[发明专利]一种基于法布里珀罗干涉的氢气传感器

说明书

本发明涉及一种基于法布里珀罗干涉的氢气传感器，包括：宽带光源、环形器、基于法布里珀罗干涉的传感单元、光谱仪和气室；宽带光源产生的一束入射光通过环形器后进入传感单元，存储在气室内不同浓度的氢气进入传感单元后改变由多光束反射光干涉形成的反射谱的波长，并将反射谱发送至光谱仪，以使光谱仪根据单峰追踪法检测反射光谱中波峰或波谷的波长漂移量，根据波长漂移量解调出氢气的体积分数。本发明基于法布里珀罗干涉原理实现外界环境信息的检测，灵敏度高，有着广阔的应用前景，在光纤传感方面有巨大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及氢气浓度检测技术领域，特别是涉及一种基于法布里珀罗干涉的氢气传感器。

背景技术

氢气作为重要的化工原料和清洁能源，它的应用非常广泛，然而氢气的分子量非常小，渗透性强，在生产、储存、运输和操作过程中容易发生泄露，且本身无色无味，不易被察觉。当空气中氢气的体积分数在4.0％-74.42％范围内时，即可发生爆炸，引发严重事故，所以对氢气的含量进行监测具有十分重要的意义。

根据不同的构造原理，目前氢气传感器主要可分为电化学型氢气传感器、半导体型氢气传感器、光学型氢气传感器三类。例如Wang等人提出了一种新的带有Pt-WO₃涂层的光纤尖端FPI传感器用于氢检测。该传感器由一层Pt-WO₃和光纤FPI组成。通过将传统的SMF插入到部分聚合物填充的玻璃毛细管中，SMF和聚合物表面之间形成空气F-P腔，来自光纤端面的反射光与来自聚合物表面的反射光发生干涉。在实验中，当氢气浓度从0到20916ppm变化时，氢传感器灵敏度估计大约1pm/ppm。该传感器具有浓度检测低(低于4％)、灵敏度超高、重复性好、体积小、制造成本低、响应速度快、恢复时间短、具有大规模生产的潜力等优点。Xu等人提出了一种简单、紧凑、高灵敏度的氢传感装置。该器件由一小段空芯光纤(HCF)与标准单模光纤(SMF)拼接而成，并与光纤光栅(FBG)相结合。HCF由聚合物填充，内气隙位于SMF和聚合物之间的界面附近。聚合物形成微腔法布里-珀罗干涉仪(FPI)。Pt-WO₃/SiO₂涂层作为催化层，氢气与空气中的氧气发生放热反应，当装置暴露于氢气时释放热量，引起FPI的局部温度变化，从而导致本装置的反射光谱偏移。氢气体积分数为0-4％时，系统最大灵敏度为17.48nm/％(vol％)H₂，并且该传感装置能快速响应。Li等人提出了一种基于PDMS形成的双c型空腔并嵌入Pt-WO₃/SiO₂的光学氢传感器。该传感器由单模光纤(SMF)与短段空心光纤(HCF)融合拼接而成，总长度只有123μm。HCF被PDMS膜分离成双c型腔，内c型腔形成微腔法布里-珀罗干涉仪(FPI)，外c型腔内嵌入Pt负载的WO₃/SiO₂粉末作为敏感区域。在氢气浓度为0％-1％的范围内，氢敏感性为-15.14nm/％。响应时间很短，约23s。该传感器结构紧凑、灵敏度高、响应速度快。最重要的是，这种新型的双c型结构有效地解决了敏感材料容易脱落的问题，具有长期使用的性能和巨大的应用潜力。周贤等人提出了一种基于飞秒加工的纳米片Pt-WO₃双螺旋微结构FBG，这种结构可以容纳更多薄膜与氢气反应放出更多热量，灵敏度大大提高，是标准的FBG氢气传感器的1.5倍,具有很好的氢气监测前景。虽然上述这些氢气传感器都实现了对氢气体积分数的测量，但是所述透射类结构无法实现远程测量的要求，基于F-P反射的结构灵敏度还有很大提升的空间，而且有些结构的构造过程过于复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于法布里珀罗干涉的氢气传感器，以实现提高灵敏度以及简化氢气传感器结构。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于法布里珀罗干涉的氢气传感器，所述氢气传感器包括：

宽带光源、环形器、基于法布里珀罗干涉的传感单元、光谱仪和气室；

所述宽带光源、所述传感单元、所述光谱仪均与所述环形器连接，所述传感单元设置在所述气室内；