[发明专利]基于WO3/Pd复合膜的锥型光纤光栅氢气传感器

说明书

本发明公开了基于WO₃/Pd复合膜的锥型光纤光栅氢气传感器，由光纤光栅解调仪、计算机、气体流量控制阀、气室、氢气瓶、氮气瓶、WO₃/Pd复合膜、光纤耦合器、氢气检测仪、光纤、参考光栅、锥型光纤光栅、光纤光栅、光源；其中锥型光纤光栅上面镀有WO₃/Pd复合膜。采用射频溅射技术向锥型光纤光栅溅5nmWO₃薄膜,再利用共溅射技术溅射5nmWO₃/Pd混合膜，最后用直流溅射技术溅射30nm的Pd薄膜。WO₃/Pd复合薄膜具有较好的机械性能，提高光纤光栅氢气传感器的性能。

技术领域

本发明提出了基于WO₃/Pd复合膜的锥型光纤光栅氢气传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

金属Pd是理想的氢气敏感材料，对氢气具有很好的选择性和灵敏度。由于金属Pd的特殊，氢气分子能够在钯表面形成氢原子，并进入到钯的原子间隙中。当氢气的浓度达到一定值，氢原子与Pd能够形成稳定的结构；当氢气浓度降低的时候,氢原子能够从Pd中扩散出来，Pd能够恢复到原来的状态。Pd能够吸收是自身体积900倍的氢气，并且能够发生体积膨胀,因此金属Pd是理想的氢气敏感材料。

采用溶胶凝胶法将WO₃沉积在光纤光栅，H₂PtCl₆作为催化剂,在不同浓度氢气下光纤光栅的波长具有很大的变化。

锥型光纤光栅的弯曲灵敏度比普通光纤光栅的高80倍。将光纤光栅侧边抛磨能起到对外界折射率敏感的作用。相对于通过化学腐蚀减小光纤光栅直径，侧边抛磨技术不仅能保持光纤光栅的机械性能，并且抛磨所形成平面更利于薄膜的定向生长，进而能形成较好性能的薄膜。文献报道了在锥型光纤光栅溅射Pd膜进行氢气进行测试，但是纯Pd薄膜与光纤主要成分SiO₂的物理性质存在较大差异，导致Pd薄膜在多次通氢气后容易开裂和脱落。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于WO₃/Pd复合膜的锥型光纤光栅氢气传感器，采用射频溅射技术向锥型光纤光栅溅射5nmWO₃薄膜,再利用共溅射技术溅射5nm WO₃/Pd混合膜，最后用直流溅射技术溅射30nm的Pd薄膜。WO₃/Pd复合薄膜具有较好的机械性能，提高光纤光栅氢气传感器的性能。

本发明通过以下技术方案实现：基于WO₃/Pd复合膜的锥型光纤光栅氢气传感器，由光纤光栅解调仪(1)，计算机(2)，气体流量控制阀(3)，气室(4)，光纤耦合器(5)，氢气瓶(6)，氮气瓶(7)，WO₃/Pd复合膜(8)，光纤(9)，参考光栅(10)，锥型光纤光栅 (11)，光纤光栅(12)，光源(13)组成；其特征在于：计算机(2)与光纤光栅解调仪(1) 右端连接，光纤光栅解调仪(1)左端与光纤耦合器(5)右端连接，光纤耦合器(5)左端与光纤(9)右端连接，光纤(9)左端与参考光栅(10)右端连接，参考光栅(10)的中心波长为1550nm，参考光栅(10)左端与锥型光纤光栅(11)右端连接，锥型光纤光栅(11) 中心波长为1299.576nm，镀有WO₃/Pd复合膜(8)，WO₃/Pd复合膜(8)的厚度为40nm，锥型光纤光栅(11)左端与光纤光栅(12)右端连接，光纤光栅(12)的中心波长为1540nm，光纤光栅(12)表面镀有Pd/Au复合膜，Pd/Au复合膜的厚度为200nm，光纤光栅(12) 左端与光源(13)连接,气室(4)与氢气瓶(6)和氮气瓶(7)连接。从气室(4)进气口用气体流量控制阀(3)控制通入适量的氢气和氮气,通过氢气检测仪控制气室(4)内氢气的浓度变化，氢气浓度发生变化时，光纤光栅(12)和锥型光纤光栅(11)的中心波长都会发生漂移，通过比较他们的漂移差，可以测得氢气浓度及其变化量，实验温度控制在18.6摄氏度。