一种基于光纤耦合器的氢气传感器的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤耦合器的氢气传感器。

背景技术：

氢燃料是一种无污染的新型能源，但它存在高度的易燃性和易爆性。因此氢燃料的存储、使用和运输的过程中可能产生危险。能够提前预报氢气的泄露对保护人类生命财产安全上显得极为重要。长期以来，人们一直在寻找选择性好、灵敏度高、响应速度快、能耗低、稳定性好、制作工艺简单且易集成化的廉价氢气传感器。根据工作原理的不同，氢气传感器主要有电化学型、半导体型、热电型和光纤型等几种类型。传统的基于电学特性来工作的氢气传感器在使用时可能产生电火花，存在引燃引爆泄漏氢气的危险，并且这类传感器存在对于氢气的选择性不强的缺点。与传统的氢气传感器相比，光纤氢气传感器通过光信号进行检测，具有本质安全、体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高等优点。基于表面等离子体共振技术的氢气传感器，灵敏度很高，其关键是精确控制金属膜的厚度(纳米量级)，但需要使用到昂贵的仪器设备。基于光纤布拉格光栅的氢气传感器，因其具有波分复用的特性而广泛应用于氢气浓度的分布测量，但灵敏度通常较低。虽然抛磨光栅技术可以用于增强氢气的灵敏度，但它降低了传感器的机械强度，让之变得脆弱易断。基于集成光学微结构的氢气传感器，具有紧凑的尺寸和高灵敏度，然而它们的制造涉及到较为复杂的过程，从而也限制了其广泛应用。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于光纤耦合器的氢气传感器，将两根完全相同除去涂覆层的单模光纤以一定的方式靠拢置于高温下加热熔融，且同时向光纤两端拉伸而制成的，接着在耦合区域的侧面涂敷Pd/Ag催化剂合金粉末，具有制备方便、结构简单和成本低等优点。

本实用新型所采用的技术方案：一种基于光纤耦合器的氢气传感器，包括宽带光源、光谱仪和光纤耦合器，其特征在于：所述的光纤耦合器是通过两根相同除去涂覆层的单模光纤紧贴在一起加热熔融拉锥而制成的，且在其耦合区域的侧面涂敷厚度为10-50微米的Pd/Ag催化剂合金粉末，其中光纤耦合器的输入端的一端与宽带光源连接，输出端的一端与光谱仪相连。

本实用新型的有益效果是：

1.传感器制备过程中只需将两根相同除去涂覆层的单模光纤紧贴在一起加热熔融拉锥，接着在耦合区域的侧面涂敷Pd/Ag催化剂合金粉末，具有易制备、结构简单和成本低的优点。

2.该传感器的分光可见度只与光纤耦合器的耦合系数有关，因而免受宽带光源的不稳定性的影响，与一般的传感器相比它更具有稳定性。

3.所述的氢气传感器的工作原理是：氢气在Pd/Ag催化剂合金粉末的界面上被离解为氢原子而吸收，最后产生化学吸附，氢原子在钯晶体内扩散，而产生化学反应如下：

H₂+Pd→PdH_x (1)

该反应过程中会生成PdH_x，因而Pd/Ag催化剂合金粉末的折射率等光学性质会随吸收氢气浓度的不同而发生改变，与未涂敷Pd/Ag催化剂合金粉末相比涂敷Pd/Ag催化剂合金粉末的光纤耦合器的折射率高些，其耦合系数也随之增加，光谱仪所检测到的透射谱会随折射率的增加而向波长较短的方向发生偏移，通过检测透射谱的漂移量即可准确确定待测空气中氢气的浓度。

附图说明

图1为基于光纤耦合器的氢气传感器结构示意图。其中，(1)单模光纤，(2)Pd/Ag催化剂合金粉末。

图2为基于光纤耦合器的氢气传感器的应用实施示意图。其中，(3)宽带光源，(4)气室，(5)光谱仪，(6)光纤耦合器氢气传感器。

图3为一个基于本发明的光纤耦合器的氢气传感器结构的传感特性测试结果示意图。

具体实施方式

将已定标的本发明光纤耦合器氢气传感器的两个连接端分别与宽带光源和光谱仪连接，如图2所示。将侧面涂敷Pd/Ag合金粉末的光纤耦合器置于待测氢气浓度的空间。光谱仪实时记录光纤耦合器氢气传感器的透射谱，尤其是透射谱中的谐振波长值。通过比对谐振波长的变化量从而确定待测空间氢气的浓度。图3给出了一个基于该传感器结构的传感特性测试结果示意图。从涂敷Pd/Ag合金粉末与未涂敷Pd/Ag合金粉末时传感器的透射谱可以看出，由于Pd/Ag合金粉末吸氢后会生成PdH_x，该涂敷粉末的传感器的折射率会高些，其耦合系数也随之增加，光谱仪所检测到的透射谱会随折射率的增加向波长较短的方向发生偏移，通过检测透射谱的漂移量即可准确确定待测空气中氢气的浓度。