光纤氢气传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种光纤氢气传感器，所述光纤氢气传感器包括入射光纤、反射光纤和氢敏感膜；所述入射光纤的其中一端作为光入射端，另外一端与所述反射光纤相互连接并且开设有氢气收容腔，所述反射光纤的端面覆盖所述氢气收容腔的开口，并作为反射端面；所述氢气收容腔的腔体的至少两个相对的侧壁分别形成有气孔，且所述至少两个相对的侧壁的气孔分别交错设置；所述氢敏感膜设置在所述氢气收容腔的内表面，并且所述氢敏感膜具有多个凹陷部，所述多个凹陷部分别与所述多个气孔相对设置。
【专利说明】光纤氢气传感器
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及氢气检测技术，特别地，涉及一种光纤氢气传感器。
【背景技术】
[0002] 氢气是一种重要的工业原料，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工等方面 有着重要的应用；同时，氢气作为一种新型能源，不仅清洁环保，并且具有丰富的来源，因此 氢气在新能源领域的地位也日益重要。不过，氢气容易发生泄露，且当空气中的氢气浓度达 到4%以上时遇到明火即可导致爆炸，因此，在氢气的运输、储存和工业生产及使用过程中， 对环境的氢气浓度检测是一项非常重要且必要的工作。
[0003] 光纤氢气传感器由于可以具有安全和实时监测的优点，被广泛地应用到氢气浓度 检测，在诸多类型的光纤氢气传感器中，基于法布里-珀罗（Fabry-P er〇t，F-P)干涉的干涉 型光纤氢气传感器的应用较为广泛。传统的干涉型光纤氢气传感器是将入射光纤和反射光 纤分别固定在玻璃套管的两端形成F-P干涉腔，并在玻璃套管的表面镀设钯（Pd)膜。所述 Pd膜在吸收氢气之后体积会发生变化从而改变干涉腔长度，因此通过分析干涉谱可以实现 对氢气浓度的检测。
[0004] 不过，由于上述干涉型光纤氢气传感器的氢敏感膜在直接镀设在玻璃套管的外 部，外界污染可能降低所述氢敏感膜的品质，从而影响所述干涉型光纤氢气传感器的检测 精确度。 实用新型内容
[0005] 有鉴于此，本实用新型提供一种能解决上述问题的光纤氢气传感器。
[0006] -种光纤氢气传感器，包括入射光纤、反射光纤和氢敏感膜；所述入射光纤的其中 一端与所述反射光纤相互连接并且开设有氢气收容腔，所述反射光纤的端面覆盖所述氢气 收容腔的开口，并作为反射端面；所述氢气收容腔的腔体的至少两个相对的侧壁分别形成 有气孔，且所述至少两个相对的侧壁的气孔分别交错设置；所述氢敏感膜设置在所述氢气 收容腔的内表面，并且所述氢敏感膜具有多个凹陷部，所述多个凹陷部分别与所述多个气 孔相对设置。
[0007] 本实用新型提供的光纤氢气传感器在所述入射光纤的末端形成氢气收容腔，可以 实现所述氢敏感膜设置所述入射光纤的内部。通过上述氢敏感膜内置的方式，可以有效避 免所述氢敏感膜受外界污染的影响而破坏其氢气敏感特性，保证所述光纤氢气传感器的氢 气浓度检测结果的精确性。并且，所述光纤氢气传感器通过在所述氢气收容腔的至少两个 相对侧壁形成气孔，可以使得有足够的氢气进入所述氢气收容腔内部，保证氢气浓度检测 的正常实现；另外，所述至少两个相对的侧壁的气孔分别交错设置，从而对氢气进行一定的 阻挡，使得氢气在所述氢气收容腔可以停留足够的时间，保证其可以被所述氢气收容腔的 侧壁内表面的氢敏感膜充分吸收，进一步提高所述光纤氢气传感器的氢气浓度检测的准确 性。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其它的附图，其中：
[0009] 图1是本实用新型提供的光纤氢气传感器一种实施例的结构示意图；
[0010] 图2是图1所示的光纤氢气传感器的入射光纤的侧面结构示意图；
[0011] 图3是用于制作图1所示的光纤氢气传感器的制造方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0012] 下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的 实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施 例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于 本实用新型保护的范围。
