[实用新型]一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器

说明书

本实用新型公开了一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，属于光纤传感技术领域，包括宽带光源、光谱分析仪、单模光纤、环形器、双C型氢气传感头；本实用新型利用聚二甲基硅氧烷将空芯光纤分隔成两个C型空腔，一个微腔形成干涉结构，另一个微腔内嵌氢气敏感材料作为传感区，其中，空芯光纤的长度为100μm～150μm，第一空腔的长度为20μm～60μm；当氢气浓度增加，三氧化钨载铂粉末与氢气发生氧化还原反应，使得传感结构周围温度升高，聚二甲基硅氧烷膜受热发生膨胀，使得第一空腔的腔长缩短，从而使得干涉波谱向短波发生波长漂移。本实用新型具有结构制作简单，操作灵活，传感结构紧凑，尺寸微小，可以长期使用等优点。

技术领域

本实用新型涉及了一种光纤氢气传感器，尤其涉及一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

氢能是一种无污染，储量大，热值高的清洁能源，是保障能源安全的永久性战略。作为反应物，保护气体，转子冷却剂，清洁的可持续能源等，氢气被广泛应用于许多领域，如石油和化学工业，物理和工程，电气工业，汽车，航空航天。然而，由于氢气的最低点火能量和爆炸极限(4％)非常低，在日常存储、使用氢气过程中存在很大的安全隐患。因此，储氢泄漏的快速检测和准确的氢浓度测量(特别是低于4％甚至更低)对于安全使用氢极其重要。

目前许多科研团队已经发表了多种类型的氢气传感器并且在实际生产生活中广泛应用。传统的氢气传感器是基于量热电热和电导传感器等电化学机理，具有较高的精度和较低的检测阈值。然而，电传感器容易产生电火花，存在很大安全隐患。光学传感器，特别是全光纤光学氢传感器具有本质安全性，远程接触潜在爆炸区域和抗电磁干扰的优点，并因此在某些环境中特别需要。目前，常见的光纤氢气传感器的类型主要有光纤光栅型、干涉型和布拉格光栅型等。基于干涉仪的氢气传感器可以实现较高氢气灵敏度，结构更加灵活，是目前使用较多的一种类型。

光纤氢气传感器主要采用两种主要类型的氢敏感材料钯(Pd)和三氧化钨(WO₃)。当氢气浓度变化时，钯膜的体积以及介电常数会发生变化，对光纤结构产生一个光调制作用。然而钯膜与光纤表面的结合性差，重复使用容易出现开裂和脱落的情况；同时存在测试范围小，探测灵敏度低等情况。当氢气浓度变化时，三氧化钨会与氢气发生氧化还原反应，其正反应为放热反应，会导致温度发生变化，从而对光纤结构产生一个光调制作用，因此此类光纤传感器为一种基于自发热传感机制的氢气检测手段。三氧化钨为粉末，在实际使用中比较方便。然而，由于三氧化钨一般包覆在光纤外表面，使用中容易由于接触、摩擦而脱落，重复性差。

实用新型内容

本实用新型的目的是：为了解决光纤氢气传感器中所存在的传感区域大、不适合远距离操控、氢气敏感材料容易脱落，制作复杂等缺点，提供了一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，该氢气传感器具有结构紧凑，稳定性好，精度高，响应时间短，安全可靠，很强的实用价值等优点。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

一种基于双C型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，包括宽带光源(1)、光谱分析仪(2)、单模光纤(3)、环形器(4)、双C型氢气传感头(5)，其特征在于：宽带光源(1)通过单模光纤(3)与环形器(4)的第一端口(401) 相连，环形器(4)的第二端口(402)通过单模光纤(3)与双C型氢气传感头 (5)相连，环形器(4)的第三端口(403)通过单模光纤(3)与光谱分析仪(2) 相连；光谱分析仪(2)作为信号解调部分；所述双C型氢气传感头(5)由空心光纤(6)，聚二甲基硅氧烷薄膜(7)，三氧化钨载铂粉末(10)组成；聚二甲基硅氧烷薄膜(7)将空心光纤(6)分隔成第一空腔(8)和第二空腔(9)；其中聚二甲基硅氧烷薄膜(7)靠近第二空腔(9)一侧黏附有三氧化钨载铂粉末(10)；空芯光纤的长度为100μm～150μm，第一空腔(8)的长度为20μm～60μm。

本实用新型的有益效果为：结构制作简单，操作灵活，传感结构紧凑，尺寸微小，可以长期使用。