连接，光环行器7与传感探头8和光谱仪5连接，光谱仪5同时与计算机4相连，计算机4也与电控单元3输入口相接，而电控单元3与加热光源2连接。传感光源I和加热光源2发出的光由光纤耦合器6到达光环形器7，经过光环形器7传输到达传感探头8，光信号经过传感探头8反射后到达光谱仪7，再经过光环形器7耦合到光谱仪5，光谱仪5将采集到的光谱数据传输到计算机4，计算机4对光谱数据进行处理显示氢气浓度，并向电控单元3发出指令，通过电控单元3控制加热光源2的输出功率。
[0033]所述的传感光源I可采用为850nm、1310nm或1550nmASE平坦光源，可由市场上购买。
[0034]所述加热光源2可以采用98 0nm或1480nm泵浦激光光源，加热光源的加热功率范围为 100-2000mW。
[0035]所述电控单元3由数字可编程电阻器组成，电控单元3连接加热光源2和计算机4，用于将计算机4执行发出的指令，通过改变数字可编程电阻器的电阻值控制加热光源2的输出功率。
[0036]所述计算机4与电控单元3和光谱仪5连接，用于对光谱仪5采集数据进行处理，并向电控单元3发出指令。
[0037]所述光谱仪5采用近红外波段光谱仪，光谱仪5与计算机4和光环行器7连接，用于将光环形器7传输的光谱进行数据采集，并将采集的光谱数据发送到计算机4。
[0038]所述光纤耦合器6采用I X 2单模光纤耦合器，用于将传感光源I和加热光源2发出的光親合到光环行器7。
[0039]所述光环形器7，用于将光纤耦合器6传输的光发送到传感探头8，然后将传感探头8反射回来的光信号发送到光谱仪5。
[0040]所述传感探头8位于多孔保护套15中，并用环氧树脂9封装。
[0041]该传感探头由高反射光栅10、低反射光栅11、短周期光栅12、氢气敏感膜13和多模光纤14组成，其中:低反射光栅11和短周期光栅12焊接多模光纤14，当多模光纤14焊接在低反射光栅11和短周期光栅12之间时，在氢气敏感薄膜13沉积在短周期光栅12端面；当多模光纤14焊接在短周期光栅12之后时，在氢气敏感膜13沉积在多模光纤端面。
[0042]所述的高反射光栅10，采用布喇格光纤光栅，其反射率多98%。
[0043]所述的低反射光栅11，米用布喇格光纤光栅，其反射率为0.1 %?40%。
[0044]所述的短周期光栅12，米用布喇格光纤光栅，其长度范围为I?4_。
[0045]所述的高反射光栅10和短周期光栅12栅区的间距范围为3?50mm。
[0046]所述氢气敏感膜13采用优化结构和成分Pt薄膜表面保护的Mg/Ni合金薄膜和Pt/Pd复合薄膜表面保护的WCV薄膜。Pt薄膜表面保护的镁镍合金，合金中镍镁原子比的范围为1:20?1:2，Pt薄膜作为保护膜和催化剂，Pt薄膜的厚度范围为5?50nm ；Pt/Pd复合薄膜表面保护的WCV薄膜，WO 3薄膜的厚度范围为20?800nm，Pt/Pd复合薄膜中铂钯原子比的范围为1:12?1:1，Pt/Pd薄膜的厚度范围为2?80nm。
[0047]所述多模光纤14的规格可以为50/125 μ m、62.5/125 μ m、100/125 μ m和100/125 μ m，多模光纤14的长度范围为0.2?5mm。
[0048]本发明提供的上述基于光加热的光纤氢气检测装置，在能源、化工、国防安全等领域中氢气安全检测中有着广泛的应用前景。
[0049]本发明在进行氢气浓度检测时，可采用光强比值法进行测试，将氢气反应前后的反射光谱进行对比，其结果如图2所示:高反射光栅14峰强d基本没有变化，但高反射光栅14反射峰附近的旁瓣强度a和基线强度b也明显下降，并且低反射光栅11反射峰强c明显下降。因此本实验氢气浓度可以根据高反射光栅14反射峰附近的旁瓣强度a、基线强度b以及低反射光栅11反射峰强c与高反射光栅峰强d进行比值计算，从而获得对应氢气浓度。
[0050]本发明光纤氢气检测装置具有抗干扰能力，可采用光强比值对比方法对在传感探头8前端传输光纤弯曲前后进行氢气测试，测试结果如图3所示:当传感探头前端传输光纤经过弯曲后，到达传感探头光功率降为未弯曲前的一半时，光纤氢气检测装置仍然具有较好的重复性，证明该光纤氢气检测装置具有较好的抗干扰能力。