[0013] 本实用新型提供的光纤氢气传感器通过将氢敏感膜内置在入射光纤内部，来避免 氢敏感膜受外界污染气体影响，提高所述光纤氢气传感器氢气浓度检测结果的准确性。
[0014] 请参阅图1，其是本实用新型提供的光纤氢气传感器一种实施例的结构示意图，所 述光纤氢气传感器10包括入射光纤11、反射光纤12和氢敏感膜13,其中，所述入射光纤11 和所述反射光纤12可以均为单模光纤或均为多模光纤，也可以其中一个为单模光纤而另 一个为多模光纤，并且所述入射光纤11和所述出射光纤相互对准并通过熔接工艺相互连 接。
[0015] 所述入射光纤11的两端可以分别作为光入射端和连接端，其中所述光入射端可 以接收外界光源（比如激光二极管）提供的测试光，而所述连接端可以与所述反射光纤12 相互熔接。其中，所述入射光纤的连接端开设有微型腔体111，所述微型腔体111主要作为 用来收容待检测氢气的氢气收容腔。所述微型腔体111可以通过激光微加工技术形成，其 沿所述入射光纤11的纤芯110延伸方向开设。在形成所述微型腔体111之后，所述入射光 纤11在所述微型腔体11所在区域的剩余光纤材料便可以作为所述微型腔体111的侧壁。 其中，所述微型腔体111的内径大于所述入射光纤11的纤芯110的直径，即所述微型腔体 111内部的纤芯110被完全移除。
[0016] 在具体实施例中，所述微型腔体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便可以将所述入射光纤11的部分测试光进行反射而形成第一反射光，并 且将另一部分测试光作为透射光透射到所述微型腔体111内部。
[0017] 所述入射光纤11在所述微型腔体111所在区域的可以开设有多个气孔14,所述气 孔14可以从所述入射光纤11的表面延伸到所述微型腔体111内部，其主要用来给氢气提 供进入所述微型腔体111的通道。
[0018] 具体地，由于所述气孔14 一般比较小，为使得有足够量的氢气进入所述微型腔体 111，以保证所述光纤氢气传感器10可以进行氢气浓度检测，在本实用新型提供的光纤氢 气传感器10中，所述气孔14至少开设在所述入射光纤11末端的相对两侧，即形成在所述 微型腔体111的两个相对的侧壁。应当理解，所述入射光纤11 一般具有圆形的横截面，因 此所述微型腔体111为圆柱形腔体，相对应地，所述微型腔体111的侧壁实际上是一个圆环 形侧壁；因此，在本申请文件中，所述微型腔体111的两个相对的侧壁应当理解为所述圆环 形侧壁的其中两个相对的弧形部分，如图2所示的第一弧形侧壁部分112和第二弧形侧壁 部分113。
[0019] 并且，为避免从所述入射光纤11 一侧的气孔14进入所述微型腔体111的氢气从 所述入射光纤11的另一侧穿出，在本实施例中，所述微型腔体111两个相对的侧壁分别开 设的气孔14分别交错设置，也即是说，所述微型腔体111的其中一个侧壁开设的气孔14不 与另一个侧壁开设的气孔14相对准，如图1所示。通过采用上述结构从所述微型腔体111 的其中一个侧壁的气孔14进入到所述微型腔体111内部的氢气可以被另一侧侧壁所阻挡， 从而使得氢气在所述微型腔体111可以停留足够的时间，保证其可以被所述微型腔体111 的侧壁内表面的氢敏感膜13充分吸收。
[0020] 另一方面，所述微型腔体111的侧壁内表面可以形成有氢敏感膜13,所述氢敏感 膜13可以具体为钯（Pd)膜或者钯合金（Pd Alloy)膜，其具有吸收氢气而出现体积变化的 特性。具体地，所述氢敏感膜13可以在所述微型腔体111形成之后通过真空镀膜方式形成 在所述微型腔体111的内侧壁。
[0021] 由于所述微型腔体111是在所述入射光纤11末端形成的，其尺寸一般较小，因此 所述微型腔体111的内侧壁的面积一般均比较小，并且由于所述微型腔体111的内侧壁还 需要提供空间来形成所述气孔14,因此在实际实现中，镀设在所述微型腔体111的内侧壁 表面的氢敏感膜13的表面积非常有限，可能会影响所述氢敏感膜13与氢气吸收并发生反 应而出现体积变化的效果，从而造成所述光纤氢气传感器10的检测效果不佳。
