光纖氫氣傳感器及其製作方法
2023-06-15 00:22:46
光纖氫氣傳感器及其製作方法
【專利摘要】本發明提供一種光纖氫氣傳感器，所述光纖氫氣傳感器包括入射光纖、反射光纖和氫敏感膜；所述入射光纖的其中一端與所述反射光纖相互連接並且開設有氫氣收容腔，所述反射光纖的端面覆蓋所述氫氣收容腔的開口，並作為反射端面；所述氫氣收容腔的腔體的至少兩個相對的側壁分別形成有氣孔，且所述至少兩個相對的側壁的氣孔分別交錯設置；所述氫敏感膜設置在所述氫氣收容腔的內表面，並且所述氫敏感膜具有多個凹陷部，所述多個凹陷部分別與所述多個氣孔相對設置。本發明還同時提供一種所述光纖氫氣傳感器的製造方法。
【專利說明】光纖氫氣傳感器及其製作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及氫氣檢測技術，特別地，涉及一種光纖氫氣傳感器及其製作方法。
【背景技術】
[0002]氫氣是一種重要的工業原料，在石油化工、電子工業、冶金工業、食品加工等方面有著重要的應用；同時，氫氣作為一種新型能源，不僅清潔環保，並且具有豐富的來源，因此氫氣在新能源領域的地位也日益重要。不過，氫氣容易發生洩露，且當空氣中的氫氣濃度達到4%以上時遇到明火即可導致爆炸，因此，在氫氣的運輸、儲存和工業生產及使用過程中，對環境的氫氣濃度檢測是一項非常重要且必要的工作。
[0003]光纖氫氣傳感器由於可以具有安全和實時監測的優點，被廣泛地應用到氫氣濃度檢測，在諸多類型的光纖氫氣傳感器中，基於法布裡-珀羅(Fabry-Perot，F-P)幹涉的幹涉型光纖氫氣傳感器的應用較為廣泛。傳統的幹涉型光纖氫氣傳感器是將入射光纖和反射光纖分別固定在玻璃套管的兩端形成F-P幹涉腔，並在玻璃套管的表面鍍設鈀(Pd)膜。所述Pd膜在吸收氫氣之後體積會發生變化從而改變幹涉腔長度，因此通過分析幹涉譜可以實現對氫氣濃度的檢測。
[0004]不過，由於上述幹涉型光纖氫氣傳感器的氫敏感膜在直接鍍設在玻璃套管的外部，外界汙染可能降低所述氫敏感膜的品質，從而影響所述幹涉型光纖氫氣傳感器的檢測精確度。
【發明內容】
[0005]有鑑於此，本發明提供一種能解決上述問題的光纖氫氣傳感器。同時，本發明還提供一種所述光纖氫氣傳感器的製造方法。
[0006]—種光纖氫氣傳感器，包括入射光纖、反射光纖和氫敏感膜；所述入射光纖的其中一端與所述反射光纖相互連接並且開設有氫氣收容腔，所述反射光纖的端面覆蓋所述氫氣收容腔的開口，並作為反射端面；所述氫氣收容腔的腔體的至少兩個相對的側壁分別形成有氣孔，且所述至少兩個相對的側壁的氣孔分別交錯設置；所述氫敏感膜設置在所述氫氣收容腔的內表面，並且所述氫敏感膜具有多個凹陷部，所述多個凹陷部分別與所述多個氣孔相對設置。
[0007]—種光纖氫氣傳感器的製造方法，用於製作如上所述的光纖氫氣傳感器，所述製作方法包括:提供入射光纖，並在所述入射光纖的末端形成微型腔體，來作為氫氣收容腔；在所述微型腔體的側壁內表面形成氫敏感膜；在所述微型腔體的其中一個側壁形成第一氣孔陣列，並在另一個側壁形成第二氣孔陣列，其中所述第二氣孔陣列的氣孔分別與所述第一氣孔陣列的氣孔交錯設置，且所述氣孔分別從所述入射光纖的外表面延伸到所述微型腔體內部；在所述微型腔體的內側壁表面的氫敏感膜與所述第一氣孔陣列和所述第二氣孔陣列的氣孔相正對的區域形成多個凹陷部；提供反射光纖，並將所述反射光纖與所述入射光纖的末端相互熔接。[0008]本發明提供的光纖氫氣傳感器在所述入射光纖的末端形成氫氣收容腔,可以實現所述氫敏感膜設置所述入射光纖的內部。