一种反射式的光纤氢气浓度测量方法

文档序号:10510338阅读:513来源:国知局
一种反射式的光纤氢气浓度测量方法
【专利摘要】本发明提出一种反射式的光纤氢气浓度测量方法,包括宽谱光源1、参考单元2、传感单元3和光谱仪4,所述的参考单元2是一个高双折射光纤环镜,所述的传感单元3是一个反射式的高双折射光纤环镜,其尾端的传感探头由单模光纤、镀有钯基氢敏膜的高双折射光纤和充满酒精的毛细管串联形成;宽谱光源1发出的光依次经过参考单元2和传感单元3后,进入光谱仪4进行光波长和光强度的测量。其中,参考单元2的结构参数固定且不受任何外界环境参数的影响;传感单元3的探头将根据实际需要安置在被测环境附近。最后,通过观测参考单元2和传感单元3级联后的总透射谱的变化量来反推氢气浓度的变化,实现氢气浓度的高灵敏度、高精度、远程实时在线测量。
【专利说明】
_种反射式的光纤氢气^农度测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种反射式的光纤氢气浓度测量方法,属于光电检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着社会经济的迅速发展和工业化程度的不断提高,全球环境污染、能源短缺以 及温室效应却日益严重,因此,迫切需要寻找高效、清洁、可再生的新能源,来完成资源的开 拓和环境、能源的可持续发展。氢气作为一种理想的清洁能源,具有燃烧热值高、燃烧产物 无污染的特点,被称为21世纪新能源体系的支柱,具有重要的应用价值和巨大的开发前景 (文献 1. B. D. Solomon, A. Baner jee. A global survey of hydrogen energy research, development and policy [J], Energy Policy, 2006, 34(7): 781-792·)。 但在利用氢气的同时,也存在着很多潜在危险:氢是质量最轻的元素,一旦泄漏发生会很快 扩散;氢气本身是一种易燃易爆气体,其点火能量仅为〇.〇17mJ;当空气中氢气的含量位于 4%~74.5%之间时,遇明火或电火花就会发生爆炸。氢气一旦发生爆炸,将严重影响人们生命 和财产的安全。所以,研究和发展实用化的氢气传感技术,是研究氢能、利用氢能和防止氢 气危害的首要条件,并逐渐引起了学术界的广泛关注。
[0003] 根据测量原理的不用,氢气传感器可分为催化剂燃烧型、热传导型、电化学型和光 纤型几种(文献2· T. Hilbert, L. Boon-Brett, G. Black, U. Banach. Hydrogen sensors-A review [J], Sensors and Actuators B: Chemical, 2011, 157(2): 329-352.)。催化剂燃烧型氢气传感器是利用氢气在传感器表面和氧气发生化学反应燃烧时会 释放热能的特性实现氢气测量的(文献3.E. B. Lee, I. S. Hwang, J. H. Cha,H. J. Lee , ff. B. Lee , J. J. Pak, J. H. Lee , B. K. Ju. Micromachined catalytic combustible hydrogen gas sensor [J], Sensors and Actuators B: Chemical, 2011, 153(2): 392-397.),但其存在鉴别性差、功耗大、易带来爆炸隐患的缺点;热传导型氢气传 感器是利用气体的导热系数不同实现测量的(文献4. I. Simon, M. Arndt. Thermal and gas-sensing properties of a micromachined thermal conductivity sensor for the detection of hydrogen in automotive applications [J], Sensors and Actuators B: Chemical, 2002,97-98: 104-108.),但其不能检测1%浓度以下的氢气;电化学型氢气 传感器是利用固态电解质与氢气反应改变电路中电流,最后通过检测输出电压变化来确定 氢气的浓度(文献5. G. Korotcenkov, S. D. Han, J. R. Stetter. Review of electrochemical hydrogen sensors [J], Chemical Reviews, 2009, 109(3): 1402-1433.),由于传感信号是电信号,在测量时容易产生电火花,存在引燃氢气爆炸的潜在危 险,并且电信号容易受到电磁干扰,极大地影响了传感器的测量精度;光纤氢气传感器的测 量原理是氢气与沉积在光纤上的氢敏材料发生反应来改变氢敏材料的某些性质,使得光纤 中光信号的波长或强度发生变化,进而通过检测光信号的改变量来反推出外界氢气的浓度 (文献6.