[0022] 针对上述问题，在本实用新型提供的光纤氢气传感器10中，所述氢敏感膜13在与 所述气孔14正对的区域可以分别形成有多个凹陷部131。由于所述微型腔体111的两个相 对的侧壁的气孔是分别交错设置而非直接相对的，因此在所述微型腔体111的其中一个侧 壁的任何一个气孔14恰好正对着另一个侧壁的氢敏感膜13所在的区域，此在工艺上为实 现所述凹陷部131提供了可能。具体地，在所述气孔14形成之后，所述凹陷部131可以通 过激光微加工技术，将激光束通过所述气孔14照射到另一侧的侧壁内表面的氢敏感膜13， 便可以使得所述氢敏感膜13在与所述多个气孔14相对的区域分别形成多个凹陷部131，比 如圆形凹陷部，如图1所示。
[0023] 所述反射光纤12的末端与所述入射光纤11的连接端相互对准并且通过熔接工艺 相互连接，因此其端面可以恰好盖设在所述微型腔体111的开口。并且，所述反射光纤12 的端面可以作为反射端面102,将从所述入射光纤11的半穿透半反射面101透射到所述微 型腔体111的透射光进行反射，从而形成第二反射光。
[0024] 由此可以看出，在本实用新型提供的光纤氢气传感器10中，所述微型腔体111连 同所述入射光纤11的半穿透半反射面101和所述反射光纤12的反射端面102,形成一个用 来进行氢气浓度检测的法布里 -拍罗（Fabry-Perot，F_P)干涉腔。
[0025] 具体地，在进行氢气浓度检测时，外部光源提供的宽谱测试光入射到入射光纤11， 并在所述入射光纤11的半穿透半反射面101发生部分反射从而形成第一反射光，另外，还 有部分测试光从所述半穿透半反射面101进入所述微型腔体111，并穿过所述微型腔体111 在所述反射光纤12的反射端面102发生反射从而形成第二反射光。所述第二反射光与所 述第一反射光发生干涉，通过光谱仪可以采集到所述第一反射光和所述第二反射光的干涉 光谱。当氢气浓度发生变化时，所述氢敏感膜13与通过所述气孔14进入到所述微型腔体 111的氢气发生反应，其体积也发生相应的变化。所述氢敏感膜13的体积变化会进一步造 成所述第一反射光和所述第二反射光的光程差发生改变，从而进一步造成二者的干涉光谱 发生改变。因此根据所述光谱仪获得的干涉光谱便可以计算出氢气浓度的变化情况。
[0026] 本实用新型提供的光纤氢气传感器在所述入射光纤的末端形成微型腔体，可以实 现所述氢敏感膜设置所述入射光纤的内部。通过上述氢敏感膜内置的方式，可以有效避免 所述氢敏感膜受外界污染的影响而破坏其氢气敏感特性，保证所述光纤氢气传感器的氢气 浓度检测结果的精确性。
[0027] 图1所示的光纤氢气传感器10可以通过图3所示的光纤氢气传感器的制造方法 制作而成。具体地，所述制作方法包括：
[0028] 步骤S1，提供入射光纤，并在所述入射光纤的末端形成微型腔体；
[0029] 具体地，本步骤中，可以先提供一个单模光纤或者多磨光纤来作为所述入射光纤 11，并且，沿着所述入射光纤110的纤芯110的延伸方向，通过飞秒激光微加工技术或者深 紫外激光微加工技术在所述入射光纤11的末端加工出一个微型腔体111。所述微型腔体 111的尺寸可以略大于所述入射光纤11的纤芯110,也即是说，通过所述飞秒激光微加工技 术或者深紫外激光微加工技术，将所述入射光纤11的末端的纤芯110被完全移除，并且，所 述纤芯110周围的光纤材料也被部分移除，从而形成一个具有侧壁的微型腔体111。所述微 型腔体111的具体形状和结构可以参阅以上实施例的具体描述。
[0030] 步骤S2,在所述微型腔体的侧壁内表面形成氢敏感膜；
[0031] 在所述微型腔体111形成之后，可以采用磁控溅射或者真空镀膜的薄膜工艺，在 所述微型腔体111的侧壁的内表面沉积或者镀设钯（Pd)膜或者钯合金膜，来作为所述氢敏 感膜130。
[0032] 步骤S3,在所述微型腔体的其中一个侧壁形成第一气孔阵列；
[0033] 在所述氢敏感膜130制作完成之后，可以采用飞秒激光微加工技术或者深紫外激 光微加工技术，在所述入射光纤11末端的微型腔体111的其中一个侧壁，沿与所述入射光 纤11的纤芯111相垂直的方向加工出由多个第一气孔14,形成第一气孔阵列。
[0034] 在所述第一气孔阵列的加工过程中，激光的强度以及照射时间需要严格控制，以 使得所述侧壁的光纤材料恰好被移除，同时又不破坏所述微型腔体11的另一个侧壁的光 纤材料，从而形成从所述入射光纤11末端的外表面延伸到所述微型腔体111内部的第一气 孔14,以使得氢气可以从所述侧壁进入所述微型腔体111。
[0035] 步骤S4,在所述微型腔体的另一个侧壁形成第二气孔阵列，并且所述第二气孔阵 列的每一个气孔分别与所述第一气孔阵列的气孔交错设置；
