[实用新型]一种基于游标效应的高灵敏度法布里-珀罗氢气传感器

说明书

本实用新型公开了一种基于游标效应的高灵敏度法布里‑珀罗氢气传感器，包括宽带光源、耦合器、长距离单模传输光纤、感应FP传感头、参考FP单元、光谱分析仪；所述感应FP传感头由单模光纤、空芯光纤、聚二甲基硅氧烷薄膜和Pt/WO₃(三氧化钨载铂)氢敏材料组成；当氢气浓度增加时，Pt/WO₃氢敏材料与氢气发生反应放热，放出的热量会使得聚二甲基硅氧烷薄膜体积膨胀，然后使空气腔腔长缩短，从而感应FP传感头的反射光谱将发生漂移，然后与参考FP单元反射回来的光谱进行叠加，增加光谱的漂移量，提升传感器的灵敏度；通过建立反射叠加的光谱漂移与氢气浓度变化的关系，就可以实现对氢气浓度的准确测量。

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于游标效应的高灵敏度法布里-珀罗氢气传感器。

背景技术

氢气作为一种高效、无污染、可持续使用的清洁能源，越来越受到人们的关注，它不仅是物质的组成，也是一种能量物质，对于解决目前所遭受的能源危机起着重要的作用，同时氢气也广泛的应用在医疗、科技、新能源产业中，但是由于氢气具有高扩散系数，高燃烧热的性质，高浓度的氢气泄露在空气中可能会发生爆炸，所以我们就需要对储氢装置进行精准的监测以防止其泄露，近年来，光纤氢气传感器因其检测精度高，响应速度快，制作成本低，易于携带等优点得到了人们广泛的关注。

目前常见的光纤氢气传感器包括干涉型和光纤光栅型等。光纤光栅型氢气传感器被广泛应用于分布式测量，结构稳定，但其灵敏度较低，F-P型氢气传感器因其灵敏度高，反应速度快，成本低等特点受到了人们的青睐，常见的光纤氢气传感器是通过检测其反射回来的光谱漂移量，从而得到氢气浓度的信息，大部分氢气传感器在氢气浓度过低时会出现传感器的测量精度下降，灵敏度不高等问题，对于实际应用中，氢气传感器需要在外界环境下保持其良好的稳定性，同时也要进一步提升传感器的灵敏度。

游标效应是数学中常见的一种现象，它主要是利用微小测量值的变化导致的对齐分度大范围改变，光学中也会存在一些类似的刻度尺形式的物理现象，将两个能产生谱峰间距有细微差别的梳状光谱的器件一起使用就可以形成光学游标效应，假设一个器件的光谱随外界环境的变化发生了改变，通过检测初始对齐谱峰和当前对齐谱峰，就可以将谱峰的微小位移进行放大读数，这样就可以在保持较大测量范围的同时，提高测量的灵敏度，这种技术广泛应用于光纤传感领域。

实用新型内容

本实用新型的目的是：针对上述光纤氢气传感器在外界环境复杂时，灵敏度低、测量精度不高，本实用新型提出了一种基于游标效应的高灵敏度法布里 -珀罗氢气传感器，该传感器灵敏度高、结构简单、响应时间短，重复性好，大大提升了对氢气检测的灵敏度。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

一种基于游标效应的高灵敏度法布里-珀罗氢气传感器，其特征在于包括宽带光源、长距离单模传输光纤、2×2光耦合器、1个感应FP传感头、1个参考FP单元、光谱分析仪；所述的感应FP传感头由单模光纤、空芯光纤、聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜、氢气敏感材料(Pt/WO₃)粉末组成，通过将一段空芯光纤与单模光纤熔接，在空芯光纤内部填充PDMS薄膜，同时在单模光纤端面和PDMS薄膜之间形成密闭的空气腔，并在PDMS薄膜附着Pt/WO₃粉末形成，感应FP传感头中空芯光纤长度为100μm-200μm，空气腔长度为30μm-80μm， PDMS薄膜厚度为20μm-70μm。参考FP单元由第一段单模光纤、空芯光纤、第二段单模光纤组成，空芯光纤长度为100μm-200μm，第二段单模光纤长度 200μm-400μm。FP传感头的自由光谱范围FSR1与参考FP单元的自由光谱范围 FSR2绝对值差值|△FSR|＜1.5nm，可使得叠加后的自由光谱范围变大。

宽带光源的光输出端通过单模传输光纤与耦合器输入①端口相连，耦合器的输出端③端口与感应的FP传感头相连，耦合器的④端口与参考FP单元相连，②端口与光谱分析仪相连。