一种基于阵列波导光栅的光纤光栅多点氢气测量仪的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于阵列波导光栅的光纤光栅多点氢气测量仪。

背景技术：

阵列波导光栅是一种无源的波分复用的光路由器，它基于平面光波回路技术，由一个相位控制器，一个衍射光栅，外加辅助的输入/输出波导组成，具有信道间隔小、插入损耗低且均匀性好、复用信道数多、易于与其他器件集成等特点，并且由于阵列波导光栅是基于平面光波导技术光刻而成，制作简单且多通道数与低通道数的制作成本相当，适合大批量、自动化生产，因此，阵列波导光栅器件发展极为迅速，在密集波分复用的应用中占据着十分重要的地位。

光纤光栅是通过强激光照射使其纤芯内的纵向折射率呈周期性变化，从而形成的衍射光栅，而周期小于一微米的光纤光栅称为光纤布拉格光栅。其基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区，于是特定波长的光波在这个区域内将被反射。光纤布拉格光栅具有高灵敏度、抗电磁干扰、插入损耗低、体积小、质量轻、化学稳定、本质防爆、耐腐蚀、无源等特点，这使得它在光纤通信和光信息处理等领域得到了广泛的应用，并为全光通信中的许多关键问题提供了有效的解决方案。

氢气由于其燃烧效率高、产物无污染等优点，与太阳能、核能一起被称为三大新能源。作为一种新能源，氢气在航空、动力等领域得到广泛的应用；同时，氢气作为一种还原性气体和载气，在化工、电子、医疗、金属冶炼，特别在军事国防领域有着极为重要的应用价值。但氢气分子很小，在生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏，由于氢气不利于呼吸，无色无味，不能被人鼻所发觉，且着火点仅为585℃，空气中含量在4％～75％范围内，遇明火即发生爆炸，故在氢气的使用中必须利用氢气传感器对环境中氢气的含量进行检测并对其泄漏进行监测。

光纤光栅氢气传感器是在光纤布拉格光栅上镀氢敏材料，当氢气浓度发生变化时，氢敏材料就会与氢气发生反应发生热膨胀，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而使光纤布拉格光栅的中心波长发生漂移，阵列波导光栅输出光的强度随之发生变化，进而影响光电探测器输出电信号的强度。通过对输出电信号的强度检测来获得氢气浓度的变化量。光纤布拉格光栅氢气传感器具有多路复用能力和波长调制的优点，可以满足分布式测量的需要，同时消除光功率波动的影响。

技术实现要素：

本实用新型的目的是：针对现有技术存在的不足，提供了一种基于阵列波导光栅的光纤光栅多点氢气测量仪，该氢气测量仪具有不受光源波动影响，响应速度快，灵敏度高，可多点测量，成本低，安全可靠等优点。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

一种基于阵列波导光栅的光纤光栅多点氢气测量仪，包括宽带光源、3db耦合器、传输光纤、镀有pd/wo3膜的光纤光栅传感头、气室、阵列波导光栅、光电探测器阵列、数据采集卡以及pc机。

上述的3db耦合器包含三个端口，其中一侧的两个端口中的一个与宽带光源相连，另一个与阵列波导光栅输入端相连；另一侧的端口通过传输光纤与光纤光栅传感头相连，阵列波导光栅输出端与光电探测器阵列相连。光电探测器阵列的输出端通过数据采集卡与pc机相连。

所述镀有pd/wo3膜的光纤光栅传感头由光纤布拉格光栅、pd/wo3膜构成，pd/wo3膜的厚度为5nm～30nm。

所述pd/wo3膜与氢气接触时，氢气在pd/气体界面上被pd吸收离解为氢原子并与pd形成pd-h结构。与氢原子结合前pd以α相存在，随着吸收的氢气量的增加，pd由α相经过一个α、β相共存的过渡相后转变为β相。pd发生相变后，其体积发生膨胀，且变化值是氢气浓度的函数。

所述光纤布拉格光栅的中心波长位置与阵列波导光栅各通道的中心波长位置发生偏离时，对应的阵列波导光栅通道的输出光信号的强度将会减小。

当氢气浓度变化的时候，pd/wo3膜与氢气反应发生热膨胀，光纤布拉格光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而使得光纤布拉格光栅的中心波长发生漂移，阵列波导光栅输出光的强度随之发生变化，进而影响光电探测器输出电信号的强度。通过测量输出电信号的强度变化，可以实现氢气浓度的高灵敏度测量。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型利用镀有pd/wo3膜的光纤布拉格光栅为传感头，当氢气浓度变化的时候，pd/wo3膜与氢气反应发生热膨胀，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而使得光纤布拉格光栅的中心波长发生漂移，阵列波导光栅输出光的强度随之发生变化，进而影响光电探测器输出电信号的强度。通过测量输出电信号的强度变化，可以实现氢气浓度的高灵敏度测量。

本实用新型利用pd/wo3膜作为涂覆材料，对氢气有很好的选择性，pd/wo3膜与氢气接触时，氢气在pd/气体界面上被pd吸收离解为氢原子并与pd形成pd-h结构。与氢原子结合前pd以α相存在，随着吸收的氢气量的增加，pd由α相经过一个α、β相共存的过渡相后转变为β相。pd发生相变后，其体积发生膨胀，且变化值是氢气浓度的函数，实现氢气浓度表征的转化。

本实用新型在镀膜时，先在光纤布拉格光栅上溅射一层wo3膜，然后pd与wo3共同溅射形成过渡层，最后通过直流溅射一层pd膜。通过增加中间过渡层能够提高pd膜与光纤布拉格光栅的结合力，提高其重复利用率。

