[发明专利]基于FBG解调仪的F-P干涉型多点测量氢气传感器

权利要求书

1.基于FBG解调仪的F-P干涉型多点测量氢气传感器，其特征在于如下步骤：

步骤一选择一台FBG解调仪，一台工作波长与FBG解调仪输出波长相匹配的具有N个通道的阵列波导光栅，一根长距离单模传输光纤，N个FP传感头和一台PC机；所述FP传感头由空芯光纤、PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜和Pt/WO₃(三氧化钨载铂)氢敏材料组成；所述FBG解调仪由光源、环形器和信号解调模块组成；

步骤二FP传感头的制作过程为：利用光纤熔接机将一段空芯光纤的一端和单模光纤熔接在一起，空芯光纤的长度为100μm-150μm，将空芯光纤尖端插入PDMS液体中10秒，由于毛细效应，PDMS液体会进入到空芯光纤中，空气会被密封在空芯光纤内部，空气腔长度为30μm-80μm；然后用酒精擦拭掉附着在光纤外部的PDMS液体，将整个传感头放在加热台上加热固化，在60℃-70℃下持续加热3-4小时，使PDMS材料由液态变为半交联状态；从加热台取下传感头，将空芯光纤一端伸入Pt/WO₃氢敏材料中，Pt/WO₃氢敏材料可以粘到具有黏性的半交联状态PDMS薄膜上，将粘有Pt/WO₃氢敏材料的传感头放在加热台上，在60℃-70℃下持续加热3-4小时，使PDMS薄膜完全固化，Pt/WO₃氢敏材料紧密固定PDMS薄膜上，整个FP传感头制作完成；

对于制作完成的FP传感头，通过单模光纤传输的信号光，一部分将在单模光纤和空芯光纤的熔接面处反射，另一部分光将通过熔接面进入空气腔，进入空气腔的光将在PDMS薄膜与空气的交界面处反射，然后两束反射光发生相干干涉，反射光强度I可以表示为：

I₁和I₂分别是单模光纤和空芯光纤的熔接面和PDMS薄膜与空气的交界面的反射强度，L是FP传感头的空气腔长度，n_air是空气的折射率，λ是光波长；

当光强度达到最大值时，相位差可以表示为：

λ_d是与光的最大强度相对应的波长，m是任意整数；

自由光谱范围(FSR)是两个相邻反射波峰或波谷之间的距离，与单个光谱周期的带宽有关，它可以表示为：

随着氢气浓度的改变，Pt/WO₃氢敏材料与氢气发生氧化还原反应放热，PDMS薄膜迅速膨胀，空气腔长度L将变短，相位差减小，因此，FP传感头的反射光谱将发生漂移；

FP传感头的氢气灵敏度S可以表示为：

Δλ表示波长漂移量，c为氢气浓度，Δc表示氢气浓度变化量，k为PDMS的热膨胀系数，α为Pt/WO₃氢敏材料在单位浓度下所释放的热量；由于k与α均为常量，可以看出，波长的漂移量与氢气浓度为线性关系；

步骤三FBG解调仪的光输出端通过单模传输光纤与阵列波导光栅的光输入端相连，阵列波导光栅的N个通道分别与N个FP传感头的单模光纤端相连，FBG解调仪的信号输出端与PC机相连；FBG解调仪产生信号光，由单模光纤传输到阵列波导光栅，阵列波导光栅将信号光分为中心波长不同的N个通道，每个通道分别与FP传感头相连，每束信号光在分别在FP传感头发生发射，两束反射光发生相干干涉，反射光经过阵列波导光栅后合为一束光，输出到FBG解调仪，光信号经FBG解调仪的信号解调模块解调后，转换为电信号输出到PC机上，进行显示与处理；

阵列波导光栅是具有N个通道的复用元件，其各个通道有固定的波长范围，每个通道分别和能与其中心波长相匹配的FP传感头连接，对于阵列波导光栅的第m通道来说，其中心波长固定；当FP传感头的中心波长与第m通道的中心波长完全重合时，FP传感头和阵列波导光栅反射光谱的重合部分为最大值，即反射光强为最大值；当氢气浓度改变时，FP传感头的反射光谱发生漂移，假设向右漂移，阵列波导光栅的第m通道与FP传感头的反射光谱的重合部分减少，此时，反射光强将会减小；当FP传感头的反射光谱与第m通道的反射光谱完全不重合时，反射光强为最小值；因此，阵列波导光栅反射光强随氢气浓度改变单调变化；

FBG解调仪通过解调处理得到阵列波导光栅第m个通道的反射光强信号，在FBG解调仪的一个扫描周期内，其输出的横坐标对应波长范围，纵坐标表示光强值；

阵列波导光栅第m个通道的反射光谱I_m可表示为：

λ_m为阵列波导光栅第m个通道的中心波长，b为标准差，控制通道的宽度；

FP传感头随氢气浓度变化的反射光谱I如(1)式，即：

FBG解调仪监测到的阵列波导光栅第m个通道的反射光强S_m可表示为：

λ₁和λ₂为阵列波导光栅第m个通道的波长范围；由(8)式可以看出，由FBG解调仪解调得到的光强与FP传感头的空气腔腔长L有关，FP传感头的空气腔腔长L与氢气浓度c有关，FBG解调仪通过监测阵列波导光栅第m个通道的反射光强的变化，就可以得到对应FP传感头处氢气浓度的变化；

FBG解调仪的扫描范围覆盖阵列波导光栅的工作波长，即FBG解调仪可以依次对阵列波导光栅的N个通道的反射光强监测，因此，使用FBG解调仪监测阵列波导光栅所有通道反射光强的变化，就可以对N个FP传感头处的氢气浓度实时测量，从而实现了FP传感头的复用与多点氢气浓度的同时测量。

2.实现权利要求1所述方法的装置，包括了FBG解调仪、长距离单模传输光纤、阵列波导光栅、FP传感头、PC机；FBG解调仪的光输出端通过单模传输光纤与阵列波导光栅的光输入端相连，阵列波导光栅的光输出通道分别与FP传感头的单模光纤端相连，FBG解调仪的信号输出端与PC机相连；当氢气浓度增加时，Pt/WO₃氢敏材料与氢气发生反应放热，PDMS薄膜体积膨胀，空气腔腔长缩短，因而FP传感头的干涉光谱将发生漂移，进而阵列波导光栅的反射光强发生改变，通过PC机检测反射光强的变化，就可实现对氢气浓度的测量。