[发明专利]一种氢气传感器及钯膜氢敏感系统

说明书

技术领域

本发明涉及传感器测量领域，具体涉及一种基于EFPI的氢气传感器和钯膜氢敏感系统。 

背景技术

目前测量氢气浓度的传感器主要包括三类，分别为：干涉型光纤氢传感器(参见Optical fiber hydrogen sensor，M.A.Butler，AppliedPhysics Letters，1984，Vol.45(10)，pp.1007-1009)、微透镜型光纤氢传感器(参见Fiber optic sensor for hydrogen concentrations near theexplosive limit，Butler Michael A.，Journal of the Electrochemical Society，Vol.138(9)，1991，pp.L46-L47)和基于布拉格光栅型光纤氢传感器(参见Pd-coated elastoopic fiber optic optic bragg grating sensors formultiplexed hydrogen sensing，Boonsong S.，Sensor and Actuators B，Vol.60，1999，pp.27-34)。 

由于金属钯(Pd)在低分压氢气环境中吸收氢气产生伸长效应，在干涉型光纤氢传感器中，将金属钯蒸镀于某一段光纤上，利用伸长效应会造成光纤的径向及轴向应变，因此干涉型光纤氢传感器以镀钯光纤作为M-Z(马赫-曾德/Mach-Zehnder)干涉仪的信号臂，通过检测出光的相位变化即可间接得到氢气浓度。如图1所示为现有M-Z干涉型光纤氢气传感器的结构图，其结构中包括信号臂1和参考臂2两路信号，信号臂1光路中的光纤上具有钯或钯金属膜3，当任意一路信号受到干扰都会影响测量结果，与其他只检测一路信号的传感器相比较，则这种结构更容易引入干扰。 

在微透镜型光纤氢传感器中，在单模或多模光纤端面上蒸镀一层钯膜，钯膜厚度为10mm～50mm。由于注入光纤的光在输出端面上会 产生折射，因此当把该微透镜型光纤传感器暴露于包含氢气的环境中时，蒸镀在光纤输出端面上的钯会与氢反应，从而引起钯膜折射率的变化，进而使经折射输出后的光强度发生变化。折射率变化的大小与氢浓度有关，通过检测光强度变化可以确定氢的浓度。对于微透镜型光纤氢传感器，在一定范围内增加钯膜厚度对提高传感器的响应度有所帮助。但是，随着厚度的增加，响应时间也将加长，这主要是因为当钯膜加厚时，氢含量达到饱和需要较长的时间。因此，从响应时间的角度来考虑，钯膜越簿越好，这就在灵敏度与响应时间之间形成了矛盾而不能同时优化。 

在基于布拉格光栅型光纤氢传感器中，当镀有钯膜的光纤布拉格光栅(fibber bragg gratting，FBG)暴露于氢气中时，钯与氢反应生成钯的氢化物PdHx。一般PdHx密度较小使得钯膜膨胀产生张力，这一张力可以通过比较FBG的发射谱和反射谱确定。钯膜膨胀还使得光纤拉伸，从而引起光栅周期与折射率变化。由于张力的大小由氢气浓度决定，故布拉格波长的变化量与氢气浓度有关，从而通过布拉格波长可以确定该处氢气浓度的大小。基于布拉格光栅型光纤氢传感器检测需要较复杂的技术和较昂贵的仪器。 

发明内容

本发明的目的是提供一种氢气传感器和钯膜氢敏感系统，克服了现有技术中由于光源波动和光纤扰动等因素难以实现高分辨率稳定测量的问题，及易受环境温度扰动影响的问题，测量结果准确且温度性强，且成本低廉。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种氢气传感器，包括导入光纤、反射光纤和空心管，所述空心管表面具有钯或钯合金膜，所述导入光纤和反射光纤分别与所述空心管管腔的两端连接，相对的两个光纤端面相互平行并与所述管腔一起构成干涉腔体，所述空心管为光子晶体光纤或毛细管。 

优选地，所述空心管为空芯光子晶体光纤，其表面镀有钯或钯合金膜，所述导入光纤和反射光纤均为单模光纤，并分别与所述空芯光子晶体光纤的两端熔接在一起。 

优选地，所述空心管为毛细管，所述导入光纤和反射光纤从两端一同置入所述毛细管内，且导入光纤和反射光纤的外径均与毛细管的内径相匹配。 

优选地，所述毛细管为石英毛细管，所述石英毛细管的表面上镀有钯或钯合金膜； 

或所述毛细管为钯金属毛细管； 

或所述毛细管为钯合金毛细管。 

优选地，还包括用于调整毛细管和导入光纤、反射光纤的相对位置的螺旋微进装置和压电陶瓷。