[实用新型]一种基于光纤环形腔衰荡的反射式远距离光纤氢气传感器

说明书

本实用新型公开了一种基于光纤环形腔衰荡的反射式远距离光纤氢气传感器，包括信号发生器、激光光源、调制器、耦合器、掺铒光纤放大器、传输光纤、镀有氢敏材料的光纤传感头、气室、光电探测器、数据采集卡和计算机。耦合器包括第一、第二和第三耦合器；第一耦合器、掺铒光纤放大器、第二耦合器、第三耦合器、传输光纤和镀有氢敏材料的光纤传感头构成环形腔；镀有氢敏材料的光纤传感头由传输光纤的平整端面和Pd/WO₃膜组成；当氢气浓度发生变化，Pd/WO₃膜对光的吸收系数改变，导致光纤环形腔的衰荡时间改变，通过测量衰荡时间变化，可实现氢气浓度的测量。本实用新型具有不受光源波动影响，响应速度快，可远距离测量等优点。

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于光纤环形腔衰荡的反射式远距离光纤氢气传感器。

背景技术

氢气是当今最热的新能源之一，燃烧效率高，产物安全无污染，是化石等燃料的理想替代品，在生产生活各方面应用广泛。但由于氢气无色无味且燃点低，空气中氢气含量在4％～75％范围内，遇明火很容易发生爆炸而造成重大损失。因此，在氢气的使用环境中，必须对氢气的浓度进行检测，从而保证人身及财产安全。目前氢气传感器的种类有：半导体型传感器、热电型传感器、光纤传感器。其中，光纤氢气传感器是利用不同光学结构，当氢气与氢敏材料发生化学作用放热，通过测量光强、光波长、光相位等参数的变化，从而推算出环境中氢气的浓度，由于光纤氢气传感器使用的是光信号，和使用电信号工作的传感器相比，不会产生电火花，基本不存在安全隐患，成为目前广泛研究的领域之一。然而在一些特殊应用场合，光纤氢气传感器仍然存在一些不足，如传感系统需要价格昂贵、体积庞大的光谱仪装置，在一些远距离检测中，长距离的光纤会产生较大的损耗等等。

光纤环形腔衰荡技术是一种测量振荡腔内微小损耗的检测方法，其应用领域涉及温度传感、压力传感、应变传感、弯曲传感、液体相位检测、折射率检测和生物单细胞检测。其中，光纤环形腔由光纤耦合器和一段长光纤组成，待测样品置于环形腔内，通过测量衰减时间，可以算出待测参量的有关信息。由于待测损耗由信号的时域性质决定，从而不依赖于激光光强，对激光器噪声具有低灵敏性，其次，可以避免腔外噪声的影响，从而提高了测量的灵敏度。

针对上述光纤氢气传感器存在的不足，本文提出了一种基于光纤环形腔衰荡的反射式远距离光纤氢气传感器，这种传感器无需价格高昂的光谱仪，测量精度和灵敏度不受距离的限制，适用于远距离测量，而且可以有效避免外界噪声的干扰，具有很强的实用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的是：针对现有技术存在的不足，提出了一种基于光纤环形腔衰荡的反射式远距离光纤氢气传感器，该氢气传感器不受光源波动和外界干扰影响，响应速度快，可用于远距离测量，具有成本低，安全可靠的优点。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

一种基于光纤环形腔衰荡的反射式远距离光纤氢气传感器，其特征在于包括信号发生器、激光光源、调制器、耦合器、掺铒光纤放大器、传输光纤、镀有氢敏材料的光纤传感头、气室、光电探测器、数据采集卡和计算机。

耦合器包括第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器。

信号发生器与调制器的电输入端相连，激光光源与调制器的光输入端相连，调制器的输出端与第一耦合器两端口一侧的小比例分光口相连，第一耦合器一端口一侧的输出端与掺铒光纤放大器输入端相连，掺铒光纤放大器输出端与第二耦合器一端口一侧的输入端相连，第二耦合器两端口一侧的大比例分光口与第三耦合器两端口一侧的50％分光口相连，第三耦合器两端口一侧的另一个50％分光口与第一耦合器两端口一侧的大比例分光口相连，第三耦合器一端口一侧的输出端通过传输光纤和镀有氢敏材料的光纤传感头连接，光纤传感头置于氢气气室中，第二耦合器两端口一侧的小比例分光口与光电探测器的输入端相连，光电探测器的输出端通过数据采集卡与计算机相连。