[0051]本发明提供的上述基于光加热的光纤氢气检测装置，其工作过程是:传感光源I和加热光源2发出的光经过光纤耦合器6耦合到光环形器7，然后继续传输到达传感探头8，经过高反射光栅10、低反射光栅11、短周期光栅12、氢气敏感膜13协同反射回来的光信号再次到光环行器7，然后经过光纤传输到达光谱仪5，光信号经过光谱仪5进行数据采集后传输给计算机4。计算机4对高反射光栅10和低反射光栅11峰强进行计算处理，显示氢气浓度值；同时对短周期光栅12的中心波长值进行处理，计算氢气敏感膜的温度并向电控单元3发出指令，调控加热光源2的输出功率使传感探头8的敏感材料13工作在目标温度下。
【主权项】
1.基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于该装置由依次相连的传感光源(1)、光纤耦合器￠)、光环形器(7)、传感探头(8)，和依次相连的加热光源(2)、电控单元(3)、计算机(4)、光谱仪(5)组成，其中加热光源(2)、光谱仪(5)还分别与光纤耦合器(6)、光环行器(7)相连。2.根据权利要求1所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的传感光源(I)采用为850nm、1310nm或1550nmASE平坦光源，所述的加热光源(2)采用980nm或1480nm泵浦激光光源。3.根据权利要求1所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的光纤耦合器(6)采用1X2单模光纤耦合器。4.根据权利要求1所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的传感探头(8)由高反射光栅(10)、低反射光栅(11)、短周期光栅(12)、氢气敏感膜(13)和多模光纤(14)组成，其中:低反射光栅(11)和短周期光栅(12)焊接多模光纤(14)，当多模光纤(14)焊接在低反射光栅(11)和短周期光栅(12)之间时，将氢气敏感薄膜(13)沉积在短周期光栅(12)端面，或者，当多模光纤(14)焊接在短周期光栅(12)之后时，将氢气敏感膜(13)沉积在多模光纤端面。5.根据权利要求4所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的传感探头(8)位于多孔保护套(15)中，并用环氧树脂(9)封装。6.根据权利要求4所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的高反射光栅(10)、低反射光栅(11)、短周期光栅(12)均采用布喇格光纤光栅，其中高反射光栅(10)、低反射光栅(11)的反射率分别为彡98%、0.1%?40%，高反射光栅(10)和短周期光栅(12)栅区的间距为3?50mm，短周期光栅(12)的长度为I?4mm。7.根据权利要求4所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的氢气敏感膜(13)采用Pt薄膜表面保护的Mg/Ni合金薄膜，或Pt/Pd复合薄膜表面保护的WCV薄膜。8.根据权利要求4所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的多模光纤(14)，其规格为 50/125 μπι、62.5/125 μm、100/125 μm 或 100/125 μm,其长度为 0.2 ?5mm ο9.权利要求1至8中任意权利要求所述基于光加热的光纤氢气检测装置的应用，其在能源、化工或国防安全领域中氢气浓度检测中的应用。10.根据权利要求9所述的应用，其特征是在进行氢气浓度检测时，采用光强比值法进行测试，根据高反射光栅反射峰强度与其反射峰附近基线强度、旁瓣强度或同一光纤中低反射光栅反射峰强的比值获得对应氢气浓度。
【专利摘要】本发明是一种基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于该装置由依次相连的传感光源(1)、光纤耦合器(6)、光环形器(7)、传感探头(8)，和依次相连的加热光源(2)、电控单元(3)、计算机(4)、光谱仪(5)组成，其中加热光源(2)、光谱仪(5)还分别与光纤耦合器(6)、光环行器(7)相连。本发明的优点是：能够保证传感探头在不同气氛环境下的灵敏度，较好的抗温度、湿度和光纤中光强波动干扰能力，具有补偿功能，能够实现氢气浓度的精确测量，实用性强，可在我国能源、化工等领域中氢气安全监测中有广阔的应用前景。