通過上述氫敏感膜內置的方式，可以有效避免所述氫敏感膜受外界汙染的影響而破壞其氫氣敏感特性，保證所述光纖氫氣傳感器的氫氣濃度檢測結果的精確性。並且，所述光纖氫氣傳感器通過在所述氫氣收容腔的至少兩個相對側壁形成氣孔，可以使得有足夠的氫氣進入所述氫氣收容腔內部，保證氫氣濃度檢測的正常實現；另外，所述至少兩個相對的側壁的氣孔分別交錯設置，從而對氫氣進行一定的阻擋，使得氫氣在所述氫氣收容腔可以停留足夠的時間，保證其可以被所述氫氣收容腔的側壁內表面的氫敏感膜充分吸收，進一步提高所述光纖氫氣傳感器的氫氣濃度檢測的準確性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖，其中:
[0010]圖1是本發明提供的光纖氫氣傳感器一種實施例的結構示意圖；
[0011]圖2是圖1所示的光纖氫氣傳感器的入射光纖的側面結構示意圖；
[0012]圖3是本發明提供的光纖氫氣傳感器的製造方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0014]本發明提供的光纖氫氣傳感器通過將氫敏感膜內置在入射光纖內部,來避免氫敏感膜受外界汙染氣體影響，提高所述光纖氫氣傳感器氫氣濃度檢測結果的準確性。
[0015]請參閱圖1，其是本發明提供的光纖氫氣傳感器一種實施例的結構示意圖，所述光纖氫氣傳感器10包括入射光纖11、反射光纖12和氫敏感膜13,其中,所述入射光纖11和所述反射光纖12可以均為單模光纖或均為多模光纖，也可以其中一個為單模光纖而另一個為多模光纖，並且所述入射光纖11和所述出射光纖相互對準並通過熔接工藝相互連接。
[0016]所述入射光纖11的兩端可以分別作為光入射端和連接端，其中所述光入射端可以接收外界光源(比如雷射二極體)提供的測試光，而所述連接端可以與所述反射光纖12相互熔接。其中，所述入射光纖的連接端開設有微型腔體111，所述微型腔體111主要作為用來收容待檢測氫氣的氫氣收容腔。所述微型腔體111可以通過雷射微加工技術形成，其沿所述入射光纖11的纖芯110延伸方向開設。在形成所述微型腔體111之後，所述入射光纖11在所述微型腔體11所在區域的剩餘光纖材料便可以作為所述微型腔體111的側壁。其中，所述微型腔體111的內徑大於所述入射光纖11的纖芯110的直徑，即所述微型腔體111內部的纖芯Iio被完全移除。
[0017]在具體實施例中，所述微型腔體111的腔底可以形成半穿透半反射面101。所述半穿透半反射面101便可以將所述入射光纖11的部分測試光進行反射而形成第一反射光，並且將另一部分測試光作為透射光透射到所述微型腔體111內部。
[0018]所述入射光纖11在所述微型腔體111所在區域的可以開設有多個氣孔14，所述氣孔14可以從所述入射光纖11的表面延伸到所述微型腔體111內部，其主要用來給氫氣提供進入所述微型腔體111的通道。
[0019]具體地，由於所述氣孔14 一般比較小，為使得有足夠量的氫氣進入所述微型腔體111，以保證所述光纖氫氣傳感器10可以進行氫氣濃度檢測,在本發明提供的光纖氫氣傳感器10中，所述氣孔14至少開設在所述入射光纖11末端的相對兩側，即形成在所述微型腔體111的兩個相對的側壁。應當理解，所述入射光纖11 一般具有圓形的橫截面，因此所述微型腔體111為圓柱形腔體，相對應地，所述微型腔體111的側壁實際上是一個圓環形側壁；因此，在本申請文件中，所述微型腔體111的兩個相對的側壁應當理解為所述圓環形側壁的其中兩個相對的弧形部分，如圖2所示的第一弧形側壁部分112和第二弧形側壁部分113。
