本发明属于光纤氢气传感技术领域，具体涉及一种基于MZ干涉倾斜光纤光栅测量变压器中氢气的传感器。
背景技术：
氢气是一种常见的活泼气体，空气中的氢气含量处于4％～74.4％时，极易被引燃和发生剧烈爆炸。电气设备运行时如果发生故障，其内部不锈钢结构容易与绝缘油反应，产生大量超标氢气，容易引发安全事故。因此，安全可靠、高灵敏度的氢气传感器具有重要的研究价值。光纤传感检测本质防爆，具有较强的抗干扰能力,是氢气传感器的主要研究方向。
表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)传感技术是一种光电传感技术，其灵敏度能够达到10-6RIU(Refractive Index Unit)。光纤SPR传感装置体积小，结构多样，适合远程多点测量，并且SPR信号不易受到机械结构、温度、湿度等外界因素的干扰。但光纤SPR传感装置的制作工艺复杂，信号响应强度有限，易受系统自身噪声的影响。
倾斜光纤布拉格光栅(Tilted Fiber Bragg Grating，TFBG)是一种光纤光栅，其栅格结构类似于光纤布拉格光栅，但光栅的波矢方向和光纤的轴向方向成一定夹角。倾斜光纤布拉格光栅不仅能将入射光耦合为后向传输的纤芯模式，还可以将部分入射光耦合为后向传输的包层模式，结合SPR传感技术，具有广泛的应用前景。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于MZ干涉倾斜光纤光栅测量变压器中氢气的传感器，倾斜光纤光栅将大部分入射光耦合为后向传输的包层模式，符合相位匹配条件的包层模式在溅射在倾斜光纤光栅包层表面上的纳米级别金薄膜与电镀在金薄膜上的钯薄膜之间发生表面等离子体共振，形成表面等离子体波。当钯薄膜吸收变压器绝缘油中溶解的氢气时引起了体积的膨胀，从而导致其折射率发生变化，强烈的改变了相位匹配条件，进而改变了最衰减包层模式的波长。两个错位结构形成的马赫曾德尔干涉在光谱中形成干涉峰，则进一步提高了测量灵敏度，通过该传感装置，可以精确监测变压器中氢气浓度。
本发明通过以下技术方案实现：由宽带光源(1)，极化控制器(2)，第一单模光纤(3)，第一光纤错位熔接结构(4)，第二单模光纤(5)，倾斜光纤光栅(6)，金薄膜(7)，钯薄膜(8)，疏水疏油涂层(9)，第二光纤错位熔接结构(10)，第三单模光纤(11)，光纤光谱仪(12)组成；其中第二单模光纤(5)中间部分纤芯刻有倾斜光纤光栅(6)，倾斜光纤光栅(6)栅区包层表面镀有一层金薄膜(7)，金薄膜(7)表面再镀上一层钯薄膜(8)，整个传感结构都涂覆有疏水疏油涂层(9)；极化控制器(2)左端与宽带光源(1)连接，右端与第一单模光纤(3)左端连接，第一单模光纤(3)右端与第二单模光纤(5)左端纤芯错位3.5微米形成第一光纤错位熔接结构(4)，第二单模光纤(5)右端与第三单模光纤(11)左端纤芯错位3.5微米形成第二光纤错位熔接结构(10)，第三单模光纤(11)右端连接着光纤光谱仪(12)。
所述的第一光纤错位熔接结构(4)为第一单模光纤(3)右端与第二单模光纤(5)左端纤芯错位3.5微米形成；第二光纤错位熔接结构(9)为第二单模光纤(5)右端与第三单模光纤(11)左端纤芯错位3.5微米形成。
所述的倾斜光纤光栅(5)由单模光纤通过相位掩模法制作而成，长度为20mm，光栅周期为556.6nm。
所述的金薄膜(7)厚度为50nm，采用磁控溅射法镀在倾斜光纤光栅(6)栅区包层表面。
所述的钯薄膜(8)厚度为200um，采用磁控溅射法镀在金薄膜(7)表面。
所述的疏水疏油涂层(9)为氨基丙烯酸树脂、SiO2纳米粒子和氟硅烷复合制成的纳米材料，直接涂覆在传感结构上，避免绝缘油对传感器造成污染。
本发明的工作原理是：宽带光源(1)发出的入射光通过极化控制器(2)极化为P偏振光进入倾斜光纤光栅(6)时，绝大多数入射光被耦合为后向传输的包层模式。由于倾斜光纤光栅包层表面镀有50nm厚的金薄膜(7)，符合相位匹配条件的包层模式λcl会在金薄膜表面发生表面等离子共振，形成表面等离子体波。由于包层模式λcl能量转化为表面等离子体波，所以会在透射谱上会形成透射峰。
