[发明专利]一种基于表面等离子共振的双D型光纤氢传感器

说明书

本发明公开了一种基于表面等离子共振的双D型光纤氢传感器，属于光纤传感技术领域，其特征为：由光源，双D型光纤，第一氢敏膜，第二氢敏膜，解调仪，示波器，计算机组成；其中第一氢敏膜镀膜顺序为金膜厚10nm、钯膜厚40nm，第二氢敏膜为50nm厚的钯合金薄膜，分别覆在双D型光纤两侧抛磨面上；光源为宽光谱光入射到双D型光纤，纤芯内倏逝波激发氢敏金属膜表面电子与光子相互作用产生的等离子波与入射光波发生表面等离子体共振，氢气环境下两氢敏金属膜吸氢膨胀，薄膜折射率变化，导致两侧等离子共振波峰发生飘移，经解调仪解调后在示波器上得到双通道波谱情况，用计算机分析得有效通道波谱，实现响应速度快、灵敏度高的光纤氢传感器。

技术领域

本发明涉及一种基于表面等离子共振的双D型光纤氢传感器，该发明属于光纤传感技术领域。

背景技术

氢能作为一种储量丰富、热值高、可再生的洁净能源，已受到世界各国专家的重视，且广泛应用于石化、电子、医疗、医药等领域。但由于氢分子最小、最轻，渗透性强，易燃、易爆等特点，氢气的有效检测至关重要。

光纤氢气传感器的原理是利用光纤与氢敏材料结合，通过氢敏材料与氢气反应后引起光纤物理性质的改变，导致光纤中传输光的光学特性的变化，通过检测输出光对应物理量的变化测得氢气浓度。根据传感机理的不同，光纤氢气传感器可以分为:微透镜型、干涉型、消逝场型、光纤布拉格光栅型。

长期以来，人们一直努力寻找灵敏度高、选择性好、响应速度快、稳定性好、价格低廉、制作工艺简单、易集成化氢气传感器，以用于氢气含量的在线监测。虽然基于不同结构的光纤氢传感器已被广泛研究和报道但这些传感器普遍存在响应速度慢或灵敏度低及探测范围有限等问题，无法满足应用中对响应时间和灵敏度的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于表面等离子共振的双D型光纤氢传感器，克服了灵敏度低或响应速度慢等问题且有效的解决了增大了探测浓度范围。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于表面等离子共振的双D型光纤氢传感器，由光源(1)，双D型光纤(2)，第一氢敏膜(3)，第二氢敏膜(4)，解调仪(7)，示波器(5)，计算机(6)组成；第一氢敏膜(3)和第二氢敏膜(4)分别覆在双D型光纤(2)的两侧剩余包层(8)上；光源(1)连接覆有第一氢敏膜(3)和第二氢敏膜(4)的双D型光纤(2)后连接解调仪(7)，解调仪(7)连接示波器(5)，示波器(5)与计算机(6)连接。

进一步的，所述第一氢敏膜(3)和第二氢敏膜(4)长均为5cm，第一氢敏膜(3)镀膜顺序为金膜厚10nm、钯膜厚40nm，第二氢敏膜(4)为50nm厚的钯金合金材料，分别覆在双D型光纤(2)两侧的抛磨面上。

进一步的，光源(1)为宽光谱高斯光，从双D型光纤(2)一端入射，倏逝波激发第一氢敏膜(3)和第二氢敏膜(4)表面电子与光子相互作用产生的等离子波，等离子波与入射光波波矢相匹配发生表面等离子共振。

进一步的，所述双D型光纤(2)的有基本的抛磨技术通过对单模光纤双侧抛磨得到。

进一步的，光源(1)为宽光谱高斯光从双D型光纤一端入射，由全反射产生的倏逝波激发第一氢敏膜(3)和第二氢敏膜(4)表面电子与光子相互作用产生等离子激元，等离子激元沿氢敏薄膜表面传播形成等离子波，等离子波与入射光波波矢相匹配发生表面等离子体共振，光谱中出现共振吸收峰光透射率可表示为其中，λ₀为光源波长，n为第一氢敏膜(3)和第二氢敏膜(4)有效折射率，L为传感器长度0.5cm。

进一步的，其原理是光纤暴露在氢气环境中，光纤上的钯膜吸收了氢气之后，传感介质的折射率n发生改变，但在非氢气环境中又会恢复期本来的特性，由此可改变透射光谱中的共振吸收峰位置将会变化，则共振波长发生改变。波长漂移量Δλ与介质折射率变化Δn的比值为传感器灵敏度(S)，即S＝Δλ/Δn。