[0020]並且，為避免從所述入射光纖11 一側的氣孔14進入所述微型腔體111的氫氣從所述入射光纖11的另一側穿出，在本實施例中，所述微型腔體111兩個相對的側壁分別開設的氣孔14分別交錯設置，也即是說，所述微型腔體111的其中一個側壁開設的氣孔14不與另一個側壁開設的氣孔14相對準，如圖1所示。通過採用上述結構從所述微型腔體111的其中一個側壁的氣孔14進入到所述微型腔體111內部的氫氣可以被另一側側壁所阻擋，從而使得氫氣在所述微型腔體111可以停留足夠的時間，保證其可以被所述微型腔體111的側壁內表面的氫敏感膜13充分吸收。
[0021]另一方面，所述微型腔體111的側壁內表面可以形成有氫敏感膜13，所述氫敏感膜13可以具體為鈀(Pd)膜或者鈀合金(PdAlloy)膜，其具有吸收氫氣而出現體積變化的特性。具體地，所述氫敏感膜13可以在所述微型腔體111形成之後通過真空鍍膜方式形成在所述微型腔體111的內側壁。
[0022]由於所述微型腔體111是在所述入射光纖11末端形成的，其尺寸一般較小，因此所述微型腔體111的內側壁的面積一般均比較小，並且由於所述微型腔體111的內側壁還需要提供空間來形成所述氣孔14，因此在實際實現中，鍍設在所述微型腔體111的內側壁表面的氫敏感膜13的表面積非常有限，可能會影響所述氫敏感膜13與氫氣吸收並發生反應而出現體積變化的效果，從而造成所述光纖氫氣傳感器10的檢測效果不佳。
[0023]針對上述問題，在本發明提供的光纖氫氣傳感器10中，所述氫敏感膜13在與所述氣孔14正對的區域可以分別形成有多個凹陷部131。由於所述微型腔體111的兩個相對的側壁的氣孔是分別交錯設置而非直接相對的，因此在所述微型腔體111的其中一個側壁的任何一個氣孔14恰好正對著另一個側壁的氫敏感膜13所在的區域，此在工藝上為實現所述凹陷部131提供了可能。具體地，在所述氣孔14形成之後，所述凹陷部131可以通過雷射微加工技術，將雷射束通過所述氣孔14照射到另一側的側壁內表面的氫敏感膜13，便可以使得所述氫敏感膜13在與所述多個氣孔14相對的區域分別形成多個凹陷部131，比如圓形凹陷部，如圖1所示。
[0024]所述反射光纖12的末端與所述入射光纖11的連接端相互對準並且通過熔接工藝相互連接，因此其端面可以恰好蓋設在所述微型腔體111的開口。並且，所述反射光纖12的端面可以作為反射端面102，將從所述入射光纖11的半穿透半反射面101透射到所述微型腔體111的透射光進行反射，從而形成第二反射光。
[0025]由此可以看出，在本發明提供的光纖氫氣傳感器10中，所述微型腔體111連同所述入射光纖11的半穿透半反射面101和所述反射光纖12的反射端面102，形成一個用來進行氫氣濃度檢測的法布裡-拍羅(Fabry-Perot, F-P)幹涉腔。
[0026]具體地，在進行氫氣濃度檢測時，外部光源提供的寬譜測試光入射到入射光纖11，並在所述入射光纖11的半穿透半反射面101發生部分反射從而形成第一反射光，另外，還有部分測試光從所述半穿透半反射面101進入所述微型腔體111，並穿過所述微型腔體111在所述反射光纖12的反射端面102發生反射從而形成第二反射光。所述第二反射光與所述第一反射光發生幹涉，通過光譜儀可以採集到所述第一反射光和所述第二反射光的幹涉光譜。當氫氣濃度發生變化時，所述氫敏感膜13與通過所述氣孔14進入到所述微型腔體111的氫氣發生反應，其體積也發生相應的變化。所述氫敏感膜13的體積變化會進一步造成所述第一反射光和所述第二反射光的光程差發生改變，從而進一步造成二者的幹涉光譜發生改變。因此根據所述光譜儀獲得的幹涉光譜便可以計算出氫氣濃度的變化情況。