相位匹配条件具体如下所示：
λcl＝[neff.co(λcl)+neff.cl(λcl)])*Λg (1)
其中，neff.co(λcl)为纤芯模式在波长为λcl下的有效折射率，neff.cl(λcl)为包层模式在波长为λcl下的有效折射率，Λg为倾斜光纤光栅(6)有效周期。当镀在金薄膜(7)上的钯薄膜(8)吸收氢气时，其体积发生剧烈膨胀，导致电介质层折射率发生改变，进而符合相位匹配条件的包层模式λcl发生变化，通过测量透射谱中透射峰发生的波长漂移，即可精确测量出氢气浓度。入射光经过错位结构A(4)时，部分光耦合进入包层，经过错位结构B(9)时该部分光耦合进入纤芯，形成马赫增德尔干涉，进一步加强了传感器灵敏度。
本发明的有益效果是：在测量变压器绝缘油中溶解的氢气浓度时，响应速率不是关键，变压器绝缘油中氢气的演变速率相对较低，而响应灵敏度则是最为重要的因素。本发明通过镀有金薄膜的倾斜光纤光栅测量氢敏材料钯膜吸氢前后的折射率变化，其发生的SPR效应具有极高的灵敏度；同时采用两个错位结构形成的马赫增德尔干涉，进一步提高了传感器灵敏度；纳米级别的疏水疏油涂层则大大提高了传感器使用寿命；同时本发明原理易懂，结构简单，清洁耐用，为高精度检测变压器中的氢气浓度提供了一种切实可行的方案。
附图说明
图1是本发明的一种基于MZ干涉倾斜光纤光栅测量变压器中氢气的传感器示意图。
图2是本发明的光纤传感结构示意图。
具体实施方式
参见附图1，一种基于MZ干涉倾斜光纤光栅测量变压器油中氢气传感器，其特征在于：由宽带光源(1)，极化控制器(2)，第一单模光纤(3)，第一光纤错位熔接结构(4)，第二单模光纤(5)，倾斜光纤光栅(6)，金薄膜(7)，钯薄膜(8)，疏水疏油涂层(9)，第二光纤错位熔接结构(10)，第三单模光纤(11)，光纤光谱仪(12)组成；其中第二单模光纤(5)中间部分纤芯刻有倾斜光纤光栅(6)，倾斜光纤光栅(6)栅区包层表面镀有一层金薄膜(7)，金薄膜(7)表面再镀上一层钯薄膜(8)，整个传感结构都涂覆有疏水疏油涂层(9)；极化控制器(2)左端与宽带光源(1)连接，右端与第一单模光纤(3)左端连接，第一单模光纤(3)右端与第二单模光纤(5)左端纤芯错位3.5微米形成第一光纤错位熔接结构(4)，第二单模光纤(5)右端与第三单模光纤(11)左端纤芯错位3.5微米形成第二光纤错位熔接结构(10)，第三单模光纤(11)右端连接着光纤光谱仪(12)；本发明中选用的宽带光源(1)中心波长为1550nm，第一单模光纤(3)，第二单模光纤(5)和第三单模光纤均为纤芯直径为9μm，包层直径为125μm的单模光纤。本发明的工作原理是：宽带光源(1)发出的入射光通过极化控制器(2)极化为P偏振光进入倾斜光纤光栅(5)时，绝大多数入射光被耦合为后向传输的包层模式。由于倾斜光纤光栅包层表面镀有50nm厚的金薄膜(7)，符合相位匹配条件的包层模式λcl会在金薄膜表面发生表面等离子共振，形成表面等离子体波。由于包层模式λcl能量转化为表面等离子体波，所以会在透射谱上会形成透射峰。当镀在金薄膜(7)上的钯薄膜(8)吸收氢气时，其体积发生剧烈膨胀，导致电介质层折射率发生改变，进而符合相位匹配条件的包层模式λcl发生变化，通过测量透射谱中透射峰发生的波长漂移，即可精确测量出氢气浓度。入射光经过错位结构A(4)时，部分光耦合进入包层，经过错位结构B(9)时该部分光耦合进入纤芯，形成马赫增德尔干涉，进一步加强了传感器灵敏度。
参见附图2，倾斜光纤光栅(5)由单模光纤通过相位掩模法制作而成，长度为20mm，光栅周期为556.6nm；金薄膜(7)厚度为50nm，采用磁控溅射法镀在倾斜光纤光栅(6)栅区包层表面；钯薄膜(8)厚度为200um，采用磁控溅射法镀在金薄膜(7)表面；疏水疏油涂层(9)为氨基丙烯酸树脂、SiO2纳米粒子和氟硅烷复合制成的纳米材料，直接涂覆在传感结构上，避免绝缘油对传感器造成污染。