许琰玮,刘永智.光纤氢气传感技术的研究进展[J],激光与光电子学进展, 2006,43(7): 1-5.)。相比较来说,光纤氢气传感器因具有本质安全、抗电磁干扰能力强且 耐高温、高压、腐蚀等优异特性,表现出巨大的应用潜力,但目前仍存在灵敏度低、抗干扰能 力差、不适于远距离测量的问题(文献7· Τ· Y. Hu,D. N. Wang, M. Wang, Z. Li,M. H. Yang. Miniature hydrogen sensor based on fiber inner cavity and Pt-doped W03 coating [J], IEEE Photonics Technology Letters, 2014, 26(14): 1458-1461; 文南犬8. J. X. Dai, Μ. H. Yang, X. Yu, K. Cao,J. S. Liao. Greatly etched fiber Bragg grating hydrogen sensor with Pd/Ni composite film as sensing material [J],Sensors and Actuators B: Chemical,2012,174: 253-257;文献9. M. Wang, D. N. Wang,M. Yang, J. Cheng, J. Li. In-line Mach-Zehnder Interferometer and FBG with Pd film for simultaneous hydrogen and temperature detection [J], Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 202: 893-896.)〇
[0004] 为了解决现有氢气测量方法的不足,本发明提出一种基于钯基敏感膜的高双折射 光纤环境氢气传感技术,旨在实现氢气浓度的高精度、远距离、低成本测量,同时,引入级联 光纤环境结构,以达到提高氢气测量灵敏度的目的,为特殊场合下的氢气浓度检测提供一 种新颖可靠的解决方法。

【发明内容】

[0005] ( - )要解决的技术问题 本发明的目的在于克服目前光纤氢气传感器的不足之处,提出一种高灵敏度、高精度、 反射式的氢气浓度测量方法。
[0006] (二)技术方案 为了达到上述目的,本发明提出一种反射式的光纤氢气浓度测量方法,包括宽谱光源 I、 参考单元2、传感单元3和光谱仪4,所述的参考单元2是一个高双折射光纤环镜,所述的传 感单元3是一个反射式的高双折射光纤环镜,其反射探头由单模光纤、镀有钯基氢敏膜的高 双折射光纤和充满酒精的毛细管串联形成;宽谱光源1发出的光依次经过参考单元2和传感 单元3后,进入光谱仪4进行光波长和光强度的测量。其中,参考单元2的结构参数固定且不 受任何外界环境参数的影响;传感单元3的尾端将根据实际需要安置在被测环境附近。最 后,通过观测参考单元2和传感单元3级联后的总透射谱的变化量来反推氢气浓度的变化, 实现氢气浓度的高灵敏度、高精度、远程实时在线测量。
[0007] (三)有益效果 从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果: 1)本发明提出的这种反射式的光纤氢气浓度测量方法,解决了目前光纤环镜传感器 中存在的传感探头体积大、易受链路干扰影响、不适于远距离测量以及光纤氢气传感器在 使用过程中普遍存在的易受环境温度干扰的实际问题,为氢气浓度的高精度、远距离测量 提供可行的技术手段。
[0008] 2)利用参考单元2和传感单元3级联后的总透射谱的变化量来反推氢气浓度的变 化,可将传感单元3上的透射谱变化量在总透射谱上得以放大,进而实现氢气浓度的高灵敏 度测量。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明提供的反射式光纤氢气浓度测量系统结构示意图; 图2为本发明提供的反射式传感探头结构示意图。