【IPC分类】G01N21/17
【公开号】CN104897577
【申请号】CN201510312620
【发明人】代吉祥, 杨明红, 王高鹏, 黄楚佳, 祁宠杰
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月8日
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤传感技术，材料科学以及光电子技术的交叉领域，涉及到功能材料制备和光电检测技术，具体涉及到具有自补偿功能光纤氢气检测装置。
【背景技术】
[0002]以煤和石油为代表的能源消耗和环境污染是当今社会的一个重大问题，近年来我国深受大气污染(严重雾霾)和生态环境恶化的危害，开发和使用新型清洁能源的是国家未来的一个战略需求。在众多的新能源中，氢能是具有巨大发展潜力的未来能源之一，从长远看，它的发展可能带来能源结构的重大改变。由于氢气具有分子量小、渗透性强、易燃易爆以及无色无味等特性，在空气中氢气的浓度超4%时遇明火即会爆炸，其易燃范围为4?74.4%，在泄漏后难以察觉，因而极有可能导致爆炸事故。
[0003]在国防军事应用方面，核武器及核燃料存放设施由于放射材料的裂变产生氢，在此设施中氢浓度是评价核材料寿命的重要指标；潜艇长期在水下潜伏，潜艇中由于在铅酸蓄电池充放电过程会产生氢气，需要对艇内可能的氢气泄漏和氢气浓度进行实时监测。
[0004]目前技术上相对成熟应用的氢气传感器主要是电化学类传感器，这类传感器采用电信号作为传感信号，在工作时有产生电火花的可能性，因而仍然具有潜在爆炸的危险；另外由于是基于电子迀移导致电阻变化的电学参量传感，传感器对其他还原性气体具有交叉敏感的可能性，因此传统的电化学传感器在安全性和选择敏感性方面仍然存在一些难以克服的问题。光纤氢气传感器在传感和传输过程中只有弱光信号，具有本质安全、抗电磁干扰、远程传输及体积小等优点，是实现氢气浓度安全监测的理想方案，由于环境温度和湿度的干扰难以实现氢气浓度的精确测量。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于光加热的光纤氢气检测装置，该装置具有较好的抗温度、湿度和光纤中光强波动干扰能力，能够实现氢气浓度的精确测量。
[0006]本发明解决其技术问题采用以下的技术方案:
[0007]本发明提供的基于光加热的光纤氢气检测装置，由依次相连的传感光源、光纤耦合器、光环形器、传感探头，和依次相连的加热光源、电控单元、计算机、光谱仪组成，其中加热光源、光谱仪还分别与光纤耦合器、光环行器相连。
[0008]所述的传感光源采用为850nm、1310nm或1550nmASE平坦光源，所述的加热光源采用980nm或1480nm泵浦激光光源。
[0009]所述的光纤耦合器采用I X 2单模光纤耦合器。
[0010]所述的传感探头由高反射光栅、低反射光栅、短周期光栅、氢气敏感膜和多模光纤组成，其中:低反射光栅和短周期光栅焊接多模光纤，当多模光纤焊接在低反射光栅和短周期光栅之间时，将氢气敏感薄膜沉积在短周期光栅端面，或者，当多模光纤焊接在短周期光栅之后时，将氢气敏感膜沉积在多模光纤端面。
[0011]所述的传感探头位于多孔保护套中，并用环氧树脂封装。
[0012]所述的高反射光栅、低反射光栅、短周期光栅均采用布喇格光纤光栅，其中高反射光栅、低反射光栅的反射率分别为多98%、0.1%?40%，高反射光栅和短周期光栅栅区的间距为3?50mm，短周期光栅的长度为I?4mm。
[0013]所述的氢气敏感膜采用Pt薄膜表面保护的Mg/Ni合金薄膜，或Pt/Pd复合薄膜表面保护的wcv薄膜。
[0014]所述的多模光纤，其规格为50/125 μ m、62.5/125 μ m、100/125 μ m 或 100/125 μ m，其长度为0.2?5mm。