[0027]本發明提供的光纖氫氣傳感器在所述入射光纖的末端形成微型腔體，可以實現所述氫敏感膜設置所述入射光纖的內部。通過上述氫敏感膜內置的方式，可以有效避免所述氫敏感膜受外界汙染的影響而破壞其氫氣敏感特性，保證所述光纖氫氣傳感器的氫氣濃度檢測結果的精確性。
[0028]基於上述光纖氫氣傳感器10，本發明還進一步提供一種光纖氫氣傳感器的製造方法。請參閱圖3，其為本發明提供的光纖氫氣傳感器的製造方法的流程示意圖。所述光纖氫氣傳感器的製造方法可以用來製作如圖1所示的光纖氫氣傳感器，具體地，所述製作方法包括:
[0029]步驟SI，提供入射光纖，並在所述入射光纖的末端形成微型腔體；
[0030]具體地，本步驟中，可以先提供一個單模光纖或者多磨光纖來作為所述入射光纖11，並且，沿著所述入射光纖110的纖芯110的延伸方向，通過飛秒雷射微加工技術或者深紫外雷射微加工技術在所述入射光纖11的末端加工出一個微型腔體111。所述微型腔體111的尺寸可以略大於所述入射光纖11的纖芯110，也即是說，通過所述飛秒雷射微加工技術或者深紫外雷射微加工技術，將所述入射光纖11的末端的纖芯110被完全移除，並且，所述纖芯110周圍的光纖材料也被部分移除，從而形成一個具有側壁的微型腔體111。所述微型腔體111的具體形狀和結構可以參閱以上實施例的具體描述。
[0031]步驟S2，在所述微型腔體的側壁內表面形成氫敏感膜；
[0032]在所述微型腔體111形成之後，可以採用磁控濺射或者真空鍍膜的薄膜工藝，在所述微型腔體111的側壁的內表面沉積或者鍍設鈀(Pd)膜或者鈀合金膜，來作為所述氫敏感膜130。
[0033]步驟S3，在所述微型腔體的其中一個側壁形成第一氣孔陣列；
[0034]在所述氫敏感膜130製作完成之後，可以採用飛秒雷射微加工技術或者深紫外雷射微加工技術，在所述入射光纖11末端的微型腔體111的其中一個側壁，沿與所述入射光纖11的纖芯111相垂直的方向加工出由多個第一氣孔14，形成第一氣孔陣列。
[0035]在所述第一氣孔陣列的加工過程中，雷射的強度以及照射時間需要嚴格控制，以使得所述側壁的光纖材料恰好被移除，同時又不破壞所述微型腔體11的另一個側壁的光纖材料，從而形成從所述入射光纖11末端的外表面延伸到所述微型腔體111內部的第一氣孔14，以使得氫氣可以從所述側壁進入所述微型腔體111。
[0036]步驟S4，在所述微型腔體的另一個側壁形成第二氣孔陣列，並且所述第二氣孔陣列的每一個氣孔分別與所述第一氣孔陣列的氣孔交錯設置；
[0037]具體地，在所述第一氣孔陣列製作完成之後，同樣可以採用飛秒雷射微加工技術或者深紫外雷射微加工技術，在所述入射光纖11末端的微型腔體111的另一個側壁，沿與所述入射光纖11的纖芯111相垂直的方向加工出由多個第二氣孔14，形成第二氣孔陣列。
[0038]其中，在所述第二氣孔陣列的加工區域需要設計成與所述第一氣孔陣列的氣孔不相正對，從而實現所述第二氣孔陣列和所述第一氣孔陣列的氣孔14分別交錯設置。另外，相類似的，在本步驟中，用來進行氣孔加工的雷射的強度以及其照射時間需要嚴格控制，來避免破壞所述第一氣孔陣列所在的側壁的光纖材料。
[0039]步驟S5，在所述微型腔體的內側壁表面的氫敏感膜與所述第一氣孔陣列和所述第二氣孔陣列相正對的區域形成多個凹陷部；
[0040]具體地，本步驟可以通過雷射微加工技術來實現所述多個凹陷部的加工。具體地，可以利用雷射從所述微型腔體111其中一個側壁的第一氣孔陣列或所述第二氣孔陣列的氣孔14照射到另一個側壁表面的氫敏感膜13，從而在所述氫敏感膜13與所述氣孔14相對的區域形成所述凹陷部131。在本實施例中，所述雷射的光斑尺寸應當小於所述氣孔14的尺寸，且所述雷射的照射時間必須精確控制，以免所述氫敏感膜13出現破壞。