【具体实施方式】
[0010] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照 附图,对本发明的具体结构、原理以及工作过程作进一步的详细说明。
[0011] 如图1所示为本发明提出的一种反射式的光纤氢气浓度测量方法。其工作过程为: 宽谱光源发出的光经过分光比为50:50的親合器5后被分成两束光,其中一束光沿顺时针方 向在参考光纤环镜中传输,另一束光沿逆时针方向在光纤环镜中传输,由于高双折射光纤 的双折射效应,使得沿相反方向传输的两束光波产生光程差,因此,这两束光会在耦合器5 处相遇并发生干涉,干涉后的光进入另一个分光比为50:50的耦合器6,同样被分成顺时针 和逆时针两个方向传输的两束光,这两束光在分光比为50 :50的親合器7处相遇后,进入反 射式传感探头,该探头将根据实际需要安置在被测环境附近,这样,从探头反射回来的光信 号中将携带有氢气浓度和温度信息,该信号将被耦合器7分成沿顺时针传输和沿逆时针传 输的两束光,这两束光在耦合器6处相遇并发生干涉,最后进入光谱仪4中进行光波长和光 强度的测量。
[0012] 如图2所示为本发明提出的反射式传感探头结构,该探头由单模光纤8、表面镀有 钯基氢敏膜的高双折射光纤9、单模光纤10和充满酒精的毛细管11串联而成,其中,高双折 射光纤9与单模光纤8之间通过熔接机进行熔融连接,同样,高双折射光纤9与单模光纤10之 间也通过熔接机进行熔融连接,而单模光纤10的尾端将在切平整后直接插入充满酒精的毛 细管11中,并在毛细管11的端口处用UV胶进行密封。这样,从耦合器7发出的光经单模光纤 和高双折射光纤后进入另一段单模光纤,然后由于菲涅尔反射作用,光信号将在单模光纤 尾端发生反射,反射光再次经单模光纤、高双折射光纤、单模光纤后进入耦合器7。由于高双 折射光纤表面镀有钯基氢敏膜,因此,当外界氢气浓度和温度发生变化时,均会改变高双折 射光纤的双折射特性,进而影响传感光纤环镜的输出谱峰值波长发生移动。此外,由于酒精 的折射率会受环境温度影响,当外界温度改变时,会影响单模光纤尾端的反射率,使光纤环 镜的输出谱峰值强度发生变化。因此可得:
其中,Δ λ、Δ t分别为光纤环镜输出光谱的波长移动量和强度变化量;Δ C、Δ T分别为 氢气浓度的变化量和外界温度的变化量。a为氢气浓度变化时光纤环镜输出谱的波长移动 灵敏度系数;b、d分别为外界温度变化时光纤环镜输出谱的波长移动灵敏度系数和光强变 化灵敏度系数。当系统固定时,a、b、d均为固定值,因此,结合双参数矩阵法,通过观察输出 谱波长的移动量和强度的变化量即可反推出外界的氢气浓度和温度大小,不仅可解决温度 对氢气浓度测量的交叉敏感问题,还可以实现氢气浓度和温度的同时监测,避免温度过高 所引起的潜在的氢气爆炸危险,此外,其独特的反射式传感探头结构有利于信号的远传,为 氢气浓度的远距离、实时在线监测提供了可能。
【主权项】
1. 一种反射式的光纤氢气浓度测量方法,包括宽谱光源1、参考单元2、传感单元3和光 谱仪4,其特征在于:所述的参考单元2是一个高双折射光纤环镜,其结构参数固定且不受任 何外界环境参数的影响,所述的传感单元3是一个反射式的高双折射光纤环镜,其尾端的反 射式传感探头将根据实际需要安置在被测环境附近,宽谱光源1发出的光依次经过参考单 元2和传感单元3后,进入光谱仪4进行光波长和光强度的测量,最后,通过测量参考单元2和 传感单元3级联后的总透射谱的变化量来反推氢气浓度的变化。2. 如权利要求1所述的一种反射式的光纤氢气浓度测量方法,其特征在于:所述的反射 式传感探头由单模光纤8、表面镀有钯基氢敏膜的高双折射光纤9、单模光纤10和充满酒精 的毛细管11串联而成,其中,高双折射光纤9与单模光纤8之间通过熔接机进行熔融连接,同 样,高双折射光纤9与单模光纤10之间也通过熔接机进行熔融连接,而单模光纤10的尾端将 在切平整后直接插入充满酒精的毛细管11中,并在毛细管11的端口处用UV胶进行密封。
【文档编号】G01N21/27GK105866045SQ201610189418
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】张亚男, 赵勇, 李晋, 吕日清
【申请人】东北大学
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