[0015]本发明提供的基于光加热的光纤氢气检测装置，其在能源、化工或国防安全领域中氢气浓度检测中的应用。
[0016]本发明光纤氢气检测装置在进行氢气浓度检测时，可以采用光强比值法进行测试，根据高反射光栅反射峰强度与其反射峰附近基线强度、旁瓣强度或同一光纤中低反射光栅反射峰强的比值获得对应氢气浓度。
[0017]本发明与现有技术相比具有以下的主要的优点:
[0018]1.能够保证传感探头在不同气氛环境下的灵敏度。
[0019]所述的两种氢气敏感材料:针对无氧和有氧的应用环境，分别采用优化结构和成分氢气敏感材料Pt薄膜表面保护的Mg/Ni复合薄膜和Pt/Pd复合薄膜表面保护的WCV薄膜，能够保证传感探头在不同气氛环境下的灵敏度。
[0020]2.具有较好的抗温度、湿度和光纤中光强波动干扰能力。
[0021]所述传感探头在同一光纤中刻写光栅及沉积氢气敏感膜，刻写光栅及沉积氢气敏感膜的探头部分采用多孔不锈钢外套封装保护，因此参考光信号强度及传感光信号强度受前端传输光纤中光强变化的影响程度相同，因此该传感探头具有较好的抗光源波动、光纤弯曲、光纤接头插入损耗和外界震动干扰能力。
[0022]3.具有补偿功能，能够实现氢气浓度的精确测量。
[0023]由于采用光加热方式加热氢气敏感材料，保证氢气敏感材料工作在理想恒定的温度下，故可以提高传感探头的灵敏度，并且可以排除环境温度和湿度对光纤氢气检测装置性能的干扰，从而提高检测装置的测量精度。
[0024]4.实用性强。
[0025]由于能够实现氢气浓度的精确测量，将在我国能源、化工等领域中氢气安全监测中有广阔的应用前景；同时对我国国防安全方面具有重要意义。
【附图说明】
[0026]图1为本发明一种基于光加热的光纤氢气检测装置的示意图；
[0027]图2为本发明的传感器探头在1000ppm氢气下反应前后的光谱图；
[0028]图3为本发明的光纤氢气检测装置在前端传输光纤弯曲前后性能指标的重复性对比；
[0029]图中:1.传感光源；2.加热光源；3.电控单元；4.计算机；5.光谱仪；6.光纤耦合器；7.光环形器；8.传感探头；9.环氧树脂；10.高反射光栅；11.低反射光栅；12.短周期光栅；13.氢气敏感膜；14.多模光纤；15.多孔保护套。
【具体实施方式】
[0030]本发明是一种基于光加热的光纤氢气检测装置，在同一光纤中制备高反射光栅、低反射光栅和短周期光栅，光纤端面沉积氢气敏感薄膜，利用功率可调泵浦光源作为加热光源，平坦ASE光源作为传感光源。高反射光栅反射峰强度作为参考信号，高反射光栅反射峰附近基线、旁瓣强度或低反射光栅反射峰强作为传感信号，通过两者比值测量氢气浓度，该结构设计具有较好的抗干扰能力。利用加热光源对沉积在短周期光栅端面的氢气敏感膜进行加热，光谱仪测量短周期光栅中心波长，经计算机进行数据处理后，向电控单元发出指令，通过电控单元控制加热光源输出功率使控制氢气敏感膜的工作温度，排除环境温度和湿度对敏感膜性能的影响，进而提高传感系统的测量精度，该装置在氢气浓度检测方面具有重要应用价值。
[0031]下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明:
[0032]本发明提供的一种基于光加热的光纤氢气检测装置，如图1所示，包括传感光源1、加热光源2、电控单元3、计算机4、光谱仪5、光纤耦合器6、光环形器7和传感探头8，其中:传感光源I和加热光源2分别与光纤親合器6具有两个接头部分中一端相连，光纤f禹合器6的单个接头部分与光环行器7连接，光环行器7与传感探头8和光谱仪5连接，光谱仪5同时与计算机4相连，计算机4也与电控单元3输入口相接，而电控单元3与加热光源2连接。传感光源I和加热光源2发出的光由光纤耦合器6到达光环形器7，经过光环形器7传输到达传感探头8，光信号经过传感探头8反射后到达光谱仪7，再经过光环形器7耦合到光谱仪5，光谱仪5将采集到的光谱数据传输到计算机4，计算机4对光谱数据进行处理显示氢气浓度，并向电控单元3发出指令，通过电控单元3控制加热光源2的输出功率。
[0033]所述的传感光源I可采用为850nm、1310nm或1550nmASE平坦光源，可由市场上购买。