本实用新型将光纤布拉格光栅进行级联，不同中心波长的光纤布拉格光栅与阵列波导光栅的各通道一一对应，通过对各通道进行分别测量，可实现氢气浓度的多点测量。

附图说明

图1为一种基于阵列波导光栅的光纤光栅多点氢气测量仪结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，一种基于阵列波导光栅的光纤光栅多点氢气测量仪，包括宽带光源1、3db耦合器2、传输光纤3、气室4、镀有pd/wo3膜的光纤光栅传感头5、阵列波导光栅6、光电探测器阵列7、数据采集卡8以及pc机9。上述的3db耦合器2包含三个端口，其中第一端口201与宽带光源1相连，第二端口202通过传输光纤3与光纤光栅传感头5相连，第三端口203与阵列波导光栅6的输入端相连。光电探测器阵列7的输出端通过数据采集卡8与pc机9相连。由镀有pd/wo3膜11的光纤布拉格光栅10组成的高灵敏度的光纤光栅传感头中，pd/wo3膜11的厚度为5nm～30nm。光电探测器7、数据采集卡8与pc机9组成信号解调部分。

本实用新型的工作方式为：

宽带光源1发出的光入射到3db耦合器2中，光通过3db耦合器2，经过传输光纤3到达光纤光栅传感头5，一部分宽带光源发出的光经光纤布拉格光栅10后发生反射，并通过3db耦合器2耦合到阵列波导光栅6中，经阵列波导光栅6将不同波长的反射光经由不同通道输出，通过光电探测器阵列7进行光电转换，并通过数据采集卡8将电信号传入pc机9。当氢气浓度发生变化时，氢气在pd/气体界面上被pd吸收离解为氢原子并与pd形成pd-h结构。与氢原子结合前pd以α相存在，随着吸收的氢气量的增加，pd由α相经过一个α、β相共存的过渡相后转变为β相。pd发生相变后，pd/wo3膜11发生热膨胀，从而使得光纤布拉格光栅10的中心波长发生漂移，漂移量可以表示为：

δλb为中心波长漂移量，λb为中心波长，p11与p12为光弹常数，υ为泊松比，δε为应变量，(1)式中，令：

kε为光纤光栅应变传感灵敏度系数，由(2)式可得：

δλb＝kε·δε,(3)

从(3)式可以看出波长漂移量与应变量成线性关系。当光纤布拉格光栅10的中心波长位置与阵列波导光栅6各通道的中心波长位置发生偏离时，阵列波导光栅6输出光的强度随之发生变化，进而影响光电探测器阵列7输出电信号的强度。通过测量输出电信号的强度变化，可以实现氢气浓度的高灵敏度测量。

该装置能够实现一种基于阵列波导光栅的光纤光栅多点氢气测量仪的氢气浓度测量的关键技术有：

1、级联的光纤布拉格光栅反射的光信号被阵列波导光栅接收。当氢气浓度发生改变时会引起光纤布拉格光栅的中心波长变化，而当光纤布拉格光栅的中心波长位置与阵列波导光栅各通道的中心波长位置发生偏离时，对应的阵列波导光栅通道的输出光信号的强度将会减小。不同中心波长的光纤布拉格光栅与阵列波导光栅的各通道一一对应，通过对各通道进行分别测量，可实现氢气浓度的多点测量。

2、光纤布拉格光栅的光栅间隔能够受应变的影响发生线性变化。将光栅区用作传感区，当氢气浓度变化的时候，pd/wo3膜与氢气反应发生热膨胀，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而使得光纤布拉格光栅的中心波长发生漂移，阵列波导光栅输出光的强度随之发生变化，进而影响光电探测器输出电信号的强度。通过测量输出电信号的强度变化，可以实现氢气浓度的高灵敏度测量。

3、pd/wo3膜的体积能够受氢气浓度的影响发生变化。pd/wo3膜与氢气接触时，氢气在pd/气体界面上被pd吸收离解为氢原子并与pd形成pd-h结构。与氢原子结合前pd以α相存在，随着吸收的氢气量的增加，pd由α相经过一个α、β相共存的过渡相后转变为β相。pd发生相变后，其体积发生膨胀，且变化值是氢气浓度的函数。

4、光纤传感头的结构。由镀有pd/wo3膜的光纤布拉格光栅组成高灵敏度的光纤氢气传感头是实现高灵敏度传感的基础。

5、pd/wo3膜的厚度。pd/wo3膜的厚度超过30nm时，就会出现光纤布拉格光栅损耗整体过高的情况，低于5nm时，膜的质量出现严重的不足，因此，pd/wo3膜的厚度应控制在5nm～30nm之间。

6、pd/wo3膜的镀膜方式。镀膜时通过增加中间过渡层能够提高pd膜与光纤布拉格光栅的结合力，提高其重复利用率。

本实用新型的一个具体案例中，宽带光源的输出光中心波长为1550nm；传输光纤为常规单模光纤，长度为1km；pd/wo3膜的厚度为10nm；阵列波导光栅为16通道，波长间隔为0.8nm，起始波长为1532.7nm；与阵列波导光栅各通道对应的光纤布拉格光栅的中心波长分别为1532.7nm、1533.5nm、1534.3nm、1535.1nm、1535.9nm、1536.7nm、1537.5nm、1538.3nm、1539.1nm、1539.9nm、1540.7nm、1541.5nm、1542.3nm、1543.1nm、1543.9nm、1544.7nm；光电探测器阵列选用16个pin光电二极管组合而成。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。