基于七芯光纤的氢气传感器的制作方法

本发明提出了基于七芯光纤的氢气传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术：

金属pt是理想的氢气敏感材料，对氢气具有很好的选择性和灵敏度。金属pt对氢气具有极高的亲和吸附特性，使其分解得到氢离子，加速wo3与氢气的反应速度，并且这种吸附氢气特性不受其他气体浓度高低的干扰，因此金属pt是理想的氢气敏感材料。

将采用离子交换法制成的pt/wo3粉末均匀涂覆在七芯光纤上，在不同浓度氢气下，wo3与氢气反应放出的热量多少会不同。

马赫-曾德尔(mzi)干涉原理是从单独光源发射的光束分裂成两道准直光束之后，经过不同路径与介质所产生的相对相移变化。

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基于七芯光纤的氢气传感器，以第一细芯光纤(4)-七芯光纤(6)-第二细芯光纤(7)所组成的马赫曾德尔干涉结构为主要结构，包层模的有效折射率的改变引起的干涉图形的波长改变，来测定氢气的浓度。

本发明通过以下技术方案实现：基于七芯光纤的氢气传感器，由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，第一单模光纤(3)，第一细芯光纤(4)，气室(5)，七芯光纤(6),第二细芯光纤(7)，第二单模光纤(8)，光谱仪(9)，氢气瓶(10)，氮气瓶(11)，pt/wo3复合膜(12)，氢气气体流量控制阀(13)，氮气气体流量控制阀(14)组成，其特征在于：宽带光源(1)与偏振控制器(2)左端连接，偏振控制器(2)右端与第一单模光纤(3)左端连接，第一单模光纤(3)右端与第一细芯光纤(4)左端连接，第一细芯光纤(4)右端与七芯光纤(6)左端连接，七芯光纤(6)右端与第二细芯光纤(7)左端连接，第二细芯光纤(7)右端与第二单模光纤(8)左端连接，第二单模光纤(8)右端与光谱仪(9)左端连接，气室(5)下端与氢气气体流量控制阀(13)上端和氮气气体流量控制阀(14)上端连接，氢气气体流量控制阀(13)下端与氢气瓶(10)连接，氮气气体流量控制阀(14)下端与氮气瓶(11)连接。用氢气气体流量控制阀(13)和氮气气体流量控制阀(14)控制通入适量的氢气和氮气,改变气室(5)内氢气的浓度，当氢气浓度发生变化时，wo3与氢气发生氧化还原反应，放热，使得七芯光纤(6)与第二细芯光纤(7)熔接点形成的干涉图形的波长发生漂移，通过比较漂移差，可以测得氢气浓度及其变化量。

本发明的工作原理是：在光纤内马赫-泽德干涉传感器中，主要是芯模与包层模发生干涉。当只考虑芯模与一阶包层模干涉时，传感器的传输光强可以表示为：

式中其中，i1和i2分别表示芯模光强和包层模光强，λ表示空气中自由空间光波长，l表示传感光纤的长度，nco^eff，ncl^eff分别表示芯模和包层模的有效折射率。由公式(2-1)可看出，当相位为2π的整数倍时，干涉光强达到最小值。即

i＝imin，当

可以得到，干涉光强最小值时所对应的波长为：

从公式(2-1)(2-3)可以看出，干涉图形的强度和波长与传感光纤的纤芯和包层的有效折射率、光纤长度等参量有关系。当传感光纤的参数发生变化时，干涉图形的强度和波长也会相应的发生变化。

七芯光纤(6)上的pt/wo3复合膜，在pt催化的条件下，在氢气气氛中进行放热反应原，化学反应可表示为下列方程式：

wo3可以在用pt作为催化剂的时候,与氢气剧烈反应,并向周围环境释放能量。与不同浓度的氢气反应放出的热量多少也不同。热量会改变细芯光纤包层膜的有效折射率，进而改变干涉图形的波长。可以测得氢气浓度及其变化量。

七芯光纤(6)的制备采用堆叠法。首先准备芯棒、纯石英棒以及石英套管，芯棒、纯石英棒和套管组装前需要进行蚀刻抛光，尽可能地去除表面杂质和缺陷。然后将7根芯棒按照设计的排列方式放入石英套管中，空隙中填入纯石英棒。预制棒组装完成后具有一定的空隙，无法像常规光纤预制棒那样直接进行拉丝。拉丝过程中需要抽出多于空气，防止预制棒中的空隙在拉丝过程中产生气泡。抽出多余空气后将预制棒置于拉丝炉中，并将温度升至2200℃使7芯光纤预制棒的锥部软化熔融并拉制成7芯光纤。

七芯光纤(6)以中间芯为原点，其它6个芯与中间芯结构一致并成正六边形分布。

七芯光纤(6)主要起到分束和合束的作用，并且当外界温度发生变化时，会导致七芯光纤(6)里7个纤芯之间的耦合系数改变，从而其中输出的光信号将会发生变化。

本发明的有益效果是：提出将第一细芯光纤(4)，涂覆pt/wo3氢气敏感膜的七芯光纤(6)和第二细芯光纤(7)组成的马赫曾德尔干涉结构用来感知氢气浓度，该结构对温度的变化较为敏感，使得该传感器对外界氢气浓度变化的灵敏度将明显增强，为氢气检测提供了一种较为简便易搭建、可靠、灵敏度高的新方法。

附图说明

图1是本发明的基于七芯光纤的氢气传感器特征装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参见附图1，基于七芯光纤的氢气传感器，由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，第一单模光纤(3)，第一细芯光纤(4)，气室(5)，七芯光纤(6),第二细芯光纤(7)，第二单模光纤(8)，光谱仪(9)，氢气瓶(10)，氮气瓶(11)，pt/wo3复合膜(12)，氢气气体流量控制阀(13)，氮气气体流量控制阀(14)组成，其特征在于：宽带光源(1)与偏振控制器(2)左端连接，偏振控制器(2)右端与第一单模光纤(3)左端连接，第一单模光纤(3)右端与第一细芯光纤(4)左端连接，第一细芯光纤(4)右端与七芯光纤(6)左端连接，七芯光纤(6)右端与第二细芯光纤(7)左端连接，第二细芯光纤(7)右端与第二单模光纤(8)左端连接，第二单模光纤(8)右端与光谱仪(9)左端连接，气室(5)下端与氢气气体流量控制阀(13)上端和氮气气体流量控制阀(14)上端连接，氢气气体流量控制阀(13)下端与氢气瓶(10)连接，氮气气体流量控制阀(14)下端与氮气瓶(11)连接。用氢气气体流量控制阀(13)和气气体流量控制阀(14)控制通入适量的氢气和氮气,改变气室(5)内氢气的浓度，当氢气浓度发生变化时，wo3与氢气发生氧化还原反应，放热，使得七芯光纤(6)与第二细芯光纤(7)熔接点形成的干涉图形的波长发生漂移，通过比较漂移差，可以测得氢气浓度及其变化量。

将采用离子交换法制成的pt/wo3粉末均匀涂覆在七芯光纤(6)上作为氢气敏感层。