一種基於光纖耦合器的氫氣傳感器的製作方法

2023-05-29 12:30:22

本實用新型屬於光纖傳感技術領域，具體涉及一種基於光纖耦合器的氫氣傳感器。

背景技術：

氫燃料是一種無汙染的新型能源，但它存在高度的易燃性和易爆性。因此氫燃料的存儲、使用和運輸的過程中可能產生危險。能夠提前預報氫氣的洩露對保護人類生命財產安全上顯得極為重要。長期以來，人們一直在尋找選擇性好、靈敏度高、響應速度快、能耗低、穩定性好、製作工藝簡單且易集成化的廉價氫氣傳感器。根據工作原理的不同，氫氣傳感器主要有電化學型、半導體型、熱電型和光纖型等幾種類型。傳統的基於電學特性來工作的氫氣傳感器在使用時可能產生電火花，存在引燃引爆洩漏氫氣的危險，並且這類傳感器存在對於氫氣的選擇性不強的缺點。與傳統的氫氣傳感器相比，光纖氫氣傳感器通過光信號進行檢測，具有本質安全、體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁幹擾、靈敏度高等優點。基於表面等離子體共振技術的氫氣傳感器，靈敏度很高，其關鍵是精確控制金屬膜的厚度(納米量級)，但需要使用到昂貴的儀器設備。基於光纖布拉格光柵的氫氣傳感器，因其具有波分復用的特性而廣泛應用於氫氣濃度的分布測量，但靈敏度通常較低。雖然拋磨光柵技術可以用於增強氫氣的靈敏度，但它降低了傳感器的機械強度，讓之變得脆弱易斷。基於集成光學微結構的氫氣傳感器，具有緊湊的尺寸和高靈敏度，然而它們的製造涉及到較為複雜的過程，從而也限制了其廣泛應用。

技術實現要素：

為了解決上述現有技術的不足，本實用新型提供一種基於光纖耦合器的氫氣傳感器，將兩根完全相同除去塗覆層的單模光纖以一定的方式靠攏置於高溫下加熱熔融，且同時向光纖兩端拉伸而製成的，接著在耦合區域的側面塗敷Pd/Ag催化劑合金粉末，具有製備方便、結構簡單和成本低等優點。

本實用新型所採用的技術方案：一種基於光纖耦合器的氫氣傳感器，包括寬帶光源、光譜儀和光纖耦合器，其特徵在於：所述的光纖耦合器是通過兩根相同除去塗覆層的單模光纖緊貼在一起加熱熔融拉錐而製成的，且在其耦合區域的側面塗敷厚度為10-50微米的Pd/Ag催化劑合金粉末，其中光纖耦合器的輸入端的一端與寬帶光源連接，輸出端的一端與光譜儀相連。

本實用新型的有益效果是：

1.傳感器製備過程中只需將兩根相同除去塗覆層的單模光纖緊貼在一起加熱熔融拉錐，接著在耦合區域的側面塗敷Pd/Ag催化劑合金粉末，具有易製備、結構簡單和成本低的優點。

2.該傳感器的分光可見度只與光纖耦合器的耦合係數有關，因而免受寬帶光源的不穩定性的影響，與一般的傳感器相比它更具有穩定性。

3.所述的氫氣傳感器的工作原理是：氫氣在Pd/Ag催化劑合金粉末的界面上被離解為氫原子而吸收，最後產生化學吸附，氫原子在鈀晶體內擴散，而產生化學反應如下：

H2+Pd→PdHx (1)

該反應過程中會生成PdHx，因而Pd/Ag催化劑合金粉末的折射率等光學性質會隨吸收氫氣濃度的不同而發生改變，與未塗敷Pd/Ag催化劑合金粉末相比塗敷Pd/Ag催化劑合金粉末的光纖耦合器的折射率高些，其耦合係數也隨之增加，光譜儀所檢測到的透射譜會隨折射率的增加而向波長較短的方向發生偏移，通過檢測透射譜的漂移量即可準確確定待測空氣中氫氣的濃度。

附圖說明

圖1為基於光纖耦合器的氫氣傳感器結構示意圖。其中，(1)單模光纖，(2)Pd/Ag催化劑合金粉末。

圖2為基於光纖耦合器的氫氣傳感器的應用實施示意圖。其中，(3)寬帶光源，(4)氣室，(5)光譜儀，(6)光纖耦合器氫氣傳感器。

圖3為一個基於本發明的光纖耦合器的氫氣傳感器結構的傳感特性測試結果示意圖。

具體實施方式

將已定標的本發明光纖耦合器氫氣傳感器的兩個連接端分別與寬帶光源和光譜儀連接，如圖2所示。將側面塗敷Pd/Ag合金粉末的光纖耦合器置於待測氫氣濃度的空間。光譜儀實時記錄光纖耦合器氫氣傳感器的透射譜，尤其是透射譜中的諧振波長值。通過比對諧振波長的變化量從而確定待測空間氫氣的濃度。圖3給出了一個基於該傳感器結構的傳感特性測試結果示意圖。從塗敷Pd/Ag合金粉末與未塗敷Pd/Ag合金粉末時傳感器的透射譜可以看出，由於Pd/Ag合金粉末吸氫後會生成PdHx，該塗敷粉末的傳感器的折射率會高些，其耦合係數也隨之增加，光譜儀所檢測到的透射譜會隨折射率的增加向波長較短的方向發生偏移，通過檢測透射譜的漂移量即可準確確定待測空氣中氫氣的濃度。