[0034]所述加热光源2可以采用98 0nm或1480nm泵浦激光光源，加热光源的加热功率范围为 100-2000mW。
[0035]所述电控单元3由数字可编程电阻器组成，电控单元3连接加热光源2和计算机4，用于将计算机4执行发出的指令，通过改变数字可编程电阻器的电阻值控制加热光源2的输出功率。
[0036]所述计算机4与电控单元3和光谱仪5连接，用于对光谱仪5采集数据进行处理，并向电控单元3发出指令。
[0037]所述光谱仪5采用近红外波段光谱仪，光谱仪5与计算机4和光环行器7连接，用于将光环形器7传输的光谱进行数据采集，并将采集的光谱数据发送到计算机4。
[0038]所述光纤耦合器6采用I X 2单模光纤耦合器，用于将传感光源I和加热光源2发出的光親合到光环行器7。
[0039]所述光环形器7，用于将光纤耦合器6传输的光发送到传感探头8，然后将传感探头8反射回来的光信号发送到光谱仪5。
[0040]所述传感探头8位于多孔保护套15中，并用环氧树脂9封装。
[0041]该传感探头由高反射光栅10、低反射光栅11、短周期光栅12、氢气敏感膜13和多模光纤14组成，其中:低反射光栅11和短周期光栅12焊接多模光纤14，当多模光纤14焊接在低反射光栅11和短周期光栅12之间时，在氢气敏感薄膜13沉积在短周期光栅12端面；当多模光纤14焊接在短周期光栅12之后时，在氢气敏感膜13沉积在多模光纤端面。
[0042]所述的高反射光栅10，采用布喇格光纤光栅，其反射率多98%。
[0043]所述的低反射光栅11，米用布喇格光纤光栅，其反射率为0.1 %?40%。
[0044]所述的短周期光栅12，米用布喇格光纤光栅，其长度范围为I?4_。
[0045]所述的高反射光栅10和短周期光栅12栅区的间距范围为3?50mm。
[0046]所述氢气敏感膜13采用优化结构和成分Pt薄膜表面保护的Mg/Ni合金薄膜和Pt/Pd复合薄膜表面保护的WCV薄膜。Pt薄膜表面保护的镁镍合金，合金中镍镁原子比的范围为1:20?1:2，Pt薄膜作为保护膜和催化剂，Pt薄膜的厚度范围为5?50nm ；Pt/Pd复合薄膜表面保护的WCV薄膜，WO 3薄膜的厚度范围为20?800nm，Pt/Pd复合薄膜中铂钯原子比的范围为1:12?1:1，Pt/Pd薄膜的厚度范围为2?80nm。
[0047]所述多模光纤14的规格可以为50/125 μ m、62.5/125 μ m、100/125 μ m和100/125 μ m，多模光纤14的长度范围为0.2?5mm。
[0048]本发明提供的上述基于光加热的光纤氢气检测装置，在能源、化工、国防安全等领域中氢气安全检测中有着广泛的应用前景。
[0049]本发明在进行氢气浓度检测时，可采用光强比值法进行测试，将氢气反应前后的反射光谱进行对比，其结果如图2所示:高反射光栅14峰强d基本没有变化，但高反射光栅14反射峰附近的旁瓣强度a和基线强度b也明显下降，并且低反射光栅11反射峰强c明显下降。因此本实验氢气浓度可以根据高反射光栅14反射峰附近的旁瓣强度a、基线强度b以及低反射光栅11反射峰强c与高反射光栅峰强d进行比值计算，从而获得对应氢气浓度。
[0050]本发明光纤氢气检测装置具有抗干扰能力，可采用光强比值对比方法对在传感探头8前端传输光纤弯曲前后进行氢气测试，测试结果如图3所示:当传感探头前端传输光纤经过弯曲后，到达传感探头光功率降为未弯曲前的一半时，光纤氢气检测装置仍然具有较好的重复性，证明该光纤氢气检测装置具有较好的抗干扰能力。
[0051]本发明提供的上述基于光加热的光纤氢气检测装置，其工作过程是:传感光源I和加热光源2发出的光经过光纤耦合器6耦合到光环形器7，然后继续传输到达传感探头8，经过高反射光栅10、低反射光栅11、短周期光栅12、氢气敏感膜13协同反射回来的光信号再次到光环行器7，然后经过光纤传输到达光谱仪5，光信号经过光谱仪5进行数据采集后传输给计算机4。计算机4对高反射光栅10和低反射光栅11峰强进行计算处理，显示氢气浓度值；同时对短周期光栅12的中心波长值进行处理，计算氢气敏感膜的温度并向电控单元3发出指令，调控加热光源2的输出功率使传感探头8的敏感材料13工作在目标温度下。
【主权项】