[0041 ] 步驟S6，提供反射光纖，並將所述反射光纖與所述入射光纖的末端相互熔接；
[0042]在本步驟中，可以提供另一個單模光纖或者多模光纖來作為所述反射光纖12，並且將所述反射光纖12與所述入射光纖11相互對準。接著，採用熔接工藝將所述反射光纖12熔接到所述入射光纖11，從而形成如圖1所述的光纖氫氣傳感器10。
[0043]以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的【技術領域】，均同理包括在本發明的專利保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種光纖氫氣傳感器，其特徵在於，包括入射光纖、反射光纖和氫敏感膜；所述入射光纖的其中一端與所述反射光纖相互連接並且開設有氫氣收容腔，所述反射光纖的端面覆蓋所述氫氣收容腔的開口，並作為反射端面；所述氫氣收容腔的腔體的至少兩個相對的側壁分別形成有氣孔，且所述至少兩個相對的側壁的氣孔分別交錯設置；所述氫敏感膜設置在所述氫氣收容腔的內表面，並且所述氫敏感膜具有多個凹陷部，所述多個凹陷部分別與所述多個氣孔相對設置。
2.如權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特徵在於，所述氫氣收容腔為沿所述入射光纖的纖芯的延伸方向開設的腔體。
3.如權利要求2所述的光纖氫氣傳感器,其特徵在於,所述氫氣收容腔的內徑大於所述入射光纖的纖芯的直徑。
4.如權利要求3所述的光纖氫氣傳感器，其特徵在於，所述氫敏感膜為鈀膜或者鈀合金膜。
5.如權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特徵在於，所述氫氣收容腔的腔底設置有半穿透半反射膜。
6.如權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特徵在於，所述氫敏感膜的凹陷部為圓形凹陷部。
7.如權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特徵在於，所述入射光纖和所述反射光纖均為單模光纖。
8.如權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特徵在於，所述入射光纖為單模光纖，而所述反射光纖為多模光纖。
9.如權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特徵在於，所述入射光纖和所述反射光纖均為多模光纖。
10.一種光纖氫氣傳感器的製造方法，用於製作如權利要求1至9中任一項所述的光纖氫氣傳感器，其特徵在於，包括: 提供入射光纖，並在所述入射光纖的末端形成微型腔體，來作為氫氣收容腔； 在所述微型腔體的側壁內表面形成氫敏感膜； 在所述微型腔體的其中一個側壁形成第一氣孔陣列，並在另一個側壁形成第二氣孔陣列，其中所述第二氣孔陣列的氣孔分別與所述第一氣孔陣列的氣孔交錯設置，且所述氣孔分別從所述入射光纖的外表面延伸到所述微型腔體內部； 在所述微型腔體的內側壁表面的氫敏感膜與所述第一氣孔陣列和所述第二氣孔陣列的氣孔相正對的區域形成多個凹陷部； 提供反射光纖，並將所述反射光纖與所述入射光纖的末端相互熔接。
【文檔編號】G01N21/45GK103994985SQ201410260872
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】潘國新 申請人:潘國新