[0036] 具体地，在所述第一气孔阵列制作完成之后，同样可以采用飞秒激光微加工技术 或者深紫外激光微加工技术，在所述入射光纤11末端的微型腔体111的另一个侧壁，沿与 所述入射光纤11的纤芯111相垂直的方向加工出由多个第二气孔14,形成第二气孔阵列。
[0037] 其中，在所述第二气孔阵列的加工区域需要设计成与所述第一气孔阵列的气孔不 相正对，从而实现所述第二气孔阵列和所述第一气孔阵列的气孔14分别交错设置。另外， 相类似的，在本步骤中，用来进行气孔加工的激光的强度以及其照射时间需要严格控制，来 避免破坏所述第一气孔阵列所在的侧壁的光纤材料。
[0038] 步骤S5,在所述微型腔体的内侧壁表面的氢敏感膜与所述第一气孔阵列和所述第 二气孔阵列相正对的区域形成多个凹陷部；
[0039] 具体地，本步骤可以通过激光微加工技术来实现所述多个凹陷部的加工。具体地， 可以利用激光从所述微型腔体111其中一个侧壁的第一气孔阵列或所述第二气孔阵列的 气孔14照射到另一个侧壁表面的氢敏感膜13,从而在所述氢敏感膜13与所述气孔14相对 的区域形成所述凹陷部131。在本实施例中，所述激光的光斑尺寸应当小于所述气孔14的 尺寸，且所述激光的照射时间必须精确控制，以免所述氢敏感膜13出现破坏。
[0040] 步骤S6,提供反射光纤，并将所述反射光纤与所述入射光纤的末端相互熔接；
[0041] 在本步骤中，可以提供另一个单模光纤或者多模光纤来作为所述反射光纤12,并 且将所述反射光纤12与所述入射光纤11相互对准。接着，采用熔接工艺将所述反射光纤 12熔接到所述入射光纤11，从而形成如图1所述的光纤氢气传感器10。
[〇〇42] 以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是 利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相 关的【技术领域】，均同理包括在本实用新型的专利保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种光纤氢气传感器，其特征在于，包括入射光纤、反射光纤和氢敏感膜；所述入射 光纤的其中一端与所述反射光纤相互连接并且开设有氢气收容腔，所述反射光纤的端面覆 盖所述氢气收容腔的开口，并作为反射端面；所述氢气收容腔的腔体的至少两个相对的侧 壁分别形成有气孔，且所述至少两个相对的侧壁的气孔分别交错设置；所述氢敏感膜设置 在所述氢气收容腔的内表面，并且所述氢敏感膜具有多个凹陷部，所述多个凹陷部分别与 所述多个气孔相对设置。
2. 如权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述氢气收容腔为沿所述入射 光纤的纤芯的延伸方向开设的腔体。
3. 如权利要求2所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述氢气收容腔的内径大于所 述入射光纤的纤芯的直径。
4. 如权利要求3所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述氢敏感膜为钯膜或者钯合 金膜。
5. 如权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述氢气收容腔的腔底设置有 半穿透半反射膜。
6. 如权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述氢敏感膜的凹陷部为圆形 凹陷部。
7. 如权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述入射光纤和所述反射光纤 均为单模光纤。
8. 如权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述入射光纤为单模光纤，而所 述反射光纤为多模光纤。
9. 如权利要求1所述的光纤氢气传感器，其特征在于，所述入射光纤和所述反射光纤 均为多模光纤。
【文档编号】G01N21/45GK203870020SQ201420312826
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】潘国新 申请人:潘国新