[发明专利]一种反射型全光纤氢气传感器及其制备和测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及光纤传感器的研究与制备。更具体而言，涉及一种反射型全光纤氢气传感器及其制作方法与测量应用。

背景技术

光纤传感是20世纪70年代问世的一门新技术，它是以光作为信息载体，以光纤作为信息传输介质的一种传感技术。由于光纤传感器相对于传统传感器而言具有体积小重量轻，不受电磁干扰，高灵敏度等优点，因而自20世纪70年代低损耗光纤问世以来，它逐步成为新一代传感器的研发方向之一，展现出非常好的应用前景。近几年来，随着科技的进步和研究的深入，各式各样的光纤传感器（诸如温度，压力，应力，折射率，电流，电压，气体传感器等）不断被研制出来，尤其是自物联网的概念提出以来，光纤传感更是成为一个热门的研究领域。

氢气是一种重要的工业原料，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工等方面有着重要的应用。同时，氢气作为一种替代能源，不仅清洁环保，并且具有丰富的来源，因此氢气在新能源领域的地位日益重要。但是氢气分子的体积非常小，极易发生泄漏。空气中氢气浓度达到4%-74.5%遇到明火即可导致爆炸。因此，在氢气运输、储存以及使用的过程中，对环境氢气浓度进行检测是一项十分重要和必要的工作。

发明内容

本发明的目的是：利用光子晶体光纤制备一种反射型全光纤氢气传感器，使其具有高灵敏度、高响应速度、稳定抗干扰、低成本等优势。本发明的另一个目的是提供这种传感器的制备及测量方法。

本发明传感器的技术方案是：

一种反射型全光纤氢气传感器，包括单模光纤和光子晶体光纤，光子晶体光纤的一个端面以及光子晶体光纤纤芯孔洞阵列的内壁上镀有一定厚度的金属钯膜；所述光子晶体光纤的另一个端面与单模光纤熔接。

所述反射型全光纤氢气传感器的制备方法，包括如下步骤：首先，用光纤切割刀将单模光纤一端切平，光子晶体光纤两端切平；其次，采用镀膜方法，在所述光子晶体光纤的一端镀一定厚度的钯膜，镀膜过程中钯颗粒为埃米量级，而光子晶体光纤空气孔洞直径为微米量级，因此光子晶体光纤空气孔洞阵列中亦有一定长度的钯膜分布；然后，利用熔接光纤的方法，将单模光纤与所述光子晶体光纤未镀钯膜的一端熔接起来，即为反射型全光纤氢气传感器。

其中所述光子晶体光纤使用长度可为0.5-10厘米，纤芯分布直径2.5微米左右的孔洞阵列，其型号可以是LMA-8；光源为宽带光源，可以是超连续光源，也可以是ASE光源。光子晶体光纤端面的钯膜，采用磁控溅射镀膜技术制备，厚度可根据使用者对响应时间的需求以及待测环境中氢气的浓度范围而在10-200纳米间选取。

所述反射型全光纤氢气传感器的测量方法，包括光源、光纤环形器、光谱仪、单模光纤和所述反射型全光纤氢气传感器，光源输出端通过单模光纤接光纤环形器的第一端口，光纤环形器第三端口连接所述反射型全光纤氢气传感器的单模光纤，光纤环形器第二端口通过另一单模光纤连接光谱分析仪；其光路为：光源输出端的入射光经传输单模光纤进入光纤环形器，再经传输单模光纤进入氢气传感器的感应单元，即所述光子晶体光纤，入射光由光子晶体光纤端面处反射产生反射光，反射光经传输单模光纤和光纤环形器到达光谱分析仪。

本发明中的反射型全光纤氢气传感器，其原理为：所述光子晶体光纤中的传输光分为基模光信号I_core与包层模光信号I_cladding，经光子晶体光纤端面金属镜面反射，I_core与I_cladding干涉光谱信号被光谱仪接收；当氢气与所述光子晶体光纤孔洞阵列中的钯接触生成钯的氢化物PdH_x后，光子晶体光纤芯层有效折射率发生改变，基模光信号I_core与包层模光信号I_cladding干涉谱极小值对应波长产生移位，从而实现波长调制型全光纤氢气传感器的制备。系统采用全光纤条件下的测量方法，光路内无任何分立的光学元件，能够有效克服外界振动带来的不利影响，同时节约了材料，降低了系统成本。