[发明专利]一种基于荧光强度比的光纤氢气传感系统

权利要求书

1.一种基于荧光强度比的光纤氢气传感系统，其特征在于：由激发光源模块、信号传输模块、氢气传感模块、信息采集处理模块组成，所述的激发光源模块提供和氢气传感探头材料激发荧光发射相匹配波长的激光光源，所述的信号传输模块包括单模光纤、隔离器、分束器，所述的氢气传感模块包括氢气传感探头、氢敏材料，所述的信息采集处理模块包括光谱仪、计算机及信号处理软件，激光光源模块发出的激光通过单模光纤、分束器后到达氢气传感探头，氢气传感探头被激发光激发出荧光，荧光通过单模光纤、分束器后进入光谱仪，计算机采集光谱仪数据由信号处理软件进行处理和显示结果。

2.根据权利1所述的一种基于荧光强度比的光纤氢气传感系统，其特征在于：所述的激发光源模块中的激光光源为功率可调的980nm激光器，或其他可以和氢气传感探头材料的激发光波长相匹配的激光器。

3.根据权利1所述的一种基于荧光强度比的光纤氢气传感系统，其特征在于：所述的信号传输模块中的单模光纤为普通单模光纤，分束器为1*2型光纤分束器，隔离器为单向光纤隔离器，单模光纤作为信号传输介质，将激光传输至氢气传感探头以激发出荧光，分束器起分光、耦合作用，将氢气传感探头反向传回的荧光信号耦合进光谱仪，隔离器起保护激光器作用。

4.根据权利1所述的一种基于荧光强度比的光纤氢气传感系统，其特征在于：所述的氢气传感模块中的氢气传感探头，由Er³⁺/Yb³⁺共掺的碲酸盐玻璃制成，其直径为125微米，表面镀有一层氢敏材料，并与单模光纤熔接连接，所述的氢敏材料为以Pt为基底的WO₃和SiO₂混合物，当氢敏材料遇到不同浓度的氢气，会产生不同的发热量导致氢气传感探头产生不同的温升。

5.根据权利1所述的一种基于荧光强度比的光纤氢气传感系统，其特征在于：所述的荧光强度比技术，是利用掺杂稀土离子Er³⁺/Yb³⁺的两个热耦合能级产生的522nm(Er³⁺²H_11/2→⁴I_15/2)和545nm(Er³⁺⁴S_3/2→⁴I_15/2)荧光发射峰，在温度变化时，能级上粒子数发生变化，从而导致被激发的荧光强度发生变化，两能级上粒子数变化导致两个荧光发射峰的强度比变化符合下式，

其中FIR为荧光强度比，I为能级的荧光光强，g、σ、分别为能级简并度、跃迁辐射几率和光子角频率，ΔE为能极差，K_B为玻尔兹曼常数，T为温度。

6.根据权利1所述的一种基于荧光强度比的光纤氢气传感系统，其特征在于：所述的信息采集处理模块中的光谱仪，采用光纤光谱仪，光路信号通过光纤耦合进光纤光谱仪，所述的计算机和光纤光谱仪采用数据传输线相连，计算机采集数据后通过LabVIEW调用Matlab函数库，计算所采集数据的FIR数值，反推温度T，进一步再转化为待测量的氢气浓度，并实时显示氢气浓度。

7.根据权利6所述的一种基于荧光强度比的光纤氢气传感系统，其特征在于：所述的光谱数据采集、处理、显示过程为，编写的LabVIEW程序调用Matlab，读取光谱仪记录的光谱强度变化的表格数据，通过Matlab自带工具箱对采集的两个荧光峰波长范围的光谱强度进行积分，返回两荧光峰光谱强度值，LabVIEW将强度值做比，得到变化的荧光强度比，最后通过预先标定的氢气浓度标准曲线，计算实时检测的氢气浓度并将浓度值显示在程序界面。