1.基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于该装置由依次相连的传感光源(1)、光纤耦合器￠)、光环形器(7)、传感探头(8)，和依次相连的加热光源(2)、电控单元(3)、计算机(4)、光谱仪(5)组成，其中加热光源(2)、光谱仪(5)还分别与光纤耦合器(6)、光环行器(7)相连。2.根据权利要求1所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的传感光源(I)采用为850nm、1310nm或1550nmASE平坦光源，所述的加热光源(2)采用980nm或1480nm泵浦激光光源。3.根据权利要求1所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的光纤耦合器(6)采用1X2单模光纤耦合器。4.根据权利要求1所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的传感探头(8)由高反射光栅(10)、低反射光栅(11)、短周期光栅(12)、氢气敏感膜(13)和多模光纤(14)组成，其中:低反射光栅(11)和短周期光栅(12)焊接多模光纤(14)，当多模光纤(14)焊接在低反射光栅(11)和短周期光栅(12)之间时，将氢气敏感薄膜(13)沉积在短周期光栅(12)端面，或者，当多模光纤(14)焊接在短周期光栅(12)之后时，将氢气敏感膜(13)沉积在多模光纤端面。5.根据权利要求4所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的传感探头(8)位于多孔保护套(15)中，并用环氧树脂(9)封装。6.根据权利要求4所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的高反射光栅(10)、低反射光栅(11)、短周期光栅(12)均采用布喇格光纤光栅，其中高反射光栅(10)、低反射光栅(11)的反射率分别为彡98%、0.1%?40%，高反射光栅(10)和短周期光栅(12)栅区的间距为3?50mm，短周期光栅(12)的长度为I?4mm。7.根据权利要求4所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的氢气敏感膜(13)采用Pt薄膜表面保护的Mg/Ni合金薄膜，或Pt/Pd复合薄膜表面保护的WCV薄膜。8.根据权利要求4所述的基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于所述的多模光纤(14)，其规格为 50/125 μπι、62.5/125 μm、100/125 μm 或 100/125 μm,其长度为 0.2 ?5mm ο9.权利要求1至8中任意权利要求所述基于光加热的光纤氢气检测装置的应用，其在能源、化工或国防安全领域中氢气浓度检测中的应用。10.根据权利要求9所述的应用，其特征是在进行氢气浓度检测时，采用光强比值法进行测试，根据高反射光栅反射峰强度与其反射峰附近基线强度、旁瓣强度或同一光纤中低反射光栅反射峰强的比值获得对应氢气浓度。
【专利摘要】本发明是一种基于光加热的光纤氢气检测装置，其特征在于该装置由依次相连的传感光源(1)、光纤耦合器(6)、光环形器(7)、传感探头(8)，和依次相连的加热光源(2)、电控单元(3)、计算机(4)、光谱仪(5)组成，其中加热光源(2)、光谱仪(5)还分别与光纤耦合器(6)、光环行器(7)相连。本发明的优点是：能够保证传感探头在不同气氛环境下的灵敏度，较好的抗温度、湿度和光纤中光强波动干扰能力，具有补偿功能，能够实现氢气浓度的精确测量，实用性强，可在我国能源、化工等领域中氢气安全监测中有广阔的应用前景。
【IPC分类】G01N21/17
【公开号】CN104897577
【申请号】CN201510312620
【发明人】代吉祥, 杨明红, 王高鹏, 黄楚佳, 祁宠杰
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月8日
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