[实用新型]一种灵敏度可调的光纤氢气传感头及氢气传感系统

说明书

本实用新型提供了一种灵敏度可调的光纤氢气传感头及传感系统。所述传感系统包括半导体激光器、光纤分束器、参考光路、传感光路和数据处理终端，传感系统的传感头采用反射式或透射式，具体包括气室、设置在气室内的玻片组、设置在气室其中一侧的第一准直器和另一侧的反射镜或第二准直器，在气室上开设有进气孔与出气孔，所述玻片组包括多块平行设置且镀有氢敏薄膜的玻璃基片。本实用新型通过检测光纤中激光的反射功率或透射功率的变化，从而获得氢气浓度的变化，其结构比较简单，成本比较低，实现了氢气传感器的灵敏度调节；其传感器系统不仅具有光纤传感抗电磁干扰，可弯曲等优势，而且测量点之间不相互影响，探测的点数也不受光源带宽的限制。

技术领域

本实用新型涉及氢气浓度检测与预警技术领域，尤其涉及一种灵敏度可调的光纤氢气传感头及包括该光纤氢气传感头的多点光纤氢气传感系统。

背景技术

随着工业化的发展，氢气(H2)传感器在国防、军事及民用中均表现出强烈的需求。而氢气由于其化学性质活泼、易燃易爆，容易造成安全隐患，酿成重大安全事故，因此对环境中氢气浓度的实时监测是保证生产、生活安全的重要手段之一。

在国防军工领域，含有钚的核燃料进行再处理的过程中会产生大量的氢气。当氢气浓度超过阈值时，就存在爆炸的危险。2011年福岛核电站爆炸事故就是由氢气爆炸引发的。在电力行业中，变压器油是一种应用在变压器中的绝缘介质，当电力设备发生故障时，油和固体的绝缘热分解，局部放电等现象会产生H2，H2浓度的剧烈变化能够直接反映出设备的安全状况。在地震监测中，氢气是目前世界公认的地震预测中最灵敏的化学物质之一。

目前氢气传感器主要有电化学型、电学型和光学型三大类。电化学型氢气传感器一般由参考和传感电极组成，当传感器处在氢气中时，氢气会与传感电极发生电化学反应，使电极的电流、电压或电阻发生变化，通过这些物理量的变化可以实现监测氢气浓度的目的。这类传感器具有响应速度快，灵敏度高和功耗低等优点，但是其性能参数很容易受到环境温度，湿度的影响，存在零点漂移现象。此外，这类基于电荷变化的电化学传感器对其他还原性气体如CO、NH3和CH4存在交叉敏感的现象。并且电化学氢气传感器，以及其他电学氢气传感器由于采用电信号作为传感信号，其抗电磁干扰能力不足，难以满足在复杂电磁环境等应用场景下的需求。同时该类传感器也存在产生电火花的可能，因此具备潜在的爆炸风险，不适合应用于易燃易爆场所。

光纤本身不带电，抗电磁干扰，轻巧，可弯曲，抗辐射，抗腐蚀性能好，尤其适用于易燃、易爆、空间受严格限制、强电磁干扰、易腐蚀等恶劣环境，因此在氢气监测方面具有极为突出的优势。同时，强大的复用组网能力是光纤传感技术另一个最为显著的特点，可以实现在单根光纤上复用多个传感器，组成光纤传感网络，实现整体系统的分布式或准分布式测量。

目前许多氢气检测领域均提出了多测点、不同浓度区间检测的要求，即对多个部件或多个位置进行监测预警，且一般不同位置处的氢气浓度各不相同，因此要求氢气传感器具有灵敏度区间可调节和系统组网能力。但国内外相关研究中，已见报道的光纤氢气传感系统大多是仅能单点测量且传感器灵敏度往往是固定的，即1套系统仅能对1个位置进行固定浓度区间的氢气监测，更多位置的多浓度区间监测需要通过不同系统的叠加实现，但是采用简单的叠加方式，随着监测点数增多，组网复杂，所需整套测量系统的成本、体积均大幅增加，甚至达到难以接受的程度。2016年中国工程物理研究院流体物理研究所李建中等人研究了基于波分复用技术的光纤分布式氢气传感系统，能够实现4路氢气测量。波分复用技术中光源的带宽，光栅的传感波长变化范围以及光栅之间光谱带宽间距制约了光栅的复用个数，故测量的点数受到光源带宽的限制，且光路系统较为复杂、成本偏高。空分复用技术通过光开关实现，测量点之间不相互影响，也不受光源谱宽的限制，比较适用于实现分布式光纤氢气传感系统。

发明内容